电力系统各元件的特性和数学模型省公开课金奖全国赛课一等奖微课获奖课件

电力系统各元件特征和数学模型姜彤华北电力大学8/18/202411/67电力线路结构导线避雷线绝缘子金具杆塔架空线路电缆线路电力线路导体绝缘层保护包皮8/18/202422/67架空线路导线---传导电流，担任传送电能任务。

铝绞线，钢芯铝绞线，合金绞线、钢绞线避雷线---将雷电流引入大地，保护电力线路免遭直击雷破坏杆塔---支撑导线和避雷线，使导线与导线、导线与大地保持一定安全距离绝缘子---使导线和杆塔之间保持足够绝缘距离金具---连接导线，使导线固定在绝缘子上，并将绝缘子固定在杆塔上。

8/18/202433/67导线和避雷线架空线路材料------铜、铝和铝合金避雷线材料------钢线钢芯铝绞线：LGJ-----普通钢芯铝绞线，铝/钢截面比为5.3~6.1;LGJQ---轻型钢芯铝绞线,铝/钢截面比为7.6~8.3;LGJJ---加强型钢芯铝绞线,铝/钢截面比为4~4.5;比如：LGJ—240表示普通钢芯铝绞线，其铝部分截面积为240mm2分裂导线作用：降低导线电晕损耗降低导线电抗8/18/202444/67杆塔木杆钢筋混凝土杆铁塔耐张杆塔(承力杆塔)直线杆塔(中间杆塔)转角杆塔终端杆塔特殊杆塔(跨越杆塔、换位杆塔)杆塔8/18/202455/67换位定义：因为三相导线在杆塔上排列经常是不对称，将使三相导线感性和容性电抗不对称，为此在线路上每隔一定距离将三相导线进行轮番变换位置，称为换位。目标：消除因为位置原因引发不对称电抗所以消除产生电流畸变8/18/202466/67概念档距---架空线路相邻杆塔间水平距离钢筋混凝土杆---150~400米（110kV~220kV）铁塔---150~500米弧垂---导线最低点与悬挂点之间垂直距离架空线对地最小距离（居民区）：35~110kV---7米154~220kV---7.5米330kV---8.5米线间距离：380/220V：0.6~1米6~10kV：0.8~1.5米110kV：3~4.5米220kV：5~7.5330kV：6~10米8/18/202477/67绝缘子材质：瓷质、玻璃质、硅橡胶架空线绝缘子：针式绝缘子：35kV及以下悬式绝缘子：35kV以上长度：35kV---------3片220kV------13片60kV--------5片330kV------19片110kV------7片500kV------24片8/18/202488/67金具定义---组装架空线各种金属部件总称包含：悬垂线夹耐张线夹接续金具联结金具保护金具…...8/18/202499/67输电线路电气参数

输电线路电阻发烧效应电抗磁场效应电纳电场效应电导电晕和泄漏损耗8/18/20241010/671、线路电阻

使导线消耗有功并发烧，造成电压降落。

（Ω/km）

r1-------每相导线单位长度电阻，ρ------导体材料电阻率S------导体额定截面积

8/18/20241111/672、线路电抗

当交流电流经过时，产生电抗压降并消耗无功功率。

x1-----每相导线单位长度电抗r------导线半径n------导线分裂数Djp-----三相导线几何平均距离，简称几何均距

（Ω/km）

铜、铝导线钢导线与铜铝导线主要差异在于钢导线导磁，以致它两个与磁场之间或间接相关参数——电阻和电抗，也与铜铝导线不一样。钢导线电阻和电控难以用分析方法决定，主要依靠实测。8/18/20241212/67几何均距主要与导线详细布置相关任意布置：按等边三角形布置：按水平布置：注意：当三相导线为非正三角形布置时，因为各相导线相互间在几何位置上不对称，即使经过平衡三相电流，三相中各相导线感抗值也不相等，为使三相导线感抗值相等，输电线路各相导线必须进行换位。当前对电压在110kV以上，线路长度在100公里以上输电线路普通均需要进行完全换位。8/18/20241313/673、线路电纳因为输电线路运行时各相间和相对地间都存在电位差，因而相间和相对地间有电容存在。

（S/km）

b1-----每相单位长度容纳普通架空线路b1经典值为3*10-6（s/km）

8/18/20241414/674、线路电导电晕产生原因：导线表面电场强度高于产生电晕临界电场强是强电场作用下导线周围空气电离现象与导线本身相关，还与导线周围空气条件相关电晕危害：电晕不但损耗有功功率，还产生噪音，空气放电时产生脉冲电磁波对无线电通信、电视接收等产生干扰，使导线表面发生腐蚀，降低导线使用寿命8/18/20241515/67电晕功率损耗电晕损耗功率与电压平方成正比，线路实际运行电压高于电晕临界电压时，将发生电晕。这是，每相电晕损耗功率可按下式计算：ΔPc-----电晕损耗功率（kW/km）Uφ------线路实际运行相电压（kV）Ucr------电晕临界电压（kV）Kc------与空气相对密度、概率、导线几何尺寸等相关系数8/18/20241616/67线路电导输电线路在输送功率时，在周围绝缘介质中还会产生电晕损耗和绝缘子串泄露损耗。（S/km）g1----每相线路单位长度电导ΔPg----三相线路每千米三相总电晕损耗U----线路线电压

8/18/20241717/67防止电晕办法对不一样电压等级架空线限制其导线直径大于某个最小值。（66kV及以下架空线路无须校验其最小直径）采取分裂导线或扩径导线应该指出实际上，因为泄漏通常很小，而在设计线路时，就已经检验了所选导线半径能否满足清凉天气不发生电晕要求普通情况下都能够设g=0。8/18/20241818/675、输电线路等值电路说明：线路四个参数实际上是沿线路均匀分布，为简化计算，工程上按照线路长度，将其分为短线路、中等长度线路、长线路，对短线路、中等长度线路，用集中参数等值电路表示，对长线路计及分布参数特征。8/18/20241919/671）短线路长度不超出100km架空线路，线路电压不高时可略去电纳B，Z=R+jX8/18/20242020/672）中等长度线路长度在100~300km之间架空线和不超出100km电缆线路。采取“Π”或“T”形等值电路表示。其中“Π”形等值电路在工程中应用较广。8/18/20242121/673）长线路长度超出300km架空线路和长度超出100km电缆线路。工程上假如只要求计算线路始末端电压、电流和功率，仍可采取集中参数来表示，其中线路总电阻、总电抗、总容纳用修正系数来修正。8/18/20242222/67变压器参数及等值电路8/18/20242323/671、双绕组变压器等值电路双绕组变压器等值电路：用一相表示，反应励磁支路导纳接在电源侧，有时为了简化计算，略去变压器导纳。一字形等值电路Г形等值电路

8/18/20242424/67变压器短路试验将一侧绕组短路，另一侧绕组施加电压，使短路一侧电流到达额定电流，此时，测得变压器有功功率损耗为短路损耗。短路损耗因为短路试验时施加电压比额定电压小得多，故铁损很小可略去不计，则短路损耗近似等于变压器绕组经过额定电流时在一、二次绕组电阻上产生铜损，由此可计算变压器一、二次绕组等值电阻。短路电压百分数变压器绕组中经过额定电流时在阻抗上产生电压降相对于额定电压百分数，因为大型变压器电抗远大于电阻，由此可计算变压器一、二次绕组总等值电抗。8/18/20242525/67变压器空载试验变压器一侧开路，另一侧加额定电压，测得变压器有功损耗即空载损耗，空载电流对额定电流百分数即空载电流百分数。空载损耗空载电流相对于额定电流小得多，空载时绕组上功率损耗很小，所以近似认为变压器空载损耗为铁芯损耗，用电导表示，故由空载损耗可计算变压器等值电导。空载电流百分数变压器空载电流中包含有功分量和无功分量，与空载损耗对应是有功分量，与励磁功率对应是无功分量，因为有功分量很小，因而无功分量和空载电流近似相等，由此可计算表示变压器励磁特征参数电纳。8/18/20242626/67电阻（一、二次绕组总电阻）

（Ω）

ΔPKN----------变压器额定短路容量，kW；SN-----------变压器额定容量，MVA；UN-----------变压器额定电压，kV。

8/18/20242727/67电抗（一、二次绕组总电抗）

（Ω）

UK%为短路电压百分值

8/18/20242828/67电导（铁芯损耗）

（S）

ΔP0----------变压器空载损耗，kW；UN----------变压器额定电压，kV。

8/18/20242929/67电纳（励磁特征）

（S）

I0%为变压器空载电流百分值

注意：上述计算结果是指归算到某一电压侧值，公式中代入哪一侧电压，就是归算到哪一侧参数。

8/18/20243030/672、电力变压器结构及铭牌参数变压器型式：普通、自耦变、分裂变油浸式、干式三相、单相双绕组、三绕组有载调压、普通(不能有载调压)接线组别冷却方式8/18/20243131/67电力变压器结构结构：铁芯、绕组、油箱、引出线、绝缘套管、分接开关、冷却系统、保护装置铭牌参数：额定容量、额定电压、短路电压百分值、空载电流百分值、短路损耗、空载损耗等8/18/20243232/67其中产品型号以下所表示。变压器型号产品型号高压绕组电压等级(kV)额定容量（kVA）设计序号8/18/20243333/67变压器产品型号相数，单相D，三相S绕组外绝缘介质，变压器油，空气G（K），成型固体C冷却方式，油浸自冷（J），空气自冷，风冷F，水冷W（S）油循环方式，自然循环，强迫油导向循环D，强迫油循环P绕组数，双绕组，三绕组S调压方式，无激磁调压，有载调压Z绕组导线型号，铜，铝（L）绕组耦合方式，自耦O注：自耦变作升压用时，O列在型号后，作降压用时O列在型号前8/18/20243434/67变压器型号举例ODFPSZ-250000/500OSFPSZ-360000/500SFP-300000/500SSP3-180000/220SFPZ7-0/220SFPS1-180000/220SSPSO3-10/2208/18/20243535/67电力系统负荷类型负荷---用户用电设备所消耗功率称为负荷，也称电力系统综适用电负荷。用电设备包含：异步电动机、同时电动机、电热炉、整流设备、照明设备等。负荷曲线---某一时间段内用电负荷随时间改变曲线图。8/18/20243636/67负荷曲线种类有功负荷曲线日负荷曲线无功负荷曲线年负荷曲线用户负荷曲线电力线路负荷曲线变电所负荷曲线发电厂负荷曲线电力系统负荷曲线√√8/18/20243737/67有功日负荷曲线（折线法）几个名词：日最小负荷尖峰负荷或最大负荷最小负荷以下负荷最大与最小负荷之差用途：是系统调度部门安排电能生产计划基础8/18/20243838/67有功日负荷曲线（阶梯法）8/18/20243939/67日负荷曲线依据日负荷曲线能够计算用户日用电量进而能够求出日平均负荷8/18/20244040/67日负荷曲线负荷率——反应负荷曲线起伏情况负荷率值越小，表明负荷曲线起伏越大，发电机利用率较差。负荷率值越大，说明曲线越靠近直线，一天各时段负荷波动小。日平均负荷日最大负荷8/18/20244141/67日负荷曲线负荷曲线对电力系统有很主要意义，它是安排日发电计划，确定各发电厂发电任务以及确定系统运行方式等主要依据。每日最大负荷不尽相同，普通是年初底，年末高。夏季小于冬季。把天天最大负荷抽取出来按年绘成曲线，成为年最大负荷曲线。8/18/20244242/67年最大负荷曲线用途：安排各发电厂检修计划依据；安排新装机组计划依据8/18/20244343/67年连续负荷曲线把一年内每个小时负荷按其大小为先后排列而成。用于安排发电计划及可靠性预计。8/18/20244444/67年连续负荷曲线按年最大负荷曲线可求出整年电能消耗量最大负荷利用时间不一样性质用户、不一样生产班次，最大负荷利用时间不一样，依据运行经验能够得到一个大致范围。8/18/20244545/67最大负荷利用小时数若已知某一类用户最大负荷，能够从表中查处对应最大负荷利用时间来求出该类用户整年用电量近似值。负荷类型Tmax(h)负荷类型Tmax(h)照明及生活用电－3000三班制企业6000－7000一班制企业1500－2200农业用电1000－1500二班制企业3000－45008/18/20244646/67负荷数学模型电力系统基本计算中，负荷是一个主要变量。负荷模型分类：恒阻抗模型、异步电动机模型、静态负荷模型静态负荷模型：恒阻抗恒电流恒功率8/18/20244747/67忽略负荷随电压和频率改变单相负荷三相负荷采取恒功率方式表示负荷（容性）

（容性）

（感性）

（感性）

8/18/20244848/67有功负荷（kW或MW）无功负荷(kvar或Mvar)视在功率(kVA或MVA)注意：式中,U----线电压，I---线电流负荷功率与电压电流关系8/18/20244949/67标幺值与标幺制电力系统计算方法：有名制、标幺制。采取标幺值目标是为了简化计算和便于对计算结果作出分析和评价。什么是标幺值？一个物理量标幺值定义：8/18/20245050/67一个物理量标么值标幺值实际上是一个相对值，确定一个物理量标幺值首先要选定基准值，同一个物理量，假如基准值选择不一样，标幺值将不一样。电压、电流、功率、阻抗、导纳标幺值计算以下：8/18/20245151/67标幺值计算8/18/20245252/67基准值选择基准值选择标准上是任意，通常选该设备额定值作为基准值或全系统选取一个便于计算共同基准值，各量之间应服从功率方程和电路欧姆定律。8/18/20245353/67基准值选择在电力系统三相电路分析计算中，习惯采取线电压、线电流、三相功率和一相等值阻抗，各物理量之间满足以下关系：8/18/20245454/67各物理量基准值之间关系与实际有名值之间关系相同，所以在标幺制中有：结论三相电路计算公式与单相电路计算公式完全相同；线电压和相电压标幺值相同；三相功率和单相功率标幺值相同。标么值之间关系8/18/20245555/67基准值选取实际计算中，通常先选定三相视在功率和线电压基准Sj和Uj，再计算其余三个量基准Ij、Zj、Yj：注意：单一电压级网络标幺值等值电路，其各元件标幺值阻抗，必须是在同一个基准值下计算出来。8/18/20245656/67功率和电压基值选取习惯功率基值100MVA或1000MVA电压基值设备额定电压电力网平均电压考虑线路首端变压器二次侧电压比线路额定电压高10%，而接在线路末端变压器一次侧电压等于线路额定电压，这两个值平均值作为电力网平均电压8/18/20245757/67电力网额定电压与平均电压UN(kV)0.383610Uav(kV)0.43.156.310.5UN(kV)35110220330Uav(kV)371152303458/18/20245858/67不一样基准值标幺值之间换算在进行电力系统计算时，须将原来以本身额定值为基准各元件阻抗标幺值换算成统一基准值标幺值。换算公式以下：若统一基准为Sj和Uj8/18/20245959/67其它量标么值计算除去电压、电流、功率、阻抗这些量需要用标么值表示之外，计算过程中还会碰到频率、角速度、时间等量也需要表示成标么值。令8/18/20246060/67采取标幺制优点三相计算公式与单相计算公式一致。省去了倍常数，无须考虑相、线差异。多级电压网中可防止按变比往返归算。在准确法中，只需对基准电压归算一次。而在近似计算中则无须归算，使计算大大简化。使各型号设备参数便于比较，易于识别设备性能。不一样型号发电机、变压器参数有名值差异很大，而用标么值表示后就比较靠近。轻易对计算结果做分析、比较和判断。比如，电压幅值应该都在1附近，过大或过小都说明计算有误。8/18/20246161/67采取标么值缺点无量纲物理概念不直观。 不过，因为标么值计算既降低了换算过程，而且编写程序比较统一，对与交流系统计算很有好处。所以，商业软件中，系统分析软件内部实现都采取标么值参数。8/18/20246262/67变压器π型等值模型在以上讨论中，不论采取有名值或标幺值，凡包括变压器多级网络计算，都必须将网络中全部参数和变量归算到同一电压等级，这是因为以Γ型或Τ型等值电路作为变压器模型时，这些等值电路模型并不