第2章-基本元件模型

1、返回,Fundamental of Power System Analysis电力系统分析基础,Chapter 2 Parameters, Models of Power System Elements 电力系统基本元件参数和模型,Parameters and mathematic model of transmission line Parameters and mathematic model of reactor Parameters and mathematic model of transformer Parameters and mathematic model of genera

2、tor Network equivalent Calculation with actual value Network equivalent calculation with per unit value,Outlines,认识电力输电线,返回,Overhead Transmission line overhead ground wire Conducting wire Insulator (arc ring) armourclamp (hardware) Tower Stay wire Base Earthing (grounding) device Power Cable,导线和避雷线,

3、性能要求 机械强度高 抗腐蚀能力强 导电性好 构成材料（铝、钢、铜） 导线和避雷线均采用裸线。导线的作用是传输电能，避雷线的作用是将雷电流引入大地保护电力线路免受雷击，因此它们都应有较好的导电性能。导线和避雷线用架设在户外，除了要承受导线自身重量、风压、冰雪及温度变化等产生的机械力作用外，还要受空气中有害气体的化学腐蚀作用。 应有较高的机械强度和抗化学腐蚀能力。 导线常用的材料有铜、铅、铝合金和钢等。,导线和避雷线,避雷线可靠接地（和铁塔及接地线可靠连接，无绝缘子） 导电新能好的的金属 银铜铝铁 成本银铜铝铁 机械强度铜、铁铝、银 空气中的抗腐蚀性铜、铝较好，铁易锈蚀，差 常用铝作为导线，为增

4、加强度，可加钢芯，成钢芯铝绞线。铜常用作电缆导体,返回,导线和避雷线,架空线的杆塔,用于支持导线和避雷线。 分类 直线塔，它又称为中间塔，主要用来悬挂导线（大部分为此类） 耐张杆塔，它又称为承力杆塔，主要用来承担线路正常及故障（如断线）情况下导线的拉力，同时使线路分段，便于施工和检修，限制故障范围。在耐张用上，绝缘子用不象直线搭上那样与地面垂直，而象是导线的延续。杆塔两边同一根导线是通过跳线（Wire Jumper）来接通的。 终端塔，它是最靠近变电所的一座杆塔，用来承受最后一个耐张档区导线的单向拉力。如果没有终端杆塔，则拉力将由变电所建筑物承担，这将增加变电所的造价。 转角塔，它用干线路拐弯

5、处，承受侧向拉力。拐角较大时做成耐张塔的型式，拐角较小时也可做成直线搭的型式。 特种塔。它是在特殊情况下使用的一种杆塔，如导线换位用的换位塔，跨越河流、山谷等跨距很大的跨越杆塔等。,返回,返回,500kV 转角塔,500kV 直线塔,220kV 直线塔,220kV 海湾大跨越铁塔,220kV 单回路组合兀型电杆,110kV转角塔,110kV 直线塔,3kV输电电杆,电力系统绝缘子,作用 隔离带电导体与大地或不同电位的带电导体 形成绝缘距离 分类 及应用 绝缘瓷瓶(porcelaininsulator)，单个使用，10kV以下线路 针式绝缘子(Suspension Insulator)，单个使用

6、，35kV以下线路 悬式绝缘子(porcelain post insulator)，多个串联使用，35kV以上线路 支柱绝缘子(Post insulator)，绝缘与支撑，母线绝缘 绝缘套筒(insulating bush)，导线穿越，如变压器出线 瓷横担(Porcelain Cross-Tam)，用于绝缘，又用于支撑，线路,返回,针式、悬式绝缘子,针式绝缘子,悬式 绝缘子,支柱绝缘子,母线和支柱绝缘子,瓷横担用作线路绝缘,瓷横担,变压器绝缘套管,返回,电力电缆,电缆线路 优点 占地少 供电可靠 比较安全 缺点 造价高 检修困难,电力线路的电磁效应与参数,线路通电流： 发热，消耗有功功率R 交

7、流电流交变磁场感应电势(自感、互感)抵抗电流X 电流效应串联 线路加电压： 绝缘漏电(较小)，一定电压下发光、放电(电晕)G 电场线/线、线/大地电容交变电压产生电容电流B 电压效应并联,电力线路参数,分别用单位长(每公里)参数r、x、g、b表示 架空线受气候、地理、架设的影响，r、x、g、b要变。 电缆线路参数不可解析计算，但尺寸标准化，受外界影响小，由厂家提供参数，一般不变（不予研究）。,有色金属导线架空线路的电阻 计算用电阻率大于直流电阻率的原因 计及集肤效应 绞线每股长度略长于导线长度 计算额定截面积略大于实际截面积 钢芯铝线的电阻只考虑铝线部分 电阻的温度修正 有色金属导线单相架空线

8、路的电抗 考察单根导线所产生的磁场，计算电感 运用迭加原理考察单相线路产生的磁场，计算电感,有色金属导线三相架空线路的电抗 运用迭加原理考察三相线路产生的磁场 运用三相换位和三相电流平衡，简化磁场表达式，计算电感 互几何均距： 几何平均半径： 结论 线路电抗与导线半径成减函数关系 线路电抗与相间距成增函数关系 总的来说，由于对数的关系，使得线路电抗与导线半径、线路布置关系不大，架空线的电抗一般为：0.4/km,电力线路电抗的计算,降低X： 增大导线半径 减少导线相间距,分裂导线,分裂导线三相架空线路的电抗 计算公式 等值半径： 当二分裂时， 当三分裂时， 当四分裂时， 分裂间距： 结论 分裂导

9、线电抗与分裂根数成减函数关系 分裂导线电抗与分裂导线间的几何均距成减函数关系,电力线路的阻抗,几点说明 同杆线路的阻抗：两回线路相互影响，存在互感，但如果三相电流对称，则可以忽略。 不换位线路的阻抗：相与相之间存在互感，但但如果三相电流对称，则可以忽略。 电缆线路的电阻略大于相同截面积的架空线路，电抗则小得多，这是因为三相导体间的距离远小于同样电压等级的架空线。 为保证线路参数的对称，架空线一般需采用整循环换位,电力线路的电导,架空线路的电导： 线路电导取决于沿绝缘子串的泄漏和电晕，不能严格分析 在计算时，一般可忽略，设电导为0 架空线路的电晕临界电压： 电晕临界电压指能发生电晕的最低电压，与

10、以下因素有关：材料表面光滑程度，天气，空气密度，材料半径，三相排列位置，分裂情况等。 计算公式 导线三相水平排列时，边相导线的电晕临界电压比中间相高 线路结构方面，能够影响电晕临界电压的只有相间距和导线半径。 增大相间距会大大增加线路投资 因此可以采用分裂导线或扩径导线来提高电晕临界电压。,电力线路的电纳,三相架空线路的电纳 电纳与导体周围电场有关(对地电容，相间电容)，与导线是否导磁无关，因此，各类导线线路电纳计算方法相同。 计算公式 (后者分裂导线) 结论 线路电纳与导线半径成增函数关系 线路电纳与相间距成减函数关系 总的来说，由于对数的关系，使得线路电纳与导线半径、线路布置关系不大，架空

11、线的电纳一般为 2.85x10-6S/km 分裂导线电纳与分裂根数成增函数关系 分裂导线电纳与分裂导线间的几何均距成增函数关系,中短电力线路的等值模型,当传输线的长度 l，称为短线，可以忽略电磁波沿线传播所需的时间，即不计滞后效应，可用集中参数的电路来描述。 L100km，电压低于35kV，短线路，忽略电导电纳 电压110330kV，L：100300km(架空线)，L100km(电缆)，中长线路，不能忽略电纳,短线路,中、短电力线路的数学模型,中长线路,T参数表示,整理，用T参数表示,长线路的分布参数模型,长线，电磁波的滞后效应不可忽视，沿线传播的电磁波不仅是时间的函数，而且是空间坐标的函数，

12、必须用分布参数电路来描述。 电容、电感、电阻、电导连续且均匀地分布在整个传输线上；可以用单位长度的电容C0、电感L0 、电阻R0 、电导G0来描述传输线的电气性质； 整个传输线可以看成是由许许多多微小的线元x 级联而成； 每一个线元可以看成是集总参数的电路，因而可以将基尔霍夫定律应用到这个电路的回路和结点。,长线路的分布参数模型,均匀传输线,在x0时,均匀传输线方程也称为电报方程，反映沿线电压电流的变化。 均匀传输线沿线有感应电势存在，导致两导体间的电压随距离 x 而变化；沿线有位移电流存在，导致导线中的传导电流随距离 x 而变化 ； 均匀传输线方程适用于任意截面的由理想导体组成的二线传输线。

13、,长线路电压电流随长度的关系,均匀传输线工作在正弦稳态时，沿线的电压、电流是同一频率的正弦时间函数，因此，可以用相量法分析沿线的电压和电流。,特性阻抗,传播常数,长线路的实用模型,分布参数模型复杂，不利于计算 实用模型简化处理（中等长度模型的修正） 300750km（架空线）；100250km（电缆）,电抗器（Reactor）,电抗器作用有两个 限制短路电流（限流），串联使用。 吸收电网多余无功（超、特高压长线路），并联使用 电抗器参数 铭牌参数给定：URN,IRN,XR% 铭牌参数给定:UN,QN,电容器（Capacitor）,电容器作用有两个 降低线路阻抗，提高线路输送容量，串联（串补）使

14、用。 对电网进行无功补偿，并联使用 电容器参数 铭牌参数给定：UN,CN,QN 或者,变压器（Transformer）,通过电、磁耦合，实现变压、变流作用 变压器可分为双绕组、三绕组；自耦变，分裂变，升压变、降压变，带负载调压变等。 变压器核心原理：交流-铁芯线圈电路 变压器使仅次于发电机的昂贵设备 变压器T型，型、简单等效电路,变压器出厂试验及试验参数,短路试验：二次侧短路，一次侧通过调压器加压(从低往高加)，直到一次侧电流达到额定值(此时一次侧电压很低，二次侧电流也达到额定值)，测得短路损耗Pk和电压Uk% 短路损耗，可用于计算电阻 短路电压百分比，可用于计算电抗 空载试验：二次侧开路，一

15、次侧加额定电压(一次侧电流很小，二次侧电流为0)，测得空载损耗P0和空载电流百分比I0% 空载损耗 空载电流百分比,变压器参数计算(双绕组),基准单位,UNkV SNMVA PkkW,空载试验时，励磁电流主要为无功电流，I0Ib,三绕组变压器等效模型(存在一个虚拟的中间节点) 三绕组短路试验参数分为三组，Pk(1-2),Pk(2-3),Pk(3-1)；Uk(1-2)%,Uk(2-3)%,Uk(3-1)% 空载试验仍为1组P0,I0% 3个绕组额定容量可为：1:1:1；2:2:1；2:1:2三种形式，可能涉及换算。,变压器参数计算(三绕组),先将短路损耗或短路电压百分比折算到各侧阻抗， 然后按双

16、绕组公式计算 对于三侧额定容量不同的情况，由于短路试验时只能按容量小的一侧进行，需要进行参数折算。 计算电抗时不进行归算，因为试验给出的电压已进行归算(到各侧额定电流),变压器参数计算(三绕组),三绕组变压器的绕组排列,升压与降压变压器绕组空间排列位置不同 升压结构中，低压绕组与中、高压绕组联系均很紧密，利于功率从低向、高中压传递 升压结构中Uk(2-3)%,Uk(3-1)%相对较小（漏磁通小）,降压结构中，功率主要从高压侧向中压侧流动，高压侧在外，易于散热,自耦变压器(Autotransformer),高中压侧绕组部分共用 只能用于中性点直接接地系统 高中压侧接成星型接地 第三绕组接成三角形

17、，主要是由于屏蔽三次谐波（铁芯饱和） 第三绕组容量小 和普通三绕组变压器参数计算相同，但试验参数，无论是短路损耗，还是短路电压百分比都是未经过归算的，所以计算前先需要归算,例,发电机和负荷的参数及模型,发电机可用电压源和电流源模型表示 发电机出厂参数SN,PN, cos,UN,XG%,负荷可表示 恒功率 恒阻抗 负荷静特性 感应电动机机械特性 综合负荷模型,同步发电机运行限制,原动机功率限制，最大最小有功限制，HN,QB 定子绕组三相电流限制(定子温升，视在功率限制，弧LNJ) 励磁电流的限制，弧NB 定子端部发热限制，HQ 同步稳定限制，HQ 进相运行一般需要测量，汽轮机功率因数0.95,水

18、轮机可到0.90.95,简单电力系统等效网络,不同电压等级网络参数需要归算到同一电压等级下 有名值下归算步骤 选基本电压等级（一般取最高电压等级） 确定额定电压比 参数归算 实际额定电压比（准确计算） 平均额定电压比（近似计算）,简单电力系统等效网络,精确归算 待归算级下的参数Z，Y，U，I 归算到归算级后的参数为Z，Y，U，I 则：Z=K2Z;Y=Y/K2,U=kU,I=I/k K=k1*k2*Kn 近似归算 上式k取平均额定电压比 可忽略中间级电压，只需待归算级和基准级平均额定电压比即可,平均额定电压,例,标幺制（Per Unit System） 标幺值 标幺值无量纲，（明晰其物理含义必须知道基准值） 结果清晰，基准值得当的话，结果数值很简洁 标幺值计算方便，可统一单相与三相的计算公式 百分比参数实际上就是以自身额定值为基准的标幺值（*100） 基准值选择 三相系统为例 一般给定SB,UB，则,标幺值下的等值参数,多电压等级下的标幺值等值参数