電力工程基礎課件程燈亮第3章電力網

電力工程基礎第三章電力網2023/2/413.1電力網的接線方式3.2電力系統(tǒng)元件參數(shù)和等效電路3.3電力網的電壓計算3.4輸電線路導線截面的選擇2023/2/42第3章電力網3.1電力網的接線方式電力網的接線好似用來表示電力網中各主要元件相互連接關系的。電力網的接線對電力系統(tǒng)運行的安全性、經濟性和對用戶供電的可靠性都有極大的關系。2023/2/43

一、概述3.1電力網的接線方式2023/2/441．無備用接線方式（開式電力網）圖3-1開式電力網a）單回路放射式b）單回路干線式c）單回路鏈式優(yōu)點：簡單明了、運行方便，投資費用少。缺點：供電的可靠性差。按職能分：輸電網和配電網按布置方式分：放射式、干線式、鏈式、環(huán)式及兩端供電式按對供電可靠性的要求分：無備用接線和有備用接線2023/2/452．有備用接線方式（閉式電力網）圖3-2有備用接線a）雙回路放射式b）雙回路干線式c）雙回路鏈式d）環(huán)式e）兩端共電式優(yōu)點：供電可靠性高，適用于對一級負荷供電。2023/2/46

由地區(qū)變電所或企業(yè)總降壓變電所6～10kV母線直接向用戶變電所供電，沿線不接其他負荷，各用戶變電所之間也無聯(lián)系，如圖3-3所示。圖3-3放射式接線優(yōu)點：結構簡單、操作維護方便、保護裝置簡單，便于實現(xiàn)自動化。缺點：供電可靠性較差，只能用于三級負荷和部分次要的二級負荷。

二、放射式接線72023/2/4

為了提高供電的可靠性，可采用來自兩個電源的雙回路放射式接線，如圖3-4所示。圖3-4雙回路放射式接線優(yōu)點：供電可靠性高，任一回路、任一電源發(fā)生故障都能保證不間斷供電，適用于一類負荷。缺點：從電源到負載都是雙套設備，互為備用，投資大，且維護困難。2023/2/48直接連接干線式（如圖3-5a所示）優(yōu)點：線路敷設簡單，變電所出線回路數(shù)少，高壓配電裝置和線路投資較小，比較經濟。缺點：供電可靠性差，當干線發(fā)生故障或檢修時，所有用戶都將停電。適用于分支數(shù)目不多、變壓器容量也不過大的三級負荷。

三、干線式接線圖3-5干線式接線a)直接連接干線式b)串聯(lián)型干線式2023/2/49

為了提高供電的可靠性，可采用雙干線式或兩端供電干線式。串聯(lián)型干線式（如圖3-5b所示）圖3-6雙回路干線式接線方式

特點：干線的進出側均安裝了隔離開關，當發(fā)生故障時，可在找到故障點后，拉開相應的隔離開關繼續(xù)供電，從而縮小停電范圍，使供電可靠性有所提高。

四、環(huán)式接線普通環(huán)式：把兩路串聯(lián)型干線式線路聯(lián)絡起來，如圖3-8所示。2023/2/410

圖3-7兩端供電干線式接線方式3-8普通環(huán)式接線有兩種運行方式：開環(huán)運行：正常運行時環(huán)形線路在某點斷開。開環(huán)點位置的選擇：應使正常配電時開環(huán)點的電壓差為最小閉環(huán)運行：正常運行時環(huán)形線路沒有斷開點。2023/2/411優(yōu)點：供電可靠性高，運行靈活；缺點：導線截面按有可能通過的全部負荷來考慮，投資高。拉手環(huán)式（“手拉手”接線）

：將放射式接線改造成雙電源供電，中間以聯(lián)絡開關將兩段線路連接起來，如圖3-9所示。圖3-9拉手環(huán)式接線優(yōu)點：供電可靠性較高，易于實現(xiàn)配電網自動化。

正常運行時聯(lián)絡開關打開，當線路失去一端電源時，將聯(lián)絡開關合上，從另一端電源對失去電源線路上的用戶供電。低壓配電系統(tǒng)也有放射式、干線式、環(huán)式等接線方式。3.2電力系統(tǒng)元件參數(shù)和等值電路2023/2/412

一、電力線路的結構

1．架空線路

架空線路主要由導線、避雷線（即架空地線）、桿塔、絕緣子和金具等部件組成，如圖3-10所示。

圖3-10架空線路的結構導線和避雷線：導線的作用是傳導電流、輸送電能；避雷線的作用是將雷電流引入大地，以保護電力線路免遭雷擊。2023/2/413

架空線路采用的導線結構型式主要有單股、多股絞線和鋼芯鋁絞線三種，如圖3-11所示。圖3-11裸導線的構造a）單股線b）多股絞線c）鋼芯鋁絞線導線材料：要求電阻率小、機械強度大、質量輕、不易腐蝕、價格便宜、運行費用低等，常用材料有銅、鋁和鋼。導線的結構型式：導線分為裸導線和絕緣導線兩大類，高壓線路一般用裸導線，低壓線路一般用絕緣導線。2023/2/414架空導線的型號有：TJ——銅絞線LJ——鋁絞線，用于10kV及以下線路LGJ——鋼芯鋁絞線，用于35kV及以上線路GJ——鋼絞線，用作避雷線

桿塔：用來支撐導線和避雷線，并使導線與導線、導線與大地之間保持一定的安全距離。按材料分：有木桿、鋼筋混凝土桿（水泥桿）和鐵塔。按用途分：有直線桿塔（中間桿塔）、轉角桿塔、耐張桿塔（承力桿塔）、終端桿塔、換位桿塔和跨越桿塔等。桿塔的分類2023/2/415檔距：同一線路上相鄰兩根電桿之間的水平距離稱為架空線路的檔距（或跨距）?；〈梗簩Ь€懸掛在桿塔的絕緣子上，自懸掛點至導線最低點的垂直距離稱為弧垂。線間距離：380V為0.4～0.6m；6～10kV為0.8～1m；35kV為2～3.5m；110kV為3～4.5m。橫擔：電桿上用來安裝絕緣子。常用的有木橫擔、鐵橫擔和瓷橫擔三種。

橫擔的長度取決于線路電壓等級的高低、檔距的大小、安裝方式和使用地點等。2023/2/416三相四線制低壓線路的導線，一般都采用水平排列；三相三線制的導線，可三角排列，也可水平排列；多回路導線同桿架設時，可三角、水平混合排列，也可全部垂直排列；電壓不同的線路同桿架設時，電壓較高的線路應架設在上面，電壓較低的線路應架設在下面；架空導線和其他線路交叉跨越時，電力線路應在上面，通訊線路應在下面。導線在桿塔上的排列方式：2023/2/417絕緣子和金具：絕緣子用來使導線與桿塔之間保持足夠的絕緣距離；金具是用來連接導線和絕緣子的金屬部件的總稱。常用的絕緣子主要有針式、懸式和棒式三種。針式絕緣子：用于35kV及以下線路上，用在直線桿塔或小轉角桿塔上。懸式絕緣子：用于35kV以上的高壓線路上，通常組裝成絕緣子串使用（35kV為3片串接；60kV為5片串接；110kV為7片串接）。棒式絕緣子：棒式絕緣子多兼作瓷橫擔使用，在110kV及以下線路應用比較廣泛。2023/2/4182．電纜線路電纜的結構：包括導體、絕緣層和保護包皮三部分。

分為單芯、三芯和四芯等種類。單芯電纜的導體截面是圓形的；三芯或四芯電纜的導體截面除圓形外，更多是采用扇形，如圖3-12所示。圖3-12扇形三芯電纜1—導體2—紙絕緣3—鉛包皮

4—麻襯5—鋼帶鎧甲6—麻被導體：由多股銅絞線或鋁絞線制成。2023/2/419絕緣層：用來使導體與導體之間、導體與保護包皮之間保持絕緣。絕緣材料一般有油浸紙、橡膠、聚乙烯、交聯(lián)聚氯乙烯等。保護包皮：用來保護絕緣層，使其在運輸、敷設及運行過程中免不受機械損傷，并防止水分浸入和絕緣油外滲。常用的包皮有鋁包皮和鉛包皮。此外，在電纜的最外層還包有鋼帶鎧甲，以防止電纜受外界的機械損傷和化學腐蝕。2023/2/420電纜的敷設方式：直接埋入土中：埋設深度一般為0.7～0.8m，應在凍土層以下。當多條電纜并列敷設時，應留有一定距離，以利于散熱。電纜溝敷設：當電纜條數(shù)較多時，宜采用電纜溝敷設，電纜置于電纜溝的支架上，溝面用水泥板覆蓋。穿管敷設：當電力電纜在室內明敷或暗敷時，為了防電纜受到機械損壞，一般多采用穿鋼管的敷設方式。輸電線路的參數(shù)指：電阻、電抗、電導、電納電阻：反映線路通過電流時產生的有功功率損失效應。電抗：反映載流導線周圍產生的磁場效應。電導：反映電暈現(xiàn)象產生的有功功率損失效應。電納：反映載流導線周圍產生的電場效應。2023/2/421

二、輸電線路的參數(shù)計算及等值電路2023/2/422

二、輸電線路的參數(shù)計算及等值電路1．輸電線路的參數(shù)計算電阻：單根導線的直流電阻為：導線的交流電阻比直流電阻增大0.2%～1%，主要是因為：應考慮集膚效應和鄰近效應的影響；導線為多股絞線，使每股導線的實際長度比線路長度大;導線的額定截面（即標稱截面）一般略大于實際截面。

通常取;2023/2/423工程計算中，可先查出導線單位長度電阻值r1，則需要指出：手冊中給出的r1值，則是指溫度為20℃時的導線電阻，當實際運行的溫度不等于20℃時，應按下式進行修正：

式中，α為電阻的溫度系數(shù)(1/℃)，銅取0.00382（1/℃），鋁取0.0036（1/℃）。電抗：每相導線單位長度的等值電抗為：式中，μr為相對磁導率，銅和鋁的;r為導線半徑（m）；Sav為三相導線的線間幾何均距（m）。242023/2/4注意：為了使三相導線的電氣參數(shù)對稱，應將輸電線路的各相導線進行換位，如圖3-13所示。圖3-13一次整循環(huán)換位通常架空線路的電抗值在0.4Ω/km左右，則電納：每相導線單位長度的等值電容（F/km）為：

2023/2/425則單位長度的電納（S/km）為：一般架空線路b1的值為S/km左右，則電導：

電導參數(shù)是反映沿線路絕緣子表面的泄露電流和導線周圍空氣電離產生的電暈現(xiàn)象而產生的有功功率損耗。說明：通常架空線路的絕緣良好，泄露電流很小，可以忽略不計。電暈現(xiàn)象：在架空線路帶有高電壓的情況下，當導線表面的電場強度超過空氣的擊穿強度時，導線周圍的空氣被電離而產生局部放電的現(xiàn)象。2023/2/426

當線路電壓高于電暈臨界電壓時，將出現(xiàn)電暈損耗，與電暈相對應的導線單位長度的等值電導（S/km）為：因此，式中，為實測線路單位長度的電暈損耗功率（kW/km）。注意：通常由于線路泄漏電流很小，而電暈損耗在設計線路時已經采取措施加以限制，故在電力網的電氣計算中，近似認為。

在設計架空線路時依據(jù)電暈臨界電壓規(guī)定了不需要驗算電暈的導線最小外徑：110kV導線外徑不應小于9.6mm；220kV導線外徑不應小于21.3mm；60kV及以下的導線不必驗算電暈臨界電壓；220kV以上的超高壓輸電線，采用分裂導線或擴徑導線以增大每相導線的等值半徑，提高電暈臨界電壓2023/2/4272．輸電線路的等效電路一字型等效電路

：

用于長度不超過100km的架空線路（35kV及以下）和線路不長的電纜線路（10kV及以下）。π型或T型等效電路：（110～220kV）和長度不超過100km的電纜線路（10kV以上）。

用于長度為100～300km的架空線路圖3-14一字型等效電路圖3-15π型或T型等效電路a）π型b）T型2023/2/428

三、變壓器的參數(shù)計算及等效電路1．雙繞組變壓器

雙繞組變壓器采用Γ型等效電路，如圖3-16所示。35kV及以下的變壓器，勵磁支路可忽略不計，可用簡化等效電路。注意：變壓器等值電路中的電納的符號與線路等值電路中電納的符號相反，前者為負，后者為正；因為前者為感性，后者為容性。圖3-16雙繞組變壓器的等效電路a）Γ型等效電路b）勵磁支路用功率表示的等效電路c）簡化等效電路292023/2/4電阻RT：由于所以（Ω）

電抗XT：由于對小容量變壓器，則所以（Ω）

2023/2/430電導GT：變壓器的電導是用來表示鐵心損耗的。電納BT：變壓器的電納是用來表征變壓器的勵磁特性的。所以（S）

所以（S）

由得：

因此（S）

說明：以上各式中，U

、S、P、Q、的單位分別為kV、kVA、kW和kvar。2023/2/431２．三繞組變壓器三繞組變壓器的等效電路如圖3-17所示。圖3-17三繞組變壓器的等效電路a）勵磁回路用導納表示b）勵磁回路用功率表示2023/2/432電阻RT1、RT2、RT3三繞組變壓器容量比有三種不同類型：100/100/100：三個繞組的容量均等于變壓器的額定容量；100/100/50：第三個繞組的容量為變壓器額定容量的50%；100/50/100：第二個繞組的容量為變壓器額定容量的50%。

通過短路試驗可得到任兩個繞組的短路損耗、、，則每一個繞組的短路損耗為

對100/100/100的變壓器：2023/2/433由得：

所以2023/2/434

短路試驗有兩組數(shù)據(jù)是按50%容量的繞組達到額定容量時測量的值。因此，應先將各繞組的短路損耗按變壓器的額定容量進行折算，然后再計算電阻。如對容量比為100/100/50的變壓器，其折算公式為式中，、為未折算的繞組間短路損耗（銘牌數(shù)據(jù)）；、為折算到變壓器額定容量下的繞組間短路損耗。對100/100/50和100/50/100的變壓器：2023/2/435電抗XT1、XT2、XT3所以由得：電導GT與電納BT：同雙繞組變壓器。說明：1）廠家給出的短路電壓百分數(shù)已歸算到變壓器的額定容量，因此在計算電抗時，不論變壓器各繞組的容量比如何，其短路電壓百分數(shù)不必再進行折算。2）參數(shù)計算時，要求將參數(shù)歸算到哪一電壓等級，則計算公式中的UN為相應等級的額定電壓。2023/2/4363.3電力網的電壓計算

一、概述

電壓降落：是指線路首末端電壓的相量差，即

圖3-18線路的電壓降落和電壓損失相量圖電壓損失：是指線路首末端電壓的代數(shù)差，即

通常以線路額定電壓的百分數(shù)表示，即2023/2/437

二、地方電力網的電壓損失計算

1．放射形線路電壓損失計算

設線路首末端相電壓分別為和，負荷電流為I，負荷的功率因數(shù)為，則圖3-19放射式線路電壓損失相量圖a）放射式線路簡化電路圖b）電壓損失相量圖2023/2/438則一相的電壓損失為：為便于計算，用代替，則換算成線電壓損失為：式中，P、Q、UN、的單位分別為kW、kvar、kV和V。2023/2/4392．樹干式線路電壓損失計算各支線的負荷功率——用p、q表示；各段干線的功率

——用P、Q表示；各段線路的長度、電阻和電抗——分別用l、r和x表示；圖3-20樹干式線路電壓損失計算圖各負荷到電源之間的干線長度、電阻和電抗——分別用L、R和X表示。

若忽略各段線路的功率損耗，則每段干線的功率可用各支線的負荷功率表示，即2023/2/440l1段：l2段：l3段：各線干段的電壓損失為:l1段：l2段：l3段：n段干線的總電壓損失為各段干線的電壓損失之和，即2023/2/441若將各線干段的負荷用各支線負荷表示，則上式可寫成：電壓損失的百分數(shù)為或當各段線路的導線截面、功率因數(shù)相同時，有422023/2/43．均勻無感線路電壓損失計算

對于全線導線型號一致且可不計線路感抗或負荷的線路,其電壓損失百分數(shù)可表示為

式中,γ為導線的電導率；A為導線的截面；為線路的所有功率矩（或叫負荷矩）之和；C為計算系數(shù)，與線路電壓、接線方式及導線材料有關，可查表3-1。4．均勻分布負荷的三相線路電壓損失計算2023/2/443

設單位長度的負荷電流為i（A/km），則微小線段dl上的負荷電流為idl，這一負荷電流通過長度為l、電阻為r1l的線路所產生的電壓損失為∴上式說明：計算均勻分布負荷線路的電壓損失時，可以用一個與均勻分布的總負荷相等，位于均勻分布負荷中點的集中負荷等值代替。圖3-21具有均勻分布負荷的電力網2023/2/444

圖3-22a中，阻抗中流過的電流為

，則電壓降落為圖3-22輸電線路的π型等效電路及相量圖

a）等效電路

三、高壓電網中電壓損失的計算

圖中：稱為電壓降落的縱分量；稱為電壓降落的橫分量。b）相量圖2023/2/445線路首端電壓有效值為：說明：上述公式是按感性負荷下推出的，若為容性負荷，公式不變，無功功率Q前面的符號應改變。將上式按二項式定理展開并取前兩項可得因此當負荷為感性時，，經推導得：電壓降落縱分量電壓降落橫分量462023/2/4幾點說明:

對于110kV及以下電壓等級的電力網，可忽略電壓降落的橫分量，此時，電壓損失就等于電壓降落的縱分量，即

P2、Q2、U2的單位分別為kW、kvar

和kV

，且所有參數(shù)必須是線路上同一點的參數(shù)。電壓損失通常以線路額定電壓的百分數(shù)表示，即如果已知線路首端的參數(shù)

P1、Q1、U1，則2023/2/4473.4輸電線路導線截面的選擇

一、導線截面選擇的基本原則1．發(fā)熱條件：導線在通過正常最大負荷電流（計算電流）時產生的發(fā)熱溫度不超過其正常運行時的最高允許溫度。2．電壓損失條件：

導線或電纜在通過正常最大負荷電流時產生的電壓損失應小于電壓損失，以保證供電質量。3．機械強度條件：

在正常工作條件下，導線應有足夠的機械強度以防止斷線，故要求導線截面不應小于最小允許截面。4．經濟條件：

選擇導線截面時，即要降低線路的電能損耗和維修費等年運行費用，又要盡可能減少線路投資和有色金屬消耗量，通?？砂磭乙?guī)定的經濟電流密度選擇導線截面。2023/2/448

5．電暈條件：

高壓輸電線路產生電暈時，不僅會引起電暈損耗，而且還產生噪聲和無線電干擾，為了避免電暈的發(fā)生，導線的外徑不能過小。根據(jù)設計經驗，導線截面選擇的原則如下：對區(qū)域電力網：先按經濟電流密度按選擇導線截面，然后再校驗機械強度和電暈條件。對地方電力網：先按允許電壓損失條件選擇導線截面，以保證用戶的電壓質量，然后再校驗機械強度和發(fā)熱條件。對低壓配電網：通常先按發(fā)熱條件選擇導線截面，然后再校驗機械強度和電壓損失。2023/2/449

二、按發(fā)熱條件選擇導線截面

按發(fā)熱條件選擇三相系統(tǒng)中的相線截面的方法:應使導線的允許載流量Ial不小于通過相線的計算電流I30，即

此時，按發(fā)熱條件選擇截面的條件為：≥≥導線的允許載流量與環(huán)境溫度和敷設條件有關。當導線敷設地點的環(huán)境溫度與導線允許載流量所采用的環(huán)境溫度不同時，則允許載流量應乘以溫度校正系數(shù)，即502023/2/4或∴即銅導線允許載流量為同截面鋁導線允許載流量的1.3倍。環(huán)境溫度的規(guī)定：在室外，取當?shù)刈顭嵩缕骄鶜鉁?；在室內，取當?shù)刈顭嵩缕骄鶜鉁丶?℃。對埋入土中的電纜，取當?shù)刈顭嵩碌叵?.8～1m深處的土壤月平均氣溫。銅、鋁導線的等效換算:若近似認為銅、鋁導線的散熱情況相同，則其發(fā)熱溫度相同時，可認為其功率損耗相同，即：2023/2/451保護線（PE線）截面的選擇：保護線截面一般應不小于相線截面的一半，即≥0.5；當相線截面≤

16mm2時，可取。中性線（N線）截面的選擇：對動力線路，一般要求中性線截面應不小于相線截面的一半，即≥0.5；對照明線路，因中性線電流與相線電流相等，因此，可取。保護中性線（PEＮ線）截面的選擇：PEＮ線兼有中性線和保護線的雙重功能，截面選擇應同時滿足上述二者的要求，并取其中較大者作為PEＮ線截面，因此≥(0.5～1)。低壓系統(tǒng)中性線和保護線的選擇2023/2/452式中，為過流保護裝置的動作電流，對于熔斷器為熔體的額定電流，為絕緣導線或電纜的允許短時過負荷倍數(shù)。

≤需要指出：若上式不滿足要求，應加大導線截面，使Ial增大。按發(fā)熱條件選擇導線或電纜截面時，還必須與其相應的過流保護裝置（熔斷器或低壓斷路器的過流脫扣器）的動作電流相配合，以便在線路過負荷或短路時及時切斷線路電流，保護導線或電纜不被毀壞。因此，應滿足的條件是：2023/2/453

三、按允許電壓損失選擇導線截面由于導線截面對電抗的影響很小，所以，當、一定時，可認為近似不變。因此，可初選一種導線的單位長度電抗值（6～110kV架空線路取0.3～0.4Ω/km，電纜線路取0.07～0.08Ω/km），則2023/2/454而∴由得：若，可不計，則式中，為允許電壓損失（V）。說明：求出導線截面Ａ后，應選擇一個與其接近而偏大的標準截面作為導線截面。式中，UN、、pi、

Li、γ的單位分別為kV、V、kW、km

和。2023/2/455例3-1一條10kV線路參數(shù)如圖，試按允許電壓損失選擇其導線截面，并按發(fā)熱條件和機械強度進行校驗。解：（1）按允許電壓損失選擇導線截面設x1=0.4Ω/km，則2023/2/456所以初步選LJ-35型鋁絞線。（2）按發(fā)熱條件進行校驗線路的最大負荷電流為AB段承載電流，其值為查附表A-8和A-10知，35℃時LJ-35型鋁絞線的允許載流量為，故滿足發(fā)熱條件。（3）按機械強度進行校驗

查表3-2知，10kV架空鋁絞線的最小截面為25mm2＜35mm2，滿足機械強度條件。2023/2/457

四、按經濟電流密度選擇導線截面1．經濟電流密度的概念導線截面越大，線路的功率損耗和電能損耗越?。茨赀\行費用越小），但是線路投資和有色金屬消耗量都要增加；反之，導線截面越小，線路投資和有色金屬消耗量越少，但是線路的功率損耗和電能損耗卻要增大（即年運行費用越大）。綜合以上兩種情況，使年運行費用達到最小、初投資費用又不過大而確定的符合總經濟利益的導線截面，稱為經濟截面，用Aec表示。對應于經濟截面的導線電流密度，稱為經濟電流密度，用jec表示。2023/2/458圖3-24是年運行費用F與導線截面A的關系曲線。1——年折舊費和年維修管理費之和與導線截面的關系曲線；3——為曲線1與曲線2的疊加，表示線路的年運行費與導