第2章-基本元件模型

1、返回,Fundamental of Power System Analysis電力系統(tǒng)分析基礎(chǔ),Chapter 2 Parameters, Models of Power System Elements 電力系統(tǒng)基本元件參數(shù)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,認識電力輸電線,返回,Overhead Transmission line overhead ground wire Conducting wire Insulator (arc ring) armourclamp (hardware) Tower Stay wire Base Earthing (grounding) device Power Cable,導線和避雷線,

3、性能要求 機械強度高 抗腐蝕能力強 導電性好 構(gòu)成材料（鋁、鋼、銅） 導線和避雷線均采用裸線。導線的作用是傳輸電能，避雷線的作用是將雷電流引入大地保護電力線路免受雷擊，因此它們都應(yīng)有較好的導電性能。導線和避雷線用架設(shè)在戶外，除了要承受導線自身重量、風壓、冰雪及溫度變化等產(chǎn)生的機械力作用外，還要受空氣中有害氣體的化學腐蝕作用。 應(yīng)有較高的機械強度和抗化學腐蝕能力。 導線常用的材料有銅、鉛、鋁合金和鋼等。,導線和避雷線,避雷線可靠接地（和鐵塔及接地線可靠連接，無絕緣子） 導電新能好的的金屬 銀銅鋁鐵 成本銀銅鋁鐵 機械強度銅、鐵鋁、銀 空氣中的抗腐蝕性銅、鋁較好，鐵易銹蝕，差 常用鋁作為導線，為增

4、加強度，可加鋼芯，成鋼芯鋁絞線。銅常用作電纜導體,返回,導線和避雷線,架空線的桿塔,用于支持導線和避雷線。 分類 直線塔，它又稱為中間塔，主要用來懸掛導線（大部分為此類） 耐張桿塔，它又稱為承力桿塔，主要用來承擔線路正常及故障（如斷線）情況下導線的拉力，同時使線路分段，便于施工和檢修，限制故障范圍。在耐張用上，絕緣子用不象直線搭上那樣與地面垂直，而象是導線的延續(xù)。桿塔兩邊同一根導線是通過跳線（Wire Jumper）來接通的。 終端塔，它是最靠近變電所的一座桿塔，用來承受最后一個耐張檔區(qū)導線的單向拉力。如果沒有終端桿塔，則拉力將由變電所建筑物承擔，這將增加變電所的造價。 轉(zhuǎn)角塔，它用干線路拐彎

5、處，承受側(cè)向拉力。拐角較大時做成耐張塔的型式，拐角較小時也可做成直線搭的型式。 特種塔。它是在特殊情況下使用的一種桿塔，如導線換位用的換位塔，跨越河流、山谷等跨距很大的跨越桿塔等。,返回,返回,500kV 轉(zhuǎn)角塔,500kV 直線塔,220kV 直線塔,220kV 海灣大跨越鐵塔,220kV 單回路組合兀型電桿,110kV轉(zhuǎn)角塔,110kV 直線塔,3kV輸電電桿,電力系統(tǒng)絕緣子,作用 隔離帶電導體與大地或不同電位的帶電導體 形成絕緣距離 分類 及應(yīng)用 絕緣瓷瓶(porcelaininsulator)，單個使用，10kV以下線路 針式絕緣子(Suspension Insulator)，單個使用

6、，35kV以下線路 懸式絕緣子(porcelain post insulator)，多個串聯(lián)使用，35kV以上線路 支柱絕緣子(Post insulator)，絕緣與支撐，母線絕緣 絕緣套筒(insulating bush)，導線穿越，如變壓器出線 瓷橫擔(Porcelain Cross-Tam)，用于絕緣，又用于支撐，線路,返回,針式、懸式絕緣子,針式絕緣子,懸式 絕緣子,支柱絕緣子,母線和支柱絕緣子,瓷橫擔用作線路絕緣,瓷橫擔,變壓器絕緣套管,返回,電力電纜,電纜線路 優(yōu)點 占地少 供電可靠 比較安全 缺點 造價高 檢修困難,電力線路的電磁效應(yīng)與參數(shù),線路通電流： 發(fā)熱，消耗有功功率R 交

7、流電流交變磁場感應(yīng)電勢(自感、互感)抵抗電流X 電流效應(yīng)串聯(lián) 線路加電壓： 絕緣漏電(較小)，一定電壓下發(fā)光、放電(電暈)G 電場線/線、線/大地電容交變電壓產(chǎn)生電容電流B 電壓效應(yīng)并聯(lián),電力線路參數(shù),分別用單位長(每公里)參數(shù)r、x、g、b表示 架空線受氣候、地理、架設(shè)的影響，r、x、g、b要變。 電纜線路參數(shù)不可解析計算，但尺寸標準化，受外界影響小，由廠家提供參數(shù)，一般不變（不予研究）。,有色金屬導線架空線路的電阻 計算用電阻率大于直流電阻率的原因 計及集膚效應(yīng) 絞線每股長度略長于導線長度 計算額定截面積略大于實際截面積 鋼芯鋁線的電阻只考慮鋁線部分 電阻的溫度修正 有色金屬導線單相架空線

8、路的電抗 考察單根導線所產(chǎn)生的磁場，計算電感 運用迭加原理考察單相線路產(chǎn)生的磁場，計算電感,有色金屬導線三相架空線路的電抗 運用迭加原理考察三相線路產(chǎn)生的磁場 運用三相換位和三相電流平衡，簡化磁場表達式，計算電感 互幾何均距： 幾何平均半徑： 結(jié)論 線路電抗與導線半徑成減函數(shù)關(guān)系 線路電抗與相間距成增函數(shù)關(guān)系 總的來說，由于對數(shù)的關(guān)系，使得線路電抗與導線半徑、線路布置關(guān)系不大，架空線的電抗一般為：0.4/km,電力線路電抗的計算,降低X： 增大導線半徑 減少導線相間距,分裂導線,分裂導線三相架空線路的電抗 計算公式 等值半徑： 當二分裂時， 當三分裂時， 當四分裂時， 分裂間距： 結(jié)論 分裂導

9、線電抗與分裂根數(shù)成減函數(shù)關(guān)系 分裂導線電抗與分裂導線間的幾何均距成減函數(shù)關(guān)系,電力線路的阻抗,幾點說明 同桿線路的阻抗：兩回線路相互影響，存在互感，但如果三相電流對稱，則可以忽略。 不換位線路的阻抗：相與相之間存在互感，但但如果三相電流對稱，則可以忽略。 電纜線路的電阻略大于相同截面積的架空線路，電抗則小得多，這是因為三相導體間的距離遠小于同樣電壓等級的架空線。 為保證線路參數(shù)的對稱，架空線一般需采用整循環(huán)換位,電力線路的電導,架空線路的電導： 線路電導取決于沿絕緣子串的泄漏和電暈，不能嚴格分析 在計算時，一般可忽略，設(shè)電導為0 架空線路的電暈臨界電壓： 電暈臨界電壓指能發(fā)生電暈的最低電壓，與

10、以下因素有關(guān)：材料表面光滑程度，天氣，空氣密度，材料半徑，三相排列位置，分裂情況等。 計算公式 導線三相水平排列時，邊相導線的電暈臨界電壓比中間相高 線路結(jié)構(gòu)方面，能夠影響電暈臨界電壓的只有相間距和導線半徑。 增大相間距會大大增加線路投資 因此可以采用分裂導線或擴徑導線來提高電暈臨界電壓。,電力線路的電納,三相架空線路的電納 電納與導體周圍電場有關(guān)(對地電容，相間電容)，與導線是否導磁無關(guān)，因此，各類導線線路電納計算方法相同。 計算公式 (后者分裂導線) 結(jié)論 線路電納與導線半徑成增函數(shù)關(guān)系 線路電納與相間距成減函數(shù)關(guān)系 總的來說，由于對數(shù)的關(guān)系，使得線路電納與導線半徑、線路布置關(guān)系不大，架空

11、線的電納一般為 2.85x10-6S/km 分裂導線電納與分裂根數(shù)成增函數(shù)關(guān)系 分裂導線電納與分裂導線間的幾何均距成增函數(shù)關(guān)系,中短電力線路的等值模型,當傳輸線的長度 l，稱為短線，可以忽略電磁波沿線傳播所需的時間，即不計滯后效應(yīng)，可用集中參數(shù)的電路來描述。 L100km，電壓低于35kV，短線路，忽略電導電納 電壓110330kV，L：100300km(架空線)，L100km(電纜)，中長線路，不能忽略電納,短線路,中、短電力線路的數(shù)學模型,中長線路,T參數(shù)表示,整理，用T參數(shù)表示,長線路的分布參數(shù)模型,長線，電磁波的滯后效應(yīng)不可忽視，沿線傳播的電磁波不僅是時間的函數(shù)，而且是空間坐標的函數(shù)，

12、必須用分布參數(shù)電路來描述。 電容、電感、電阻、電導連續(xù)且均勻地分布在整個傳輸線上；可以用單位長度的電容C0、電感L0 、電阻R0 、電導G0來描述傳輸線的電氣性質(zhì)； 整個傳輸線可以看成是由許許多多微小的線元x 級聯(lián)而成； 每一個線元可以看成是集總參數(shù)的電路，因而可以將基爾霍夫定律應(yīng)用到這個電路的回路和結(jié)點。,長線路的分布參數(shù)模型,均勻傳輸線,在x0時,均勻傳輸線方程也稱為電報方程，反映沿線電壓電流的變化。 均勻傳輸線沿線有感應(yīng)電勢存在，導致兩導體間的電壓隨距離 x 而變化；沿線有位移電流存在，導致導線中的傳導電流隨距離 x 而變化 ； 均勻傳輸線方程適用于任意截面的由理想導體組成的二線傳輸線。

13、,長線路電壓電流隨長度的關(guān)系,均勻傳輸線工作在正弦穩(wěn)態(tài)時，沿線的電壓、電流是同一頻率的正弦時間函數(shù)，因此，可以用相量法分析沿線的電壓和電流。,特性阻抗,傳播常數(shù),長線路的實用模型,分布參數(shù)模型復雜，不利于計算 實用模型簡化處理（中等長度模型的修正） 300750km（架空線）；100250km（電纜）,電抗器（Reactor）,電抗器作用有兩個 限制短路電流（限流），串聯(lián)使用。 吸收電網(wǎng)多余無功（超、特高壓長線路），并聯(lián)使用 電抗器參數(shù) 銘牌參數(shù)給定：URN,IRN,XR% 銘牌參數(shù)給定:UN,QN,電容器（Capacitor）,電容器作用有兩個 降低線路阻抗，提高線路輸送容量，串聯(lián)（串補）使

14、用。 對電網(wǎng)進行無功補償，并聯(lián)使用 電容器參數(shù) 銘牌參數(shù)給定：UN,CN,QN 或者,變壓器（Transformer）,通過電、磁耦合，實現(xiàn)變壓、變流作用 變壓器可分為雙繞組、三繞組；自耦變，分裂變，升壓變、降壓變，帶負載調(diào)壓變等。 變壓器核心原理：交流-鐵芯線圈電路 變壓器使僅次于發(fā)電機的昂貴設(shè)備 變壓器T型，型、簡單等效電路,變壓器出廠試驗及試驗參數(shù),短路試驗：二次側(cè)短路，一次側(cè)通過調(diào)壓器加壓(從低往高加)，直到一次側(cè)電流達到額定值(此時一次側(cè)電壓很低，二次側(cè)電流也達到額定值)，測得短路損耗Pk和電壓Uk% 短路損耗，可用于計算電阻 短路電壓百分比，可用于計算電抗 空載試驗：二次側(cè)開路，一

15、次側(cè)加額定電壓(一次側(cè)電流很小，二次側(cè)電流為0)，測得空載損耗P0和空載電流百分比I0% 空載損耗 空載電流百分比,變壓器參數(shù)計算(雙繞組),基準單位,UNkV SNMVA PkkW,空載試驗時，勵磁電流主要為無功電流，I0Ib,三繞組變壓器等效模型(存在一個虛擬的中間節(jié)點) 三繞組短路試驗參數(shù)分為三組，Pk(1-2),Pk(2-3),Pk(3-1)；Uk(1-2)%,Uk(2-3)%,Uk(3-1)% 空載試驗仍為1組P0,I0% 3個繞組額定容量可為：1:1:1；2:2:1；2:1:2三種形式，可能涉及換算。,變壓器參數(shù)計算(三繞組),先將短路損耗或短路電壓百分比折算到各側(cè)阻抗， 然后按雙

16、繞組公式計算 對于三側(cè)額定容量不同的情況，由于短路試驗時只能按容量小的一側(cè)進行，需要進行參數(shù)折算。 計算電抗時不進行歸算，因為試驗給出的電壓已進行歸算(到各側(cè)額定電流),變壓器參數(shù)計算(三繞組),三繞組變壓器的繞組排列,升壓與降壓變壓器繞組空間排列位置不同 升壓結(jié)構(gòu)中，低壓繞組與中、高壓繞組聯(lián)系均很緊密，利于功率從低向、高中壓傳遞 升壓結(jié)構(gòu)中Uk(2-3)%,Uk(3-1)%相對較?。┐磐ㄐ。?降壓結(jié)構(gòu)中，功率主要從高壓側(cè)向中壓側(cè)流動，高壓側(cè)在外，易于散熱,自耦變壓器(Autotransformer),高中壓側(cè)繞組部分共用 只能用于中性點直接接地系統(tǒng) 高中壓側(cè)接成星型接地 第三繞組接成三角形

17、，主要是由于屏蔽三次諧波（鐵芯飽和） 第三繞組容量小 和普通三繞組變壓器參數(shù)計算相同，但試驗參數(shù)，無論是短路損耗，還是短路電壓百分比都是未經(jīng)過歸算的，所以計算前先需要歸算,例,發(fā)電機和負荷的參數(shù)及模型,發(fā)電機可用電壓源和電流源模型表示 發(fā)電機出廠參數(shù)SN,PN, cos,UN,XG%,負荷可表示 恒功率 恒阻抗 負荷靜特性 感應(yīng)電動機機械特性 綜合負荷模型,同步發(fā)電機運行限制,原動機功率限制，最大最小有功限制，HN,QB 定子繞組三相電流限制(定子溫升，視在功率限制，弧LNJ) 勵磁電流的限制，弧NB 定子端部發(fā)熱限制，HQ 同步穩(wěn)定限制，HQ 進相運行一般需要測量，汽輪機功率因數(shù)0.95,水

18、輪機可到0.90.95,簡單電力系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò),不同電壓等級網(wǎng)絡(luò)參數(shù)需要歸算到同一電壓等級下 有名值下歸算步驟 選基本電壓等級（一般取最高電壓等級） 確定額定電壓比 參數(shù)歸算 實際額定電壓比（準確計算） 平均額定電壓比（近似計算）,簡單電力系統(tǒng)等效網(wǎng)絡(luò),精確歸算 待歸算級下的參數(shù)Z，Y，U，I 歸算到歸算級后的參數(shù)為Z，Y，U，I 則：Z=K2Z;Y=Y/K2,U=kU,I=I/k K=k1*k2*Kn 近似歸算 上式k取平均額定電壓比 可忽略中間級電壓，只需待歸算級和基準級平均額定電壓比即可,平均額定電壓,例,標幺制（Per Unit System） 標幺值 標幺值無量綱，（明晰其物理含義必須知道基準值） 結(jié)果清晰，基準值得當?shù)脑?，結(jié)果數(shù)值很簡潔 標幺值計算方便，可統(tǒng)一單相與三相的計算公式 百分比參數(shù)實際上就是以自身額定值為基準的標幺值（*100） 基準值選擇 三相系統(tǒng)為例 一般給定SB,UB，則,標幺值下的等值參數(shù),多電壓等級下的標幺值等值參數(shù)