电力系统元件等效电路和参数专题培训课件.ppt

,Click to edit Master title style,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,Click to edit Master title style,Click to edit Master text styles,Second level,Third level,Fourth level,Fifth level,*,*,第,2,章 电力系统元件等效电路和参数,电力系统是由各种电气元件组成的整体，要对电力系统进行分析和计算，必须先了解各元件的电气特性，并建立它们的等值电路。,在电力系统正常运行情况下，近似地认为系统的三相结构和三相负荷完全对称。可以用一相,(,例如,a,相,),的电路为代表来进行分析和计算。等值电路中的参数是考虑了其余两相影响后的一相等值参数。,2.1,电力线路等效电路及其参数,2.1.1,电力线路的分类和结构,电力线路包括输电线路和配电线路。,按线路结构的不同，可以分为：,架空线路,电缆线路,2.1,电力线路等效电路及其参数,1.,架空线路,：,架空线路由导线、避雷线、杆塔、绝缘子和金具等组成。,分裂导线,避雷线,杆塔,2.1,电力线路等效电路及其参数,1,、,导线,。导线的作用是传输电能，应有良好的导电性，还应有足够的机械强度和抗腐蚀能力。,2,、,避雷线,。避雷线也叫架空地线或地线，其作用是将雷电流引入大地，以保护电力线路免受雷击。,3,、,杆塔,。杆塔的作用是支持导线和避雷线。杆塔有木杆、钢筋混凝土杆和铁塔三种。,2.1,电力线路等效电路及其参数,4,、,绝缘子,绝缘子的作用是使导线和杆塔间保持绝缘。应有良好的绝缘性能和足够的机械强度。,5,、金具。,金具是用于固定、连接、保护导线和避雷线，连接和保护绝缘子的各种金属零件的总称。,2.1,电力线路等效电路及其参数,电缆线路,电缆线路由电力电缆和电缆附件组成。,在城市、厂区等人口密集场所或海底传输等常采用电缆线路。,2.1.2,单位长度电力线路的等效电路及参数,架空线单位长度的电力线路的等值电路如图,2-1,所示。电路的参数有,4,个：,电阻,r,1,电抗,x,1,电导,g,1,电纳,b,1,。,每相导线单位长度电阻的计算公式为,1,、电阻,。,这里采用工程单位，也可以采用国标单位，如教材。,其中，,S,导线的标称截面积,(mm,2,),；,导线的电阻率（）,铝的电阻率：,31.5,铜的电阻率：,18.8,铝、铜的电阻率略大于直流电阻率，原因是：,（,1,）交流电流的趋肤效应；,（,2,）绞线每股长度略大于导线长度；,（,3,）导线的实际截面比标称截面略小。,例,2-1,求导线型号为,LGJ-120,的钢芯铝绞线的单位长度电阻。,解,：,LGJ-120,：,铝,S=120,1,、电阻,工程计算中，可以直接从有关手册中查出各,种导线的单位长度电阻值。,1,、电阻,按公式（,2-1,）计算所得或从手册查得的电阻值都是指温度为 时的值，在要求较高精度时，修正公式为,式中：,t,导线实际运行的大气温度,(,o,C),；,r,t,，,r,20,t,o,C,及,20,o,C,时导线单位长度的电阻,电阻温度系数；,对于铝，,=0.0036,；,对于铜，,=0.00382,。,2,、电抗,架空线路的等效电抗反映交流电流通过线路时的磁场效应。,每相单位长度的电抗的计算公式为：,式中,，,为三相电力,线之间的几何平均距离，,r,eq,称为导,线的几何平均半径,。,2,、电抗,三相电力线路一般是采用等边三角形式的对称排列，或经完整换位后近似等于对称排列：,三角形排列,分裂导线的输电线路的等效电抗,在,220kV,及以上的超高压架空线路上，为了减小电晕放电和单位长度的电抗，普遍采用分裂导线，用数根钢芯铝绞线并联构成的复导线，每隔一段长度用金具支撑。,作用,改变了导线周围磁场分布，等效地增大了导线半径，从而减小了导线的电感抗。,2,、电抗,分裂导线单位长度的等效电抗小于单导线线路单位长度的等效电抗，且分裂根数越多，等效电抗越小。,r,为每股导线计算半径，,d1i,是第,1,股导线与第,i,股导线的间距。,对单股导线，,req,等于,r,3,、电导,对高电压架空线路（,110KV,以上），当导线表面的电场强度超过空气击穿强度时，导体附近的空气电电离而产生的局部放电的现象。这时会发出咝咝声，产生臭氧，夜间还可以看到紫色的光晕这种现象称为电晕。,电导反映高压电力线路的电晕现象和泄漏现象，一般线路绝缘良好的情况下泄露电流很小，可忽略不计。,。,3,、电导,电晕临界相电压的经验公式为,增大导线半径是防止和减小电晕损耗的有效方法。因此采用分裂导线可以增大每相的等值半径,。,设计时线路的相电压必须高于其临界相电压，此时可认为线路的电导,g,1,=0,。,4,、电纳,电纳,b,1,来反映交流电流过线路时的电场效应。,同样,，,为三相电力,线之间的几何平均距离，,r,eq,称为导,线的几何平均半径,。,导线单位长度参数计算举例,例,2,-2,已知,LGJ185,型,110kV,架空输电线路，三相导线水平排列，相间距离为,6m,。计算直径为,19mm,，求单位长度线路参数。,解：,计算半径，,单位与,D,eq,一致,导线单位长度参数计算举例,线路的电导：,g,1,=0,分裂导线单位长度参数计算举例,例,2-3,已知,220kV,架空输电线路，三相导线水平排列，相间距离,6m,，每相采用,LGJQ300,分裂导线（二分裂导线），分裂间距为,400mm,，试求线路参数。,分裂导线单位长度参数计算举例,三相导线水平排列，相间距离,6m,，,由手册查得,LGJQ300,导线的计算直径为,23.5mm,，,分裂间距为,400mm,，因此分裂导线的自几何均距：,导线单位长度参数计算举例,线路的电导：,g,1,=0,2.1.3,电力线路的等效电路,一条长度为,l,的电力线路，在考虑线路参数分布特性的情况下，推导出线路两端电压、电流相量之间的关系式。如果将线路用集中参数元件来表示，其等效电路可以如图（,b,）表示：,2.1.3,电力线路的等效电路,经推导（推导略）可以得到等效电路的参数：,其中 称为线路的传播常数，,称为线路的特性阻抗。,对高压架空输电线路，近似有,1,=0,，则有：,2.1.3,电力线路的等效电路,高压架空线路的波阻抗仅与单位长度的电感、电容有关，接近于纯电阻，而且略呈电容性。高压架空线路的传播系统接近纯虚数，电压幅度衰减很小。,相位系数,波阻抗,无损耗线路与自然功率,讨论：,1,、通常把,g,1=0,r,1=0,的（理想）线路称为无损耗线路，无损耗线路的,Z,为纯电阻（虚部为,0,）。,2,、若无损耗线路末端所接负载,Z,L,=Z,C,，输出功率为：,P,C,称为自然功率,3,、无损耗线路末端接有纯有功功率负荷，且输出为自然功率时，全线电压、电流有效值均相等，且同一点的电压与电流是同相位的。,无损耗线路与自然功率,超高压线路大致接近于无损线路，在粗略估计它们的运行时，可参考上例结论。,例如，长度超大型过,300km,的,500kV,线路，输送的功率常约等于自然功率,1000MV,，因而线路末端电压往往接近始端。,如果输送功率大于自然功率时，线路末端电压将低于始端；,反之，输送功率小于自然功率时，线路末端电压将高于始端。,2.1.3,电力线路的等效电路,当线路长度为,100300km,时，近似可以有（中等线路模型）：,Z=z,1,l,=(r,1,+jx,1,),l,Y=y,1,l=(g,1,+jb,1,)l,低压（,110kV,以下）配电网中的短电力线路还可以作进一步的近似（短线路模型），线路长度小于,100km,，一般可以忽略电导和电纳,。,例,2-4,330kV,架空线路的参数为：,，,，。,试分别用长线路的二种模型计算长度为,100,，,200,，,300,，,400,，,500km,线路的型等值电路参数值。,解：,中等长度线路计算公式（近似）,长线路计算公式（精确）,2.1.3,电力线路的等效电路,长度,模型,100,1,5.79 0+j31.600 0,2,5.768 4+j31.542 9,200,1,11.58+j63.200 0,2,11.407 4+j62.744 2,300,1,17.370 0+j94.800 0,2,16.789 8+j93.265 6,400,1,23.160 0+j126.400 0,2,21.792 7+j122.776 1,500,1,28.950 0+j158.000 0,2,26.299 5+j150.955 3,计算结果比较如下：,100km,时，两种模型的误差很小。,500km,时，两种模型的误差就比较大了。,近似模型参数的误差随线路长度而增大。,长度,模型,100,1,2,200,1,2,300,1,2,400,1,2,500,1,2,计算结果比较如下：,100km,时，两种模型的误差很小。,500km,时，两种模型的误差就比较大了。,虽,g,1,=0,精确参数中仍有一个数值很小的电导。,2.2,变压器等值电路及其参数,电力变压器是电力系统的重要元件，有双绕组变压器、三绕组变压器和自耦变压器。,绝缘子,500kV,电力变压器,220kV,电力变压器,储油罐,2.2.1,双绕组变压器等值电路和参数,三相变压器的绕组可以接成星形,(Y),或三角形,(D),。,在电力系统稳态分析中，无论绕组的实际连接方式如何，都一概化成等值的,Y,，,y(,即,Y/Y),接线方式来进行分析，并且用一相等值电路来反映三相的运行情况。,2.2.1,双绕组变压器等值电路和参数,变压器的参数指其等值电路中的电阻、电抗、电导、电纳和变比。,电阻、电抗、电导、电纳可以分别根据短路损耗 、短路电压,U,k,(%),、空载损耗,、空载电流 计算得到。,而此四个数据可通过短路试验和空载试验测得，并标在变压器出厂铭牌上。,短路试验,确定,R,T,和,X,T,变压器作短路试验时，将一侧绕组（例如,2,侧）三相短接，在另一侧绕组（例如,1,侧）逐渐增加三相对称电压，使,短路绕组的电流达到额定值,，这时测出的三相变压器消耗的总有功功率称为短路损耗功率,短路试验,确定,R,T,和,X,T,在,R,T,和,X,T,的公式中，的单位为,MVA,，的单位为 ，的单位为,KW,，的单位为,双绕组变压器电抗可根据短路电压百分数计算得到,短路试验时测得变压器的电压表的读数,U,K,，以额定电压的百分数表示则得到：,空载试验,确定,G,T,和,B,T,空载试验时，将一侧绕组断开，另一侧绕组施加额定电压，即可测得变压器的空载损耗 。,空载试验,确定,G,T,和,B,T,由于空载电流相对额定电流来说很小，绕组中的铜耗也很小，故可认为变压器的铁芯损耗就等于空载损耗。,变压器的电导是指与铁芯损耗对应的等值电导，可根据空载损耗计算得到：,。,的单位为,的单位为,U,N,的单位为,kV,空载试验,确定,G,T,和,B,T,变压器的电纳是指与励磁功率对应的等值电纳，可根据空载电流计算得到。,S,N,为变压器的额定容量，其,单位为,的单位为,S,。,U,N,的单位为,kV,变压器的变比,K,T,在三相电力系统计算中，变压器的变比,K,T,是指两侧绕组空载线电压的比值,。,对于,Y/y,和,D/d,接法的变压器,:,对于,Y/d,接法的变压器,式中,N,为绕组匝数,实际电力变压器的高压绕组有分接头便于运行时选取。,例,2-5,一台,SFL20000/110,型降压变压器向,10kV,网络供电，铭牌给出的试验数据为：,试计算归算到高压侧的变压器参数。,归算？,例,2-5,解：,由型号知，,高压侧额定电压,U,N,=110kV,。得：,主分接头变比，题中没说抽头,若归算到低压侧，,U,N,=,？,2.2.2,三绕组变压器等值电路和参数,在三绕组变压器的等值电路中，一般将励磁支路前移到电源侧；将变压器二次绕组的电阻和漏抗折算到一次绕组侧，各绕组的电阻和漏抗分别表示。,2.2.2,三绕组变压器等值电路和参数,1,、,三绕组变压器铭牌给出各绕组之间的短路损耗,依次将一个绕组开路，对另外按双绕组变压器进行短路试验，得到这两个绕组间的短路总损耗。,推导？,2.2.2,三绕组变压器等值电路和参数,当变压器,3,个绕组的容量不等时，一般是中压或低压绕组容量比较小，测量值要归算：,求出：,（,i,=1,2,3),2.2.2,三绕组变压器等值电路和参数,2,、铭牌中给出最大短路损耗,即两个,100%,容量的绕组通过额定电流，另一个,100%,或,50%,（设为,3,）绕组空载时的损耗。,2.2.2,三绕组变压器等值电路和参数,铭牌上给出的是通过短路试验测得的每两个绕组之间的短路电压。,求出：,（,i,=1,2,3),2.2.2,三绕组变压器等值电路和参数,三绕组变压器的等效导纳和变比的计算与双绕组变压器相同。,例,2-6,某容量比为,90/90/60MVA,，额定电压为,220/38.5/11kV,的三绕组变压器。铭牌给出的试验数据为：,求归算到,220kV,侧的变压器参数。,容量不等，要归算,例,2-6,求各绕组电阻,例,2-6,各绕组电阻,例,2-6,为负值,各绕组电抗,例,2-6,绕组电导和电纳,2.2.3,自耦变压器等效电路和参数,自耦变压器的等值电路及其参数计算的原理和普通变压器相同。,2.3,同步发电机等效电路及参数,三相同步发电机是电力系统的主要电源，有汽轮发电机，水轮发电机等。,三相同步发电机的结构示意图,励磁电流,定子,转子,2.3,同步发电机等效电路及参数,两种发电机的模型形式相同。,发电机制造厂提供的同步发电机的参数通常有：额定线电压,三相额定容量,额定功率因数,定子电阻百分值,同步电抗百分值,。,2.3,同步发电机等效电路及参数,单相等效电路的电阻和电抗为（电阻通常忽略不计）,输出的有功功率为：,输出的无功功率为：,（,MVar,）,（,MW,）,2.3,同步发电机等效电路及参数,同步发电机稳态运行时也可以用另一种简化的模型表示，即用输入功率表示：,2.4,电力系统负荷模型,电力系统中有大量感性负荷，定义感性负荷吸收（消耗）无功功率。,注意：容性负荷发出无功功率,2.5,电力系统的等效电路,根据电力系统的电气接线图，将各元件用相应的等效电路代替，就可以得到该多级电压电力网络的等效电路。,2.5.1,有名制表示的等效电路,电力系统分析计算中，把这种采用有单位的电压、电流、功率、复阻抗、复导纳等进行运算的，称为有名制。,用有单位的参数标出各元件，称为用有名制表示的等效电路。,多电压等级电路的归算,首先要把各元件的参数、各节点电压和各支路电流都归算到指定的某一电压等级，该电压等级称为基本级。,设从基本级到某电压级之间串联有变比为,K1,、,K2Kn,的,n,台变压器，则该电压级中元件的参数要作如下变换,：,例,2-7,变压器,T1,：,归算到,220kV,级,变压器,T3,：,归算,例,2-7,以有名制表示的电力系统等值网络,讨论：,1,、若变压器有抽头，要用实际变比归算。,2,、电阻比电抗小很多，电导比电纳小很多。,3,、变压器电纳为负，线路电纳为正。,2.5.2,标么制,在电力系统分析中，还经常采用一种相对单位制称为标幺制。在标幺制中，各不同单位的物理量都要指定一个基准值，这个基准值用下标,B,表示。,2.5.2,标么制,例如,220kV,级线路上某点电压,=231,（,kV,）,若取电压的基准值为,220kV,，则该点电压的标幺值为：,标幺制的优点：,1.,易于比较电力系统各元件的参数和特点。,2.,能够简化计算公式，交流电路中，用标幺制计算时通过选择不同的基准值，线电压与相电压的标幺值相等，三相功率与单相功率的标幺值相等，三相电路与单相电路的计算公式相同。,2.5.2,标么制,电力系统共有五个参数，通常电力系统中选取基准功率,S,B,和基准电压,U,B,后，另三个基准量由下式确定：,常取：,S,B,=100MVA,U,B,=U,N,（,基本级,）,2.5.3,标么制表示的等效电路,1.,求出各元件的参数值并按变压器的实际变比归算到基本级。,2.,选取三相功率的基准值,S,B,和令,U,B,=U,N,（基本级的额定电压）,3.,将归算到基本级的各元件参数的有名值除以相应的基准值。,2.5.3,标么制表示的等效电路,求标幺值公式：,例,2-8,（求标幺值）,仍以图,2-12,所示多级电压的电力网络部分接线图为例，在例,2-7,中已求出将它归算到,220kV,级的有名制表示的各参数值，求各元件参数的标幺值。,例,2-8,（求标幺值）,取,S,B,=100MVA,U,B,=U,N,=220kV,变压器,T,1,的参数标幺值计算：,讨论：,在标幺制中，所有的物理量都没有单位，是一个比例系数。,基准值可任意取，但通常取：,S,B,=100MVA,或,S,B,=1000MVA,U,B,=U,N,某些电力设备的参数常用三相额定容量,S,N,和额定线电压,U,N,为基准的标幺值表示。在电力网分析时，要换算成统一基准的标幺值。换算的方法是先求出有名值，归算到基本级，再用新的基准求出新的标幺值。,讨论：,4.,多级基准电压,U,B,的选取与基准电压比的选择有关。,常选基准电压比等于各电压级的额定电压,U,iN,或平均额定电压,U,iNAV,之比，从而，各电压级的基准电压就等于该级的额定电压或平均额定电压，即,U,iB,=U,iN,（或,U,iNAV,）。,这种方法的缺点是，此时变压器的标么变比,k,T,*,1,，手算时会增加一定难度。,这种选择方法得到了广泛的应用。,讨论：,这种方法的求解步骤如下：,1,）选则基准值：取,S,B,=100MVA,，,U,i,B,=,U,i,NAV,；,2,）将各个元件化为统一基准值下的标么值,3,）有关计算；,4,）所求得的结果还原为有名值。,例,2-9,简单电力系统如图,2-14,所示，试制定该系统的标么值等效电路。,取,S,B,=100MVA,，,U,iB,=,U,iNAV,，,将各元件参数化为标么值。,例,2-9,节点,1,的等效负荷功率,流过变压器,的功率,变压器阻抗消耗的功率与流过的电流（功率）有关。,例,2-9,T1,：,T1,：,取,S,B,=100MVA,，,U,iB,=,U,iNAV,将各元件参数化为标么值，,归算到,10KV,级,10KV,级的,U,B,书上过程印错,例,2-9,线路,L,1,标幺值,220KV,级的,U,B,例,2-9,系统的标幺制,等效电路,2.5.4,近似估算时标么制表示的等效电路,在电力系统的（暂态）分析计算时，有时可作近似估算：,1,、将某些元件的参数略去从而简化等值网络。,2,、取基准电压等于平均额定电压，并认为系统中所有的额定电压近似等于其平均额定电压。,3,、变压器的标么变比,K,T*,=1,2.5.4,近似估算时标么制表示的等效电路,由于各级的基准电压等于平均额定电压,U,i,B,=,U,i,NAV,，且,各元件的额定电压近似等于元件所在级的平均额定电压,，各元件的标幺值计算公式简化为,：,发电机：,变压器的电抗,电力线路：,电抗标么值,例,2-10,电力系统接线图及各元件参数如图,2-16,所示，作出近似估算时电力系统的的标么制等效电路。（电阻及接地导纳均忽略不计）,例,2-10,解：,取,S,B,=100MVA,，各级的电压基准近似取线路的平均额定电压,，,发电机：,发电机等值,电源电压：,变压器,T,1,电抗：,线路电抗：,例,2-10,电力系统的近似估算标幺制等效电路,第,2,章 结束,