1、第1页电力工程电力工程电力工程电力工程序言序言 本课件是为了配合普通高等教育“十一五”国家级规划教材电力工程教学需要而制作。本课件采取powerpoint软件。为了更加好地与教材内容相协调,本课件中所使用章节号,公式、图及表编号均与原书一致,特此说明。本课件由顺特电气有限企业肖勋,程小凤等帮助制作,笔者谨在此表示最深切谢意。笔者 年4月 “十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第2页电力工程电力工程电力工程电力工程第一章电力系统概述第一章电力系统概述1 14343第二章电力网及其稳态分析第二章电力网及其稳态分析4444236236第三章发电厂和变电所一次系统第三章发电厂和变电所一次系统23
2、7237349349第四章电力系统短路第四章电力系统短路350350471471第五章电力系统稳定第五章电力系统稳定472472509509第六章发电厂和变电所二次系统第六章发电厂和变电所二次系统510510601601第七章远距离输电第七章远距离输电602602666666目录目录“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第3页电力工程电力工程电力工程电力工程第一节第一节 电力工业在国民经济中地位和我国电力工业发展电力工业在国民经济中地位和我国电力工业发展 电力工业是国民经济主要部门之一。它负担着把自然界提供能源转换为供人们直接使用电能,它既为当代工业、当代农业、当代科学技术和当代国防提供
3、必不可少动力,又和广大人民群众日常生活有着亲密关系。电力又是工业先行,电力工业发展必须优先于其它工业部门,整个国民经济才能不停前进。第一章第一章 电力系统概述电力系统概述“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第4页电力工程电力工程电力工程电力工程 在电力工业发展早期,发电厂都建设在用户附近,规模很小,而且是孤立运行。伴随生产发展和科学技术进步,用户用电量和发电厂容量都在不停增大。因为电能生产是一个能量形态转换,发电厂宜于建设在动力资源所在地,而蕴藏动力资源地域与电能用户之间又往往隔有一定距离。比如,水能资源集中在河流落差较大偏僻地域,热能资源则集中在盛产煤、石油、天然气矿区;而大城市、大
4、工业中心等用电部门则因为原材料供给、产品协作配套、运输、销售、农副产品供给等原因以及各种地理、历史条件限制,往往与动力资源所在地相距较远,为此就必须建设升压变电所和架设高压输电线路以实现电能远距离输送。而当电能输送到负荷中心后,又必须经过降压变电所降压,再经过配电线路,才能向各类用户供电。一、电力系统形成和优越性一、电力系统形成和优越性 (一)电力系统形成(一)电力系统形成第二节第二节 电力系统组成和特点电力系统组成和特点“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第5页电力工程电力工程电力工程电力工程 伴随生产发展和用电量增加,发电厂数目也不停增加。这么一来,一个个发电厂再保持孤立运行状态就
5、没有什么好处了。当一个个地理上分散在各处、原来孤立运行发电厂经过输电线路、变电所等相互连接形成一个“电”整体以供给用户用电时,就逐步形成了当代电力系统。换句话说,电力系统就是由发电厂、变电所、输配电线路直到用户等在电气上相互连接一个整体.它包含了从发电、输电、配电直到用电这么一个全过程。另外,还把由输配电线路以及由它所联络起来各类变电所总称为电力网络(简称电力网),所以,电力系统也能够看作是由各类发电厂和电力网以及用户所组成。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第6页电力工程电力工程电力工程电力工程“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第7页电力工程电力工程电力工程电力工程(二)
6、系统联络优越性与存在问题(二)系统联络优越性与存在问题 1降低系统中总装机容量 2合理利用动力资源,充分发挥水力发电厂作用 3提升供电可靠性 4提升运行经济性 5系统增强所带来问题:事故涉及“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第8页电力工程电力工程电力工程电力工程二、电力系统特点以及对电力系统要求二、电力系统特点以及对电力系统要求 (一)电力系统特点(一)电力系统特点 (1)电能不易储备。因为电能生产是一个能量形态转换,从而要求生产与消费同时完成。电能难于储存,能够说是电能生产最大特点。(2)电能生产与国民经济各部门和人民生活有着极为亲密关系。(3)暂态过程十分短暂。因为电是以光速传输
7、,所以运行情况发生改变所引发电磁方面和机电方面暂态过程都是十分快速。(4)电力系统地域性特点较强。(二)对电力系统要求(二)对电力系统要求 (1)最大程度地满足用户用电需要,为国民经济各个部门提供充分电力。(2)确保供电可靠性。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第9页电力工程电力工程电力工程电力工程(3)确保电能良好质量。(4)确保电力系统运行经济性。把把上上述述各各点点归归纳纳起起来来可可知知:确确保保对对用用户户不不间间断断地地供供给给充充分分、优优质质而而又又价价廉廉电电能,能,这这就是就是电电力系力系统统基本任基本任务务。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第10页电
8、力工程电力工程电力工程电力工程 一次能源,能够说与粮食和水一样,是人类赖以生存以及支撑当代社会文明主要物质基础之一。从原始社会起,人类就是经过消耗能量而生活,并进行各种社会活动,当前世界上能够利用一次能源资源主要为化石能源(煤、石油、天然气)、可再生能源(水能、风能、太阳能等)以及核能源等,电能主要经过这些一次性能源转换而生产出来。能源形态与电能生产相互关系,可简略地用下列图1-2表示。一、一次能源与电力生产一、一次能源与电力生产 第三节第三节 发电厂类型及其生产过程介绍发电厂类型及其生产过程介绍“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第11页电力工程电力工程电力工程电力工程 因为地球上一
9、次能源资源储存量是有限,如不注意节约与合理使用,必有一天人类将面临能源枯竭危险。所以,在二十一世纪中,对节约能源与开发新能源尤其是对可再生能源利用研究,将是人类社会可连续发展所面临一项重大课题。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第12页电力工程电力工程电力工程电力工程 火力发电厂是以煤、石油、天然气等作为燃料,燃料燃烧时化学能被转换为热能,再借助汽轮机等热力机械将热能转换为机械能,并由汽轮机带动发电机将机械能变为电能。据统计,全世界发电厂总装机容量中,火力发电厂占了70%以上。迄今,我国发电厂总装机容量中,火电厂占75%以上。二、火力发电厂二、火力发电厂 普通火力发电厂多采取凝汽式汽
10、轮发电机组,故又称为凝汽式发电厂“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第13页电力工程电力工程电力工程电力工程图1-3凝汽式发电厂生产过程示意图“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第14页电力工程电力工程电力工程电力工程 水力发电厂是利用河流所蕴藏水能资源来发电,水能资源是最洁净、价廉可再生能源。三、水力发电厂三、水力发电厂 水力发电厂可能发电出力(容量)大小决定于上下游水位差(简称水头)和流量大小。所以,水力发电厂往往需要修建拦河大坝等水工建筑物以形成集中水位差,并依靠大坝形成含有一定容积水库以调整河川流量。水力发电厂生产过程较简单(以坝后式水电厂图1-4为例进行介绍),故它所
11、需运行维护人员较少,且易于实现全盘自动化。再加之水力发电厂不消耗燃料,所以它电能成本要比火力发电厂低得多。另外,水力发电机组效率较高、承受变动负荷性能很好,故在系统中运行方式较为灵活;水力发电机组起动快速,在事故时能有力地发挥其后备作用。水力发电厂另一个优点是不像火力发电厂、核能发电厂那样存在环境污染问题。水能资源是属于可再生利用清洁能源,这种发电方式对节能减排有利。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第15页电力工程电力工程电力工程电力工程图1-4 坝后式水电厂示意图“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第16页电力工程电力工程电力工程电力工程 核能发电基本原理是:核燃料在反应
12、堆内发生可控核裂变,即所谓链式反应,释放出大量热能,由冷却剂(水或气体)带出,在蒸汽发生器中将水加热为蒸汽,然后同普通火力发电厂一样,用蒸汽推进汽轮机,再带动发电机发电。冷却剂在把热量传给水后,又被泵打回反应堆里去吸热,这么重复使用就能够不停地把核裂变释放热能引导出来。四、核能发电厂四、核能发电厂 核能发电厂与火力发电厂在组成上最主要区分是,前者用核蒸汽发电系统(核反应堆、蒸汽发生器、泵和管道等)来代替后者蒸汽锅炉。所以核能发电厂中反应堆又被称为原子锅炉。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第17页电力工程电力工程电力工程电力工程 依据核反应堆形式不一样,核能发电厂可分为几个类型。图1
13、-6为当前使用较广轻水堆型(包含沸水堆和压水堆)核能发电厂生产过程示意图。(a)沸水堆型反应堆;(b)压水堆型反应堆 图1-6 轻水堆型核能发电厂生产过程示意图“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第18页电力工程电力工程电力工程电力工程 核能发电厂主要优点之一是能够大量节约煤、石油等燃料。比如,1 kg铀裂变所产生热量,相当于2700 t标准煤燃烧产生热量。详细而言,一座容量为50万kW火力发电厂每年最少要烧掉150万t煤,而同容量核能发电厂每年只要消耗600 kg铀燃料就够了,从而可防止大量燃料运输。核能发电厂另一个特点是燃烧时不需要空气助燃,所以核能发电厂能够建设在地下、山洞里、水
14、下或空气稀薄高原地域。另外,从发电厂建设投资和发电成原来看,核能发电厂造价虽较火力发电厂要高,但发电成本比火力发电厂要低30%50%,它规模愈大,单位千瓦投资费用下降愈多。另外,核能发电厂适宜于担任电力系统基本负荷,这么能够确保运行时效率最高。核能发电厂另一个主要优点是较之普通燃煤电厂而言,它CO2等温室气体排放量要低得多,从而对节能减排有利。当前也有一个提法是“核电是清洁能源”。核能发电厂主要问题是对放射性泄漏污染担心。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第19页电力工程电力工程电力工程电力工程 在我国,核能发电厂建设起步较晚。迄今,在全世界总发电容量中,核能发电厂占了约16%,而我
15、国核电仅占1.6%,据规划,到年中国核电装机容量将到达4000万kW,约占当初全国装机容量4%。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第20页电力工程电力工程电力工程电力工程普通而言,可再生利用能源主要是指水能、风能和太阳能。五、可再生能源发电与分布式发电五、可再生能源发电与分布式发电 在可再生能源中,以风力发电最受重视。风力发电有离网型和并网型两种类型。并网型风电场能够得到大电力网赔偿和支撑,能够更充分地开发可利用风能资源,这是近几年来国内外风力发电发展主要方向。(一)风力发电(一)风力发电 并网型风力发电系统又能够分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两种。图1-7 恒速恒频
16、风力发电系统基本结构“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第21页电力工程电力工程电力工程电力工程 变速恒频风力发电系统发展主要依赖于大容量电力电子技术结果,从结构和运行方面可分为直接驱动同时发电机系统和双馈感应发电机系统。图1-8直接驱动同时发电机系统图1-9双馈感应发电机系统“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第22页电力工程电力工程电力工程电力工程 利用太阳能转换方式有光热转换、光电转换以及光化学转换三种。(二)太阳能发电(二)太阳能发电 太阳能电池是利用半导体PN结光伏效应将太阳能直接转换成电能器件。单个太阳能电池不能作为电源使用,而要用若干片电池组成电池阵进行发电。图1
17、-10离网太阳能光伏发电系统“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第23页电力工程电力工程电力工程电力工程图111并网屋顶太阳能光伏发电系统示意图“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第24页电力工程电力工程电力工程电力工程 最终再谈一下分布式发电。它是指风力、太阳能、潮汐、地热、植物秸秆发电,垃圾发电和磁流体发电等。这种发电方式普通都容量不大,含有各自运行特点且并不都与系统相连,它能够分散于各处,其中多数属于上述可再生利用清洁能源。尽管分布式发电技术尚不成熟,容量也有限,不过作为一个替换能源,它还是很有潜力。为了处理久远能源资源紧缺问题,世界上许多国家都出台了一些支持分布式发电政
18、策,我国也不例外,今后对它发展还是非常值得关注。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第25页电力工程电力工程电力工程电力工程 电压质量对各类用电设备安全经济运行都有直接影响。图1-12表示照明负荷电压特征。从图上能够看出,对照明负荷来说,白炽灯对电压改变是敏感。当电压降低时,白炽灯发光效率和光通量都急剧下降;当电压上升时,白炽灯寿命将大为缩短。比如,电压较额定值降低10%,则光通量降低30%;电压额定值上升10%,则寿命缩减二分之一。一、电压一、电压 第四节第四节 电能质量指标电能质量指标通常衡量电能质量主要指标是电压、频率和波形。图1-12照明负荷(白炽灯)电压特征“十一五十一五”国
19、家级规划教材国家级规划教材第26页电力工程电力工程电力工程电力工程图1-13输出功率一定时异步电动机定子电流、功率因数和效率随电压而改变特征 对电力系统负荷中大量使用异步电动机而言,它运行特征对电压改变也是较敏感。当输出额定功率并保持不变时,异步电动机定子电流、效率因数和功率随电压而改变特征如图1-13所表示。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第27页电力工程电力工程电力工程电力工程 频率偏差一样将严重影响电力用户正常工作。对电动机来说,频率降低将使其转速下降,从而使生产率降低,并影响电动机寿命;反之,频率增高将使电动机转速上升,增加功率消耗,并使经济性降低。尤其是一些对转速要求较严
20、格工业部门(如纺织、造纸等),频率偏差将大大影响产品质量,甚至产生废品。另外,频率偏差对发电厂(尤其是火力发电厂)本身将造成更为严重影响。二、频率二、频率 另外,频率改变还将影响到电子信息设备以及计算机、自控装置等电子设备准确工作等。当前世界上除美国外绝大多数国家要求额定频率为50 Hz(美国为60 Hz),而各国对频率改变允许偏差要求不一,有国家要求为不超出0.5 Hz,也有一些国家要求为不超出(0.20.1)Hz。我国技术标准要求电力系统额定频率为50 Hz,而频率改变允许偏差为(0.50.2)Hz。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第28页电力工程电力工程电力工程电力工程 通常
21、,要求电力系统给用户供电电压及电流波形应为标准正弦波。三、波形三、波形 供电电压(电流)波形不是标准正弦波时,必定包含着各种高次谐波成份,这些谐波成份出现将大大影响电动机效率和正常运行,还可使系统因容抗、感抗等参数改变而产生高次谐波共振以及增大元件谐波损耗而危及设备安全运行。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第29页电力工程电力工程电力工程电力工程一、一、电电力系力系统统接接线线方式方式第五节第五节 电力系统接线方式和电压等级电力系统接线方式和电压等级 (一)系统发展基本结构形式(一)系统发展基本结构形式 (1)大城市型。图1-14以大城市为中心环形主干电力系统(2)远距离型。图1-
22、15远距离型输电系统“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第30页电力工程电力工程电力工程电力工程(二)电力网络接线(二)电力网络接线 (1)无备用电力网接线(2)有备用电力网接线(a)单回线路放射式(b)单回线路干线式(c)单回线路链式(a)双回线路放射式(b)双回线路干线式(c)双回线路链式(d)环网(e)两端供电式“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第31页电力工程电力工程电力工程电力工程二、电力系统额定电压等级二、电力系统额定电压等级 电力系统中电机、电器和用电设备都要求有额定电压,只有在额定电压下运行时,其技术经济性能才最好,也才能确保安全可靠运行。我国所制订电压在10
23、00 V以上电气设备国家标准所要求额定电压以下表1-1所表示。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第32页电力工程电力工程电力工程电力工程对表1-1进行分析,能够发觉以下特点:(1)发电机额定电压较用电设备额定电压高出5%。(2)变压器一次绕组是接收电能,能够看成是用电设备,其额定电压与用电设备额定电压相等,而直接与发电机相连接升压变压器一次绕组额定电压应与发电机额定电压相配合。(3)变压器二次绕组相当于一个供电电源,从表1-1能够看出,它额定电压要比用电设备额定电压高出10%。但在3、6、10 kV电压时,如为短路阻抗小于75%配电变压器,则二次绕组额定电压仅高出用电设备额定电压5%
24、。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第33页电力工程电力工程电力工程电力工程图1-18电力网各部分电压分布示意图“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第34页电力工程电力工程电力工程电力工程三、电压等级选择三、电压等级选择 在输送距离和传输功率一定条件下,假如所选取额定电压愈高,则线路上电流愈小,对应线路上功率损耗、电能损耗和电压损耗也就愈小。而且能够采取较小截面导线以节约有色金属。不过电压等级愈高,线路绝缘愈要加强,杆塔几何尺寸也要随导线之间距离和导线对地之间距离增加而增大。这么线路投资和杆塔等材料消耗就要增加。一样线路两端升压、降压变电所变压器以及断路器等设备投资也要伴随电
25、压增高而增大。所以,采取过高额定电压并不一定恰当。普通来说,传输功率愈大、或输送距离愈远,选择较高电压等级就比较有利。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第35页电力工程电力工程电力工程电力工程 依据以往设计和运行经验,我国电力网额定电压、输送距离和传输功率之间大致关系以下表1-2所表示。此表可供选择电力网额定电压时参考。表1-2 电力网额定电压、传输功率与输送距离大致关系(供参考)当前,我国超高压交流远距离输电电压为330、500、750kV(其中330kV及750kV仅在我国西北地域使用),即将有1000kV特高压线路投入运行。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第36页电
26、力工程电力工程电力工程电力工程一、负荷与负荷特征一、负荷与负荷特征 第六节第六节 电力系统负荷和负荷曲线电力系统负荷和负荷曲线 (一)负荷 通常把用户用电设备所取用功率统称之为负荷(以往又称负载)。另外,把用户所消耗总用电负荷再加上网络中线路和变压器所损耗功率就得出系统中各个发电厂所应供给功率,称其为系统供电负荷。供电负荷再加上发电厂本身所消耗功率(发电厂自用电)就是系统中各个发电厂所应发出总功率。(二)负荷分类(1)按物理性能分类。(2)按电力生产和销售过程分类。(3)按突然中止供电对用户所造成损失分类“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第37页电力工程电力工程电力工程电力工程(三)
27、负荷特征(三)负荷特征 负荷特征是指负荷功率随负荷端电压或系统频率改变而改变规律,又有静态特征与动态特征之分。(a)静态电压特征(b)静态频率特征“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第38页电力工程电力工程电力工程电力工程二、电力系统日负荷曲线及其用途二、电力系统日负荷曲线及其用途 图1-20电力系统经典日有功负荷曲线 图1-21电力系统经典日无功负荷曲线 负荷曲线除了用来表示负荷功率随时间改变规律外,还可用来计算用户所消费电能大小。在某一时间t内用户所消耗电能A为该时间内用户有功功率P和时间t乘积。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第39页电力工程电力工程电力工程电力工程图
28、1-22电力系统日负荷曲线分配 负荷曲线对电力系统运行十分有用,电力系统计划生产主要是建立在预测负荷曲线基础之上。通常,为了事先安排电力系统中各个电厂生产(即要求各个电厂在某个时刻应开几台机组、发多少电等),必须事前由电力系统调度中心(指挥和协调电力系统中各个发电厂生产一个部门)制订出电力系统天天预测负荷曲线。这种负荷曲线常绘制成阶梯形,如图1-22所表示。所以,在一昼夜内用户所消费总电能为“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第40页电力工程电力工程电力工程电力工程三、电力系统年负荷曲线和年最大负荷利用小时数三、电力系统年负荷曲线和年最大负荷利用小时数 图1-23年最大负荷曲线 在电力
29、系统运行和设计中,还要知道一年之内负荷改变规律,最惯用是年最大负荷曲线如图1-23所表示。在电力系统分析计算中经常用到年负荷连续曲线,如图1-24所示。图1-24年负荷连续曲线“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第41页电力工程电力工程电力工程电力工程 假如把用户整年所消耗电能与一年内最大负荷相比,所得到时间称为年最大负荷利用小时数Tmax,则有 从式(1-7)能够看出,Tmax物理意义为:若用户一直保持最大负荷Pmax运行,在经过Tmax小时后所消耗电能恰好等于其整年实际消耗总电能。年最大负荷利用小时数大小在一定程度上反应了实际负荷在一年内改变程度。“十一五十一五”国家级规划教材国家
30、级规划教材第42页电力工程电力工程电力工程电力工程表1-3各类用户年最大负荷利用小时数Tmax 依据电力系统长久实测资料积累,对于各类用户年最大负荷利用小时数Tmax值大致在一定范围内,如表1-3所表示“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第43页电力工程电力工程电力工程电力工程第一节电力线路结构第一节电力线路结构 电力线路可分为架空线路与电缆线路两大类。架空线路将线路导线架设在杆塔上,它敷设于屋外并露置于大气中,如图2-1所表示;电缆线路则普通埋于地下,图2-2为敷设于地下电缆廊道内电缆。4绝缘子图2-1 架空线路1避雷线;2导线;3杆塔;第二章第二章 电力网及其稳态分析电力网及其稳态
31、分析“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第44页电力工程电力工程电力工程电力工程 架空线路主要由导线、避雷线(架空地线)、杆塔、绝缘子和金具等部件所组成(见图2-1),它们作用分别是:(1)导线传导电流、输送电能;(2)避雷线将雷电流引入大地,以保护线路免受雷击;(3)绝缘子将不一样带电体之间及其与接地杆塔之间保持良好绝缘;(4)金具连接导线,或将导线固定在绝缘子上以及将绝缘子固定在杆塔上,也可作连接绝缘子或保护绝缘子和导线等用;一、架空线路结构一、架空线路结构(5)杆塔支持导线和避雷线,并使导线之间、导线和杆塔以及大地间保持一定距离。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第45
32、页电力工程电力工程电力工程电力工程 架空线路导线和避雷线都在露天环境下工作,要承受自重、风力、覆冰等机械力作用,同时还要受到温度改变影响。所以,对导线材料除了要求有良好导电性能外,还要求有相当高机械强度与抗化学腐蚀能力。导线材料主要是铝、铜、钢等,当前主要采取铝线;个别情况下也有采取铝合金线。架空线路导线结构形式主要有单股线、多股绞线、钢芯铝绞线三种,其结构如图2-3所表示。(一)导线和避雷线(一)导线和避雷线 图2-2 敷设于地下电缆廊道内电缆“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第46页电力工程电力工程电力工程电力工程图2-3架空线路导线结构形式(a)单股线(b)多股绞线(c)钢芯铝
33、绞线 因为它结合了铝和钢二者优点,在一些方面它甚至较铜线性能更为优越,能够说是架空线路导线主要形式。当前普通都采取钢芯铝绞线见图2-3(c)。这种绞线是将铝线绕在钢线外层,因为集肤效应,电流主要从铝线部分经过,而导线机械负荷则主要由钢线负担。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第47页电力工程电力工程电力工程电力工程 依据所用材料不一样,架空线路杆塔可分为木杆、铁塔和钢筋混凝土杆这三种类型。1.直线杆塔 用于线路走向成直线处。图2-5所表示为500kV架空线路单回线路直线铁塔。2.耐张杆塔 耐张杆塔又称为承力杆塔,它是每隔几个直线杆塔就设置一个能承受较大拉力杆塔。图2-7所表示为500
34、kV耐张杆塔外观。(二)杆塔(二)杆塔“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第48页电力工程电力工程电力工程电力工程图2-5 500 kV架空线路单回线路直线铁塔图2-7 500 kV耐张杆塔外观“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第49页电力工程电力工程电力工程电力工程 3.转角杆塔 这种杆塔装设在线路转角处,在结构上必须考虑承受这种不平衡拉力要求。图2-9为500kV转角铁塔外观。图2-9 500 kV转角铁塔外观4.终端杆塔 终端杆塔是设置在进入发电厂或变电所线路末端杆塔,由它来承受最终一个耐张档距中导线拉力,如图2-10所表示。图2-10 终端杆塔布置图“十一五十一五”国
35、家级规划教材国家级规划教材第50页电力工程电力工程电力工程电力工程 5.特种杆塔 特种杆塔主要有跨越杆塔与换位杆塔两种。图2-11表示了三相导线在形杆塔上轮番换位情况。(三)绝缘子(三)绝缘子图2-11 三相导线在形杆塔上轮番换位情况 1.针式绝缘子。它外形如图2-12所表示。图2-12 针式绝缘子外形“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第51页电力工程电力工程电力工程电力工程2.悬式绝缘子 这种绝缘子广泛用于电压为35 kV以上线路,其外形如图2-13(a)所表示。悬式绝缘子通常都组装成绝缘子链来使用,如图2-13(b)所表示每串绝缘子链绝缘子数目与线路额定电压相关,如表2-1所表示
36、。表表2-1 2-1 悬式绝缘子链绝缘子最小用量表悬式绝缘子链绝缘子最小用量表 用于耐张杆塔上绝缘子数量要多一些。比如,在35110kV线路上要多一个,在220kV线路上要多用两个。注注 额定电压3563110220330500每链绝缘子最少个数2357131419222426“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第52页电力工程电力工程电力工程电力工程3.瓷横担绝缘子 这种绝缘子是能够同时起到横担与绝缘子作用一个绝缘子结构,其外形如图2-14所表示。图2-13悬式绝缘子外形(a)单个悬式绝缘子;(b)悬式绝缘子链1耳环;2绝缘子;3吊环;4线夹图2-14 瓷横担绝缘子外形“十一五十一五
37、”国家级规划教材国家级规划教材第53页电力工程电力工程电力工程电力工程4.复合绝缘子 关于绝缘子所用材料,以往最惯用是电瓷。自20世纪60年代起出现了由环氧树脂玻璃纤维芯棒和高分子聚合物伞盘、护套组成复合绝缘子,如图2-15所表示。复合绝缘子含有许多优点,如工艺简单、生产过程对环境污染小、质量小、体积小、运输安装方便,尤其是它含有优良耐污闪性能,所以近年来复合绝缘子应用日益增加。图2-15复合绝缘子结构简图1铁帽;2芯棒;3伞盘;4护套(四)金具(四)金具通常把架空线路所使用金属部件总称为金具。(1)悬垂线夹 图2-17(a)所表示为一个常见悬垂线夹,它使用已表示在图2-17(b)中。“十一五
38、十一五”国家级规划教材国家级规划教材第54页电力工程电力工程电力工程电力工程图2-16 220 kV悬式复合绝缘子1上铁帽;2芯棒;3伞盘及护套;4粘接材料;5下铁帽图2-17 悬垂线夹和耐张线夹(a)悬垂线夹;(b)耐张线夹(a)(b)“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第55页电力工程电力工程电力工程电力工程(2)耐张线夹(3)接续金具 图2-17(b)所表示为一个常见耐张线夹。耐张线夹在线路上详细应用情况则如图2-18所表示。这种金具主要用于导线或避雷线两个终端连接处,如图2-19所表示压接管、钳接管等。图2-18耐张线夹在线路上详细应用情况 图2-19接续金具 (a)压接管;(
39、b)钳接管“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第56页电力工程电力工程电力工程电力工程(4)连接金具(5)保护金具图2-20几个保护金具(a)护线条;(b)防振锤;(c)悬重锤“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第57页电力工程电力工程电力工程电力工程二、电缆线路结构二、电缆线路结构 在人口密度大与负荷密度高大城市及其近郊区,因为受到环境、安全、景观等多方面限制,大多采取埋设于地下电缆配电线路。近年来我国大城市城网改造中这种趋势愈来愈显著。普通来说,电缆线路造价较之架空线路要高,而且电压等级愈高,二者差异也愈大,且电缆线路检修也费事、费时。但因为电缆线路不需要在地面上架设杆塔,
40、占用土地面积少、美观、营造绿色居住环境,且极少受到各种气象原因与外力影响,因而供电可靠性高,对人身也较安全、更符合环境保护要求,等等。电缆结构普通包含三部分:导体、绝缘层和包护层。电缆导体普通采取铝或铜单股或多股线,通惯用多股线。(一)电缆结构(一)电缆结构“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第58页电力工程电力工程电力工程电力工程 电缆绝缘层材料有橡胶、沥青、聚乙烯(PE)、交联聚乙烯(XLPE)、聚氯乙烯(PVC)、聚丁烯、棉、麻、绸、纸、浸渍纸和矿物油、植物油等液体绝缘材料。电缆线路惯用电缆结构如图2-21所表示。图2-21 惯用电缆结构(a)铝(铜)芯线绝缘铝(铅)包钢带铠装电
41、力电缆;(b)纸绝缘分相铝(铅)包裸钢带铠装电力电缆1导体;2相绝缘;3带绝缘;4铝(铅)包;5麻衬;6钢带铠装;7麻被;8填麻“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第59页电力工程电力工程电力工程电力工程图2-23 XLPE电缆结构1导线;2导线屏蔽层;3XLPE绝缘层;4半导电层;5铜带;6填料;7扎紧布带;8PVC外护套图2-24 PVC电缆结构1导线;2PVC绝缘;3PVC内护套;4铠装层;5填料;6PVC外护套“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第60页电力工程电力工程电力工程电力工程(二)电缆附件(二)电缆附件 电缆附件主要有连接头(盒)和终端头(盒),而充油电缆则还
42、有一整套供油系统。图2-25 环氧树脂连接头1铝(铅)包;2线芯绝缘;3环氧树脂;4压接管图2-26 环氧树脂户外终端头 1缆芯;2预制袖口套管;3预制模盖;4预制底壳;5环氧树脂“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第61页电力工程电力工程电力工程电力工程 输电线路电气参数是指线路电阻、电导、电感(电抗)和电容,通常,这些参数是均匀分布。正确计算这些参数是线路电气计算基础。单根导线单位长度直流电阻计算为 式中 导线材料电阻率,;导线截面积,。一、电阻一、电阻(2-1)第二节第二节 输电线路电气参数输电线路电气参数“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第62页电力工程电力工程电力工
43、程电力工程 因为从产品目录或手册中所查得通常都是20时电阻值,当线路实际运行温度不等于20时,应修正其电阻值,修正式为 式中 、分别为,20时电阻,/km。电阻温度系数。对于铝,=0.0036;对于铜,=0.00382。二、电导二、电导 输电线路在输送功率过程中,除了电流在线路电阻内产生有功功率损耗之外,在周围绝缘介质中还将产生功率损耗。输电线路电导即与后一部分功率损耗相关。(2-2)“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第63页电力工程电力工程电力工程电力工程 详细而言,架空线路电导,或称为泄漏电导,它主要与沿绝缘子串及金具 泄漏损耗以及电晕损耗相关,严格说来它应了解为等值电导。通常,
44、泄漏损耗值很小,往往能够略去不计,而线路电晕损耗往往是决 定线路电导值主要原因。电晕是一个气体放电现象。电晕放电是当导线表面电场强度到达并超出一定数值时,导线周围空气分子被游离而产生。产生电晕需要消耗功率与能量,这就形成了电晕损耗。电晕损耗大小与导线表面电场强度值、导线表面状态、气象条件、导线布置方式等原因相关,而与线路电流值无关。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第64页电力工程电力工程电力工程电力工程 当已知架空线路单位长度电晕损耗后,即可计算出线路单位度等值电导g1来,其计算式为 g1=10-3(S/km)(2-3)式中pg三相线路单位长度电晕损耗功率,kW/km;U线路线电压
45、,kV。为了降低电晕损耗,应设法降低导线表面电场强度值,当导线表面电场强度值低于产生电晕临界电场强度值时就不致发生电晕。对于超高压输电线路而言,单纯依靠增大导线截面来限制电晕产生是不经济。实践证实,采取每相导体分裂几根子导体分裂导线结构,可降低其表面电场强度,这是当前国内外超高压输电线路上广为采取导线形式。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第65页电力工程电力工程电力工程电力工程图2-27 分裂导线结构示意图(a)n=2;(b)n=2;(c)n=3;(d)n=4;n每相导线分裂根数三、电抗三、电抗(一)两线输电线路电感(一)两线输电线路电感 对于图2-29所表示往返两线输电线路,单位
46、长度电感计算式为(2-4)“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第66页电力工程电力工程电力工程电力工程单位长度导线内部电感,;单位长度导线外部电感,;真空磁导率,;导线半径,;式中两导线几何轴线距离,。如将0值代入式(2-4)并适当化简后可得(2-5)“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第67页电力工程电力工程电力工程电力工程(二)三相输电线路电感(二)三相输电线路电感1.三相导线按等边三角形布置时电感 从物理概念出发,完全与上述往返两线输电线路电感计算相等效。能够直接用式(2-5)来计算电感,这时三相中每相导线电感值均完全相同。图2-30 三角形布置三相导线(a)等边三角形布
47、置;(b)不等边三角形布置图2-29 往返两线输电线路“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第68页电力工程电力工程电力工程电力工程2.三相导线按不等边三角形布置时电感 当三相导线按不等边三角形布置,如图2-30(b)所表示。若流过以下对称三相交流时,有(2-6)于是,对应A相导线电感值为(2-9)“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第69页电力工程电力工程电力工程电力工程同理,可求得B相、C相电感值分别为(2-10)(2-11)3.三相导线按水平布置时电感 如图2-31所表示,因为各相之间距离并不相等,故它电感计算可认为是上述三相不等边三角形布置一个特例,可取D12=D,D23
48、=D,D31=2D,并代入式(2-9)式(2-11),即可得出三相导线水平布置各相电感计算公式为:“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第70页电力工程电力工程电力工程电力工程图2-31三相导线按水平方式布置(2-12)(2-13)(2-14)“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第71页电力工程电力工程电力工程电力工程4.三相导线完全换位时电感 换位就是轮番改换三相导线在杆塔上位置,如图232所表示。当线路进行完全换位时,在一次整换位循环内,各相导线将轮番地占据A、B、C相几何位置,因而在这个长度范围内各相电感(电抗)值就变得一样了。当线路经完全换位后,各相电感值就变得相等。图2
49、-32三相输电线路一次整换位循环“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第72页电力工程电力工程电力工程电力工程式中 三相导线经完全换位后每相导线单位长度电感;三相导线间几何均距,对于水平布置方式,因为D12=D,D23=D,D31=2D,故有5.三相单回线路电抗适用计算公式(2-16)“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第73页电力工程电力工程电力工程电力工程 如将f=50 Hz,=2f=250=100代入式(2-16),并将自然对数换算为惯用对数后即可得(2-17)式(2-17)即为普通完全换位三相单回线路电抗适用计算公式。在计算时须注意Djp与r应取相同单位。因为电抗值与几何均距、导线半径之间为对数关系,所以导线在杆塔上布置方式及导线截面积大小对线路电抗值影响不大。通常,架空线路电抗值普通都在0.4/km左右,在近似计算时就可取这个值。“十一五十一五”国家级规划教材国家级规划教材第74页电力工程电力工程电力工程电力工程6.分裂导线电抗计算公式 如前所述,对于超高压输电线路,为了降低导线表面电场强度以到达减低电晕损耗和抑制电晕干扰目标,当前广泛采取了分裂导线。因为电流分布改变所引发周围电磁场改变,使得分裂导线电抗计算将不一样于普通导线。可以构想,如将每相导线分裂
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