稳态课件-第二章电力系统各元件的特性

1、IPSO第二章第二章 电力系统各电力系统各元件的特性和等值电元件的特性和等值电路路主讲主讲 李滨李滨2 2本章主要内容本章主要内容v电力系统中生产、变换、输送、消费电能的四大部分的特性和等值电路 发电机组 变压器* 电力线路* 负荷v电力网络的等值电路3 3复功率的符号说明复功率的符号说明 滞后功率因数 为正，感性无功负荷 运行时，所吸取吸取的无功功率 超前功率因数 为负，容性无功 滞后功率因数 为正，感性无功发电机 运行时，所发出发出的无功功率 超前功率因数 为负，容性无功PjQPjQ4第一节第一节 发电机的运行特性和数学模型发电机的运行特性和数学模型45第一节第一节 发电机的运行特性和数学

2、模型发电机的运行特性和数学模型1.1. 隐极发电机稳态运行时的相量图和功角特性隐极发电机稳态运行时的相量图和功角特性5 QP, P 2/p p d Q 图2-2 隐极式发电机的功角特性曲线图 EqUI qE dx I j U I d j d 图2-1 隐极式发电机的相量图 IdIq62.2. 隐极式发电机功率特性方程和运行极限隐极式发电机功率特性方程和运行极限第一节第一节 发电机的运行特性和数学模型发电机的运行特性和数学模型6222sincosqdqqqdqqddddddE UE UE UUUE UUPQxxxxxxdd7决定隐极式发电机组运行极限的因素决定隐极式发电机组运行极限的因素v 定子

3、绕组温升约束。定子绕组温升约束。取决于发电机的视在功率。以O点为圆心，以OB为半径的圆弧S。 v 励磁绕组温升约束。励磁绕组温升约束。取决于发电机的空载电势。以O点为圆心，以OB为半径的圆弧F。 v 原动机功率约束。原动机功率约束。即发电机的额定功率。直线BC。 v 其他约束。其他约束。当发电机以超前功率因数运行的场合。综合为圆弧T。 783.3.发电机的稳态数学模型发电机的稳态数学模型v发电机组在约束的上、下限运行v通常以两个变量表示， 发出的有功功率P和端电压U的大小 发出的有功功率P和无功功率Q的大小89 9第二节第二节 变压器的参数和数学模型变压器的参数和数学模型双绕组变压器三绕组变压

4、器自耦变压器等值变压器1212一一. .双绕组变压器双绕组变压器12UkU1313一一. .双绕组变压器双绕组变压器112121414一一. .双绕组变压器双绕组变压器1212121515一一. .双绕组变压器双绕组变压器v利用空载和短路试验计算变压器参数 Pk：短路损耗 kW，其近似等于额定总铜耗 Uk%：短路电压百分数 P0：三相有功空载损耗 kW I0%：空载电流百分数1616一一. .双绕组变压器双绕组变压器1. 电阻222233()3NNCuNTTTNNSSPI RRRUU22 NkTNSPRU22kNTNPURS22 1000kNTNPURS经过单位换算：(),(),(),( )k

5、NNTP kW UkVSMWR其中：1717一一. .双绕组变压器双绕组变压器2. 电抗 在电力系统计算中认为，大容量变压器的电抗和阻抗在数值上接近相等，可近似如下求解：3%100 NTkNIXUU2%1001003NkkNTNNUUUUXSI1818一一. .双绕组变压器双绕组变压器3. 电导 变压器电导对应的是变压器的铁耗，近似等于变压器的空载损耗，因此变压器的电导可如下求解：021000TNPGU1919一一. .双绕组变压器双绕组变压器4. 电纳 在变压器中，流经电纳的电流和空载电流在数值上接近相等，其求解如下：02%100NTNISBU2020一一. .双绕组变压器双绕组变压器5.

6、变比kT工作时两侧绕组实际抽头的空载线电压之比。12NNUkU2121一一. .双绕组变压器双绕组变压器v等值电路2222一一. .双绕组变压器双绕组变压器v变压器的运行损耗:220220310001000%310001000sTNTNTsTNTNTNPPPU GI RIUQU BI XS20222010001000%310001000sTNsTNTNTNNPPSPSIUSQU BI XSSS2323变压器的型号和符号含义变压器的型号和符号含义v变压器绕组数+相数+冷却方式+调压方式+v+绕组线芯材料+设计序号+“-”+容量+v高压侧额定电压组成。vD-单相 S-三相 J-油浸自冷 L-绕组为

7、铝线vZ-有载调压 SC-三相环氧树脂浇注vFP-强迫油循环风冷 SP-强迫油循环水冷vF-油浸风冷vSFL1 20000/1102424例题例题v有一台 SFL1 20000/110型的向10kV网络供电的降压变压器，铭牌给出的试验数据为： ， ， ， 。试计算归算到高压侧和变压器参数。022PkW135SPkW0%0.8I%10.5SU223322223323602233602212135 11010104.0820000%10.5 110101063.53100100 2000022101.82 101000110%0.820000101013.2 101001001101101011k

8、NTNkNTNTNNTNNTNPURSUUXSPGSUISBUUkU2525二二. . 三绕组变压器三绕组变压器v按三个绕组容量比的不同有三种不同的类型： 100/100/100、100/50/100、100/100/50v按三个绕组排列方式的不同有两种不同的结构： 升压结构：高压外，低压中，中压内 降压结构：高压外，中压中，低压内2626二二. . 三绕组变压器三绕组变压器22727二二. . 三绕组变压器三绕组变压器1. 电阻由于容量的不同，对所提供的短路损耗要做处理：对于100/100/1001(1 2)(1 3)(2 3)2(1 2)(2 3)(1 3)3(1 3)(2 3)(1 2)

9、1()21()21()2kkkkkkkkkkkkPPPPPPPPPPPP2828二二. . 三绕组变压器三绕组变压器然后按双绕组变压器相似的公式计算各绕组电阻211222222332100010001000kNTNkNTNkNTNP URSP URSP URS2929二二. . 三绕组变压器三绕组变压器v 对于100/50/100或100/100/50 首先，将含有不同容量绕组的短路损耗数据归算为额 定电流下的值。 然后，按照100/100/100 计算电阻的公式计算各 绕组电阻。2(1 2)(1 2)22(2 3)(2 3)232(3 1)(3 1)3()()min,()NkkNNkkNNN

10、kkNSPPSSPPSSSPPS3030二二. . 三绕组变压器三绕组变压器v按最大短路损耗求解（与变压器容量比无关） ：指两个100%容量绕组中流过额定电流，另一个100%或50%容量绕组空载时的损耗。 根据“按同一电流密度选择各绕组导线截面积”的变压器的设计原则：2.max(100%)2(50%)(100%)20002sNTNTTPURSRR.maxSP3131二二. . 三绕组变压器三绕组变压器2. 电抗根据变压器排列不同，对所提供的短路电压做些处理：1(1 2)(1 3)(2 3)2(1 2)(2 3)(1 3)3(1 3)(2 3)(1 2)1%(%)21%(%)21%(%)2kkk

11、kkkkkkkkkUUUUUUUUUUUU3232二二. . 三绕组变压器三绕组变压器然后按双绕组变压器相似的公式计算各绕组电阻：一般来说，所提供的短路电压百分比都是经过归算的211222233% 100% 100% 100kNTNkNTNkNTNUUXSUUXSUUXS3333二二. . 三绕组变压器三绕组变压器v等值电路3434二二. . 三绕组变压器三绕组变压器v在实际网络计算当中，一个三绕组变压器一般看成3个双绕组变压器。 3535三三. .自耦变压器自耦变压器 就端点条件而言，自耦变压器可完全等值于普通变压器，但由于三绕组自耦变压器第三绕组的容量总小于变压器的额定容量，因此需要进行归

12、算。v对于旧标准：22(1 3)(1 3)(2 3)(2 3)33(1 3)(1 3)(2 3)(2 3)33,%,%NNkkkkNNkkkkSSPPPPSSSSUUUUSS3636四四. .等值变压器（等值变压器（型）模型型）模型v变压器模型3737四四. .等值变压器（等值变压器（型）模型型）模型v变压器的型模型3838四四. .等值变压器（等值变压器（型）模型型）模型v优点：这种模型可以体现电压变换，在多电压等级网络计算中，可以不必进行参数和变量的归算。3939推导过程推导过程11212121112212212212211221101020,/1()(1)(), 1(1), 1(1)(1

13、), TTTTTTTTTTTTTTTTTUI ZkUIIkUkUkkIUUUZZZZkUk Ukk kIUUUZZZZZkyykYzzZkZkyk YzZkk kyk kYZ根据双端口原理：20 (1)TZzk k4040推导过程推导过程1221122110102020, 1(1), 1(1)(1), (1)TTTTTTTTTZkyykYzzZkZkyk YzZkZk kyk kYzZk k4141等值变压器的特点等值变压器的特点v二次输出的电压、电流是实际的电压、电流，可以体现电压变换，在多电压等级网络计算中，可以不必进行参数和变量的归算。v型等值电路之和为0，组成了一个谐振三角形，利用谐振

14、作用实现了二次的变流和变压。v型等值电路阻抗没有实际的物理意义。4242作业（变压器）作业（变压器）1. 双绕组变压器的型号为SFL1-20000/110，额定容量为20000kVA，K为110/11kV，Pk=135kW，Uk(%)=10.5,P0=22kW，I0(%)=0.8，求归算到高压侧的该变压器的参数，并做出等值电路。2. 三相三绕组降压变压器的型号为SFPSL-120000/220，额定容量为120000/120000/60000/kVA，额定电压为220/121/11kV，Pk(1-2)=601kW，Pk(1-3)=182.5kW，Pk(2-3)=132.5kW，Uk(1-2)(

15、%)=14.85, Uk(1-3)(%)=28.25, Uk(2-3)(%)=7.96,P0=135kW，I0(%)=0.663，求该变压器的参数，并做出等值电路。 4343作业（变压器）作业（变压器）3. 将如图网络用变压器型等值电路来表示，图中j0.3是标幺阻抗，要求做出阻抗的形式和导纳形式的型等值。 1:1.1j0.3IPSO第三节第三节 电力线路的参数和电力线路的参数和等值电路等值电路1.1.概述概述2.2.架空线路的参数和等值电路架空线路的参数和等值电路4545一一. .概述概述v电力线路功能简述 输电线路 配电线路 联络线路5050一一. .概述概述v电力线路结构简述电力线路结构简

16、述 电力线路按结构可分为电力线路按结构可分为架空线：导线、避雷线、杆塔、绝缘子和金具等 电 缆：导线、绝缘层、保护层等 架空线路的导线和避雷线架空线路的导线和避雷线 导 线：主要由铝、钢、铜等材料制成 避雷线：一般用钢线5151一一. .概述概述v 认识架空线路的标号 / 钢线部分额定截面积 主要载流部分额定截面积 J 表示加强型，Q表示轻型 J 表示多股线 表示材料，其中：L表示铝、 G表示钢、T表示铜、HL表示铝合金 例如：LGJ400/50表示载流额定截面积为400、钢线额定截面积 为50的普通钢芯铝线。5252一一. .概述概述v为增加架空线路的性能而采取的措施 目的：减少电晕损耗或线

17、路电抗。 多股线：其安排的规律为：中心一股芯线，由内到外，第一层为6股，第二层为12股，第三层为18股，以此类推：2331nxx5353一一. .概述概述v为增加架空线路的性能而采取的措施 目的：减少电晕损耗或线路电抗。 扩径导线：人为扩大导线直径，但不增加载流部分截面积。不同之处在于支撑层仅有6股，起支撑作用。1.钢芯（钢线19股）2.支撑层（铝线6股）3.内层（铝线18股）4.外层（铝线24股）5454一一. .概述概述v为增加架空线路的性能而采取的措施 目的：减少电晕损耗或线路电抗。 分裂导线：又称复导线，其将每相导线分成若干根，相互间保持一定的距离。但会增加线路电容。水平排列三角排列5

18、555一一. .概述概述v架空线路的绝缘子 架空线路使用的绝缘子分为 针式：35KV以下线路 悬式：35KV及以上线路 通常可根据绝缘子串上绝缘子的片数来判断线路电压等级，一般一个绝缘子承担1万V左右的电压。5656一一. .概述概述v架空线路的换位问题 目的：在于减少三相参数不平衡 整换位循环：指一定长度内有两次换位而三相导线都分别处于三个不同位置，完成一次完整的循环。 滚式换位 换位方式 换位杆塔换位AAABBBCCC5757二二. .电力线路的参数电力线路的参数1. 电阻：线路通过电流时产生的有功功率损失效应，由电场产生。2. 电感(电抗)：载流导线产生磁场效应，由磁场产生。3. 电导：

19、线路带电时绝缘介质中产生泄漏电流及附近空气游离而产生的有功功率损失。4. 电容(电纳)：反映带电导线周围磁场效应。5858等值回路 5959二二. .电力线路的参数电力线路的参数1. 电阻v有色金属导线架空线路的电阻 有色金属导线指铝线、钢芯铝线和铜线 每相单位长度的电阻： 其中： 铝的电阻率为31.5 mm/km 铜的电阻率为18.8 mm/km 考虑温度的影响则：1/(/)rskm201(20)(/)trrtkm6060二二. .电力线路的参数电力线路的参数2.电抗v 有色金属导线三相架空线路的电抗 4124.6lg0.5100.0628lnmmreDDxfrRp131/4/ 1 =,rr

20、mmabbccaeexkmrmmcmfHzDmmcmDD D DRmmcmRrer导线单位长度的电抗（）导线的半径（或）导线材料的相对导磁系数，对铜、铝，交流电频率（）三相导线之间的几何均距（或），多股线的自几何均距（或），0.816161二二. .电力线路的参数电力线路的参数进一步可得到：在近似计算中，可以取架空线路的电抗为 0.4 /km10.1445lg0.01570.1445lgeqmeDDxrR6262二二. .电力线路的参数电力线路的参数v分裂导线三相架空线路的电抗 分裂导线采用了改变导线周围的磁场分布，等效地增加了导线半径，从而减少了导线电抗。 可以证明：1(1)12131121

21、310.01570.1445lg0.0628ln()1mmeqennneqnmnDDxrnRrr d ddrdd ddn：某根导线与其余根导线间的距离6363二二. .电力线路的参数电力线路的参数v分裂导线三相架空线路的电抗 分裂根数 每公里电抗（ ） 2 0.33 3 0.30 4 0.28 6464二二. .电力线路的参数电力线路的参数3. 电纳v三相架空线路的电纳 架空线路的电纳变化不大，一般为：610.024110 lgmCDr617.5810 (S/km)lgmbDr62.85 10/S km6565二二. .电力线路的参数电力线路的参数v分裂导线线路的电纳617.5810 (S/k

22、m)lgmeqbDr6666二二. .电力线路的参数电力线路的参数4. 电导 线路的电导取决于沿绝缘子串的泄漏和电晕 绝缘子串的泄漏：通常很小 电晕：强电场作用下导线周围空气的电离现象 导线周围空气电离的原因：是由于导线表面的电场强度超过了某一临界值，以致空气中原有的离子具备了足够的动能，使其他不带电分子离子化，导致空气部分导电。6767二二. .电力线路的参数电力线路的参数 实际上，在设计线路时，已检验了所选导线的半径是否能满足晴朗天气不发生电晕的要求，一般情况下可设： g1=031210 /:ggPgS kmPU（） 电晕损耗6868例题例题2-32-3（P43P43）v 220kV线路使

23、用如图所示的带拉线铁塔；使用LGJ-400/50型导线，直径27.63mm，铝线部分截面积399.73mm2；使用由13片绝缘子组成的绝缘子串，长2.60m，悬挂在横担端部。试求该线路单位长度的电阻、电抗、电纳和电晕临界电压。解： 1.电阻，取S=400mm2为导线的截面积。 2.电抗131.50.07875 (/km)400rS22323127500247502 35257567 ()7567 (),5500756755006803 ()68030.1445lg0.01570.1445lg0.01570.405/13.8abbcabcamabbccamDmmDDmmDmmDD D DmmDx

24、kmr6969例题例题2-32-3（P43P43）3.电纳4.临界电压66617.587.5810102.815 10/6803lglg13.8mbS kmDr12120.9,1.0,1.049.3lg162.5mcrmmDUm mrkVrdd7070例题例题2-42-4（P44P44）部分）部分v 330kV线路的导线结构为：2*LGJ-300/50分裂导线，每根导线铝线部分截面积为299.54mm2，直径24.26mm，分裂间距400mm，求该线路单位长度的电阻、电抗、电纳。解：1.线路电阻 2.电抗 32312 12180002 800010080 ()r12.13 40069.66()

25、0.0157100800.01570.1445lg0.1445lg0.320/269.662mabbccannrqmmDD D DmmrdmmDxkmr 131.50.0525 (/km)2 300rS7171例题例题2-42-4（P44P44）部分）部分3.电纳66617.587.5810103.51 10/10080lglg69.66mbS kmDr7272三三. .电力线路的数学模型电力线路的数学模型 电力线路的数学模型是以电阻、电抗、电纳和电导来表示线路的等值电路。1.一般线路的等值电路1)短线：长度小于100km的架空线。 可以忽略G和B，用串联阻抗来表示。11Zrljx l7373

26、三三. .电力线路的数学模型电力线路的数学模型1. 一般线路的等值电路2) 一般线路：中等及中等以下长度线路，对架空线为300km；对电缆为100km。 不考虑线路的分布参数特性，只用将线路参数简单地集中起来的电路表示。1111 RrlXx lGg lBb l7474三三. .电力线路的数学模型电力线路的数学模型2. 长线路的等值电路 长线路：长度超过300km的架空线和超过100km的电缆。v 精确型v 简化型 7575长线路精确型长线路精确型考虑分布参数可得：2222222222222211122xxcccxxccccccUz IUz IUeeU ch xz I sh xUz IUz II

27、eeU ch xz I sh xzzz7676长线路精确型长线路精确型1111sinh2 cosh11sinhsinh/ cccZZrlrlYrlZrlZzyrz y其中：称线路特性阻抗波阻抗称线路传播特性传播常数 Z Y/2 Y/2 7777长线路精确型长线路精确型v如果线路末端接的负荷阻抗 没有反射波，也就是说 如果忽略电阻和电导，电压电流在传输过程中幅值不衰减，称为无损线。2/nNcPUr22/xU UIIe22xxUe UIe I2211/cUIUIUIz7878长线路简化型长线路简化型31 122111 1121 11316112rxblkxbr blkxbxlkxb krR+jkx

28、X jkbB/2 jkbB/2 7979作业（线路）作业（线路）4. 有一回220kV架空电力线路，采用型号为LGJ-2185的双分裂导线，每一根导线的计算外径为19mm，三相导线以不等边三角形排列，线间距离D12=9m，D23=8.5m，D13=6.1m。分裂导线的分裂数n=2，分裂间距为d=400mm，试求该电力线路的参数，并做出等值电路。 8080第四节第四节 电力系统的负荷电力系统的负荷1. 负荷的组成和特点2. 负荷分类3. 负荷曲线4. 负荷特性与模型8181一一. .负荷的组成负荷的组成v电力系统的负荷：系统中千万个用电设备消耗功率的总和。v电力系统的发电负荷：负荷再加上发电厂本

29、身消耗的功率厂用电，就是系统中各发电机应发的功率。8282一一. .负荷的组成负荷的组成v异步电动机v同步电动机v电加热电炉v整流设备v照明设备8383一一. .负荷的特点负荷的特点v综合性v随机性8484二二. .负荷分类负荷分类v一级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成人身事故，经济严重损失，人民生活发生混乱。v二级负荷：对这一级负荷中断供电，将造成大量减产，人民生活受影响。v三级负荷：所有不属于一、二级的负荷。8585三三. .负荷曲线负荷曲线v负荷曲线：反映某一段时间内负荷随时间而变化的规律。v按负荷种类分： 有功功率负荷曲线 无功功率负荷曲线8686三三. .负荷曲线负荷曲线v按时间长

30、短分： 日负荷曲线：制订各发电厂发电负荷计划的依据； 年最大负荷曲线：常用于制定发电设备的检修计划。 年持续负荷曲线：计算负荷全年耗电量。878788888989四四. .负荷特性与模型负荷特性与模型v负荷特性：指负荷随负荷端电压或系统频率变化而变化的规律，因而有电压特性和频率特性之分。 静态特性：指电压或频率变化进入稳态时负荷功率与电压或频率的关系 动态特性：指电压或频率急剧变化过程中负荷频率与电压或频率的关系。 90904.4.负荷特性与模型（简化模型）负荷特性与模型（简化模型）v有功负荷模型v无功负荷模型 在电力系统的稳态分析中，负荷的数学模型最简单，就是以给定的有功功率P和无功功率Q表

31、示。只有在对计算精度要求较高时，才需计及负荷的静态特性。DPPDQQ91914.4.负荷特性与模型（静态特性）负荷特性与模型（静态特性）v有功负荷模型v无功负荷模型 常数型、电流型、阻抗型 综合型 2DiPiiPiiPiPa Ub Uc2DiQiiQiiQiQa Ub UcIPSO第五节第五节 电力系统的等值电路电力系统的等值电路1.1. 标幺值的折算标幺值的折算2.2. 电压等级的归算电压等级的归算93931.1.标幺值标幺值1) 有名制：在电力系统计算时，采用有单位的阻抗、导纳、电压、电流和功率等进行计算2) 标幺制：在电力系统计算时，采用没有单位的阻抗、导纳、电压、电流和功率等进行计算3

32、) 基准值：对于相对值的相对基准三者之间的关系：标幺制 = 有名制 / 基准值94941.1.标幺值标幺值4) 基本级：将参数和变量归算至同一个电压级 一般取网络中最高电压级为基本级5) 平均电压：UN*1.056) 标幺制的优点：线电压和相电压的标幺值数值相等，三相功率和单相功率的标幺值数值相等95951.标幺值标幺值v选择基准值的条件： 基准值的单位应与有名值的单位相同 阻抗、导纳、电压、电流、功率的基准值之间也应符合电路的基本关系331/BBBBBBBBSU IUI ZZY22/3BBBBBBBBBZUSYSUISU96961.1.标幺值标幺值一般而言：v功率的基准值 = 100MVAv

33、电压的基准值 = 参数和变量归算的额定电压（平均电压）97平均电压平均电压电压等级归算电压等级归算v 如需将10KV侧的参数和变量归算至500KV侧，则变压器T-1、T-2、T-3、的变比k1、k2、k3应分别取35/11、110/38.5、500/121v 37/10.5、115/37、525/11597220kV10kV35kV110kV500kV500kV242:52535:11110:38.5500:121T-4T-3T-2T-198982.2.不同基准值的标幺值间的换算不同基准值的标幺值间的换算1) 把额定标幺值还原为有名值2) 有名值 / 基准值如：2()*()()*()2NNNBBBUXXSSXXU有名值有名值99993.3.实际电力系统标幺制等值电路实际电力系统标幺制等