电力工程课件(自编)第2部分

山东建筑大学尹春inchunjie@126.com

电力工程

ELECTRICPOWERENGINEERING

第2部分电力设备(1)-线路、变压器

2023/2/3主要内容输电线路变压器断路器负荷开关接触器隔离开关熔断器电压互感器电流互感器1.1、输电线路概述

输电线路构成电能输送的通道。

分为：架空线路-通过杆塔支撑，露天架设。

电缆线路-地埋或在电缆管道中敷设。

1、输电线路架空线路的特点：*施工简单、维护检修方便、建设投资小；*长期露天，遭受风吹、日晒、雨淋、覆冰、化学腐蚀、异物接触、外力破坏，受环境、气候、人为及不可抗力因素影响大，线路故障率高；*多用于远距离、空旷地带、高电压的场合，在输电线路中占有较大比例。举例：1、2008南方霜冻导致大停电；2、输电线路杆塔落鸟造窝引起放电-接地、短路；3、配电线路春季吹落异物导致短路。

1、输电线路电缆线路的特点：*占地少、受环境、气象等因素影响小、故障率低；*施工工程量大，材料造价高，建设投资大。

*故障难以查找，检修维护不方便。*多用于人口密度较大的城区配电网及部分无法使用架空线路的场合（如海底电缆等）。举例：1、城区“架空线入地”工程。2、城乡电力线路“架空线绝缘化”措施。3、电缆故障测距装置。1、输电线路1.2、架空输电线路1.2.1、基本结构导线：传导电流、输送电能；避雷线：把雷电流引入地；

防止直击雷；绝缘子：用于支持导线；

保持导线与杆塔绝缘；杆塔：支撑电力线路；金具：固定、悬挂、连接、保护各主要元件的金属器件总称。1、输电线路21、输电线路专业术语：参照教材P18图2-2.档距(l)：相邻杆塔之间的水平距离。10KV线路：100米；110-220KV线路：150-400米（混凝土杆塔）

250-400米（铁塔）

弧垂(f)：在同一档距中，导线离地最低点和悬挂点之间的垂直距离。分为悬挂点等高、不等高的情况。限距(h)：导线到地面的最小距离。

1、输电线路1.2.2、导线与避雷线基本材质性能要求：

导电性能好；物理特性稳定，抗腐蚀性能好；

足够的机械强度；一定的柔韧性。常用材质：铜-导电性能好、抗拉强度较小、价格高；

铝-导电性能较好、抗拉强度小、价格较低；

钢-导电性能较差、抗拉强度大、价格低。

1、输电线路通常选材方法：

避雷线：钢质、铝包钢；

导线：铜、铝、铝合金、钢；常用导线形式：单股线：多用于低电流、短距离场合。单金属多股绞线：克服集肤效应的影响。集肤效应又叫趋肤效应,当交变电流通过导体时,电流将集中在导体表面流过,而非平均分布于整个导体的截面积中，这种现象叫集肤效应。交变电流集肤效应的深度：δ=1/sqrt(1/2*f*σ*μ)

f-交流电频率，σ-导体电导率，μ-导体磁通率1、输电线路复合金属多股绞线：

综合利用不同材料的导电性能、抗拉强度、柔韧性能及造价特点。

多利用铝的导电性能、钢的抗拉性能构成各种方式的导线，如钢芯铝绞线、钢铝混绞线、铝包钢绞线等，在10KV及以上线路中应用广泛。

钢芯铝绞线实物图1、输电线路分裂导线与扩径空心导线：多用于220KV及以上线路。作用：

减小电晕，降低损耗；

减小线路电抗，提高输送能力；

减小无线电干扰。扩径空心导线：

人为扩大导线直径，有效载流导体截面积不增加。分裂导线：将同一相的一根导线用多根导线替代，又称复导线。每相分裂的根数一般为2-6根，排放形状P20图2-3(i)。1、输电线路2、4、6分裂导线实物图：1、输电线路分裂导线中的专业术语：*次导线

同相分裂导线中的每一根称为次导线。*次线间距离

同相两根次导线间的距离。*间隔棒

在一个档距中每隔30-80米装设一只，用以分隔、定形。*次档距

两个相邻间隔棒之间的水平距离。1、输电线路关于避雷线

避雷线一般采用裸露钢质导线，架设于导线上方，直接可靠连接大地。

避雷线架设要求：110KV及以上线路应全线架设避雷线；经过山区的220KV线路应全线架设双避雷线；330KV及以上的线路应全线架设双避雷线；雷区60KV线路宜全线架设避雷线；35KV及以下一般不全线架设，仅在距变电站1-2公里的进出线上方架设避雷线以防止雷直击、减弱雷电波的强度及陡度。1、输电线路常用架空导线规格型号

如：LGJ-400/50:LGJ-钢芯铝绞线400-主要载流体截面积（mm2）50-主要承重体截面积（mm2）1、输电线路1.2.3、绝缘子作用：用来支撑、悬挂导线，并保证导线与杆塔的绝缘。材质：陶瓷、玻璃、复合材料形式：针式、悬式、瓷横担式*针式绝缘子：抗拉性能不高，耐雷击能力差，多用于35KV及以下拉力不大的线路。1、输电线路*悬式绝缘子机械强度大；使用灵活，通常组装成串使用；广泛用于35KV及以上线路。使用方法参P23图2-8。1、输电线路悬式绝缘子串联片数根据电压等级及环境污秽程度确定。下表给出通常采用的电压-片数对应表：注：可根据绝缘子的片数估计电压等级。1、输电线路

1、输电线路*瓷横担绝缘子可以同时起到横担和绝缘子的作用；线路断线时可以转动方向，避免事故扩大；在110KV及以下线路中使用广泛。1、输电线路问题：为什么绝缘子要制作成表面曲折形状？电气间隙与爬电距离爬电距离

指沿绝缘表面测得的两个导电器件之间的最短距离。电气间隙两相邻导体或一个导体与相邻导体表面的沿空气测量的最短距离。注意事项

在确定电气间隙和爬电距离时，应考虑额定电压、污染状况、绝缘材料、表面形状、位置方向、承受电压时间长短等多种使用条件和环境因素。UL、CSA和VDE安全标准强调了爬电距离、电气间隙的安全要求，用以防止器件间或器件和地之间放电而威胁到人身、设备安全。1、输电线路

1、输电线路1.2.4、架空线路的杆塔作用：用来支撑导线和避雷线，使导线对地面或地面物体满足限距要求；承受导线、避雷线及线路其他附件本身的荷载、外荷载。材质：木质、水泥、金属材料类型：按用途不同，主要分为以下6类：直线杆塔：

又称中间杆塔；

用于线路直线走向段内；主要起悬挂导线的作用。1、输电线路耐张杆塔：

又称承力杆塔；

多用于线路的首、末端及分段处；

长线路每3-5KM设置一基；

用来承受正常及故障情况下导线、避雷线沿线路方向的水平张力，将故障限制在一个耐张段内。*耐张段指两个相邻耐张杆塔之间的线路区段。终端杆塔：

多用于线路首、末端，靠近发电厂、变电站的第一基；

承受单侧张力。1、输电线路转角杆塔：

位于线路转角处；

承受沿线路方向的侧向拉力。跨越杆塔：

位于线路跨越山、水、路、居民区等地方；

一般较普通杆塔高。1、输电线路换位杆塔

三相线路在空间进行换位使用的特种杆塔。架空线路换位原因

三相架空线路在杆塔上无法做到相-相、相-地完全对称，为避免由此引起的三相不对称电流，规定每100KM左右导线必须换位处理。下图给出完整的换位循环。1、输电线路架空线路换位过程1、输电线路各类杆塔图例：1、输电线路1.2.5、架空线路使用的金具

所有金属部件统称为金具。种类繁多，主要的列举如下：线夹：将导线固定于绝缘子上。连接金具：将绝缘子连成串并连接、悬挂到杆塔或横担上。接续金具：接连导线、避雷线。分为：

钳压型：多用于铝质导线。

液压型：多用于钢质导线或铝线钢芯。

爆压型：大型号导线爆破压接。1、输电线路保护金具：机械类防护金具：防止振动，避免折拗、断股。防震锤、阻尼线：吸收消耗线路振动能量，减小振动时在 悬挂点反复发生线路折坳。护线条：增强耐振能力，减小线路承受的振动应力。电气类防护金具：防止电压分布不均匀。间隔棒、均压环等。1、输电线路1.3、电缆

占地少、受外界因素影响小、供电可靠。

敷设成本高、检修维护困难；

需防腐蚀、防潮、防损伤，制造成本高。

在城区电网应用广泛。1.3.1电力电缆基本构造1、输电线路*1、输电线路1.3.2、电力电缆分类根据绝缘介质分类：根据芯数分类：单芯、三芯、四芯等；1.3.3适用电压等级

10KV以下：三相统包型；10-35KV：分相屏蔽型、分相铅包型，内部电场分布均匀、绝缘利用充分；110KV及以上：充油式、充气式1、输电线路1.3.4、命名规则1、输电线路命名规则1、输电线路1.3.5、电缆附件

电缆连接头

电缆终端盒

针对充油电缆的供油系统

直通接头是连接两根电缆形成连续电路的附件，特指接头的金属外壳与被连接电缆的金属屏蔽和绝缘屏蔽在电气上连续的接头。高压线路为了减少金属护套的感应电动势，需要绝缘接头来实现交叉换位连接，以消除感应电势产生的环流电流。绝缘接头将电缆的金属套、金属屏蔽和绝缘屏蔽在电气上断开的接头。电缆接头按其在线路中的作用，除了绝缘接头和直通接头，可有分支接头和过渡接头。1、输电线路1、输电线路本段小结：架空线路的基本结构：避雷、线路、绝缘子、杆塔、金具分裂导线、扩径导线及专用术语：电缆的基本结构：常用的杆塔形式及用途：爬电距离及绝缘间隙：趋肤效应：关于档距、弧垂、限距课后作业：教材P60,习题2-1、2-2、2-3。1.4、架空线路模型

输电线路传输电能时的典型物理效应：热效应：电流流经线路消耗电能发热，表现出电阻特性。磁场效应：交流电流流经导线时产生交变磁场，匝链三相线路产生感应电动势，表现出电感的特征。电场效应：交流电压施加于线路时产生交变电场，导致线-线、线-地之间出现位移电流，表现出电容特征。电晕(泄露)效应：高电压导致导线表面电场强度过高时使空气游离放电，消耗电能。绝缘问题导致少量的电流泄露。分别用电阻、电抗、电纳、电导来描述以上物理效应。参：电力系统分析夏道止中国电力出版南社20041、输电线路1.4.1电阻粗略补偿了趋肤效应（0.2-1%）、绞线长差（2-3%）、截面偏差（3-5%）的影响。电阻温度系数：铜-0.00382，铝-0.00361、输电线路1.4.2、电抗

注：真空磁导率4pi*e-7(H/m)

1、输电线路c1、输电线路c1、输电线路线路电抗计算例题11、输电线路线路电抗计算例题11、输电线路c1、输电线路重要概念：*需采用分裂系数修正对实际子导线间距进行修正。

参照P31,表2-3:不同布置方式下的分裂系数表*导线分裂可以降低线路电抗值。工程估值：

单线0.4欧/KM，2分裂0.33欧/KM，0.3欧/KM，0.28欧/KM*参照P31,图2-21：

分裂根数越多，电抗越小；当大于4后，降低速度变慢。

增大分裂间距，电抗减小；过大不利于防止电晕产生。*电抗与几何均距、导线半径为对数关系，影响较小。

参照P31,表2-4：分裂导线近似电抗值*三相线路的负序电抗与正序电抗相同：X1=X21、输电线路

分裂导线线路电抗计算举例（例题2）1、输电线路

1、输电线路1.4.3、电纳

导线中流过交流电流，周围产生电场，电场中任一点电位与导线上电荷密度成正比。电容：电荷密度与电位之比。符号C,量纲F(uf、pf)。容抗：ZC=1/jWC，w=2*pi*f;量纲-欧姆电纳：B=1/ZC=WC;量纲：S(1/欧姆)计算关系：设电压为U,频率为f,

电容为C,有如下算式：

电流I=U/ZC=U*B1、输电线路三相平衡对称输电线路等效电容：P32-式2-17

Deq-导线间几何间距；r-导线半径。等效电纳：*注：电容/电纳与（Deq/r）关联性;一般为3*e-6S/KM。1、输电线路三相分裂架空线路等效电容/电纳：

req-分裂导线等效半径；1、输电线路1.4.4、电导

架空输电线路沿线接触：绝缘子、空气。电晕：强电场导致周围空气电离，当电场强度超过一定临界值，就会引起空气导电，出现电晕。现象：围绕导线的蓝色光环、放电声音、臭氧味道。电晕起始电压：发生电晕的最小电压-临界电压Ucr。估算公式：P33式2-21影响因素：导线表面光滑度、气象、空气密度、导线间距及半径之比。泄漏电流：高压导线沿绝缘子表面出现微小的泄漏电流，正常可以忽略。1、输电线路电导：用以反映线路施加电压后产生电晕及绝缘子中产生泄漏电流的状况。量纲：S(1/欧姆)电晕损耗估值：P33式2-22

特别地，U<Ucr时，电晕损耗为0，电导为0。降低架空线电导的措施：-降低沿线有功损耗

通过同相导线分裂，减小次导线半径r,降低电晕损耗；

适当增大异相导线间距，降低电晕损耗；1、输电线路1.4.5、例题讲解（P33例2-3）

某500KV电力线路使用4*LGJQ-300型分裂导线，分裂间距为450mm，按正四边形排列，三相导线水平排列，相间距离12米。计算此线路单位长度(KM)的电气参数。简答：1>.电阻r1=p/S=31.5/(4*300)=0.0263欧/千米2>.电抗

查阅手册，获得导线半径r=11.85mm;

计算几何均距Deq=1.26*D=15119.1mm;

分裂导线等效半径req=197.68mm;

求取：x1=0.277欧/KM3>.电纳：b1=4.024e-6S/KM1、输电线路输电线路的等效参数：电阻、电抗、电纳、电导-电阻：考虑温度、多芯、绞线对电阻率、截面积、长度的影响。1、输电线路1、输电线路-电抗：注意几何均距Deq等效半径req的折算。1、输电线路-电纳：注意几何均距Deq等效半径req的折算。1、输电线路-电导：在电压小鱼临界电压时通常予以忽略。m1-导线表面光滑系数，0.8-1；m2-气象系数，0.8-1;d-空气相对密度，受温度、大气压力影响。注：导线表面越光滑、半径越大，Ucr越高，电晕损耗越小。1.5、电力线路等效模型

电阻、电抗、电导、电纳是集中描述电力线路的基本电气参量；电力线路是一种典型的参数分布式设备对象，为分析方便，实际应用中采用以下等效模型：*分布参数模型：*集中参数模型：长度在300KM以下的电力线路可简化为集中参数模型。常用“一”字型、“T”型、“π”型。1、输电线路1.5.1、“一”字型集中参数模型1、输电线路1.5.2、“π”型集中参数模型

适用：100-300KM架空线；100KM以下电缆线路。“π”型：将线路总阻、抗串联在线路中间；将线路的等效导、纳参数分半分别并接在始、末端。1、输电线路已知末端电压、电流推算首端电压电流的方法1、输电线路*自行推导已知首端U1、I1推算U2、I、“T”型集中参数模型适用线路：与π型相同。特点：将线路总阻、抗分半串联在线路中间；将线路的等效导、纳并接在中间接点；

由于增加中间节点，计算量有所增加。1、输电线路1.5.4、练习题（P35例2-4）

简答：1>.计算全线路电阻、电抗、电纳值。1、输电线路2>.绘制π型等效电路3>、求取末端相压U2、相电流I2(参阅P36)4>、求取首端相电压U1、相电流I11、输电线路本段小结：电能通过输电线路时产生的物理效应及其描述；输电线路的等效电阻、电抗、电导、电纳估算方法；输电线路的三种等效模型及适用范围。课后作业：

教材P60,习题2-4、2-8、2-9、2-10、2-11。1、输电线路2.1、概述作用：电力变压器是实现电能传输和分配的核心设备。无论将发电机发出的电能进行高压传输，还是将高压电网的电能降压供给用电设备，均离不开电力变压器。

通过变压器调整电压实现电网潮流控制。原理：由主要部分铁心、绕组及起到冷却、绝缘、保护、调压等作用的部分构成。当一次绕组通以交流电时，就产生交变的磁通，交变的磁通通过铁芯导磁作用，就在二次绕组中感应出交流电动势。二次感应电动势的高低与一、二次绕组匝数的多少有关，即电压大小与匝数成正比：U1/N1=U2/N2取K=N2/N1,则U2=K*U12、电力变压器分类：按相数-单相、三相；

按绕组-双绕组、三绕组、自耦；

按冷却及材料-干式、油浸式；

按电压等级-10KV、35KV、110KV、220KV…2、电力变压器2.2、结构示例

油浸式配电变压器为例简单介绍。2、电力变压器

35KV/10KV油浸式电力变压器现场图片2、电力变压器2.3、命名方法示例如：SCB9-2000/10Dyn11 S-三相； C-环氧树脂浇注绝缘； B-配电变压器；9-设计序号； 2000-额定容量2000（KVA）； 10-高压侧额定电压10（KV）； Dyn11-接线组别；注：课后查阅电力变压器命名规则。2、电力变压器2.4、主要技术参数1>额定容量SN：

指变压器在出厂时铭牌标定的额定电压、额定电流下连续运行时能输送的容量,单位kVA。其计算公式为：

三相变压器SN=√3UNIN

单相变压器量SN=UNIN

2>、额定电压UN

指变压器长时间运行时所能承受的工作电压(铭牌上的UN值,是指调压分接开关在中间分头时的额定电压);单位为kV。

3>、额定电流IN

在额定容量SN和允许温升条件下,允许长期通过的工作电流,单位为A。

2、电力变压器4>、阻抗电压Us%：

也称阻抗电压，将变压器的二次绕组短路,一次侧施加电压,至额定电流值时,原边施加的电压US和额定电压UN之比的百分数。即：Us%=Us/UN*100%

变压器的并列运行要求Us%值相同,当变压器二次侧短路时,Us%值将决定短路电流大小,所以是考虑短路电流热稳定和动稳定及继电保护整定的重要依据。5>、空载电流I0%（多以标幺值形式给出）

当变压器在一次侧额定电压下,二次侧绕组空载时,在一次绕组中通过的电流,称空载电流。它起变压器的激磁作用,故又称激磁电流;多以其占额定电流的百分数表示。空载电流的大小决定于变压器容量、磁路结构和硅钢片质量等。2、电力变压器6>、空载损耗(铁损)ΔP0：

指变压器二次侧开路,一次侧加额定电压时,变压器的损耗。它等于变压器铁芯的涡流损耗和激磁损耗,是变压器的重要性能指标。变压器的铁损包括两个方面。*磁滞损耗,当交流电流通过变压器时,通过变压器硅钢片的磁力线其方向和大小随之变化,使得硅钢片内部分子相互摩擦,放出热能,从而损耗了一部分电能,称为磁滞损耗。*涡流损耗,当变压器工作时。铁芯中有磁力线穿过,在与磁力线垂直的平面上就会产生感应电流,由于此电流自成闭合回路形成环流,且成旋涡状,故称为涡流。涡流的存在使铁芯发热,消耗能量,这种损耗称为涡流损耗。2、电力变压器7>、负载损耗

铜损指变压器线圈电阻所引起的损耗。当电流通过线圈电阻发热时,一部分电能就转变为热能而损耗。由于线圈一般都由带绝缘的铜线缠绕而成,因此称为铜损。

负载损耗指二次绕组短接，一次绕组通入额定电流时产生的有功损耗。铜损所占比例较大。8>、电压变比：各侧额定电压的比值，如35KV/10KV.9>、相数和额定频率：10>、温升与冷却方式：变压器绕组或上层油温与变压器周围环境的温度之差,称为绕组或上层油面的温升.油浸式变压器绕组温升限值为65K、油面温升为55K。

冷却方式：油浸自冷、强迫风冷，水冷等2、电力变压器注：变压器损耗及节能措施变压器总损耗=铁损+铜损；铁损=磁滞损耗+涡流损耗:受负载电流影响不大。铜损=3I2R：随负载电流增大而增大。*优质、新型的导磁材料以降低铁损，如S9升级至S11；*输出P不变时降低I以降低铜损，如无功补偿；*输出P不变时降低R以降低铜损，如箔绕变、超导；*多台变压器时的经济运行控制措施。2、电力变压器11>、绝缘等级：

某一35KV/10kV级的变压器绝缘水平表示:

LI200AC85/LI75AC35LI200--表示该变压器高压雷电冲击耐受电压为200kV，工频耐受电压为85kV，LI75AC35--低压雷电冲击耐受电压为75kV，工频耐受电压为35kV.12>、联结组标号：描述各侧绕组的连接形式及输入、输出侧电压的相位关系。如Dy-11:指高压侧为D型接线，低压侧为Y型接线，高低压侧相位相差30度。练习：根据变压器接线组别标号绘制高低压绕组连接方式及电压向量图。2、电力变压器2、电力变压器2.5双圈变压器模型及参数计算

通常采用右侧的等效电路结构，主要参数：RT-短路电阻；XT-短路电抗；GT-励磁电导；BT-励磁电纳。计算以上参数主要使用变压器的额定电压、空载损耗、空载电流、阻抗电压、满载损耗等。

2、电力变压器2.5.1、双圈变短路电阻RT的计算方法2、电力变压器2.5.2、双圈变短路电抗计算方法

铭牌参数给出的短路阻抗电压US%实际包含电阻、电抗两个分量，但XT>>RT,可近似认为US%=UX%.2、电力变压器2.5.3、双圈变励磁电导计算方法GT、BT反应励磁回路参数，均采用空载数据计算。2.5.4、双圈变励磁电纳计算方法（I0主要为无功电流）2、电力变压器2.5.5、例题（P41例2-5）2、电力变压器2.6、三圈变模型及参数计算

三圈变压器有三个不同电压等级的绕组用来连接连接三个不同电压等级的电网。*额定容量比

双圈变高、低侧额定容量相同，通常三个绕组的容量比取值如下：H/M/L:100/100/100；100/100/50；100/50/100*绕组排列方式（参P42图2-31）绕组排列方式影响各绕组间漏抗，短路阻抗电压也不同。降压型：高、中、低绕组自外向内排列。升压型：高、低、中绕组自外向内排列。2、电力变压器2、电力变压器*三圈变等效电路结构如下图所示。（P42图2-30）并联导纳支路参数GT、BT与双圈变相同；串联阻抗支路由于各圈容量不同，需分别计算。

2、电力变压器2.6.1、三圈变短路电阻RT1、RT2、RT3计算方法

对于三圈变压器，制造商一般分别按两个绕组提供短路损耗数据：

由于三圈变各绕组的额定容量可能不同，以上数据需进行一定折算后才能使用。2、电力变压器*容量比为100/50/100的情况

由于绕组2的额定容量为其他绕组的50%，故短路损耗数据DPs1-2、DPs2-3只是在2绕组满载，1、3绕组半载的情况下获得。需首先将数据折算到满载，再按等容量的情况进行计算。折算方法：

2、电力变压器*容量比为100/100/50的情况

绕组3的额定容量为其他绕组的50%，短路损耗数据DPs1-3、DPs2-3只是在3绕组满载，1、2绕组半载的情况下获得。需先将数据折算到满载，折算方法：*容量比为100/100/100的情况

此时数据不需折算。2、电力变压器*根据折算后短路损耗计算电阻折算完成后，可以分别求得各绕组的损耗值：参照两圈变的算式，根据各绕组短路损耗计算各绕组电阻值：2、电力变压器2.6.2、三圈变短路电抗XT1、XT2、XT3计算方法

三圈变各绕组的短路电压是按各绕组容量折算后的数据，根据厂商数据求取各绕组本身的短路电压值后可依次求得各绕组短路电抗值。*根据铭牌参数折算各绕组短路阻抗电压2、电力变压器*根据各绕组短路电压计算短路电抗值2、电力变压器2.6.3、励磁回路的电导、电纳及功率损耗*与两圈变采用相同的算式计算GT、BT*功率损耗

有功损耗为DP0,可在厂商参数中查到。

无功损耗按I0%进行估算，DQ0=I0%SN。2.6.4、练习题(P44例2-6)2、电力变压器2.7、自耦变压器模型及参数计算*自耦变压器一般为三绕组，每相由串联绕组、公共绕组和第三绕组。为抑制三次谐波，第三绕组多为三角形联结。*耗材少、投资低、损耗小，应用广泛；中\高电气不隔离2、电力变压器

就端点条件而言，自耦变压器与三绕组变压器是等效的