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文档简介

第2章电力系统稳态运行分析与计算

M2.1簸

32.2三相输电线路

32.3电力变压器

[12.4多电压级电力系统

32.5简单电力系统运行分析

□2.6复杂电力系统的潮流计算

m2.7无功功率平衡及无功功率与电压的关系

■2.8电力系统的电压调整

H2.9电力系统的有功功率和频率调整

2.1概述

a要对电力系统进行分析与计算,首先必须

掌握电力系统的基础知识和基本计算方法,

建立电力系统各元件的数学模型,通过数

学模型把电力系统中物理现象的分析归结

为某种形式的数学问题。

u电力系统运行状态,一般分为正常稳态运

行方式和故障时的暂态过程或称为过渡过

程。

5本章的任务:阐述电力系统在稳态情况下的运行

特点,建立电力系统主要元件及电力系统的数学

模型,在此基础上学习电力系统稳态分析计算的

原理和方法。

B电力系统稳态运行问题包含的两个方面内容:

B一方面是电力系统正常运行状态的分析和计算。

其中包括输电线路和变压器的特性、参数、等值

电路以及电力系统的等值电路和潮流计算。

B另一方面是在正常情况下电力系统的无功功率与

电压及有功功率与频率的控制和调整。其中包括

电力系统的无功功率与电压特性和无功功率平衡;

系统电压与系统无功功率的关系;各种电压调整

的原理及分析计算的方法;有功功率平衡与频率

的关系;发电机组、负荷的功频静特性;系统频

率的一次调整与二次调整的概念。

2.2三相输电线路

有几个参数可以反映输电线的电磁现象?

各个参数受哪些因素影响?

如何用等值电路表示输电线路?

A线路的电磁现象和参数

线路通电流

发热,消耗有功功率R

交流电流一交变磁场

二。感应电势(自感、互感)抵抗电流—X

电流效应=串联还是并联?一

❖线路加电压

绝缘漏电(较小),

一定电压下发光、放电(电晕)匚

电场一线/线、线/大地电容

「交变电压产生电容电流E

电压效应串联还是并联?

[1长度为L的架空线路的参数

BR=R0L(Q)

3X=XoL(Q)

mG=G0L(S)

=B°L(S)

2.2.1架空线路的电阻

单位长度的直流电阻的计算

R2-—(Q/km)

S

p■导线材料的电阻率,0・mm2/km

S-为导线的截面积,mm2

合K

说明

工频交流时略微增大材料电阻率的取值

■绞线,实际长度长(2%〜3%)

-集肤效应和邻近效应,Ra>Rd

-导线的实际面积常比标称面积小

铝的电阻率增大为31.5Q・mm2/km

铜的电阻率增大为18.80-mm2/km

温度系数修正

4=桐1+次"20)]

铝的%取0.0036,1/℃

铜的2取0.00382,1/℃

2.2.2架空线路的电抗

1用电感L或电抗X来反映输电线路的磁场效应

电抗的计算

■电抗(电感)反映载流线路周围产生的磁场

效应,导线的电感计算公式根据磁场效应推

导。

推导思路

3分析导线的磁场

导线自身电流+邻近导线电流(安培环路定

律:/-H磁场强度)

■分析导线所交链的磁链

自磁链+互磁链

■磁链与电感系数的关系

LZ/I

■电抗与电感系数的关系

x=wL

推导结果

1.每相导线单位长度的电感

单根半径为r的导线,在宽为

D,长为1m的长方形中的电感

5

图2」单根长直导线内

磁场分析

(RjaIn---内磁链+"r"o"外磁链)

/。=--2.7187r

a

幺。〃"一〃)

=-----(Ln------+------)

27rr4

Dn_7

=(2ln——+—;xlO(H/m)代入〃0

r2

合K

2.三相输电线路的电感

对称三相换位导线将4。代入,

(DJL1\—7

LA=2111—^+—xlOH/nt

Ir2)

Dm二相导线几何均值,Dm=y)

图2-3ZR匝锥A相导线的磁链

合K

工频f=50Hz,IAr=l,In—lg,Jr=coL=2TT

入,得

(y_

X»=2看4.6/g=^-+0.5〃/xio4

Ir)

DD/

=0.1445念一^+0.0157=0.1445/g—^C[knt

r'=0.799r,称为等值半径

>分裂电抗计算公式

单导线:JV=0.14457^^+0.0157,Q/km

0r

分裂导线:。念%+

X=0144500157Q/KM

l*eqn

Dm——导线的几何均距,mm

r------单导线的等值半径,mm

req——分裂导线的等值半径,mm,

req=可rd12dl3…4"

di2d13…din为某根导体与其余nT根导体间的距离

|今—|〉

>2.2.3输电线路电纳的计算

n电纳是表征电压施加在导体上时所产生的电场效

应的参数,用符号B来表示。

[1研究B,需研究电容C,可采用电场理论分析导线

周围电场情况

II公式推导思路

高斯定理.

电荷线密度q।A电场强度E.积

电容C=q/*b电位差Lb。分

推导结果

常用的不称三相线路每公里电纳计算公式:

7.58_

5单导线B=coC=-----------xlO6(S/km)

]刀m

1g------

*分裂导线B=coC='58xlQ-6(S/kni>

eq

>输电线路电导的计算

a电晕现象

声响

蓝色晕光

>电晕损耗

。3气味

•计算公式G—xi(T§(s/km)

(实测)°u2

HL:临界电压

能发生电晕的最低电压

■影响因素:

材料表面光滑程度

天气

空气密度

材料半径

分裂情况

防止电晕的有效方法是增大导线半径。

5设计时已考虑晴天不发生电晕,G可忽略。

2.2.5输电线路的状态方程和等值电路(重点)

>三相循环换位

作用:三相不对称排列时,使三相参数平衡

采用三相循环换位后,线路参数的计算公式如

前面所讲。

输电线路的稳态状态方程

■输电线路的电阻R和电抗X是与线路电流有关的物

理量,所以串联在线路中;电纳B与电导G是与线

路电压有关的物理量,则并联在线路中。

均匀分布参数的等值电路

Z。、Y0分别表示每公里输电线路的串联阻抗和并

联导鼠则:N。=&+/%)

%=Go+/"o

以线路末端为参考点,输电线路中任意点的电

压和电流与末端电压和电流的关系如:

Ux=U2coshyx+NJ?sinhyx

I-......sinh/v+Z2coshyx

”与心尸:线路的传播系数。实部表

示电压和电流行波振幅的衰减特性;虚部表示行波;

相位的变化特性(相位常数)。

NC="O7^:为线路的特征阻抗,也称为波阻抗。

把x="弋入得到输电线路两端点电压、电流的关系:

t/j=U2coshyl+csinhyl

1

I】=U2sinhyi+12coshyi

Zc

用两端口网络的通用常数表示:

U.=AU^+BI

JL乙乙7

/=cuy+Di)

传输矩阵为:「NBl「C°ShXN°sinh力

11I

[c-----sinhyicoshyi

Z一

一般把输电线路用兀型等值电路来代替:

实质上是把具有分布参数特性的输电线路用

集中参数的等值电路来表示。

,1

ZY

兀型等值电路中3+Z

2)

ZYY.ZYY

一4J%

比较兀型电路与输电线路方程,得:

sinh7/I

sinh/Z=----------=ZkN।

Xz

x>

,12(cosh^Z-1)tanh|

P=-----------------------=M==Yk

ZcsinhX*2

N=4/Y=Y^l:为线路的串联阻抗及并联导纳。

yi

.i,tanh

k="叱k=一工:为修正系数。

'X,川2

勺、人〃与线路结构、长度有关,而且还与频率有关。

在电力系统中,当,>300Am时,输电线路中分布

参数的特性比较明显,用Z,和F表示的兀型等值电路。

对中距离输电线路5即50km<I<300km,且

频率在50Hz时,勺、与接近于1,可用Z及Y直接取代Z,、

Y\不必进行参数的修正。这种电路称为标准n型等

值电路。

对距离,的输电线路,可以不计分布参

数和同地电容的影响,即只国=4/表示短输电

线路。

合K

输电线路等值电路

CI一字型等值电路(短线路)

合K

TT型等值电路(中等长度)

5U2

合K

EIT型等值电路(中等长度)

R°l/2X°l/2R°//2X.l/212

Ui2

合K

•长线路用分布参数等值电路

•或TT型等值电路(Z,,Y')

11

例题27计算一无损耗开路输电线路受端的电压,

并用三种模型比较其结果。心是固定始端电压。

3解:开路:=0

无拉I耗:c=0,/=j/3

长线模型:=U2cosyl—U2cos/3l

可以看出,在空载时

中线模型:(cos"级数展开取前两项)4

2、

(ZY\.

5=1+——4=1+

I2)吁]2

7

短线模型:(只保留cos[31级数展开的第一项)

,=u

2

2.3电力变压器的等值电路及参数计算

2.3.1、双绕组变压器的等值电路(重点)

把变压器看作是二端口网络

11

R1X[R2X\h冗Tkr

双绕组变压器的T型等值电路双绕组变压器『型等值电路

g

△S=APg+jAQQ

双绕组变压器r型等值电路

有时在工程计算中因变压器的电压变化不大,

常把变压器的导纳支路表示成额定电压下的励磁功

率的形式。图中2

MW

1000

△2o=U±NBTMVAR

正常运行时三相变压器的单相等值电路参数意义

归算到一次侧的双绕组变压器的T型等值电路

I和Xi为一次侧绕组的电阻和漏抗。

W和4为二次侧绕组的电阻和漏抗归算到一次侧的值,

它与实际值的关系为:〃2=/衣2大2=小X?

k为变压器的变比,k=UINP2No

二次测电压和电流,的归算值卢实际值关系分别为:

U2—kUz,2=121k

电力变压器的空载电流1m一般很小,为额定电流

的2%左右,新产品大多数都小于1%。空载电流在一

次绕组阻抗上的压降更小,为了简化计算,常采用

r型等值电路。

双绕组变压器r型等值电路

根据变压器出厂时所提供的短路实验和空载实

验的数据可决定XrGrBT四个参数的数值。

>变压器出厂数据

m变压器额定容量SN

■变压器额定电压川

U短路损耗几

n阻抗电压百分数为%

5空载损耗4

m空载电流百分数/%

双绕组变压器r型等值电路0

>关于数据的说明

变压器容量为三相的总容量。

变压器铭牌上的电气参数:损耗是三相总损耗,

百分数是相对于相电压(电流)的百分比。

计算所得变压器等值电路中的参数指的是每一

短路试验计算等值参数

RyXy

-----|_^VW^

U

双绕组变压器的简化等效电路

短路实验是将变压器二次侧短路,在一次侧逐渐加

电压,直到二次侧达到其额定电流时测得的有功功率为

短路损耗Pp测得的电源侧电压(一次侧所加电压)为

短路电压灰,此电压与变压器额定电压3N之比的百分数

称为短路电压百分数

短路实验,变压器的铁耗很小,可将短路损耗PK

看作是额定电流时变压器一次和二次绕组的总铜耗。

22

SN)SN

KRR

P=3彳N%=3T=-2-T

3UIN)AN

若SN、UIN、I1N及PK的单位分别采用MVA、kV、kA、

kW,则短路电阻为

RPKU'N仁

1000O2

>N

合K

一般电力变压器绕组的漏抗XT(短路电抗)

远大于电阻R『故可以近似认为短路电压全部降

落在变压器的漏抗XT上。从而有

0K%=0^X100=卫£2^X100变压器星型联结

U1NU1N

UK%U[N

T—•£2

100SN

或者一Q

100SN

2—后

空载试验计算等值参数

空载实验是将二次侧三相开路,在一次侧将电压

加到额定值。这时测出的有功功率为空载损耗测

得的电流为空载电流1(),也即为励磁电流空载电

流常用百分数表示:4

z0%=-y^xioo

N

由于变压器的空载电流很小,故可忽略一次

侧绕组中的铜耗,近似认为空载损耗全部为变

压器的铁损。因此可以写出

式中:P。为空载损耗,kW;

%N为变压器额定电压,kV。

在励磁支路中,电导GT远小于电纳B「空载电

流与流过球支路的电流几乎相等,因此

U

U12V1inn1N

/()%=*xlOO=-x100=-BTX100

I1N、3I1NSN

_£Q%

BT—0s

100

2.3.2三绕组变压器的等值电路

三绕组变压器

的导纳由空载实验

确定,其方法与双

绕组变压器的情况

完全一样。三绕组

变压器的短路实验

是在两两绕组之间

做的。

三绕组变压器的「型等值电路

UQ/O

PK(12)PK10K(1—2)%K1

n??_

PK(1—3)PK2UK(l-3)O/oU

rK(2-3)PK3。衣(2—3)%UK30/G

国冢标准规定的容量比有三种类型:

中1OO

中5O

1OO5O中1OO

三绕组变压器的额定容量:三个绕组中容量最

大的一个绕组的容量。

对100/100/100型三绕组变压器

r1(1一2)=^K1+^K2〕

^K(l-)3=^K1+^K3卜

p—p।p

^K(2-3)—「K2十^K3

1〕

=一(依(1—2)+/k(l—3)—/k(2—3))|

2

=一(人(1—2)+衣(2—3)-人(1—3))\

2I

1|

&3=(&(1—3)+小(2-3)—&(1-2))

合K

对于100/100/50型三绕组变压器

按变压器的额定容量进行折算

八)21002〕

珠(1一3)=&(1—3)(徐。-3)(.)=4殊(1—3)|

SN3

1002

珠(2-3)=反(2-3)(徐(2—3)()=4徐(2—3)r

50I

Pk(I-2)=PK{l-2)

V

y

国标规定:短路电压百分数是已经归算到额定

电流时的值。

UKI%=-0K(1—2)%+UK(1—3)%_UK(2_3)%)]

2

1

UK2%=一(°K(1—2)%+UK(2—3)%-r

2I

1|

"K3%=;(UK(1_3)%+UK(2_3)%_〃K(1_2)%)

2

(C)o=123)

1OOSz

A电导和电纳的计算

计算方法和双绕组变压器的完全一样。

GT=——(S)

lOOOC/j

三绕组变压器的空载试验

自耦变压器

电力自耦变压器一般均为三绕组,低压绕组一般联结成三

角形。它只有100/100/50一种类型。一、二次侧除了磁耦合

外,还有电的联系。从变压器绕组端点来看,与三绕组变压器

相同,它的等值电路和参数的确定均与三绕组变压器相同,

>自耦变压器的连接方式和容量关系

三绕组自耦变压器

U1-高压,U2-中压,U3低压

合Ky〉

>自耦变压器的电磁关I

串联绕组工1

高压与低压的关系与普曝NI

变压器一样公共绕组

高一中压关系:

变比:kA=NjN)=UjU]

负载时的电流关系:i=i2-ix

负载磁动势平衡方程:

=IN2=(Z2-iYW2

合K

额定容量(又称通过容量)

SN=U\I『UJ2电磁功率

后吠UJ、+u2r金+S电

标准容量

11

Sb=S«=tV=U2/2(l——尸SN(I一1)

kAkA

效益系数kb==1--

SN

串联绕组1心£星事

公共绕组?匕石\U2

4

A等值电路参数计算

与普通三绕组变压器相同

注意:短路试验数据是未经折算的数值,参数

计算时需要进行折算。

容量比为100/100/50的自耦变压器,短路电压百

分数的折算公式为:

,S

Sz3

,SjSQ

口衣(2-3)%=U尺(2一3)%

Sz3

»自耦变压器的运行特点

当自耦变压器电压变比不大时(<3:1),其经济

性才较显著。

为了防止高压侧单相接地故障引起低压侧过电压,

中性点必须牢靠接地。

短路电流较大,需考虑限流措施。

口变压器运行说明合K

mK变压器在其高压绕组除主接头外还有多个绕组分

接头,可改变高压侧绕组的匝数,从而进行分级调

压。

52、若分接头可在不停电的情况下调整,则称为有载

调压变压器。

。+5%254Kp23\KV+5%o-------

V

42.5%248K/225.5KV+2.5%°------<

注抽头242K/0

220KP主抽头V

9.5%236KV214.5KV-2.5%°,

<

o-5%230KV-5%o-------

WKV

o

03、普通变压器只能在停电的情况下改变分接头,

叫无载调压变压器,使用时必须根据负荷的大致

波动情况事先选择出适当的分接头,以保持变压

器的输出电压在所要求的范围内。

口4、制造厂给出的实验数据是在主接头上进行试验

的数据,所以求出参数只适用于主接头,当切换

到其它分接头时,这些参数均有变化,不过一般

变压器调节范围很有限,可以忽略由分接头变化

而引起的参数变化。

2・4多电压级电力系统

H2.4.1多电压级电力网的等值电路

II要建立多电压级的电力网等值电路,必须

把系统中所有元件参数、各节点电压、各

支路的电流归算到指定的某一个电压等级

下,这一指定的电压等级称为基准级。

口一般选元件较多的高压网,因为在基准级

下的元件参数不必归算。

设k],k2,.…,《为某元件所在电压级与基准级

之间串联的n台变压器的变比。将该电压级中元件

的参数及电气量归算到基准级的方法为:

H=R{k]k2k尸

指向基准值一侧的电压

k•=:----------------------------------------

'被归算一侧的电压

注意:

在归算中各变压器要

I勺勺…k)

n用实际变比,若变压器分

U'=U(k#2kQ

接头切换后,则要用切换

后的分接头电压。

Hz…kn)

m2.4.2标么值表示的多电压级电力网的等值电路

♦:7,标么值

工一,/土实际有名值(任何单位)

标幺值=一

基准值(与实际有名值同单位)

su

S*=L7*=-----

SB4

Iz

z*=­

ZB

n基准值的选择

三相电路中基准值选择

一般先选定SB和5其它基准值应按上式的关系求出:

有了各量的基准值后,各量的标么值很容易算出:

S*=(尸+JQ)/^B=P/SB+jQ/sB=上+J。*

N*=(或+jX)〔ZB=R/ZB+jXZB=R*+/*

=1/N*;=u/uB

>标么值的特点

•没有单位,物理意义没有有名值明确;

•具有相对性;

•能简化公式和计算过程,便于判断设备的性能。

|今—|〉

A说明:

•四个基准值之间有依存关系,一般只需确定基准功

率练和基准电压生两个即可;

•SB多选择为100MVA、1000MVA,系统总容量或某个

发电厂机组容量之和;

%多选为额定电压或平均额定电压。■

在运算过程结束后,标幺值通常要还原为有名.

值。

电力系统中许多元件的参数,常用本身额定容

量和额定电压为基准的标么值表示。在这种情况下,

应首先把不同基准值的标么值换算成电力网统一基

准值表示的标么值才能进行计算。

A不同基准值的标么值间的换算

♦:♦换算方法及步骤

⑴将以额定参数为基值的标幺值还原为有名值;

X=-N=工°)。

SN

⑵将还原的有名值换算为统一基准值下的标幺值。

xZNSB%

工(B)==工(N)=工(N)

冬冬S'4

❖2.各元件标么值的近似计算

11除电抗器外,假定同一电压等级中各元件的额

定电压等于网络的平均额定电压;

•变压器的实际变比等于其两侧的平均额定电压之

比;

•基准电压取为网络的平均额定电压

>平均额定电压

同一电压等级的各元件最高额定电压与最低额定

电压的平均值。

1.1U+UN

U=----M----=1.05。〃

av2N

单位:kV

额定电压361035110220330500

平均额定电压3.156.310.537115230345525

合K

各元件电抗标幺值的近似计算公式

XSB

X*(N)X*(N)

ZBSNTUB)SN

SB

⑴发电机XG*=X*GN

SGN

Uk%SB

⑵变压器XT*~

100sTN

UR%URN

(3)电抗器XR*=

100SiRN4

⑷线路

2.5简单电力系统的运行分析

电力系统正常运行情况下,运行、管理和调

度人员需要知道在给定运行方式下各母线的电压

是否满足要求,系统中的功率分布是否合理,元

件是否过载,系统有功、无功损耗各是多少等等

情况。为了了解上述运行情况所做的计算,称为

系统的潮流计算。

电力网的电压降和功率损耗

辐射电力网的潮流计算

电力系统中的电能损耗计算

潮流计算的任务

针对具体的电力网络结构,根据给定的

负荷功率和电源母线电压,计算网络中各

节点的电压和各支路中的功率及功率损耗。

潮流计算的作用

电力网规划设计V

电力系统运行(稳态、短路、稳定等)

继电保护、自动装置整定计算

2.5.1电力网的电压降和功率损耗

■1、电压降落:电力网任意两点电压的矢量差。

■若不考虑线路的并联支路,等值电路电压降落是

首末端电压的相量差,若以节点2(受端)的相电

压为参考相量,可以求出节点1(始端)的相电压。

••

AR0l=RX0l=XI2

:>—>

在单相电路中:+

合K

线

./0

相7

图3.N

04

0N

△u卬

线路的电压降落*

dU=i(R+.jX)=2gjX)

4。

%-小(R+小=型+0。*+上七0,-"

U2fpU2fpU2(p

合K

实部称为电压降落的纵分量

A

%=-虚部称为电压降落的横分量

U2tp

由相量图求得始端电压幅值和相位角为:

%。=V92cp+△o。>+也①r

%

8=arctan-----------------------

"+xu3

电压损耗为首末端电压幅值之差

/"GT%

由于U1cp=j(4+100)2+屈70>

巴«U+△外2

2cp『)

♦%。+/%+-----------

2(%。+/%)

AC7,«〜2

0n2。()7)

।>U\卬xU?中+AU卬+一名一

2U2(p

在线路较短时,线路两端相角差一般不大,可

以忽略电压降落的横分量,近似认为

P2卬R+、2产

U\卬-+-^---------—

U2cp

可见,可以近似地用电压降落的纵分量△(;巾

表示线路始末端的电压损耗。

★UOkV以上电力网电压损耗的计算公式

(巴尸

Uk-U2cp=J

2U2cp

★llOkV及以下电压等级的电力网

“。—"=心

工程实际中,线路电压损耗常用线路额

定电压UN的百分数表示,即

亿一

At7%=------4---x100

规程规定:电力网正常运行时的最大电压损

耗一般不应超过10%;故障运行

一般不超过15%〜20%。

合K

电压偏移:电力网中任意点的实际电压U同该

处网络额定电压UN的数值差。

u-Uz

m%=xlOO

2、电力网的功率损耗:当线路流过电流或功率

时,输电线路的电阻和电抗上必然产生功率损耗。

(一)电力线路功率损耗的计算

输电线路的等值n型电路

设书z为串联支路三相功率损耗,£为串联支

路末端功率,有

»2'2'2

.2z、S?/、+Qo/、

ASZ=3I(衣+片)二房(灭+片)=^S+jX)

44

设&为线路末端并联支路消耗的功率,有

可见输电线路并联支路消耗的是容性无功功率,

即发出感性无功功率,它的大小与所加电压的平方成

正比,而与线路流过的负荷无直接关系,即使线路空

载,也会存在这一功率,所以这一功率也称为充电功

率。

设通门为线路始端并联支路消耗的功率,同理有

*■*

2万

3U-I\=J3日

XY-G;

线路功率损耗为

»212

AS=AT-hJAQ=△-于/、2B2B

(K+丹)一jq--ju2-

22

串联支路末端功率

,,,2B

s=p+jQ=p+g—W-

222222

线路的电压损耗

(2

,,P,R+Q2—,二X

P^Q^_

AUk2J-电压降落的纵分量

%%

线路功率损耗为

»2,2

%+°2/、2万2

AS=AP+JAQ=^--^{R+jX}-jUx-JU2-

U;22

线路的电压损耗

(2

,,P,R+

_

au一电压降落的纵分量

%%

在高压网中一般R«X,故电压降落主要由无

功功率流过电抗时产生。即使输电线路不输送有

功,同样会存在有功功率的损耗。所以为了避免

过大的电压降,避免有功功率损耗的增加,在电

力系统中无功功率一般采取就地平衡的原则,避

免远距离传送无功功率。

线路的电压损耗

(2

,,P,R+

g-=—I2)电压降落的纵分量

4%

当输电线路轻载时,串联支路消耗的无功功率可能会小

于并联支路的充电功率。这时AU为负值,末端电压将高于

正常值。在超高压输电线路中,线路的充电功率比较大,而

输电线路输送功率的功率因数比较高,输送的无功功率通常

比较小,在严重的情况下末端电压的升高会给电力系统带来

危害。在超高压网中线路末端常接有并联电抗器,其作用就

是为在线路空载或轻载时吸收充电功率,避免线路上出现过

电压现象。

在局压网中若R〈〈X时,有

U、sin8=IXcoscp

U^Usin6=IUcos。*X

22

L2

C>P=^^-sm3

2

x

说明当输电线路3、1;2一定时,P2的大小由%、"之间的

功角决定。当曾超前4时,6>0,P>0,即有功功率从电压

2

相量超前的端点流向电压相量滞后的

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