电力系统分析基础课程学习指导

现代远程教育《电力系统分析基础》课程学习指导书作者：蒋建东第一章电力系统的基本概念一、电力系统简介电力系统的主要元件有发电机、变压器、电力线路和用户的用电设备等。发电机生产电能，输电线路输送、分配电能，用户使用电能，升压变压器把低电压变为高电压，便于网络传输。降压变压器将高电压变为低电压，便于用户使用。这样一个生产电能、输送电能和分配电能、使用电能连接起来的整体称为为电力系统。二、电力系统运行特点和对电力系统的基本要求1.电力系统的运行特点（1）电能生产、运输、分配及使用的同时性。（2）电能生产与国民经济和人民生活的密切相关性。（3）电力系统过渡过程的短暂性。2.对电力系统的基本要求电力系统根本任务是保证安全、可靠、优质的供电，并最大限度的满足用户电能需求。因而对电力系统的可靠性有如下要求：（1）尽量满足用户需求。（2）保证安全可靠的供电。（3）保证良好的电能质量。（4）提高系统运行的经济性。三、电力系统的额定电压1.输电线路的额定电压一般要求线路首端电压比线路额定电压高5%，用电设备的端电压允许偏差为5%。线路的平均额定电压等于电力线路首端和末端所连接电气设备额定电压的平均值。2.发电机的额定电压发电机在线路首端，故其额定电压比线路额定电压高5%。即：nGnUU05.1式中：GnU——发电机额定电压；nU——线路额定电压；3.变压器额定电压变压器一次侧接受电能相当于线路末端，故其额定电压等于线路额定电压；二次侧输出电能相当于线路首端，线路首端电压比线路额定电压高5%，又因变压器带负荷运行时，变压器内部绕组产生电压降，大阻抗变压器这部分电压损耗约为额定电压的5%，因而将大中容量的变压器的二次侧电压再提高5%,即比线路额定电压高10%。四、电力系统负荷1.负荷按物理性质分为有功负荷和无功负荷。2.根据对供电可靠性要求分为：一级负荷，二级负荷，三级负荷。3.负荷曲线是在一段时间内表示负荷随时间变化的规律的曲线。五、电力系统中性点的运行方式电力系统中性点是指发电机或变压器三相绕组星形接线的公共连接点。其与大地的连接方式称为中性点运行方式。中性点运行方式分为，中性点不接地，中性点经消弧线圈接地，中性点直接接地，经电阻或阻抗接地四种运行方式。按电流大小又分为：大电流接地系统和小电流接地系统。接地运行方式的比较1）大电流接地系统：快速切除故障，经济性好，但供电可靠性差。2）小接地电流方式：供电可靠性高，单相接地时危害小但经济性差，且单相接地时易发生系统谐振过电压。六、电力线路结构电力线路按结构不同分为架空线路和电缆线路。架空线路架设在杆塔上、裸露在空气中，主要由导线、避雷线、杆塔、绝缘子和金具组成。电缆线路埋入地下，主要由电缆本体、电缆接头和电缆终端等组成。习题一、简答题1.电力系统的中性点运行方式有哪几种？2.电力负荷如何分类？3.电力变压器一次、二次绕组线圈的额定电压如何确定？4.架空线路和电缆线路的基本组成有哪些？二、计算题1.图示网络，网络的额定电压及功率流向已标出，试在括号中标出发电机和变压器绕组的额定电压。()~VGN=13.8kVM110kV35kV110kV0.38kV()()()()()()第二章电力系统的等值电路一、输电线路的参数1.单位长度的线路参数（1）电阻式中：——导线电阻率，Kmmm/2；S——电线载流部分截面积，2mm。（2）电抗单导线：分裂导线：式中：mD——三相导线重心几何均距；r——导线半径；er——导线等效半径，m，nnedrr1。（3）电纳电导式中：gP——三相线路单位长度电晕损耗；LU——线路运行电压。2.输电线路参数及等值电路二、变压器参数及等值电路（1）双绕组变压器。双绕组变压器的参数如下，归算到一个电压等级的等值电路，如图1所示。)km/(sr10.1445lg0.0157(/)mDXkmr10.01570.1445lg(/)meDXkmrn617.5810(/)lg(/)mbskmDr12(/)gLPgskmU1111()()()()ZrjxlRjxYgjblGjBS（2）三绕组变压器双绕组变压器的参数如下，归算到一个电压等级的等值电路，如图1所示三、发电机、负荷的等值电路及参数1).发电机GGGGZIUE2).负荷四、电力系统的等值电路1．对应于一个电压等级的等值电路有名值表示的等值电路首先确定一个基本电压级(等值电路对应的电压级)，而后将所有元件的参数均归算到对应于该电压级。2220022%()1000100%()1000100KNkNTTTNNNTTTNNPUUUZRjXjSSPISYGjBjSUU2220022%()(1,2,3)1000100%()1000100kiNkiNTiTiTiNNNTTTNNPUUUZRjXjiSSPISYGjBjSUU2222LLLLLLLLLLLLUUSPjQZPjQRjXSS标幺值表示的等值电路1)将各元件参数的有名值先归算到基本级，再除以对应基本级的基准值。2)在确定了基本级的基准值之后，按变压器的实际变比归算，求出对应于各电压级的基准值，然后再将未经归算的各元件有名值参数除以自身电压级的基准值。2．对应于多个电压等级的等值电路此种等值电路在将各元件等值电路连接起来时，只需将变压器等值电路采用多电压级的等值电路表示(即π型等值电路)即可。此时，所有电压等级的参数均不必进行归算。3．近似计算时电力系统等值电路的简化①在元件参数的计算和归算(所有变压器的变比)以及标幺制的基准值选取时，所有用到的电压均可采用对应电压等级的平均额定电压来进行计算。②忽略不计各元件阻抗参数中的电阻，以及对地的导纳支路。习题一、简答题1.如何根据变压器的实验参数计算双绕组变压器等值电路的四个参数？2.双绕组和三绕组变压器一般以什么样的等值电路表示？双绕组变压器的等值电路与电力线路的等值电路有何异同？3.标幺值及其特点是什么？在电力系统计算中，基准值如何选择？4.电力系统元件参数用标幺值表示时，是否可以直接组成等值网络？为什么？5.电力线路一般以什么样的等值电路来表示？二、计算题1.某一回110kV架空电力线路，采用型号为LGJ-120，导线计算外径为15.2mm，三相导线水平排列，两相邻导线之间的距离为4m。试求该电力线路的参数，并做出等值电路。2.有一回220kV架空电力线路，采用型号为LGJ-2×185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。3.三相双绕组升压变压器的型号为SFL-40500/110，额定容量为40500kVA，额定电压为121/10.5kV，Pk=234.4kW，Uk(%)=11,P0=93.6kW，I0(%)=2.315，求该变压器的参数，并做出等值电路。4.三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)(%)=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。第三章电力系统短路的基本知识一、短路类型可能发生的短路有：三相短路、单相接地短路、两相短路和两相短路接地。短路计算用于选择电器设备时的动稳定和热稳定校验，整定与校验保护设备和自动装置，选择电气主接线，进行系统稳定计算等。为简化繁琐的短路计算，常进行以下一些假设：1）短路时，认为发电机的频率和电动势的相位相同。2）负荷只作近似估计。3）不计磁路饱和。4）除不对称故障处出现局部的不对称外，其它部分仍为对称的。5）采用元件的简化等效电路。6）假定为金属性短路。二、网络的变换和简化进行短路计算时，先根据网络元件的参数作出网络等效电路，再进行简化。1.等值电源法2.星网变换法设网络中某点n和另外m个节点相连，支路间无互感。通过星型变换可以消去节点n，把星型电路变成以节点1，2，…m为顶点的完全网形网络。变换原则：变换前后网络的外部特性不变，即每个与外部网络相连的节点1，2，…m的节点电压不变，注入电流不变。3.利用网络的对称性简化在实际电力系统中，可能遇到对称网络，特别是发电厂的主接线和变电所主接线便是如此，利用这一性质可简化网络。方法：等电位点直接相连在一起。4.分裂电动势源法和分裂短路点法分裂电动势源法是将连接在一个电源上的各条支路拆开，分开后的各条支路分别连接在与原电动势相等的电源上。分裂短路点法是将连接在短路点的各个支路拆开，拆开后的各个支路仍然带有原来的短路点。使网络得到简化，便于计算短路电流。三、转移阻抗和输入阻抗消去短路点和所有电源点之外的其他节点，形成只有电源、等效阻抗和短路点的等效电路。而所形成的等效阻抗称之为转移阻抗。具体计算时可采用叠加原理。即，让某个电源单独作用于网络，再根据电路变换原理形成电源经一个等效阻抗到短路点的等效电路。合并所有电源点，并且将得到的所有等效阻抗向并联，计算总阻抗，便可得到只包含一个等效电源和一个等效阻抗及短路点的等效电路。而此等效阻抗则称为转移阻抗。四、电流分布系数短路点的短路电流计算出来后，采用逆着网络简化的步骤进行网络还原逐步计算电流在网络中的分布。电流分布系数可认为是支路短路电流和总短路电流之比。也可认为在短路点单独接入电源，同时令其它电源为零，并且产生一个单位短路电流。则在网络中任一支路的电流，在数值上等于该支路的电流分布系数。计算时，先令网络中的电源电势为零，在短路支路单独加入某一电动势，使之在该支路上产生一个单位的电流。然后逐步推算其他支路的电流，则所得电流数即为电流分布系数。计算支路短路电流时，只需将短路点电流乘以该系数即可得到支路的短路电流。习题本章习题和下一章习题一起给出。第四章电力系统的三相短路一、无穷大电源三相短路的暂态过程在短路计算中，认为并联的多台发电机为无穷大系统，它具有两大特点：电源的频率和电压保持不变；电源内阻抗为零。无穷大电源三相短路电流包括两个分量：一个是周期分量，即稳态短路电流，其幅值mI取决于电源电动势的幅值和电路参数，且a,b,c三相的周期分量保持对称。另一个是非周期分量，它是短路电流的自由分量，或暂态分量，按照指数规律衰减。a,b,c三相的暂态分量不仅不对称，大小也不相等。二、短路冲击电流短路电流最大可能的瞬时值，称为短路冲击电流，记为imi。它一般出现在短路发生后半个周期。计算公式：mimimIKi式中：为短路冲击系数；短路发生的地点不同，则短路冲击系数也不同。当短路点分别在发电机端，发电厂高压母线和其他位置时，imK应分别取1.90，1.85，1.80。三、短路电流的有效值在短路过程中，任一时刻t短路电流的有效值是指以时刻t为中心的一个周期内瞬时电流的均方根。为简化计算我们认为在t为中心的一个非周期内周期分量的有效值等于它的瞬时值，周期分量的幅值不变。这样我们便可得到短路电流的最大有效值：当1.9imK时，1.62immII；当1.85imK时，1.56immII；当1.80imK时，1.52immII。四、短路功率短路功率等于短路电流与短路处的平均额定电压的乘积。用公式表示为：标么值表示为：五、短路电流的实用计算1.起始次暂态电流和短路冲击电流的实用计算起始次暂态电流：短路电流周期分量的初值。次暂态参数的选择发电机：假定发电机在短路前额定满载运行，则：222[(1)2]12(1)immimmmimIIKIIK3tavtSUI**00033avttttUIISIIUI0[0][0][0]sinEVjxI