电气工程基础课件 华科电气PE_06

HUST_CEEE第六章电力网的稳态计算第一节电力线路的结构第二节架空输电线路的参数计算和等值电路第三节变压器的等值电路及参数计算第四节网络元件的电压和功率分布计算第五节电力网络的潮流计算HUST_CEEE第一节电力线路的结构架空线路是将导线和避雷线架设在露天的杆塔上；电缆线路一般埋在地下。架空线路的建设费用比电缆线路低得多，电压等级越高，二者在投资上的差异就越显著；同时，架空线路还具有建设工期短、易于维护等优点。HUST_CEEE一、架空线路架空线路由导线、避雷线（即架空地线）、杆塔、绝缘子和金具等主要部件组成。导线用来传导电流，输送电能；避雷线用来将雷电流引入大地，对输电线路进行直击雷保护；杆塔用来支撑导线和避雷线，并使导线与导线、导线与接地体之间保持一定的安全距离；绝缘子用来使导线与导线、导线与杆塔之间保持绝缘状态；金具是用来固定、悬挂、连接和保护架空线路各主要部件的金属器件的总称。HUST_CEEE1．导线和避雷线导线和避雷线不仅要有良好的导电性能，还要有足够的机械强度和抗化学腐蚀能力。导线常用的材料有铜、铝、铝合金和钢等。铜：良好的导电性能和抗拉强度，较强的抗化学腐蚀能力；产量有限。铝：导电性能仅次于铜，且密度小、蕴藏量大、价格低；但铝的机械强度低、抗酸碱盐的腐蚀性能差，采用铝合金来改善其机械强度。钢：导电性能差，感抗大，集肤效应显著；但其机械强度高。除低压配电线路使用绝缘线以保证安全外，通常采用裸导线，其结构有下列三种：①单股导线：由单根实心金属线构成，用于负荷小且不重要的线路；②多股导线：由多股单一导线绞合而成，以提高其柔性和机械强度；③钢芯铝绞线：由多股铝绞线绕在单股或多股钢导线的外层而构成。架空线路的型号用拼音字母表示导线材料和结构特征，并用数字后缀表示载流部分的截面积（mm2），如：LJ-50为铝绞线，铝线的标称截面积为50mm2。HUST_CEEE2．杆塔杆塔按其所以材料分为木杆、钢筋混凝土杆和铁塔三种。木杆质量轻，制作安装方便，但要消耗大量木材，且易腐、易燃，现在己基本上被钢筋混凝土杆所替代。铁塔是由角钢等型钢经铆接或螺栓连接而成，其优点是机械强度高、使用寿命长，但其钢材耗量大、造价高、维护工作量大。钢筋混凝土杆具有节约钢材、机械强度较高、维护工作量小及使用寿命长的特点。按杆塔的用途可分为直线杆塔、耐张杆塔、转角杆塔、终端杆塔、跨越杆塔和换位杆塔等。3．绝缘子绝缘子是用来支撑或悬挂导线、并使导线与杆塔绝缘的一种瓷质、钢化玻璃或高分子合成材料制作的元件。它应具有良好的绝缘性能和足够的机械强度。架空线路使用的绝缘子分为针式绝缘子、悬式绝缘子、棒式绝缘子及瓷横担绝缘子等。表6-1直线杆塔上悬式绝缘子串中绝缘子数量线路额定电压／kV35631102203305007501000每串绝缘子数3571317～1925～2836～3946～50HUST_CEEE4．常用金具金具是用来连接导线和绝缘子串的金属部件。架空线路上使用的金具种类很多，常用的主要是线夹、连接金具、接续金具和防震金具。1)线夹是用来将导线、避雷线固定在绝缘子上的金具。2)连接金具主要用来将绝缘子组装成绝缘子串或用于绝缘子串、线夹、杆塔和横担等相互连接。3)接续金具主要用于连接导线或避雷线的两个终端，分为液压接续金具和钳压接续金具等类型。4)防震金具包括护线条、阻尼线和防震锤等。HUST_CEEE二、电缆线路大城市的配电网络，发电厂、变电站内部线路，穿越江河、海峡线路以及国防或特殊需要的场合，往往都要采用电力电缆线路。电力电缆的结构主要包括导体、绝缘层和保护层三个部分。电缆的导体通常用多股铜绞线或铝绞线，以增加其柔性，使之能在一定程度内弯曲，以利施工及存放。常见的电力电缆有单芯、三芯和四芯电缆。单芯电缆的导体截面是圆形的，多芯电缆的导体截面除圆形外，还有扇形和腰圆形，以充分利用电缆的总面积。HUST_CEEE第二节架空输电线路的参数计算和等值电路一、电阻二、电抗三、电导四、电纳五、输电线的正序等值电路HUST_CEEE直流电流通过导线时，单位长度导线的电阻为：一、电阻(6-1)sr0式中，ρ——电阻率（Ω·mm2/km）；S——额定截面积（mm2），对于钢芯铝线系指铝线部分的截面积。应当指出，在电力网计算中，实际使用的电阻率的数值略大于这些材料的直流电阻率，这是因为：在通过交流电流的情况下，由于集肤效应和邻近效应，电流在导体中分布不均匀，使导线的交流电阻约比直流电阻增大0.2%~1.0%；输电线路大部分采用多股绞线，由于扭绞，使绞线每一股线的实际长度比导线长度约增加2%~3%。通常将多股绞线的电阻率取大2%~3%；线路参数是按导线的额定截面积计算的。导线的实际截面积通常比额定截面积略小，因而，在实际计算中，也采取修正电阻率的办法。在考虑了上述因素后，导线材料的电阻率经修正后，计算用值采用下列数值：铜——18.8Ω·mm2/km；铝——31.5Ω·mm2/km；HUST_CEEE工程计算中，也可以直接从手册中查出各种导线的电阻值。从手册中查得的或按式(6-13)计算所得的电阻值，都是指温度为20℃时的值，在要求较高精度时，t℃时的电阻值rt可按下式计算rt=r20[1+α(t-20)](6-2)式中，rt—环境温度为t℃时导体单位长度的电阻(Ω/km)r20—环境温度为20℃时导体单位长度的电阻(Ω/km)；α—电阻的温度系数(1/℃)，对于铜导线αCu=0.00382/℃,对于铝导线,αAl=0.0036/℃。HUST_CEEE二、电抗kmrDLxjp/)0157.0lg1445.0(0在三相导线排列对称，或虽排列不对称但经完全换位后，各相单位长度的一相等值电抗为(6-3)式中，r——导线半径（m）；μ——导体的相对磁导率，对铝绞线等有色金属，μ=1；ω——角频率，当频率f=50Hz时，ω=314（rad/s）；Djp——三相导线间的几何均距（m），，其中，Dab、Dbc、Dca分别为ab、bc与ca相间的距离。当三相导线对称排列时，Dab=Dbc=Dca=D；当三相导线水平排列时，3cabcabjpDDDDDDDDDjp26.123从式(6-3)可以看出，电抗值与三相导线间的几何均距、导线半径均为对数关系，因此，导线在杆塔上的布置方式及导线截面积的大小对线路电抗值影响不大。通常架空线路的电抗值在0.4Ω/km左右，在工程近似计算中一般取此值。HUST_CEEE对于超高压输电线路，为减小线路电抗和降低导线表面电场强度以达到减低电晕损耗和抑制电晕干扰的目的，往往采用分裂导线。分裂导线的每相由2~4根导线组成，且布置在正多角形的顶点上，如图6-13所示。dddddddd分裂导线的采用改变了导线周围的磁场分布，使得电抗计算式(6-3)中的导线半径r由组成各分裂子导线的圆的等值半径rD代替，即等效地增大了导线半径，从而减小了导线的电抗。kmnrDxDjp/)0157.0lg1445.0(0分裂导线的一相等值电抗为式中，rD——导线的等值半径（m），，其中：为间隔环半径，n——分裂导线的根数，d——分裂导线的间距（m）。每相导线分裂间距所对应的等值半径rD通常比单根导线的半径大得多，故分裂导线的等值电抗较小。一般单导线每公里的电抗约为0.4Ω左右，而分裂根数为2、3、4根时，每公里的电抗分别降低到0.33、0.30、0.28Ω左右。nnDnrAr1ndA/sin2HUST_CEEE架空输电线路的电导是用来反映泄漏电流和空气游离所引起的有功功率损耗的参数。一般线路绝缘良好，泄漏电流很小，可忽略不计，所以主要只考虑电晕现象引起的功率损耗。所谓电晕，就是架空线路在带有高电压的情况下，当导线表面的电场强度超过空气的击穿强度时，导体附近的空气游离而产生的局部放电现象。这种放电现象与导线表面的光滑程度、导线周围的空气密度及气象状况都有关。电晕不但要消耗电能和产生臭氧，而且所产生的脉冲电磁波对无线电和高频通信产生干扰。因此，应尽量避免。三、电导HUST_CEEE电晕的产生主要取决于线路电压，开始出现电晕的电压称为临界电压Ucr，一般可按下列经验公式计算：kVrDrmmUjpcrlg8421(6-5)式中，m1—导线表面状况系数，对于多股绞线，m1=0.83~0.87；m2—气象状况系数，晴天，m2=1，雨雪雾等恶劣天气，m2=0.8~1；r—导线计算半径(cm)；Djp—三相导线间的几何均距(cm)；δ—空气相对密度，δ=3.92b/(273+t)，其中，b为大气压力，用水银柱厘米(1水银柱厘米=1333.22Pa)表示；t为空气温度，当t=25℃，b=76cm时，δ=1。架空输电线导线水平排列时，由实验得知，两根边线的电晕临界电压比式(6-5)算得的值高6%，而中间导线的则低4%。当运行电压超过临界电压而产生电晕现象时，与电晕相对应的每相等值电导为：kmSUPgg/10320(6-6)式中，△Pg—实测单位长度三相线路电晕消耗的总功率(kW/km)；U—线路的线电压(kV)。HUST_CEEE其相应的电纳：kmSrDfCCbjp/10lg58.726000(6-8)式中，r—线计算半径(m)；Djp—三相导线的几何均距(m)。kmFrDCjp/10lg024.060(6-7)线路的电纳是由导线与导线之间，导线与大地之间的电容所决定的。电容的大小与相间距离、导线截面、杆塔结构尺寸等因素有关。三相输电线对称排列，或虽不对称但经完全换位后，每相导线单位长度的等值电容为：四、电纳HUST_CEEE与线路电抗的计算相似，架空线路的电纳值对不同的导线半径和几何均距的变化也不敏感，单位长度的一相等值电纳值一般在2.8×10-6S/km左右。线路的电纳值也可根据导线型号及线间几何均距由附录II附表II-2查得。采用分裂导线时的一相等值电纳的计算，只需将式(6-8)中导线的半径r用分裂导线的等值半径rD代替，即：kmSrDbDjp/10lg58.760(6-9)显然，分裂导线的采用，将增大线路的电纳值。当每相分裂根数分别为2、3、4根时，每公里电纳值约分别为3.4×10-6,3.8×10-6和4.1×10-6S。HUST_CEEE输电线路的参数实际上是沿线路均匀分布的，可用图6-14所示的链形电路表示。图中，r0、x0、g0、b0为穷小段线路的阻抗和导纳。00jbg00jxr00jxr00jbg五、输电线的正序等值电路HUST_CEEE分布参数：等值电路计算很不方便；当架空线路长度在300km以下时，可用集中参数表示的等值电路来近似代替分布参数等值电路。jB/2R+jXjB/2(R+jX)/2(R+jX)/2jB(a)π型(b)T型图6-15用集中参数表示的等值电路R+jX图6-16短距离线路的简化等值电路当架空线路长度不超过100km，电压等级在35kV及以下时，由于电压低、线路短，线路电纳亦可不计，等值电路可进一步简化。当架空线路长度超过300km时，可将线路分段，使每段线路长度不超过300km，从而可用若干个π型等值电路来表示输电线路。HUST_CEEE例6-1：有一条长100km，额定电压为110kV的输电线路，采用LGJ-185型钢芯铝绞线，导线水平排列，线间距离为4m，导线表面系数m1=0.85，气象状况系数m2=1，空气相对密度δ=1。求线路参数。解：)/(17.01855.310kmSrmmmmr51.902.1921查附录I附表I-1得LGJ-185型导线的计算直径为19.02mm，则)/(409.00.01579.5140001.260.1445lg0157.0lg1445.00kmrDxjp)/(1078.21051.9400026.1lg58.710lg58.76660kmSrDbjp电晕临界电压：kVkVrDrmmUjpcr11018551.9400026.1lg95