電力系統(tǒng)各元件的特性和數(shù)學(xué)模型省公開課金獎(jiǎng)全國賽課一等獎(jiǎng)微課獲獎(jiǎng)?wù)n件

電力系統(tǒng)各元件特征和數(shù)學(xué)模型姜彤華北電力大學(xué)8/18/202411/67電力線路結(jié)構(gòu)導(dǎo)線避雷線絕緣子金具桿塔架空線路電纜線路電力線路導(dǎo)體絕緣層保護(hù)包皮8/18/202422/67架空線路導(dǎo)線---傳導(dǎo)電流，擔(dān)任傳送電能任務(wù)。

鋁絞線，鋼芯鋁絞線，合金絞線、鋼絞線避雷線---將雷電流引入大地，保護(hù)電力線路免遭直擊雷破壞桿塔---支撐導(dǎo)線和避雷線，使導(dǎo)線與導(dǎo)線、導(dǎo)線與大地保持一定安全距離絕緣子---使導(dǎo)線和桿塔之間保持足夠絕緣距離金具---連接導(dǎo)線，使導(dǎo)線固定在絕緣子上，并將絕緣子固定在桿塔上。

8/18/202433/67導(dǎo)線和避雷線架空線路材料------銅、鋁和鋁合金避雷線材料------鋼線鋼芯鋁絞線：LGJ-----普通鋼芯鋁絞線，鋁/鋼截面比為5.3~6.1;LGJQ---輕型鋼芯鋁絞線,鋁/鋼截面比為7.6~8.3;LGJJ---加強(qiáng)型鋼芯鋁絞線,鋁/鋼截面比為4~4.5;比如：LGJ—240表示普通鋼芯鋁絞線，其鋁部分截面積為240mm2分裂導(dǎo)線作用：降低導(dǎo)線電暈損耗降低導(dǎo)線電抗8/18/202444/67桿塔木桿鋼筋混凝土桿鐵塔耐張桿塔(承力桿塔)直線桿塔(中間桿塔)轉(zhuǎn)角桿塔終端桿塔特殊桿塔(跨越桿塔、換位桿塔)桿塔8/18/202455/67換位定義：因?yàn)槿鄬?dǎo)線在桿塔上排列經(jīng)常是不對(duì)稱，將使三相導(dǎo)線感性和容性電抗不對(duì)稱，為此在線路上每隔一定距離將三相導(dǎo)線進(jìn)行輪番變換位置，稱為換位。目標(biāo)：消除因?yàn)槲恢迷蛞l(fā)不對(duì)稱電抗所以消除產(chǎn)生電流畸變8/18/202466/67概念檔距---架空線路相鄰桿塔間水平距離鋼筋混凝土桿---150~400米（110kV~220kV）鐵塔---150~500米弧垂---導(dǎo)線最低點(diǎn)與懸掛點(diǎn)之間垂直距離架空線對(duì)地最小距離（居民區(qū)）：35~110kV---7米154~220kV---7.5米330kV---8.5米線間距離：380/220V：0.6~1米6~10kV：0.8~1.5米110kV：3~4.5米220kV：5~7.5330kV：6~10米8/18/202477/67絕緣子材質(zhì)：瓷質(zhì)、玻璃質(zhì)、硅橡膠架空線絕緣子：針式絕緣子：35kV及以下懸式絕緣子：35kV以上長度：35kV---------3片220kV------13片60kV--------5片330kV------19片110kV------7片500kV------24片8/18/202488/67金具定義---組裝架空線各種金屬部件總稱包含：懸垂線夾耐張線夾接續(xù)金具聯(lián)結(jié)金具保護(hù)金具…...8/18/202499/67輸電線路電氣參數(shù)

輸電線路電阻發(fā)燒效應(yīng)電抗磁場效應(yīng)電納電場效應(yīng)電導(dǎo)電暈和泄漏損耗8/18/20241010/671、線路電阻

使導(dǎo)線消耗有功并發(fā)燒，造成電壓降落。

（Ω/km）

r1-------每相導(dǎo)線單位長度電阻，ρ------導(dǎo)體材料電阻率S------導(dǎo)體額定截面積

8/18/20241111/672、線路電抗

當(dāng)交流電流經(jīng)過時(shí)，產(chǎn)生電抗壓降并消耗無功功率。

x1-----每相導(dǎo)線單位長度電抗r------導(dǎo)線半徑n------導(dǎo)線分裂數(shù)Djp-----三相導(dǎo)線幾何平均距離，簡稱幾何均距

（Ω/km）

銅、鋁導(dǎo)線鋼導(dǎo)線與銅鋁導(dǎo)線主要差異在于鋼導(dǎo)線導(dǎo)磁，以致它兩個(gè)與磁場之間或間接相關(guān)參數(shù)——電阻和電抗，也與銅鋁導(dǎo)線不一樣。鋼導(dǎo)線電阻和電控難以用分析方法決定，主要依靠實(shí)測。8/18/20241212/67幾何均距主要與導(dǎo)線詳細(xì)布置相關(guān)任意布置：按等邊三角形布置：按水平布置：注意：當(dāng)三相導(dǎo)線為非正三角形布置時(shí)，因?yàn)楦飨鄬?dǎo)線相互間在幾何位置上不對(duì)稱，即使經(jīng)過平衡三相電流，三相中各相導(dǎo)線感抗值也不相等，為使三相導(dǎo)線感抗值相等，輸電線路各相導(dǎo)線必須進(jìn)行換位。當(dāng)前對(duì)電壓在110kV以上，線路長度在100公里以上輸電線路普通均需要進(jìn)行完全換位。8/18/20241313/673、線路電納因?yàn)檩旊娋€路運(yùn)行時(shí)各相間和相對(duì)地間都存在電位差，因而相間和相對(duì)地間有電容存在。

（S/km）

b1-----每相單位長度容納普通架空線路b1經(jīng)典值為3*10-6（s/km）

8/18/20241414/674、線路電導(dǎo)電暈產(chǎn)生原因：導(dǎo)線表面電場強(qiáng)度高于產(chǎn)生電暈臨界電場強(qiáng)是強(qiáng)電場作用下導(dǎo)線周圍空氣電離現(xiàn)象與導(dǎo)線本身相關(guān)，還與導(dǎo)線周圍空氣條件相關(guān)電暈危害：電暈不但損耗有功功率，還產(chǎn)生噪音，空氣放電時(shí)產(chǎn)生脈沖電磁波對(duì)無線電通信、電視接收等產(chǎn)生干擾，使導(dǎo)線表面發(fā)生腐蝕，降低導(dǎo)線使用壽命8/18/20241515/67電暈功率損耗電暈損耗功率與電壓平方成正比，線路實(shí)際運(yùn)行電壓高于電暈臨界電壓時(shí)，將發(fā)生電暈。這是，每相電暈損耗功率可按下式計(jì)算：ΔPc-----電暈損耗功率（kW/km）Uφ------線路實(shí)際運(yùn)行相電壓（kV）Ucr------電暈臨界電壓（kV）Kc------與空氣相對(duì)密度、概率、導(dǎo)線幾何尺寸等相關(guān)系數(shù)8/18/20241616/67線路電導(dǎo)輸電線路在輸送功率時(shí)，在周圍絕緣介質(zhì)中還會(huì)產(chǎn)生電暈損耗和絕緣子串泄露損耗。（S/km）g1----每相線路單位長度電導(dǎo)ΔPg----三相線路每千米三相總電暈損耗U----線路線電壓

8/18/20241717/67防止電暈辦法對(duì)不一樣電壓等級(jí)架空線限制其導(dǎo)線直徑大于某個(gè)最小值。（66kV及以下架空線路無須校驗(yàn)其最小直徑）采取分裂導(dǎo)線或擴(kuò)徑導(dǎo)線應(yīng)該指出實(shí)際上，因?yàn)樾孤┩ǔ：苄?，而在設(shè)計(jì)線路時(shí)，就已經(jīng)檢驗(yàn)了所選導(dǎo)線半徑能否滿足清涼天氣不發(fā)生電暈要求普通情況下都能夠設(shè)g=0。8/18/20241818/675、輸電線路等值電路說明：線路四個(gè)參數(shù)實(shí)際上是沿線路均勻分布，為簡化計(jì)算，工程上按照線路長度，將其分為短線路、中等長度線路、長線路，對(duì)短線路、中等長度線路，用集中參數(shù)等值電路表示，對(duì)長線路計(jì)及分布參數(shù)特征。8/18/20241919/671）短線路長度不超出100km架空線路，線路電壓不高時(shí)可略去電納B，Z=R+jX8/18/20242020/672）中等長度線路長度在100~300km之間架空線和不超出100km電纜線路。采取“Π”或“T”形等值電路表示。其中“Π”形等值電路在工程中應(yīng)用較廣。8/18/20242121/673）長線路長度超出300km架空線路和長度超出100km電纜線路。工程上假如只要求計(jì)算線路始末端電壓、電流和功率，仍可采取集中參數(shù)來表示，其中線路總電阻、總電抗、總?cè)菁{用修正系數(shù)來修正。8/18/20242222/67變壓器參數(shù)及等值電路8/18/20242323/671、雙繞組變壓器等值電路雙繞組變壓器等值電路：用一相表示，反應(yīng)勵(lì)磁支路導(dǎo)納接在電源側(cè)，有時(shí)為了簡化計(jì)算，略去變壓器導(dǎo)納。一字形等值電路Г形等值電路

8/18/20242424/67變壓器短路試驗(yàn)將一側(cè)繞組短路，另一側(cè)繞組施加電壓，使短路一側(cè)電流到達(dá)額定電流，此時(shí)，測得變壓器有功功率損耗為短路損耗。短路損耗因?yàn)槎搪吩囼?yàn)時(shí)施加電壓比額定電壓小得多，故鐵損很小可略去不計(jì)，則短路損耗近似等于變壓器繞組經(jīng)過額定電流時(shí)在一、二次繞組電阻上產(chǎn)生銅損，由此可計(jì)算變壓器一、二次繞組等值電阻。短路電壓百分?jǐn)?shù)變壓器繞組中經(jīng)過額定電流時(shí)在阻抗上產(chǎn)生電壓降相對(duì)于額定電壓百分?jǐn)?shù)，因?yàn)榇笮妥儔浩麟娍惯h(yuǎn)大于電阻，由此可計(jì)算變壓器一、二次繞組總等值電抗。8/18/20242525/67變壓器空載試驗(yàn)變壓器一側(cè)開路，另一側(cè)加額定電壓，測得變壓器有功損耗即空載損耗，空載電流對(duì)額定電流百分?jǐn)?shù)即空載電流百分?jǐn)?shù)?？蛰d損耗空載電流相對(duì)于額定電流小得多，空載時(shí)繞組上功率損耗很小，所以近似認(rèn)為變壓器空載損耗為鐵芯損耗，用電導(dǎo)表示，故由空載損耗可計(jì)算變壓器等值電導(dǎo)?？蛰d電流百分?jǐn)?shù)變壓器空載電流中包含有功分量和無功分量，與空載損耗對(duì)應(yīng)是有功分量，與勵(lì)磁功率對(duì)應(yīng)是無功分量，因?yàn)橛泄Ψ至亢苄?，因而無功分量和空載電流近似相等，由此可計(jì)算表示變壓器勵(lì)磁特征參數(shù)電納。8/18/20242626/67電阻（一、二次繞組總電阻）

（Ω）

ΔPKN----------變壓器額定短路容量，kW；SN-----------變壓器額定容量，MVA；UN-----------變壓器額定電壓，kV。

8/18/20242727/67電抗（一、二次繞組總電抗）

（Ω）

UK%為短路電壓百分值

8/18/20242828/67電導(dǎo)（鐵芯損耗）

（S）

ΔP0----------變壓器空載損耗，kW；UN----------變壓器額定電壓，kV。

8/18/20242929/67電納（勵(lì)磁特征）

（S）

I0%為變壓器空載電流百分值

注意：上述計(jì)算結(jié)果是指歸算到某一電壓側(cè)值，公式中代入哪一側(cè)電壓，就是歸算到哪一側(cè)參數(shù)。

8/18/20243030/672、電力變壓器結(jié)構(gòu)及銘牌參數(shù)變壓器型式：普通、自耦變、分裂變油浸式、干式三相、單相雙繞組、三繞組有載調(diào)壓、普通(不能有載調(diào)壓)接線組別冷卻方式8/18/20243131/67電力變壓器結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：鐵芯、繞組、油箱、引出線、絕緣套管、分接開關(guān)、冷卻系統(tǒng)、保護(hù)裝置銘牌參數(shù)：額定容量、額定電壓、短路電壓百分值、空載電流百分值、短路損耗、空載損耗等8/18/20243232/67其中產(chǎn)品型號(hào)以下所表示。變壓器型號(hào)產(chǎn)品型號(hào)高壓繞組電壓等級(jí)(kV)額定容量（kVA）設(shè)計(jì)序號(hào)8/18/20243333/67變壓器產(chǎn)品型號(hào)相數(shù)，單相D，三相S繞組外絕緣介質(zhì)，變壓器油，空氣G（K），成型固體C冷卻方式，油浸自冷（J），空氣自冷，風(fēng)冷F，水冷W（S）油循環(huán)方式，自然循環(huán)，強(qiáng)迫油導(dǎo)向循環(huán)D，強(qiáng)迫油循環(huán)P繞組數(shù)，雙繞組，三繞組S調(diào)壓方式，無激磁調(diào)壓，有載調(diào)壓Z繞組導(dǎo)線型號(hào)，銅，鋁（L）繞組耦合方式，自耦O注：自耦變作升壓用時(shí)，O列在型號(hào)后，作降壓用時(shí)O列在型號(hào)前8/18/20243434/67變壓器型號(hào)舉例ODFPSZ-250000/500OSFPSZ-360000/500SFP-300000/500SSP3-180000/220SFPZ7-0/220SFPS1-180000/220SSPSO3-10/2208/18/20243535/67電力系統(tǒng)負(fù)荷類型負(fù)荷---用戶用電設(shè)備所消耗功率稱為負(fù)荷，也稱電力系統(tǒng)綜適用電負(fù)荷。用電設(shè)備包含：異步電動(dòng)機(jī)、同時(shí)電動(dòng)機(jī)、電熱爐、整流設(shè)備、照明設(shè)備等。負(fù)荷曲線---某一時(shí)間段內(nèi)用電負(fù)荷隨時(shí)間改變曲線圖。8/18/20243636/67負(fù)荷曲線種類有功負(fù)荷曲線日負(fù)荷曲線無功負(fù)荷曲線年負(fù)荷曲線用戶負(fù)荷曲線電力線路負(fù)荷曲線變電所負(fù)荷曲線發(fā)電廠負(fù)荷曲線電力系統(tǒng)負(fù)荷曲線√√8/18/20243737/67有功日負(fù)荷曲線（折線法）幾個(gè)名詞：日最小負(fù)荷尖峰負(fù)荷或最大負(fù)荷最小負(fù)荷以下負(fù)荷最大與最小負(fù)荷之差用途：是系統(tǒng)調(diào)度部門安排電能生產(chǎn)計(jì)劃基礎(chǔ)8/18/20243838/67有功日負(fù)荷曲線（階梯法）8/18/20243939/67日負(fù)荷曲線依據(jù)日負(fù)荷曲線能夠計(jì)算用戶日用電量進(jìn)而能夠求出日平均負(fù)荷8/18/20244040/67日負(fù)荷曲線負(fù)荷率——反應(yīng)負(fù)荷曲線起伏情況負(fù)荷率值越小，表明負(fù)荷曲線起伏越大，發(fā)電機(jī)利用率較差。負(fù)荷率值越大，說明曲線越靠近直線，一天各時(shí)段負(fù)荷波動(dòng)小。日平均負(fù)荷日最大負(fù)荷8/18/20244141/67日負(fù)荷曲線負(fù)荷曲線對(duì)電力系統(tǒng)有很主要意義，它是安排日發(fā)電計(jì)劃，確定各發(fā)電廠發(fā)電任務(wù)以及確定系統(tǒng)運(yùn)行方式等主要依據(jù)。每日最大負(fù)荷不盡相同，普通是年初底，年末高。夏季小于冬季。把天天最大負(fù)荷抽取出來按年繪成曲線，成為年最大負(fù)荷曲線。8/18/20244242/67年最大負(fù)荷曲線用途：安排各發(fā)電廠檢修計(jì)劃依據(jù)；安排新裝機(jī)組計(jì)劃依據(jù)8/18/20244343/67年連續(xù)負(fù)荷曲線把一年內(nèi)每個(gè)小時(shí)負(fù)荷按其大小為先后排列而成。用于安排發(fā)電計(jì)劃及可靠性預(yù)計(jì)。8/18/20244444/67年連續(xù)負(fù)荷曲線按年最大負(fù)荷曲線可求出整年電能消耗量最大負(fù)荷利用時(shí)間不一樣性質(zhì)用戶、不一樣生產(chǎn)班次，最大負(fù)荷利用時(shí)間不一樣，依據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)?zāi)軌虻玫揭粋€(gè)大致范圍。8/18/20244545/67最大負(fù)荷利用小時(shí)數(shù)若已知某一類用戶最大負(fù)荷，能夠從表中查處對(duì)應(yīng)最大負(fù)荷利用時(shí)間來求出該類用戶整年用電量近似值。負(fù)荷類型Tmax(h)負(fù)荷類型Tmax(h)照明及生活用電－3000三班制企業(yè)6000－7000一班制企業(yè)1500－2200農(nóng)業(yè)用電1000－1500二班制企業(yè)3000－45008/18/20244646/67負(fù)荷數(shù)學(xué)模型電力系統(tǒng)基本計(jì)算中，負(fù)荷是一個(gè)主要變量。負(fù)荷模型分類：恒阻抗模型、異步電動(dòng)機(jī)模型、靜態(tài)負(fù)荷模型靜態(tài)負(fù)荷模型：恒阻抗恒電流恒功率8/18/20244747/67忽略負(fù)荷隨電壓和頻率改變單相負(fù)荷三相負(fù)荷采取恒功率方式表示負(fù)荷（容性）

（容性）

（感性）

（感性）

8/18/20244848/67有功負(fù)荷（kW或MW）無功負(fù)荷(kvar或Mvar)視在功率(kVA或MVA)注意：式中,U----線電壓，I---線電流負(fù)荷功率與電壓電流關(guān)系8/18/20244949/67標(biāo)幺值與標(biāo)幺制電力系統(tǒng)計(jì)算方法：有名制、標(biāo)幺制。采取標(biāo)幺值目標(biāo)是為了簡化計(jì)算和便于對(duì)計(jì)算結(jié)果作出分析和評(píng)價(jià)。什么是標(biāo)幺值？一個(gè)物理量標(biāo)幺值定義：8/18/20245050/67一個(gè)物理量標(biāo)么值標(biāo)幺值實(shí)際上是一個(gè)相對(duì)值，確定一個(gè)物理量標(biāo)幺值首先要選定基準(zhǔn)值，同一個(gè)物理量，假如基準(zhǔn)值選擇不一樣，標(biāo)幺值將不一樣。電壓、電流、功率、阻抗、導(dǎo)納標(biāo)幺值計(jì)算以下：8/18/20245151/67標(biāo)幺值計(jì)算8/18/20245252/67基準(zhǔn)值選擇基準(zhǔn)值選擇標(biāo)準(zhǔn)上是任意，通常選該設(shè)備額定值作為基準(zhǔn)值或全系統(tǒng)選取一個(gè)便于計(jì)算共同基準(zhǔn)值，各量之間應(yīng)服從功率方程和電路歐姆定律。8/18/20245353/67基準(zhǔn)值選擇在電力系統(tǒng)三相電路分析計(jì)算中，習(xí)慣采取線電壓、線電流、三相功率和一相等值阻抗，各物理量之間滿足以下關(guān)系：8/18/20245454/67各物理量基準(zhǔn)值之間關(guān)系與實(shí)際有名值之間關(guān)系相同，所以在標(biāo)幺制中有：結(jié)論三相電路計(jì)算公式與單相電路計(jì)算公式完全相同；線電壓和相電壓標(biāo)幺值相同；三相功率和單相功率標(biāo)幺值相同。標(biāo)么值之間關(guān)系8/18/20245555/67基準(zhǔn)值選取實(shí)際計(jì)算中，通常先選定三相視在功率和線電壓基準(zhǔn)Sj和Uj，再計(jì)算其余三個(gè)量基準(zhǔn)Ij、Zj、Yj：注意：單一電壓級(jí)網(wǎng)絡(luò)標(biāo)幺值等值電路，其各元件標(biāo)幺值阻抗，必須是在同一個(gè)基準(zhǔn)值下計(jì)算出來。8/18/20245656/67功率和電壓基值選取習(xí)慣功率基值100MVA或1000MVA電壓基值設(shè)備額定電壓電力網(wǎng)平均電壓考慮線路首端變壓器二次側(cè)電壓比線路額定電壓高10%，而接在線路末端變壓器一次側(cè)電壓等于線路額定電壓，這兩個(gè)值平均值作為電力網(wǎng)平均電壓8/18/20245757/67電力網(wǎng)額定電壓與平均電壓UN(kV)0.383610Uav(kV)0.43.156.310.5UN(kV)35110220330Uav(kV)371152303458/18/20245858/67不一樣基準(zhǔn)值標(biāo)幺值之間換算在進(jìn)行電力系統(tǒng)計(jì)算時(shí)，須將原來以本身額定值為基準(zhǔn)各元件阻抗標(biāo)幺值換算成統(tǒng)一基準(zhǔn)值標(biāo)幺值。換算公式以下：若統(tǒng)一基準(zhǔn)為Sj和Uj8/18/20245959/67其它量標(biāo)么值計(jì)算除去電壓、電流、功率、阻抗這些量需要用標(biāo)么值表示之外，計(jì)算過程中還會(huì)碰到頻率、角速度、時(shí)間等量也需要表示成標(biāo)么值。令8/18/20246060/67采取標(biāo)幺制優(yōu)點(diǎn)三相計(jì)算公式與單相計(jì)算公式一致。省去了倍常數(shù)，無須考慮相、線差異。多級(jí)電壓網(wǎng)中可防止按變比往返歸算。在準(zhǔn)確法中，只需對(duì)基準(zhǔn)電壓歸算一次。而在近似計(jì)算中則無須歸算，使計(jì)算大大簡化。使各型號(hào)設(shè)備參數(shù)便于比較，易于識(shí)別設(shè)備性能。不一樣型號(hào)發(fā)電機(jī)、變壓器參數(shù)有名值差異很大，而用標(biāo)么值表示后就比較靠近。輕易對(duì)計(jì)算結(jié)果做分析、比較和判斷。比如，電壓幅值應(yīng)該都在1附近，過大或過小都說明計(jì)算有誤。8/18/20246161/67采取標(biāo)么值缺點(diǎn)無量綱物理概念不直觀。 不過，因?yàn)闃?biāo)么值計(jì)算既降低了換算過程，而且編寫程序比較統(tǒng)一，對(duì)與交流系統(tǒng)計(jì)算很有好處。所以，商業(yè)軟件中，系統(tǒng)分析軟件內(nèi)部實(shí)現(xiàn)都采取標(biāo)么值參數(shù)。8/18/20246262/67變壓器π型等值模型在以上討論中，不論采取有名值或標(biāo)幺值，凡包括變壓器多級(jí)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算，都必須將網(wǎng)絡(luò)中全部參數(shù)和變量歸算到同一電壓等級(jí)，這是因?yàn)橐驭Ｐ突颚承偷戎惦娐纷鳛樽儔浩髂Ｐ蜁r(shí)，這些等值電路模型并不