電力系統(tǒng)各元件的特性和數(shù)學(xué)模型省公開課金獎全國賽課一等獎微課獲獎?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)體絕緣層保護包皮8/18/202422/67架空線路導(dǎo)線---傳導(dǎo)電流，擔任傳送電能任務(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：因為三相導(dǎo)線在桿塔上排列經(jīng)常是不對稱，將使三相導(dǎo)線感性和容性電抗不對稱，為此在線路上每隔一定距離將三相導(dǎo)線進行輪番變換位置，稱為換位。目標：消除因為位置原因引發(fā)不對稱電抗所以消除產(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)線最低點與懸掛點之間垂直距離架空線對地最小距離（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

當交流電流經(jīng)過時，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，主要依靠實測。8/18/20241212/67幾何均距主要與導(dǎo)線詳細布置相關(guān)任意布置：按等邊三角形布置：按水平布置：注意：當三相導(dǎo)線為非正三角形布置時，因為各相導(dǎo)線相互間在幾何位置上不對稱，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)線必須進行換位。當前對電壓在110kV以上，線路長度在100公里以上輸電線路普通均需要進行完全換位。8/18/20241313/673、線路電納因為輸電線路運行時各相間和相對地間都存在電位差，因而相間和相對地間有電容存在。

（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)線表面電場強度高于產(chǎn)生電暈臨界電場強是強電場作用下導(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，空氣放電時產(chǎn)生脈沖電磁波對無線電通信、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，線路實際運行電壓高于電暈臨界電壓時，將發(fā)生電暈。這是，每相電暈損耗功率可按下式計算：ΔPc-----電暈損耗功率（kW/km）Uφ------線路實際運行相電壓（kV）Ucr------電暈臨界電壓（kV）Kc------與空氣相對密度、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，在周圍絕緣介質(zhì)中還會產(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防止電暈辦法對不一樣電壓等級架空線限制其導(dǎo)線直徑大于某個最小值。（66kV及以下架空線路無須校驗其最小直徑）采取分裂導(dǎo)線或擴徑導(dǎo)線應(yīng)該指出實際上，因為泄漏通常很小，而在設(shè)計線路時，就已經(jīng)檢驗了所選導(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：線路四個參數(shù)實際上是沿線路均勻分布，為簡化計算，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，對短線路、中等長度線路，用集中參數(shù)等值電路表示，對長線路計及分布參數(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)勵磁支路導(dǎo)納接在電源側(cè)，有時為了簡化計算，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)電流到達額定電流，此時，測得變壓器有功功率損耗為短路損耗。短路損耗因為短路試驗時施加電壓比額定電壓小得多，故鐵損很小可略去不計，則短路損耗近似等于變壓器繞組經(jīng)過額定電流時在一、二次繞組電阻上產(chǎn)生銅損，由此可計算變壓器一、二次繞組等值電阻。短路電壓百分數(shù)變壓器繞組中經(jīng)過額定電流時在阻抗上產(chǎn)生電壓降相對于額定電壓百分數(shù)，因為大型變壓器電抗遠大于電阻，由此可計算變壓器一、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，空載電流對額定電流百分數(shù)即空載電流百分數(shù)?？蛰d損耗空載電流相對于額定電流小得多，空載時繞組上功率損耗很小，所以近似認為變壓器空載損耗為鐵芯損耗，用電導(dǎo)表示，故由空載損耗可計算變壓器等值電導(dǎo)?？蛰d電流百分數(shù)變壓器空載電流中包含有功分量和無功分量，與空載損耗對應(yīng)是有功分量，與勵磁功率對應(yīng)是無功分量，因為有功分量很小，因而無功分量和空載電流近似相等，由此可計算表示變壓器勵磁特征參數(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（勵磁特征）

（S）

I0%為變壓器空載電流百分值

注意：上述計算結(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)品型號以下所表示。變壓器型號產(chǎn)品型號高壓繞組電壓等級(kV)額定容量（kVA）設(shè)計序號8/18/20243333/67變壓器產(chǎn)品型號相數(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，風冷F，水冷W（S）油循環(huán)方式，自然循環(huán)，強迫油導(dǎo)向循環(huán)D，強迫油循環(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，銅，鋁（L）繞組耦合方式，自耦O注：自耦變作升壓用時，O列在型號后，作降壓用時O列在型號前8/18/20243434/67變壓器型號舉例ODFPSZ-250000/500OSFPSZ-360000/500SFP-300000/500SSP3-180000/220SFPZ7-0/220SFPS1-180000/220SSPSO3-10/2208/18/20243535/67電力系統(tǒng)負荷類型負荷---用戶用電設(shè)備所消耗功率稱為負荷，也稱電力系統(tǒng)綜適用電負荷。用電設(shè)備包含：異步電動機、同時電動機、電熱爐、整流設(shè)備、照明設(shè)備等。負荷曲線---某一時間段內(nèi)用電負荷隨時間改變曲線圖。8/18/20243636/67負荷曲線種類有功負荷曲線日負荷曲線無功負荷曲線年負荷曲線用戶負荷曲線電力線路負荷曲線變電所負荷曲線發(fā)電廠負荷曲線電力系統(tǒng)負荷曲線√√8/18/20243737/67有功日負荷曲線（折線法）幾個名詞：日最小負荷尖峰負荷或最大負荷最小負荷以下負荷最大與最小負荷之差用途：是系統(tǒng)調(diào)度部門安排電能生產(chǎn)計劃基礎(chǔ)8/18/20243838/67有功日負荷曲線（階梯法）8/18/20243939/67日負荷曲線依據(jù)日負荷曲線能夠計算用戶日用電量進而能夠求出日平均負荷8/18/20244040/67日負荷曲線負荷率——反應(yīng)負荷曲線起伏情況負荷率值越小，表明負荷曲線起伏越大，發(fā)電機利用率較差。負荷率值越大，說明曲線越靠近直線，一天各時段負荷波動小。日平均負荷日最大負荷8/18/20244141/67日負荷曲線負荷曲線對電力系統(tǒng)有很主要意義，它是安排日發(fā)電計劃，確定各發(fā)電廠發(fā)電任務(wù)以及確定系統(tǒng)運行方式等主要依據(jù)。每日最大負荷不盡相同，普通是年初底，年末高。夏季小于冬季。把天天最大負荷抽取出來按年繪成曲線，成為年最大負荷曲線。8/18/20244242/67年最大負荷曲線用途：安排各發(fā)電廠檢修計劃依據(jù)；安排新裝機組計劃依據(jù)8/18/20244343/67年連續(xù)負荷曲線把一年內(nèi)每個小時負荷按其大小為先后排列而成。用于安排發(fā)電計劃及可靠性預(yù)計。8/18/20244444/67年連續(xù)負荷曲線按年最大負荷曲線可求出整年電能消耗量最大負荷利用時間不一樣性質(zhì)用戶、不一樣生產(chǎn)班次，最大負荷利用時間不一樣，依據(jù)運行經(jīng)驗?zāi)軌虻玫揭粋€大致范圍。8/18/20244545/67最大負荷利用小時數(shù)若已知某一類用戶最大負荷，能夠從表中查處對應(yīng)最大負荷利用時間來求出該類用戶整年用電量近似值。負荷類型Tmax(h)負荷類型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負荷數(shù)學(xué)模型電力系統(tǒng)基本計算中，負荷是一個主要變量。負荷模型分類：恒阻抗模型、異步電動機模型、靜態(tài)負荷模型靜態(tài)負荷模型：恒阻抗恒電流恒功率8/18/20244747/67忽略負荷隨電壓和頻率改變單相負荷三相負荷采取恒功率方式表示負荷（容性）

（容性）

（感性）

（感性）

8/18/20244848/67有功負荷（kW或MW）無功負荷(kvar或Mvar)視在功率(kVA或MVA)注意：式中,U----線電壓，I---線電流負荷功率與電壓電流關(guān)系8/18/20244949/67標幺值與標幺制電力系統(tǒng)計算方法：有名制、標幺制。采取標幺值目標是為了簡化計算和便于對計算結(jié)果作出分析和評價。什么是標幺值？一個物理量標幺值定義：8/18/20245050/67一個物理量標么值標幺值實際上是一個相對值，確定一個物理量標幺值首先要選定基準值，同一個物理量，假如基準值選擇不一樣，標幺值將不一樣。電壓、電流、功率、阻抗、導(dǎo)納標幺值計算以下：8/18/20245151/67標幺值計算8/18/20245252/67基準值選擇基準值選擇標準上是任意，通常選該設(shè)備額定值作為基準值或全系統(tǒng)選取一個便于計算共同基準值，各量之間應(yīng)服從功率方程和電路歐姆定律。8/18/20245353/67基準值選擇在電力系統(tǒng)三相電路分析計算中，習慣采取線電壓、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各物理量基準值之間關(guān)系與實際有名值之間關(guān)系相同，所以在標幺制中有：結(jié)論三相電路計算公式與單相電路計算公式完全相同；線電壓和相電壓標幺值相同；三相功率和單相功率標幺值相同。標么值之間關(guān)系8/18/20245555/67基準值選取實際計算中，通常先選定三相視在功率和線電壓基準Sj和Uj，再計算其余三個量基準Ij、Zj、Yj：注意：單一電壓級網(wǎng)絡(luò)標幺值等值電路，其各元件標幺值阻抗，必須是在同一個基準值下計算出來。8/18/20245656/67功率和電壓基值選取習慣功率基值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不一樣基準值標幺值之間換算在進行電力系統(tǒng)計算時，須將原來以本身額定值為基準各元件阻抗標幺值換算成統(tǒng)一基準值標幺值。換算公式以下：若統(tǒng)一基準為Sj和Uj8/18/20245959/67其它量標么值計算除去電壓、電流、功率、阻抗這些量需要用標么值表示之外，計算過程中還會碰到頻率、角速度、時間等量也需要表示成標么值。令8/18/20246060/67采取標幺制優(yōu)點三相計算公式與單相計算公式一致。省去了倍常數(shù)，無須考慮相、線差異。多級電壓網(wǎng)中可防止按變比往返歸算。在準確法中，只需對基準電壓歸算一次。而在近似計算中則無須歸算，使計算大大簡化。使各型號設(shè)備參數(shù)便于比較，易于識別設(shè)備性能。不一樣型號發(fā)電機、變壓器參數(shù)有名值差異很大，而用標么值表示后就比較靠近。輕易對計算結(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算有誤。8/18/20246161/67采取標么值缺點無量綱物理概念不直觀。 不過，因為標么值計算既降低了換算過程，而且編寫程序比較統(tǒng)一，對與交流系統(tǒng)計算很有好處。所以，商業(yè)軟件中，系統(tǒng)分析軟件內(nèi)部實現(xiàn)都采取標么值參數(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幺值，凡包括變壓器多級網(wǎng)絡(luò)計算，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，這是因為以Γ型或Τ型等值電路作為變壓器模型時，這些等值電路模型并不