武汉大学电气工程基础下复习

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1、电子教案第十章 远距离输电内容要点、重点及难点要求：熟悉长输电线路的等值电路、长线基本方程及其稳态解、空载线路的电压分布及并联电抗器的作用等；了解高压直流输电的优缺点、直流输电的接线方式及换流站的作用等；了解灵活交流输电系统的工作原理及常用的几种补偿装置。 重点：空长线的电容效应及并联电抗器的补偿作用。 难点：远距离输电线路的自然功率与电压分布。 随着社会经济的发展，能源中心与负荷中心分布越来越不均匀，往往需要将电能送到好几百公里甚至上千公里以外的负荷中心，这需要实现远距离的大功率传输。由于技术和经济方面的原因，远距离输电必须采用超高压或特高压输电技术，才能提高输送容量，减小线损及电压降。在远

2、距离输电中，除了高压交流输电外，还有高压直流输电方式。我们将分别进行讨论。第一节 交流远距离输电这里所说的远距离一般指 300km 以上。由于 50Hz 工频交流电的 1/4 波长为1500km，与远距离输电线路长度的数量级接近或相当，所以在对远距离输电线路进行分析计算时，应考虑其电气参数的分布特性，否则计算误差将不能接受。 一、无损长线方程这部分的内容大家在电路中已经学过。如图所示：设线路单位长度电阻、电感、电容、电导分别为 、 、 、 。在离线路 2 端距离 处取一微元段 ，则微元段 的等效电路如图 10.1（b）所示。由于一般的交流远距离输电线路满足500km 时采用直流输电就更加经济。

3、 （二）技术上 1. 接线方式 交流输电系统的接线方式大体包括星形中性点接地和星形中性点不接地两种方式。直流输电系统有三种基本接线方式：单极直流输电、单极两线直流输电和双极直流输电。 （1）单极线地直流输电 单极线地直流输电如图 10-9 所示，输电线路由一根导线（通常为负极）和大地所形成的回路组成。该接线方式比较经济，但地电流对地下埋设的金属物，如管道等，腐蚀严重。 图 10-9单极直流输电 （2）单极两线直流输电 单极两线接线方式如图 10-10 所示，其与单极线地直流输电方式相比，无大地回流所造成的腐蚀问题，且电磁干扰小。 图 10-10 单极两线直流输电 （3）双极直流输电双极直流输电

4、系统（图 10-11）具有两条输电线，其中一根为正极性，另一根为负极性，线路两端中点接大地。当电网正常运行时，流经大地的电流为零。若某一根线路发生故障，则另一根线路以大地为回路，还可以传输一半的电能，从而提高了输电可靠性。双极直流输电是工程实际中应用得最多的接线方式。 图 10-11双极直流输电 2. 线路电容电流直流线路在正常运行时纹波很小，即交流成分很少，所以基本上没有电容电流，沿线电压平稳。交流系统中当线路轻载或空载时，会有电容效应，沿线电压分布不均匀。3. 可靠性和灵活性三相交流输电线路任何一相发生故障时，不能以非全相持续运行。而直流输电系统中，一个极发生故障，可利用另一个健全极和大地

5、继续供电。另外，由于直流线路的导线少，架空线路的绝缘子数量也更少，发生故障的几率也减少。因此直流输电具有优良的可靠性和灵活性。4. 运行稳定性如果交流输电线路输送的功率接近稳定极限时，在受到扰动后发电机之间可能失去同步。最大输送功率与输电距离近似成反比，所以系统稳定性是限制交流远距离输电的一个重要因素。直流输电系统不要求两端的交流系统同步运行。因此直流输电的输送距离和容量不受稳定性限制。5. 潮流调节交流输电系统的潮流调节是通过调节功率角的大小来实现的，实际上是调节输入到发电机的机械功率，发电机的转子据有惯性，所以交流输电中潮流调节较慢。直流输电系统中输送的功率由两端的直流电压决定，直接改变换

6、流器的触发相角就可以实现，功率调节迅速。二、直流输电的优缺点及适用场合1. 优点（1）当输送功率相同时,其线路造价低 （2）当输送功率相同时,其功率损耗小（3）两端交流电力系统不需要同步运行,输电距离不受电力系统同步运行稳定性的限制 （4）直流线路的电压、电流、功率的调节比较容易和迅速 （5）可以实现不同频率或相同频率交流系统之间的非同步联系 （6）直流输电线路在稳态运行时没有电容电流 （7）每个极可以作为一个独立回路运行，便于检修，分期投资和建设 2. 缺点 （1）谐波 （2）消耗无功 （3）换流站造价高 （4）高压直流断路器 （5）大地回流造成的腐蚀及对交流系统的影响 3. 适用范围 （1

7、）远距离大功率输电 （2）海底电缆送电 （3）不同频率或相同额定频率非同步运行的交流系统之间的联络 （4）用地下电缆向用电密度高的城市供电 三、换流站的工作原理换流站是直流输电系统中最重要的部分。图 10-12 是换流站的基本接线图。主要由换流变压器、换流器（整流器或逆变器）、平波电抗器等组成。 图 10-12换流站的基本接线 其中 、 、 为换流变压器提供的三相交流电源， 为电源电感， 为减小直流侧电压电流脉动的平波电抗器， 为负载电流（直流）， 为起换流作用的可控硅阀。在承受正向电压并且施加触发导通的脉冲信号即可导通，承受反向电压且电流过零时自然关断。改变可控硅的触发角，可以使换流器在整流

8、状态（称整流器）和逆变状态（称逆变器）间变化。 1. 整流工作状态 在分析前先假定： (1)三相电源 、 、 对称： （10-32） 波形如图 10-13 所示； (2)平波电抗很大，负载直流 无纹波； (3)可控硅阀 K1K6 是理想的，即导通时压降为零，关断后阻抗无穷大。 为简化分析，先忽略三相电源电感 。可控硅阀 K1K6 每隔 60电角度轮流触发导通，导通的次序为 K6K1K2K3K4K5K6。可控硅导通时刻由图 10-13 所示触发脉冲控制角 决定，在整流工作状态下 0 。可控硅导通的条件是阀承受正向电压同时在控制极得到触发脉冲信号。一旦导通后，可控硅只有在电流过零承受反向电压时方能

9、恢复到关断状态。 图 10-13 典型的三相桥式整流电路及波形图 图 10-13 交流侧变压器的输出是以线电压接在上下可控硅之间，中性点不与负载相连，所以可控硅的导通是由线电压决定的。从波形图中可以看出，在线电压 Uab 波形的 60处，Uab 是各线电压中最大的，K6 和 K1 开始承受正向电压，门极触发脉冲在此之后加入才是有效的。将可控硅承受正向电压起到加触发脉冲使其导通的瞬间所对应的电角度称为控制角 。控制角 不同，输出的直流电压是不同的。直流输电系统正是利用控制角调节输出的直流电压的大小。 随着时间的推移，瞬时值最大的线电压将依次轮换，对应的参与导通电流的可控硅也要轮换。这种从一个可控

10、硅导通变换为另一个可控硅导通的过程称为换相。如 K1触发导通后，电流通过 K1、负载、K6、 相和 相电源形成回路。此时的直流输出电压变为 ea-eb。以后可控硅按 K1、K2(输出电压为 ea-ec)，K3、K2(输出电压为 eb-ec)，K3、K4(输出电压为 eb-ea)，K5、K4(输出电压为 ec-ea)的顺序分六组轮流导通，每组可控硅导通的时间为 60电角度，导通的两个可控硅分别处于不同相的上部和下部桥臂上。每一可控硅连续在 2 组中导通，其导通时间为 120电角度。每组可控硅导通时，其直流输出电压的波形是相同的。 整流电路直流输出电压的平均值可由任一组可控硅(例如 K1、K6)导

11、通时的直流输出电压平均值求得为： 令 ，可得 （10-33） 整流状态下控制角 的变化范围为 090。2. 逆变工作状态当控制角的变化范围为 90180时，Vd0，直流侧吸收功率，传给交流侧。换流器工作在逆变状态，将直流变成交流。第四节 灵活交流输电系统随着社会经济的发展，电力系统电网结构和电力负荷越来越复杂、系统日趋庞大，有最终形成统一大电网的趋势。传统交流输电系统在快速发展的同时也产生了一些新的问题主要有： 电力系统局部故障如果处理不当，则会造成事故扩大，甚至危及整个系统 由于稳定性问题而使线路得不到充分利用 短路电流随系统容量增大，断路器在断流容量和动热稳定性方面可能满足不了要求 电力系

12、统结构越来越复杂，调控手段缺乏，安全运行管理难度大 在这种形势下，如何根据运行的要求，快速地对电力系统中影响输送功率和电网稳定的电压、阻抗、功角等电量进行调节显得尤为重要。以交流输电系统为例，为控制电压波动和系统无功潮流而采用并联补偿装置；为控制线路在正常运行时所传输的功率，或增加线路传输功率到热稳定极限值，或改善系统稳定性，常在线路中串入可调电容等。但传统的补偿装置是利用机械投切或分接头转换的方式进行参数变换的，不能适应现代电力系统的要求。 灵活交流输电系统 FACTS（Flexible AC Transmission System）是美国电力科学研究院的 N.G.Hingorani 博士于

13、上世纪 80 年代后期提出的，是以大功率可控硅部件组成的电子开关代替现有的机械开关，灵活自如地调节电网电压、功角和线路参数。使电力系统变得更加灵活、可控、安全可靠。从而能在不改变现有电网结构的情况下提高系统的输送能力，增加其稳定性。 FACTS 控制设备接入电力系统的方式有： 并联 静止无功补偿器 SVC（Staic Var Compensator） 静止同步调相器 STATCOM（Static Synchronous Compensator） 串联 可控串联补偿器 TCSC（Thyristor Controlled Series Capacitor） 串并联 统一潮流控制器 UPFC（Uni

14、fied Power Flow Controller） 其实在上册讲无功补偿与电压调节时，已经讲过包括 SVC 和串补的一些内容，在此不作详细讨论。本章小结本章介绍超高压交流和直流远距离输电系统有关内容。在超高压交流输电线路中，由于电容效应，未端电压随线路所传输的功率而变化。在轻载和空载运行方式下，末端电压比首端高（即工频过电压）。应用并联电抗器可限制长线工频过电压，并联电抗器配合中性点小电抗也是抑制单相接地故障潜供电流的有效措施。直流输电系统中，换流装置将超高压交流变换成直流后将电能传输至远方负荷，逆变装置再将超高压直流逆变成交流，经降压后提供给用户。在直流系统中，可通过整流器的触发角 和逆

15、变器的逆变角 来实现对直流电压、电流和有功的快速控制。将现代电力电子技术应用于超高压交流输电系统中，对电压、功角、线路阻抗等参数进行调节和补偿，满足系统潮流快速控制的要求，从而大大提高系统运行的效率和稳定性。灵活交流控制器分并联和串联两种形式，前者的主要功能是调节无功和电压，后者则用于有功功率的控制。统一潮流控制器将串联和并联补偿相结合，协调控制，是一种重要的灵活交流控制器。第十一章电力系统内部过电压要求、重点及难点要求：了解过电压的含义及分类、掌握产生各种内部过电压的根本原因、物理过程及其影响因素和限制措施。 重点：几种操作过电压的形成过程；铁磁谐振过电压的基本性质。 难点：间歇性电弧过电压

16、的分析。 第一节 概述一、过电压所谓的过电压就是超过电网最高运行电压而对绝缘有危害的电压。 电力系统中的大部分故障（如上册学过的单相接地故障）都属于绝缘故障。绝缘出现故障不外乎两方面的原因：一是绝缘本身的绝缘强度下降，另一原因就是作用在绝缘上的电压因某种原因升高。而电气设备的绝缘强度是有限的，所以必须采取措施将可能出现的过电压限制在一个合理的范围。因此必须了解过电压产生的机理，传播或发展的规律，以及影响因素和限制措施。 二、过电压的分类 按照形成过电压的能量来源可以将过电压分成两大类：雷云中大量雷电荷倾注于电力系统而形成的雷电过电压和由于电力系统内部能量的转化或传递引起的内部过电压。对于内部过电压而言，因操作或故障引起的暂态电压升高，称为操作过电压。因系统的电感、电容参数配合不当，出现的各种持续时间很长的谐振现象及其电压升高，称为谐振过电