电力系统稳态分析02第二章

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1、1 电力系统分析基础 Power System Analysis Basis (二) 主讲人:秦鹏 Email:qinpeng 2 第二章 电力系统各元件的特性和数学模型 一电力系统中生产、变换、输送、消费 电能的四大部分的特性和数学模型 1.发电机组 2.变压器 3.电力线路 4.负荷 二电力网络的数学模型 3 复功率的符号说明: 取 滞后功率因数 为正,感性无功 负荷 运行时,所吸取的无功功率 超前功率因数 为负,容性无功 滞后功率因数 为正,感性无功 发电机 运行时,所发出的无功功率 超前功率因数 为负,容性无功 4 第一节 发电机组的运行特性和数 学模型 n发电机稳态运行时的相量图和功

2、角特性 隐极发电机的相量图和功角特性 5 6 隐极式发电机功率特性方程: 7 凸极式发电机的相量图和功角特性 图2-3凸极式机发电机的相量图图2-4凸极式机发电机的功角特性曲线 8 9 凸极式发电机的相量图和功角特性 虚构电势: 10 n隐极发电机组的运行限额和数学模型 11 决定隐极式发电机组运行极限的因素: 定子绕组温升约束。取决于发电机的视在功 率。以O点为圆心,以OB为半径的圆弧S。 励磁绕组温升约束。取决于发电机的空载电 势。以O点为圆心,以OB为半径的圆弧F 。 原动机功率约束。即发电机的额定功率。直 线BC。 其他约束。当发电机以超前功率因数运行的 场合。综合为圆弧T。 12 发

3、电机组的数学模型: 发电机组在约束的上、下限运行。 通常以两个变量表示,即发出的有功功率P和端 电压U的大小 或发出的有功功率P和无功功率Q 的大小。而以第一种方式表示时,往往还需给出 相应的无功功率限额(Qmax 、Qmin)。 13 n凸极发电机组的运行限额和数学模型 图2-7凸极式发电机的运行极限 14 第二节 变压器的参数和数学模型 15 16 17 18 19 20 第二节 变压器的参数和数学模型 n双绕组变压器的参数和数学模型 RT GT jXT -jBT 图2-8双绕组变压器等值电路 21 n双绕组变压器的参数和数学模型 阻抗 电阻:变压器的电阻是通过变压器的短路损耗,其近 似等

4、于额定总铜耗。 我们通过如下公式来求解变压器电阻: 22 23 电抗 :在电力系统计算中认为,大容量变压器的 电抗和阻抗在数值上接近相等,可近似如下求 解: 24 导纳 电导:变压器电导对应的是变压器的铁耗,近似 等于变压器的空载损耗,因此变压器的电导可 如下求解: 电纳:在变压器中,流经电纳的电流和空载电流 在数值上接近相等,其求解如下: 25 n三绕组变压器的参数和数学模型 按三个绕组容量比的不同有三种不同的类型: 100/100/100、100/50/100、100/100/50 按三个绕组排列方式的不同有两种不同的结构 : 升压结构:中压内,低压中,高压外 降压结构:低压内,中压中,高

5、压外 26 n三绕组变压器的参数和数学模型 GT R2jX2 R1jX1 -jBT R3jX3 图2-10三绕组变压器等值电路 27 电阻 由于容量的不同,对所提供的短路损耗要做些处理 F对于100/100/100 然后按双绕组变压器相似的公式计算各绕组电阻 28 F对于100/50/100或100/100/50 首先,将含有不同容量绕组的短路损耗数据归算为额 定电流下的值。 例如:对于100/50/100 然后,按照100/100/100计算电阻的公式计算各绕组电 阻。 29 F按最大短路损耗求解(与变压器容量比无关) 指两个100%容量绕组中流过额定电流,另 一个100%或50%容量绕组空

6、载时的损耗。 根据“按同一电流密度选择各绕组导线截面积”的变压器 的设计原则: 30 电抗 根据变压器排列不同,对所提供的短路电压做些处理: 然后按双绕组变压器相似的公式计算各绕组电阻 一般来说,所提供的短路电压百分比都是经过归算的 31 n自耦变压器的参数和数学模型 就端点条件而言,自耦变压器可完全等值于普通变压 器,但由于三绕组自耦变压器第三绕组的容量总小于变压 器的额定容量,因此需要进行归算。 F对于旧标准: F对于新标准,也是按最大短路损耗和经过归算的短路电 压百分比值进行计算。 32 第三节 电力线路的参数和数学模型 n电力线路结构简述 电力线路按结构可分为 架空线:导线、避雷线、杆

7、塔、绝缘子和金具等 电 缆:导线、绝缘层、保护层等 架空线路的导线和避雷线 导 线:主要由铝、钢、铜等材料制成 避雷线:一般用钢线 33 34 35 36 架空线路的导线和避雷线 F认识架空线路的标号 / 钢线部分额定截面积 主要载流部分额定截面积 J 表示加强型,Q表示轻型 J 表示多股线 表示材料,其中:L表示铝、 G表示钢、T表示铜、HL表示 铝合金 例如:LGJ400/50表示载流额定截面积为400、钢线额 定截面积为50的普通钢芯铝线。 37 ACSR(Aluminum Conductor steel Reinforced) 架空地线(OPGW)的截面图(260mm2) Compos

8、ite fiber-Optic Ground Wire 分裂导线 双分裂;三分裂;四分裂 38 F为增加架空线路的性能而采取的措施 目的:减少电晕损耗或线路电抗。 多股线 其安排的规律为:中心一股芯线,由内到外,第一 层为6股,第二层为12股,第三层为18股,以此类推 扩径导线 人为扩大导线直径,但不增加载流部分截面积。不 同之处在于支撑层仅有6股,起支撑作用。 分裂导线 又称复导线,其将每相导线分成若干根,相互间保 持一定的距离。但会增加线路电容。 40 41 42 43 44 合成绝缘子优势 1.机械性能优越 2.抗污闪性能好 3.耐电蚀性优异 4.抗老化性能好 5.结构稳定性好 6.线路

9、运行效率高 7.重量轻 45 架空线路的绝缘子 架空线路使用的绝缘子分为 针式:35KV以下线路 悬式:35KV及以上线路 通常可根据绝缘子串上绝缘子的片数来判断线路电压 等级,一般一个绝缘子承担1万V左右的电压。 架空线路的换位问题 目的在于减少三相参数不平衡 整换位循环:指一定长度内有两次换位而三相导线 都分别处于三个不同位置,完成一次完整的循环。 滚式换位 换位方式 换位杆塔换位 A A AB C B B C C 46 n电力线路的阻抗 有色金属导线架空线路的电阻 有色金属导线指铝线、钢芯铝线和铜线 每相单位长度的电阻: 其中:铝的电阻率为31.5 mm2/km 铜的电阻率为18.8 m

10、m2/km 考虑温度的影响则: 电阻的温度系数(1/),对于铜导线 ,Cu=0.00382/,对于铝导线,Al=0.0036/。 47 有色金属导线三相架空线路的电抗 最常用的电抗计算公式: 其中: 48 线路的电抗 图2-24单根导线外部和内部磁场 图2-25单相线路的磁场图2-26三相线路的磁场 49 进一步可得到: 还可以进一步改写为: 在近似计算中,可以取架空线路的电抗为 50 分裂导线三相架空线路的电抗 分裂导线采用了改变导线周围的磁场分布,等效地增 加了导线半径,从而减少了导线电抗。 可以证明: 51 钢导线三相架空线路的电抗 钢导线与铝、铜导线的主要差别在于钢导线导磁。 电缆线路

11、的阻抗 电缆线路的结构和尺寸都已经系列化,这些参数可事 先测得并由制造厂家提供。一般,电缆线路的电阻略大 于相同截面积的架空线路,而电抗则小得多。 52 三相架空线路的电纳 其电容值为: 最常用的电纳计算公式(工频): 架空线路的电纳变化不大,一般为 n电力线路的导纳 53 分裂导线线路的电纳 架空线路的电导 线路的电导取决于沿绝缘子串的泄漏和电晕 绝缘子串的泄漏:通常很小 电晕:强电场作用下导线周围空气的电离现象 导线周围空气电离的原因:是由于导线表面的电场强 度超过了某一临界值,以致空气中原有的离子具备了足 够的动能,使其他不带电分子离子化,导致空气部分导 电。 54 确定由于电晕产生的电

12、导,其步骤如下: F确定导线表面的电场强度 F电晕起始电场强度 55 F ,得电晕起始电压或临界电压 F每相电晕损耗功率 F求线路的电导 56 F对于分裂导线在第一步时做些改变 实际上,在设计线路时,已检验了所选导线的 半径是否能满足晴朗天气不发生电晕的要求,一 般情况下可设: g=0 57 n电力线路的数学模型 输电线路的参数实际上是沿线路均匀分 布的可用下图所示的链形电路表示。图中, r1、x1、g1、b1为无穷小段线路的阻抗和导 纳。 电力线路的单相等值电路 58 分两种情况讨论: 一般线路的等值电路 一般线路:中等及中等以下长度线路,对架 空线为300km;对电缆为100km。 不考虑

13、线路的分布参数特性,只用将线路参 数简单地集中起来的电路表示。 一般G=0(正常天气不考虑电晕,及不考虑 绝缘子泄漏) n电力线路的数学模型 59 一般线路的等值电路 一般线路中,又有短线路和中等长度线路之分。 短线路:是指长度不超过100km的架空线路。线路 电压不高时,这种线路电纳B的影响一般不大,可 略去。从而,这种线路的等值电路最简单,只有一 串联的总电抗ZR十jX。 显然,如电缆线路不长,电纳的影响不大时, 也可采用这种等值电路。 . U2 R+jX U1 . . I2I1 . 短线路的等值电路 60 一般线路的等值电路 中等长度线路:是指长度在100300km之间的架空 线路和不超

14、过100km的电缆线路。这种线路的电 纳B一般不能略去。这种线路的等值电路有二 形等值电路和T形等值电路。其中,常用的是形 等值电路。 (不能用-Y公式相互变换) jB/2 R+jX jB/2 (R+jX)/2(R+jX)/2 jB 中等长度线路的等值电路 61 长线路的等值电路 长线路:长度超过300km的架空线和超过100km的电缆。 dxx l U I2 I U1 I1 U+dU I+dI y1dx 62 精确型: 根据双端口网络理论可得: 63 简化型 64 两个基本概念 在超高压线路中,略去电阻和电导,即相当于 线路上没有有功功率损耗时 波阻抗:特性阻抗 是一个纯电阻。 这时传播系数

15、仅有虚部 ,称为相位系数。 自然功率:当负荷阻抗为波阻抗时,该负荷所消耗 的功率。 65 将工业、农业、邮电、交通、市政、商业以及 城乡居民所消耗的功率相加。就可得所谓电力系 统的综合用电负荷。综合用电负荷加网络中损耗 的功率就是系统中各发电厂应供应的功率,因而 称电力系统的供电负荷。供电负荷再加各发电厂 本身消耗的功率 厂用电,就是系统中各发电 机应发的功率,称电力系统的发电负荷。 电力系统负荷的运行特性广义地可分两大类: 负荷曲线:负荷随时间而变化的规律 负荷特性:负荷随电压或频率而变化的规律 第四节 负荷的运行特性和数学模型 66 负荷曲线 电力系统的有功功率日负荷曲线:为拿握电 力系统的运行,这种负荷曲线很有用,它是 制订各发电厂发电负荷计划的依据。 电力系统的有功功率年负荷曲线:一般指年 最大负荷曲线,即表示一年内每月最大有功 功率负荷变化的曲线。常用于制订发电设备 的检修计划。 67 负荷特性 有功功率、无功功率 静态、动态 电压、频率 三种特征相结合 如无功功率静态电压无功特性 稳态时负荷的数学模型用给定的有功功率P和无 功功率Q来表示。只有在对计算精度要求较高时, 才要计及负荷的静态特性。 68 第五节 电力网络的数学模型 标幺值的折算 电压等级的归算 等值变压

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