電氣工程基礎(chǔ)（李孝全） 課件全套 李孝全 第1-7章 緒論- 電力系統(tǒng)穩(wěn)定性分析

第一章緒論第一節(jié)電力系統(tǒng)概述第二節(jié)電力系統(tǒng)發(fā)展簡史及電力工業(yè)發(fā)展趨勢第三節(jié)電力系統(tǒng)的運(yùn)行第四節(jié)電力系統(tǒng)的接線方式和電壓等級(jí)

第一節(jié)

電力系統(tǒng)概述

一、

電氣工程與電力系統(tǒng)的關(guān)系電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)，簡稱電氣工程專業(yè)或電氣專業(yè)，是高等學(xué)校開設(shè)的本科專業(yè)。電氣工程這個(gè)名稱在我國現(xiàn)行研究生教育的學(xué)科目錄中，又是一個(gè)一級(jí)學(xué)科的名稱。廣義上，電氣工程學(xué)科是以電子學(xué)、電磁學(xué)等物理學(xué)分支為基礎(chǔ)，涵蓋電子學(xué)、電子計(jì)算機(jī)、電力工程、電信、控制工程、信號(hào)處理等子領(lǐng)域的一門工程學(xué)科。

電氣工程學(xué)科與其他學(xué)科相互交叉、相互融合、相互

促進(jìn)，現(xiàn)已形成了相對(duì)獨(dú)立的電機(jī)與電器、電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化、高電壓與絕緣技術(shù)、電力電子與電力傳動(dòng)、電工理論與新技術(shù)等五個(gè)二級(jí)學(xué)科。

(1)電機(jī)與電器：主要研究電力設(shè)備，可細(xì)分為電機(jī)和電器兩個(gè)門類。

(2)電力系統(tǒng)及其自動(dòng)化：主要研究電力系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、規(guī)劃、調(diào)度、控制和保護(hù)。

(3)高電壓與絕緣技術(shù)：主要研究高電壓下的電磁現(xiàn)象，設(shè)備的絕緣保護(hù)設(shè)計(jì)、試驗(yàn)和檢測等，可細(xì)分為高壓和絕緣兩個(gè)專業(yè)。高壓主要研究高壓試驗(yàn)、放電和電力系統(tǒng)的過電壓及防護(hù)；絕緣主要研究絕緣材料、絕緣測試等。

(4)電力電子與電力傳動(dòng)：主要研究電力系統(tǒng)中高電壓、大電流情況下電子技術(shù)的應(yīng)用，包括電力變換(如交流電變成直流電、直流電變成交流電、交流電改變頻率等)、電力系統(tǒng)中的諧波及其抑制、電源質(zhì)量控制等；電力傳動(dòng)與電機(jī)的關(guān)系比較緊密，主要涉及控制技術(shù)。

(5)電工理論與新技術(shù)：主要研究電路、電磁場等基礎(chǔ)理論以及熱門的新技術(shù)研究領(lǐng)域，如混沌等。

二、

電力系統(tǒng)的組成及其基本參量

通過各種不同電壓等級(jí)的電力線路，將發(fā)電廠、變電所和電力用戶聯(lián)系起來的包含著發(fā)電、輸電、變電、配電和用電的統(tǒng)一整體，稱為電力系統(tǒng)。與“電力系統(tǒng)”一詞相關(guān)的還有“電力網(wǎng)”和“動(dòng)力系統(tǒng)”，前者指電力系統(tǒng)中除去發(fā)電機(jī)和用電設(shè)備之外的部分，后者指電力系統(tǒng)和發(fā)電廠動(dòng)力部分的總和，如圖1-1所示。所以，電力網(wǎng)是電力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分，而電力系統(tǒng)又是動(dòng)力系統(tǒng)的一個(gè)組成部分。圖1-1動(dòng)力系統(tǒng)、電力系統(tǒng)及電力網(wǎng)示意圖

電力網(wǎng)也稱電網(wǎng)，它由電力線路及其聯(lián)系的變配電所組成，是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其作用是將電能從發(fā)電廠輸送并分配至電力用戶。電力網(wǎng)可分為地方電力網(wǎng)、區(qū)域電力網(wǎng)及超高壓遠(yuǎn)距離輸電網(wǎng)三種類型。

電力系統(tǒng)可以用一些基本參量進(jìn)行描述，簡述如下：

(1)總裝機(jī)容量。電力系統(tǒng)的總裝機(jī)容量是指系統(tǒng)中實(shí)際安裝的發(fā)電機(jī)組額定有功功率的總和，以千瓦(kW)、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)計(jì)。

(2)年發(fā)電量。電力系統(tǒng)的年發(fā)電量是指系統(tǒng)中所有發(fā)電機(jī)組全年實(shí)際發(fā)出電能的總和，以兆瓦時(shí)(MW·h)、吉瓦時(shí)(GW·h)、太瓦時(shí)(TW·h)計(jì)。

(3)年用電量。年用電量是指接在系統(tǒng)上所有用戶全年所用電能的總和。其單位與年發(fā)電量的單位一致。

(4)最大負(fù)荷。最大負(fù)荷一般是指規(guī)定時(shí)間，如一天、一月或一年內(nèi)電力系統(tǒng)總有功功率負(fù)荷的最大值，以千瓦(kW)、兆瓦(MW)、吉瓦(GW)計(jì)。

(5)額定頻率。按國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，我國所有交流電力系統(tǒng)的額定頻率均為50Hz。國外則有額定頻率為60Hz的電力系統(tǒng)。

(6)最高電壓等級(jí)。同一電力系統(tǒng)中的電力線路往往有幾種不同的電壓等級(jí)。所謂某電力系統(tǒng)的最高電壓等級(jí)，是指該系統(tǒng)中最高電壓等級(jí)電力線路的額定電壓，以千伏(kV)計(jì)。

三、

電力系統(tǒng)中的發(fā)電廠

1.火力發(fā)電

火力發(fā)電是利用煤炭、石油、天然氣或其他燃料的化學(xué)能生產(chǎn)電能。從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)分析，其基本過程是：燃料的化學(xué)能—熱能—機(jī)械能—電能。世界上多數(shù)國家的火電廠以燃煤為主。

2.水力發(fā)電

水力發(fā)電是將水能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)分析，其過程為：水能—機(jī)械能—電能。實(shí)現(xiàn)這一能量轉(zhuǎn)變的生產(chǎn)方式，一般是在河流的上游筑壩提高水位，以造成較高的水頭。建造相應(yīng)的水工設(shè)施，以便有效地獲取集中的水流。

3.核能發(fā)電

重核分裂和輕核聚合時(shí)，都會(huì)釋放出巨大的能量，這種能量統(tǒng)稱為“核能”，即通常所說的原子能。利用重核裂變釋放能量發(fā)電的核電廠，從能量轉(zhuǎn)換的觀點(diǎn)分析，其基本過程是：重核裂變能—熱能—機(jī)械能—電能。由于重核裂變的強(qiáng)輻射特性，已投入運(yùn)營和在建的核電廠，毫無例外地劃分為核島部分和常規(guī)島部分，用安全防護(hù)設(shè)施嚴(yán)密分隔開的兩部分，共同構(gòu)成核電廠的動(dòng)力部分。

4.風(fēng)力發(fā)電

風(fēng)力發(fā)電的動(dòng)力系統(tǒng)主要指風(fēng)力發(fā)電機(jī)。最簡單的風(fēng)力發(fā)電機(jī)由葉輪和發(fā)電機(jī)兩部分構(gòu)成，空氣流動(dòng)的動(dòng)能作用在葉輪上，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能，從而推動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)。如果將葉輪的轉(zhuǎn)軸與發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)軸相連，就會(huì)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出電來。

5.太陽能發(fā)電

太陽能發(fā)電的方式主要有通過熱過程的太陽能熱發(fā)電和不通過熱過程的太陽能光伏發(fā)電、光感應(yīng)發(fā)電、光化學(xué)發(fā)電及光生物發(fā)電等。目前，可進(jìn)行商業(yè)化開發(fā)的主要是太陽能熱發(fā)電和太陽能光伏發(fā)電兩種。

四、

電力系統(tǒng)中的變電所

變電所是聯(lián)系發(fā)電廠和電力用戶的中間環(huán)節(jié)，由電力變壓器和配電裝置組成，起著變換電壓、交換和分配電能的作用。根據(jù)功能，變電所可分為升壓變電所和降壓變電所兩類；

根據(jù)在電力系統(tǒng)中的地位，變電所可分為樞紐變電所、中間變電所、地區(qū)變電所和終端變電所等。

工業(yè)企業(yè)內(nèi)部的車間變電所，根據(jù)變壓器安裝位置的不同，可分為附設(shè)式變電所(包括內(nèi)附式和外附式)、車間內(nèi)變電所、獨(dú)立變電所、露天變電所、地下變電所和桿上變電所

等幾種形式。

五、

電能的傳輸及分配

發(fā)電廠產(chǎn)生的電能向用戶輸送，輸送的電能可以表示為

式中：W為輸送的電能(kW·h)；P為輸送的有功功率(kW)；t為時(shí)間(h)；U

為輸電網(wǎng)電壓(kV)；I為導(dǎo)線中的電流(A)；cosφ為功率因數(shù)。

我國的電能傳輸方式有兩類：一類是交流輸電方式，另一類是直流輸電方式。

1.交流輸電

以交流方式傳輸?shù)碾娏W(wǎng)主要是由輸電、變電設(shè)備構(gòu)成的，電力線路以傳輸交流電能為主體。電力變壓器的主要作用除了升高或降低電壓之外，還能將不同電壓等級(jí)的電網(wǎng)相

聯(lián)系。電能傳輸是在輸電線路上進(jìn)行的。

2.直流輸電

直流輸電是將發(fā)電廠發(fā)出的交流電經(jīng)過升壓后，由換流設(shè)備(整流器)轉(zhuǎn)換成直流，通過直流線路送到受電端，再經(jīng)過換流設(shè)備(逆變器)轉(zhuǎn)換成交流，供給受電端的交流系統(tǒng)。需要改變直流輸電的輸電方向時(shí)，只需讓兩端換流器互換工作狀態(tài)即可。換流設(shè)備是直流輸電系統(tǒng)的關(guān)鍵部分。

1)直流輸電的主要優(yōu)點(diǎn)

(1)造價(jià)、運(yùn)行費(fèi)用低。

(2)不需串、并聯(lián)補(bǔ)償。

(3)直流輸電不存在穩(wěn)定性問題。

(4)采用直流聯(lián)絡(luò)線可以限制互連系統(tǒng)的短路容量。

2)直流輸電的主要缺點(diǎn)

(1)換流站造價(jià)高。

(2)換流裝置在運(yùn)行中需要消耗無功功率，并且產(chǎn)生諧波。

(3)高壓斷路器制造困難。

第二節(jié)

電力系統(tǒng)發(fā)展簡史及電力工業(yè)發(fā)展趨勢

一、

電力系統(tǒng)的形成和發(fā)展

1831年，法拉第發(fā)現(xiàn)了電磁感應(yīng)定律。第一次高壓輸電出現(xiàn)于1882年。

1891年于法蘭克福舉行的國際電工技術(shù)展覽會(huì)上，在德國人奧斯卡·馮·密勒主持下展出的輸電系統(tǒng)，奠定了近代輸電技術(shù)的基礎(chǔ)。與19世紀(jì)時(shí)電力系統(tǒng)的雛形相比，現(xiàn)代電力系統(tǒng)在輸電電壓、輸電距離、輸電功率等方面有了千百倍的增長。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)不僅具有以大機(jī)組、大電網(wǎng)、超高壓、交直流聯(lián)合輸電為主體的結(jié)構(gòu)特征，而且可再生能源的開發(fā)和應(yīng)用將形成新型的輸、配電網(wǎng)與分布式發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

現(xiàn)代電力系統(tǒng)更為顯著的標(biāo)志是電力系統(tǒng)主體運(yùn)行安全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)且實(shí)現(xiàn)了高度自動(dòng)化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化。信息通信系統(tǒng)和電網(wǎng)監(jiān)測、控制系統(tǒng)成為電力系統(tǒng)主體安

全、優(yōu)質(zhì)、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的重要技術(shù)保障。因此，現(xiàn)代電力系統(tǒng)是由電力系統(tǒng)主體、信息通信系統(tǒng)和電網(wǎng)監(jiān)測、控制系統(tǒng)組成的統(tǒng)一整體，是一個(gè)巨大而又復(fù)雜的系統(tǒng)?，F(xiàn)代電力系統(tǒng)又可稱為廣義電力系統(tǒng)。

二、

歐美電力工業(yè)的發(fā)展簡史

三、

我國電力工業(yè)的發(fā)展

從電力結(jié)構(gòu)看，目前火電在我國現(xiàn)有電力結(jié)構(gòu)中占據(jù)絕對(duì)的優(yōu)勢，2017年火電裝機(jī)容量占全國電力裝機(jī)容量的62.24%。雖然短期內(nèi)以火電為主導(dǎo)的格局難以改變，但出于對(duì)煤炭資源未來供應(yīng)能力的擔(dān)憂，以及火電廠對(duì)環(huán)境的危害，國家今后在可再生能源方面的投入將相對(duì)較多?；痣娫谡麄€(gè)電力結(jié)構(gòu)中的比例逐步下降將是必然趨勢。

四、

電力工業(yè)發(fā)展趨勢

1.節(jié)能減排、大力開發(fā)新能源、走綠色電力之路

在發(fā)電用一次能源的構(gòu)成中，以煤、石油、天然氣為主的局面在相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)還難以改變。但由于這類化石燃料的短期不可再生性，且儲(chǔ)量在逐年減少，因此面臨資源枯竭的危險(xiǎn)。同時(shí)由于這些燃料(特別是煤)的低效“燃燒”使用，既浪費(fèi)了能源，又產(chǎn)生大量的二氧化碳(CO2)、二氧化硫(SO2)、氮氧化物(NO2)等溫室氣體及煙塵排放到大氣中，導(dǎo)致氣候變暖、冰層融化，將會(huì)給人類帶來嚴(yán)重的災(zāi)難性后果。旨在限制全球CO2溫室氣體排放總量的《聯(lián)合國氣候變化框架公約》已于2005年2月正式生效，議定書規(guī)定了具體的、具有法律約束力的溫室氣體排放標(biāo)準(zhǔn)。

目前，發(fā)達(dá)國家清潔能源用于發(fā)電的比重已達(dá)80%。截至2019年底，我國非化石能源占總裝機(jī)容量的42%，占總發(fā)電量的32.7%。根據(jù)規(guī)劃，我國提出的目標(biāo)是2035年非化石能源發(fā)電裝機(jī)比重超過60%，發(fā)電能源占一次能源消費(fèi)比重超過57%。

2.建設(shè)以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)

我國地域遼闊，建設(shè)以特高壓為骨干網(wǎng)架的堅(jiān)強(qiáng)電網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)跨區(qū)域、遠(yuǎn)距離、大功率的電能輸送和交易，做到更大范圍的資源優(yōu)化配置，推動(dòng)能源的高效開發(fā)利用，更好地調(diào)節(jié)電力平衡，培育和發(fā)展更加廣闊的電力市場。特高壓電網(wǎng)在合理利用能源、節(jié)約裝機(jī)、降低網(wǎng)損、提高設(shè)備利用率、節(jié)約土地資源、減少建設(shè)投資、降低運(yùn)行成本、減少事故和設(shè)備檢修以及獲得錯(cuò)峰、調(diào)峰和跨區(qū)域補(bǔ)償效益等方面潛力巨大，具有顯著的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

3.組成聯(lián)合電力系統(tǒng)

電力負(fù)荷的不斷增長和電源建設(shè)的發(fā)展，以及負(fù)荷和能源分布的不均衡，必然需要將各個(gè)孤立電網(wǎng)與鄰近電網(wǎng)互聯(lián)，組成一個(gè)更大規(guī)模的電網(wǎng)，形成聯(lián)合電力系統(tǒng)。

全國各電力系統(tǒng)互聯(lián)，形成聯(lián)合電力系統(tǒng)，是我國電力系統(tǒng)發(fā)展的必然趨勢。

發(fā)展聯(lián)合電力系統(tǒng)，除實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)之間的電力電量交換外，還能對(duì)全網(wǎng)實(shí)現(xiàn)聯(lián)合計(jì)劃、協(xié)調(diào)維修、事故支援，以及對(duì)發(fā)電運(yùn)行的聯(lián)合調(diào)度或統(tǒng)一調(diào)度，以保證獲取最大經(jīng)濟(jì)效益。在聯(lián)合效益上，不僅能取得電力電量效益，還能取得原有孤立系統(tǒng)所沒有的一系列新的效益。

其優(yōu)越性主要體現(xiàn)在以下幾方面：

(1)實(shí)現(xiàn)各電力系統(tǒng)間負(fù)荷的錯(cuò)峰。

(2)提高供電可靠性，減少系統(tǒng)備用容量。

(3)有利于安裝單機(jī)容量更大的發(fā)電機(jī)組。

(4)有利于進(jìn)行電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)調(diào)度。

(5)實(shí)現(xiàn)水電跨流域調(diào)度。

應(yīng)該指出，電網(wǎng)互聯(lián)在帶來巨大經(jīng)濟(jì)效益的同時(shí)，也不可避免地存在一些問題。如故障會(huì)波及相鄰電網(wǎng)，如果處理不當(dāng)，會(huì)導(dǎo)致大面積停電；電網(wǎng)短路容量的增加，會(huì)造成斷路器等設(shè)備因容量不夠而需增加投資；需要進(jìn)行聯(lián)絡(luò)線功率控制等。為了限制短路容量的增大和提高運(yùn)行的可靠性及靈活性，可用直流聯(lián)絡(luò)線將巨型交流電力系統(tǒng)分割成幾個(gè)非同步運(yùn)行的部分，以避免發(fā)生災(zāi)難性的大面積停電事故。

4.加強(qiáng)智能電網(wǎng)的建設(shè)

智能電網(wǎng)是將先進(jìn)的傳感量測技術(shù)、信息通信技術(shù)、分析決策技術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)與能源電力技術(shù)以及電網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施等高度集成而形成的新型現(xiàn)代化電網(wǎng)。傳統(tǒng)電網(wǎng)是一個(gè)剛性系統(tǒng)，電源的接入與退出、電能的傳輸?shù)榷既狈椥?，使電網(wǎng)動(dòng)態(tài)柔性及重組性較差，垂直的多級(jí)控制機(jī)制反應(yīng)遲緩，無法構(gòu)建實(shí)時(shí)、可配置和可重組的系統(tǒng)，自愈及自恢復(fù)能力完全依賴于物理冗余；對(duì)用戶的服務(wù)簡單，信息單向；系統(tǒng)內(nèi)部存在多個(gè)信息孤島，缺乏信息共享，相互割裂和孤立的各類自動(dòng)化系統(tǒng)不能構(gòu)成實(shí)時(shí)的有機(jī)統(tǒng)一整體，整個(gè)電網(wǎng)的智能化程度較低。

國家電網(wǎng)公司將智能電網(wǎng)的主要特征概括為“堅(jiān)強(qiáng)、自愈、兼容、經(jīng)濟(jì)、集成、優(yōu)化”。

(1)堅(jiān)強(qiáng)：在電網(wǎng)發(fā)生大擾動(dòng)和故障時(shí)，仍能保持對(duì)用戶的供電能力，而不發(fā)生大面積停電事故。在自然災(zāi)害、極端氣候條件下或遭外力破壞時(shí)仍能保證電網(wǎng)的安全運(yùn)行，具有確保電力信息安全的能力。

(2)自愈：具有實(shí)時(shí)、在線和連續(xù)的安全評(píng)估和分析能力，強(qiáng)大的預(yù)期和預(yù)防控制能力，以及自動(dòng)故障診斷、故障隔離和系統(tǒng)自我恢復(fù)的能力。

(3)兼容：支持可再生能源的有序、合理接入，適應(yīng)分布式電源和微電網(wǎng)的接入，能夠?qū)崿F(xiàn)與用戶的交互和高效互動(dòng)，滿足用戶多樣化的電力需求，并提供對(duì)用戶的增值服務(wù)。

(4)經(jīng)濟(jì)：支持電力市場運(yùn)營和電力交易的有效開展，實(shí)現(xiàn)資源的優(yōu)化配置，降低電網(wǎng)損耗，提高能源利用效率。

(5)集成：實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)信息的高度集成和共享，采用統(tǒng)一的平臺(tái)和模型，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化和精細(xì)化管理。

(6)優(yōu)化：優(yōu)化資產(chǎn)的利用，降低投資成本和運(yùn)行維護(hù)成本。

第三節(jié)

電力系統(tǒng)的運(yùn)行

一、

電力系統(tǒng)運(yùn)行的特點(diǎn)

(1)電能不能大量儲(chǔ)存，電能的生產(chǎn)和使用只能同時(shí)完成。

(2)正常輸電過程和故障過程都非常迅速。

(3)具有較強(qiáng)的地區(qū)性特點(diǎn)。電力系統(tǒng)的規(guī)模越來越大，其覆蓋的地區(qū)也越來越廣，各地區(qū)的自然資源情況存在較大差別。

(4)與國民經(jīng)濟(jì)各部門關(guān)系密切。

二、

電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求

1.保證供電的安全可靠性

保證供電的安全可靠性是對(duì)電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本要求。這就要求從發(fā)電到輸電以及配電，每個(gè)環(huán)節(jié)都必須安全可靠，不發(fā)生故障，以保證連續(xù)不斷地為用戶提供電能。為此，電力系統(tǒng)的各個(gè)部門應(yīng)加強(qiáng)現(xiàn)代化管理，提高設(shè)備的運(yùn)行和維護(hù)質(zhì)量。

應(yīng)當(dāng)指出，要絕對(duì)防止事故的發(fā)生是不可能的，而各種用戶對(duì)供電可靠性的要求也不一樣。因此，應(yīng)根據(jù)電力用戶的重要性等級(jí)不同區(qū)別對(duì)待。通常將電力用戶分為三類：

(1)一類用戶：由于中斷供電會(huì)造成人身傷亡的用戶，如煤礦、大型醫(yī)院等；或中斷供電會(huì)在政治、經(jīng)濟(jì)上給國家造成重大損失的用戶，如大型冶煉廠、軍事基地等；或中斷供電會(huì)影響國家重要部門正常工作的用戶，如鐵路樞紐、通信樞紐、國家重要機(jī)關(guān)以及大量人員集中的公共場所、城市公用照明等。

(2)二類用戶：由于中斷供電會(huì)在政治、經(jīng)濟(jì)上造成較大損失的用戶，或中斷供電將影響重要單位正常工作的用戶，以及大型影劇院、大型商場等。對(duì)二類用戶應(yīng)設(shè)專用供電線路，條件許可時(shí)也可采用雙回路供電，并在電力供應(yīng)出現(xiàn)不足時(shí)優(yōu)先保證其電力供應(yīng)。

(3)三類用戶：短時(shí)停電不會(huì)造成嚴(yán)重后果的用戶，如小城鎮(zhèn)、小加工廠及農(nóng)村用電等。

當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生事故、出現(xiàn)供電不足的情況時(shí)，應(yīng)當(dāng)首先切除三類用戶的用電負(fù)荷，以保證一、二類用戶的用電。

2.保證電能的良好質(zhì)量

電力系統(tǒng)不僅要滿足用戶對(duì)電能的需要，而且還要保證電能的良好質(zhì)量。電能質(zhì)量是指通過公用電網(wǎng)供給用戶端的交流電能的品質(zhì)。頻率、電壓和波形是電能質(zhì)量的三個(gè)基本

指標(biāo)，其額定值是電氣設(shè)備設(shè)計(jì)的最佳運(yùn)行條件。

系統(tǒng)頻率主要取決于系統(tǒng)中有功功率的平衡。發(fā)電機(jī)發(fā)出的有功功率不足，會(huì)使系統(tǒng)頻率偏低。節(jié)點(diǎn)電壓主要取決于系統(tǒng)中無功功率的平衡，無功功率不足，則電壓偏低。波形質(zhì)量是由諧波污染引起的，用總諧波畸變率來表示。正弦波的總諧波畸變率是指各次諧波有效值平方和的方根值占基波有效值的百分比。保證波形質(zhì)量就是限制系統(tǒng)中電壓、電流中的諧波成分。

電力系統(tǒng)的負(fù)荷是不斷變化的，系統(tǒng)的電壓和頻率必然會(huì)隨之變動(dòng)。這就要求調(diào)度必須時(shí)刻注視電壓、頻率變化情況和系統(tǒng)的有功和無功負(fù)荷平衡情況，隨時(shí)給發(fā)電廠及變電站下達(dá)指令，通過自動(dòng)裝置快速及時(shí)地調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)的勵(lì)磁電流或原動(dòng)力，停止或啟動(dòng)備用電源及切除部分負(fù)荷等，使電力系統(tǒng)中發(fā)出的無功和有功功率分別與負(fù)荷的無功和有功功率保持平衡，以保持系統(tǒng)額定電壓和額定頻率的穩(wěn)定，確保系統(tǒng)的電能質(zhì)量。

3.保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中不可避免地會(huì)發(fā)生短路事故，此時(shí)系統(tǒng)的負(fù)荷將發(fā)生突變。當(dāng)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差，或?qū)κ鹿侍幚聿划?dāng)時(shí)，局部事故的干擾有可能導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的全

面瓦解(即大部分發(fā)電機(jī)和系統(tǒng)解列)，而且需要長時(shí)間才能恢復(fù)，嚴(yán)重時(shí)會(huì)造成大面積、長時(shí)間停電，因此穩(wěn)定問題是影響大型電力系統(tǒng)運(yùn)行可靠性的一個(gè)重要因素。為使電力系統(tǒng)保持穩(wěn)定運(yùn)行，除要求系統(tǒng)參數(shù)配置得當(dāng)，自動(dòng)裝置靈敏、可靠、準(zhǔn)確外，還應(yīng)做到調(diào)度合理，處理事故果斷、正確等。

4.保證運(yùn)行人員和電氣設(shè)備工作的安全

保證運(yùn)行人員和電氣設(shè)備工作的安全是電力系統(tǒng)運(yùn)行的基本原則，為此要求不斷提高運(yùn)行人員的技術(shù)水平和保持電氣設(shè)備始終處于完好狀態(tài)。這就要求在設(shè)計(jì)時(shí)一方面合理選

擇設(shè)備，使之在一定過電壓和短路電流的作用下不致?lián)p壞；另一方面應(yīng)按規(guī)程要求及時(shí)安排對(duì)電氣設(shè)備進(jìn)行預(yù)防性試驗(yàn)或?qū)嵤┰诰€監(jiān)測和狀態(tài)檢修，及早發(fā)現(xiàn)隱患，及時(shí)進(jìn)行維修。在運(yùn)行和操作中要嚴(yán)格遵守有關(guān)的規(guī)章制度。

5.保證電力系統(tǒng)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性

要使電能在生產(chǎn)、輸送和分配過程中實(shí)現(xiàn)高效率、低損耗，以期最大限度地降低電能成本，實(shí)現(xiàn)發(fā)電廠和電網(wǎng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，就要最大限度地降低發(fā)電廠的能源消耗率。為了實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，除了進(jìn)行合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)外，還需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)實(shí)施最佳經(jīng)濟(jì)調(diào)度，實(shí)現(xiàn)火電廠、水電廠、核電廠負(fù)荷的合理分配，積極開發(fā)新能源發(fā)電等，同時(shí)還要提高整個(gè)系統(tǒng)的管理水平。

6.減少污染、保護(hù)生態(tài)環(huán)境

電力系統(tǒng)要采用新技術(shù)、新方法，減少火電廠的溫室氣體排放，加大對(duì)廢氣、廢物的無害化處理力度，提高無害化處理水平，最大限度地采用可再生清潔能源發(fā)電；要保護(hù)水體，保護(hù)生態(tài)環(huán)境，堅(jiān)持科學(xué)發(fā)展，倡導(dǎo)綠色電力。

三、

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)的運(yùn)行方式

電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)是指星形聯(lián)結(jié)的變壓器或發(fā)電機(jī)的中性點(diǎn)。這些中性點(diǎn)的運(yùn)行方式涉及系統(tǒng)的電壓等級(jí)、絕緣水平、通信干擾、接地保護(hù)方式及保護(hù)整定等許多方面，是一個(gè)綜合性的復(fù)雜問題。我國電力系統(tǒng)的中性點(diǎn)運(yùn)行方式主要有三種：中性點(diǎn)不接地、中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地和中性點(diǎn)直接接地(或經(jīng)低電阻接地)。前兩種系統(tǒng)稱為小電流接地系統(tǒng)，亦稱電源中性點(diǎn)非有效接地系統(tǒng)；后一種系統(tǒng)稱為大電流接地系統(tǒng)，亦稱電源中性點(diǎn)有效接地系統(tǒng)。

1.中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)

我國3~60kV的電力系統(tǒng)通常采用中性點(diǎn)不接地運(yùn)行方式。中性點(diǎn)不接地的電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電路圖和相量圖如圖1-2所示。圖1-2中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的電路圖和相量圖

圖1-3中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生A相接地故障時(shí)的電路圖和相量圖

必須指出，中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)，接地電流將在接地點(diǎn)產(chǎn)生穩(wěn)定的或間歇性的電弧。若接地點(diǎn)的電流不大，在電流過零值時(shí)電弧將自行熄滅；當(dāng)接地電流大于30A時(shí)，將形成穩(wěn)定電弧，成為持續(xù)性電弧接地，這將燒毀電氣設(shè)備并可引起多相相間短路；當(dāng)接地電流大于10A而小于30A時(shí)，則有可能形成間歇性電弧，這是由于電網(wǎng)中電感和電容形成了諧振回路所致，間歇性電弧容易引起弧光接地過電壓，其幅值可達(dá)(2.5~3)Uφ，將危及整個(gè)電網(wǎng)的絕緣安全。

2.中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地的電力系統(tǒng)

中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)具有發(fā)生單相接地故障時(shí)仍可在短時(shí)間內(nèi)繼續(xù)供電的優(yōu)點(diǎn)，但當(dāng)接地電流較大時(shí)，將產(chǎn)生間歇性電弧而引起弧光接地過電壓，甚至發(fā)展成多相短路，造成嚴(yán)重事故。為了克服這一缺點(diǎn)，可采用中性點(diǎn)經(jīng)消弧線圈接地(也稱中性點(diǎn)諧振接地)的方式。消弧線圈實(shí)際上是一個(gè)鐵芯可調(diào)的電感線圈，安裝在變壓器或發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)與大地之間，如圖1-4所示。圖1-4中性點(diǎn)經(jīng)消弧圈接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時(shí)的電路圖和相量圖

選擇消弧線圈時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮電力網(wǎng)的發(fā)展規(guī)劃，通常按式(1-7)進(jìn)行估算：

式中，Sar為消弧線圈的容量(kV·A)；IC

為電網(wǎng)的接地電容電流(A)；UN為電網(wǎng)的額定電壓(kV)。

3.中性點(diǎn)直接接地(或經(jīng)低電阻接地)的電力系統(tǒng)

中性點(diǎn)直接接地的電力系統(tǒng)示意圖如圖1-5所示。圖1-5中性點(diǎn)直接接地的電力系統(tǒng)示意圖

第四節(jié)

電力系統(tǒng)的接線方式和電壓等級(jí)

一、

接線方式電力系統(tǒng)接線圖是電力系統(tǒng)整體性質(zhì)的圖形表示，分為地理接線圖和電氣接線圖。

(1)地理接線圖。電力系統(tǒng)的地理接線圖主要顯示該系統(tǒng)中發(fā)電廠、變電站的地理位置，電力線路的路徑，以及它們相互間的連接。因此，由地理接線圖可獲得對(duì)該系統(tǒng)的宏觀印象。但由于地理接線圖上難以表示各主要電機(jī)、電器間的聯(lián)系，對(duì)該系統(tǒng)的進(jìn)一步了解，還需閱讀其電氣接線圖。

(2)電氣接線圖。電力系統(tǒng)的電氣接線圖主要顯示該系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、斷路器、電力線路等主要電機(jī)、電器、線路之間的電氣接線。因此，由電氣接線圖可獲得對(duì)該系統(tǒng)更細(xì)致的了解。但由于電氣接線圖上難以反映各發(fā)電廠、變電站、電力線路的相對(duì)位置，閱讀電氣接線圖時(shí)，又常需參閱地理接線圖。圖1-1中，表示發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、電力線路相互連接的部分實(shí)際上就是一種簡化的電氣接線圖。

現(xiàn)實(shí)生活中的電力系統(tǒng)接線往往十分復(fù)雜，但仔細(xì)分析又可發(fā)現(xiàn)，盡管電力系統(tǒng)十分復(fù)雜，但基本可以看作是若干簡單系統(tǒng)的復(fù)合。尤其是電力系統(tǒng)中的500kV或330kV網(wǎng)絡(luò)，由于它們本身接線簡潔，更易于分解。分解所得的簡單系統(tǒng)，大致可分為無備用接線或有備用接線兩類。無備用接線方式包括單回路放射式、干線式和鏈?zhǔn)骄W(wǎng)絡(luò)，如圖1-6所示。有備用接線方式包括雙回路放射式、干線式、鏈?zhǔn)健h(huán)式和兩端供電網(wǎng)絡(luò)，如圖1-7所示。圖1-6無備用接線方式圖1-7有備用接線方式

二、

電壓等級(jí)

1.額定電壓

電力系統(tǒng)的額定電壓等級(jí)，是根據(jù)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展需要和電力工業(yè)的發(fā)展水平，經(jīng)全面的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析后，由國家制定頒布的。發(fā)電機(jī)、變壓器以及各種用電設(shè)備在額定電壓運(yùn)行時(shí)，將獲得最佳技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。我國公布的三相交流系統(tǒng)的額定電壓見表1-1。

1)用電設(shè)備的額定電壓

由于通過線路輸送電能時(shí)，在變壓器和線路等元件上將產(chǎn)生電壓損失，從而使線路上的電壓處處不相等，其電壓分布往往是始端高于末端，但成批生產(chǎn)的用電設(shè)備不可能按設(shè)備使用處線路的實(shí)際電壓來制造，而只能按線路始端與末端的平均電壓即電網(wǎng)的額定電壓來制造。因此，規(guī)定用電設(shè)備的額定電壓與同級(jí)電網(wǎng)的額定電壓相同。

2)發(fā)電機(jī)的額定電壓

由于用電設(shè)備允許的電壓偏差一般為±5%，即線路允許的電壓損失為10%，因此，應(yīng)使線路始端電壓比額定電壓高5%，而末端電壓比額定電壓低5%。由于發(fā)電機(jī)多接于線路始端，因此其額定電壓應(yīng)比同級(jí)電網(wǎng)額定電壓高5%。

3)變壓器的額定電壓

變壓器的一次繞組相當(dāng)于用電設(shè)備，其額定電壓應(yīng)等于電網(wǎng)的額定電壓；對(duì)于直接與發(fā)電機(jī)連接的升壓變壓器，其額定電壓應(yīng)等于發(fā)電機(jī)的額定電壓。

變壓器二次繞組的額定電壓是指在變壓器一次繞組加額定電壓，而二次繞組開路時(shí)的電壓，即空載電壓。而變壓器在滿載運(yùn)行時(shí)，二次繞組內(nèi)約有5%的阻抗壓降。又因變壓器的二次繞組對(duì)于用電設(shè)備而言相當(dāng)于電源，因此其額定電壓有以下兩種情況：

(1)當(dāng)變壓器二次側(cè)供電線路較長時(shí)(例如為高壓輸配電線路)，除了考慮補(bǔ)償二次繞組滿載時(shí)內(nèi)部5%的阻抗壓降外，還應(yīng)考慮補(bǔ)償線路上5%的電壓損失，因此，變壓器二次繞組的額定電壓應(yīng)比同級(jí)電網(wǎng)額定電壓高10%。

(2)當(dāng)變壓器二次側(cè)供電線路較短(例如直接供電給附近的高壓用電設(shè)備或者為低壓線路)時(shí)，只需考慮補(bǔ)償二次繞組滿載時(shí)內(nèi)部5%的阻抗壓降，因此，變壓器二次繞組的額定電壓應(yīng)比同級(jí)電網(wǎng)額定電壓高5%。

2.電壓等級(jí)的選擇

在規(guī)劃設(shè)計(jì)中，電壓等級(jí)的選擇是關(guān)系到電力系統(tǒng)的網(wǎng)架結(jié)構(gòu)、建設(shè)費(fèi)用的高低、運(yùn)行是否方便靈活及設(shè)備制造是否經(jīng)濟(jì)合理的一個(gè)綜合問題。

根據(jù)設(shè)計(jì)和運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，電力網(wǎng)的額定電壓、傳輸功率和傳輸距離之間的關(guān)系見表1-2所示。第二章電力系統(tǒng)各元件的參數(shù)及數(shù)學(xué)模型第一節(jié)三相電力線路第二節(jié)電力變壓器第三節(jié)發(fā)電機(jī)第四節(jié)調(diào)相機(jī)及無功功率補(bǔ)償設(shè)備第五節(jié)電力系統(tǒng)負(fù)荷第六節(jié)多級(jí)電壓電力系統(tǒng)

電力系統(tǒng)以三相交流系統(tǒng)為主體，在研究電力系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)必須建立各種元件的數(shù)學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上建立整個(gè)電力系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后再進(jìn)行電力系統(tǒng)的分析和計(jì)算。三相電力系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)可分為穩(wěn)態(tài)和暫態(tài)兩種，并有三相對(duì)稱運(yùn)行和不對(duì)稱運(yùn)行的區(qū)別。電力系統(tǒng)處于穩(wěn)態(tài)時(shí)，其運(yùn)行參數(shù)并不是常量，而是持續(xù)地在某一平均值附近變化的量，因變化很小可認(rèn)為是常量。

第一節(jié)

三相電力線路

一、

三相電力線路的基本結(jié)構(gòu)

1.架空線路架空線路主要由導(dǎo)線、避雷線(又稱架空地線)、桿塔、絕緣子和金具等部分組成，如圖2-1所示。金具是用來固定、懸掛、連接和保護(hù)架空線路各主要元件的金屬器件的總稱。圖2-1架空線

由于多股導(dǎo)線優(yōu)于單股導(dǎo)線，因而架空線路一般采用絞合的多股導(dǎo)線。多股導(dǎo)線的型號(hào)為J，其結(jié)構(gòu)如圖2-2所示。由圖可見，每股芯線的截面積相同時(shí)，多股導(dǎo)線的股數(shù)是這樣安排的：除中心一股芯線外，由內(nèi)向外數(shù)，第一層6股，第二層12股，第三層18股，其余類推。圖2-2-多股導(dǎo)線

擴(kuò)徑導(dǎo)線是人為地?cái)U(kuò)大導(dǎo)線直徑但又不增大載流部分截面積的導(dǎo)線。例如，擴(kuò)徑導(dǎo)線K-272鋁線部分截面積為300.8mm2，相當(dāng)于LGJQ-300；直徑為27.44m，又相當(dāng)于LGJQ-400，這種導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。它和普通鋼芯鋁絞線的不同在于支撐層并不為鋁線所填滿，僅有6股，而這6股主要起支撐作用。圖2-3擴(kuò)徑導(dǎo)線(K-272)

分裂導(dǎo)線又稱復(fù)導(dǎo)線，就是將每相導(dǎo)線分成若干根，相互間保持一定距離，如圖2-4所示。這種分裂可使導(dǎo)線周圍的電、磁場發(fā)生變化，減少電暈和線路電抗，但與此同時(shí)，線路電容也將增大。我國220kV大多采用二分裂的導(dǎo)線，500kV普遍采用四分裂，750kV采用六分裂，而1000kV則采用八分裂。圖2-4分裂導(dǎo)線

架空線路的換位是為了減少三相參數(shù)的不平衡。例如，長度為50~250km的220kV架空線路，有一次整換位循環(huán)。和不換位的相比，由于三相參數(shù)不平衡而引起的不對(duì)稱電流，前者僅為后者的1/10。所謂整換位循環(huán)，是指在一定長度內(nèi)使三相導(dǎo)線的每1/3長度分別處于三個(gè)不同位置，完成一次完整的循環(huán)，如圖2-5所示。按規(guī)定，長于200km的線路應(yīng)進(jìn)行換位。圖2-5一次整換位循環(huán)

2.電纜線路

電纜是將導(dǎo)電芯線用絕緣層及防護(hù)層包裹，敷設(shè)于地下、水中、溝槽等處的電力線路。電纜線路的造價(jià)較架空線路高，電壓愈高，二者差別愈大，且檢修電纜線路費(fèi)工費(fèi)時(shí)。但電纜線路有其優(yōu)點(diǎn)，如不需在地面上架設(shè)桿塔，占用土地面積少；供電可靠，極少受外力破壞；對(duì)人身較安全，等等。因此，在大城市、發(fā)電廠和變電所內(nèi)部或附近以及穿過江河、海峽時(shí)，往往采用電纜線路。

電纜的構(gòu)造一般包括三部分，即導(dǎo)體、絕緣層和保護(hù)層，如圖2-6所示。圖2-6常用電纜的構(gòu)造

二、

三相電力線路的參數(shù)

1.電阻

有色金屬導(dǎo)線(含鋁線、鋼芯鋁線和銅線)每單位長度的電阻可引用電路課程中導(dǎo)體的電阻與長度、導(dǎo)體電阻率成正比，與橫截面積成反比的原理計(jì)算：

式中，r為導(dǎo)線單位長度的電阻(Ω/km)；ρ為導(dǎo)線材料的電阻率(Ω·mm2/km)；S

為導(dǎo)線截面積(mm2)。

在電力系統(tǒng)計(jì)算中，導(dǎo)線材料的電阻率采用下列數(shù)值：銅為18.8Ω·mm2/km，鋁為31.5Ω·mm2/km。它們略大于這些材料的直流電阻率，其原因是：

①

通過導(dǎo)線的三相工頻交流電流，由于集膚效應(yīng)和鄰近效應(yīng)，使導(dǎo)線內(nèi)電流分布不均勻，截面積得不到充分利用等原因，交流電阻比直流電阻大；

②

由于多股導(dǎo)線的扭絞，導(dǎo)線實(shí)際長度比導(dǎo)線長度長2%~3%；③

在制造中，導(dǎo)線的實(shí)際截面積比標(biāo)稱截面積略小。

由于用式(2-1)計(jì)算的電阻同導(dǎo)線的直流電阻相差很小，故在實(shí)際應(yīng)用中就用導(dǎo)線的直流電阻替代，導(dǎo)線的直流電阻通?？蓮漠a(chǎn)品目錄或手冊(cè)中查得。但由于產(chǎn)品目錄或手冊(cè)

中查得的是20℃時(shí)的電阻值，而線路的實(shí)際運(yùn)行溫度又往往異于20℃，因此要求較高精度時(shí)，t℃時(shí)的電阻值rt可按式(2-2)計(jì)算：

式中，r20為20℃時(shí)的電阻值(Ω/km)，α為電阻溫度系數(shù)，銅的α=0.00382(1/℃)，鋁的α=0.0036(1/℃)。

2.電抗

電力線路的電抗是由于導(dǎo)線中通過三相對(duì)稱交流電流時(shí)，在導(dǎo)線周圍產(chǎn)生交變磁場而形成的。對(duì)于三相輸電線路，每相線路都存在有自感和互感，當(dāng)三相線路對(duì)稱排列或不對(duì)稱排列經(jīng)完整換位后，與自感和互感相對(duì)應(yīng)的每相導(dǎo)線單位長度的電抗可以按式(2-3)計(jì)算：

1)單導(dǎo)線單位長度電抗

式中，r

為導(dǎo)線的半徑(mm或cm)；μr為導(dǎo)線材料的相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù)，鋁和銅的μr=1；Dm為三相導(dǎo)線幾何均距(mm或cm)，其單位與導(dǎo)線的半徑相同，當(dāng)三相導(dǎo)線相間距離為Dab、Dbc、Dca時(shí)，則幾何均距為圖2-7三相導(dǎo)線排列方式

將f=50Hz，μr=1代入式(2-3)即可得

由上面的計(jì)算公式可見，由于輸電線路單位長度的電抗與幾何均距、導(dǎo)線半徑呈對(duì)數(shù)關(guān)系，故導(dǎo)線在桿塔上的布置及導(dǎo)線截面積的大小對(duì)導(dǎo)線單位長度的電抗x

影響不大，在

工程的近似計(jì)算中一般可取x=0.4Ω/km。

2)分裂導(dǎo)線單位長度電抗

分裂導(dǎo)線每相導(dǎo)線由多根分裂導(dǎo)線組成，各分導(dǎo)線布置在正多邊形的頂點(diǎn)，由于分裂導(dǎo)線改變了導(dǎo)線周圍的磁場分布，因而減小了導(dǎo)線的電抗。分裂導(dǎo)線線路每相單位長度的電抗可用式(2-6)計(jì)算，但式中的r

要用分裂導(dǎo)線的等值半徑req替代，其值為

式中，n

為每相導(dǎo)線的分裂根數(shù)；r為分裂導(dǎo)線中每一根導(dǎo)線的半徑，d1i為分裂導(dǎo)線一相中第1根導(dǎo)線與第i根導(dǎo)線之間的距離，i=2，3，…，n；∏為連乘運(yùn)算的符號(hào)。

當(dāng)分裂導(dǎo)線經(jīng)過完全換位后，其單位長度的電抗計(jì)算公式為

3.電導(dǎo)

架空輸電線路的電導(dǎo)主要與線路電暈損耗以及絕緣子的泄漏電阻有關(guān)。通常前者起主要作用，而后者因線路的絕緣水平較高，往往可以忽略不計(jì)，只有在雨天或嚴(yán)重污染等情況下，泄漏電阻才會(huì)有所增加。所謂電暈現(xiàn)象，就是架空線路帶有高電壓的情況下，當(dāng)導(dǎo)線表面的電場強(qiáng)度超過空氣的擊穿強(qiáng)度時(shí)，導(dǎo)體附近的空氣游離而產(chǎn)生局部放電的現(xiàn)象?？諝庠谟坞x放電時(shí)會(huì)產(chǎn)生藍(lán)紫色的熒光、放電的“吱吱聲”以及電化學(xué)產(chǎn)生的臭氧(O3)氣味，這些現(xiàn)象要消耗有功電能，就稱為電暈損耗。

電暈產(chǎn)生的條件與導(dǎo)線上施加的電壓大小、導(dǎo)線的結(jié)構(gòu)及導(dǎo)線周圍的空氣情況有關(guān)，線路開始出現(xiàn)電暈的電壓稱為臨界電壓Ucr。當(dāng)三相導(dǎo)線為三角形排列時(shí)，電暈臨界相電壓的經(jīng)驗(yàn)公式為

式中，n

為分裂導(dǎo)線的根數(shù)；r

為導(dǎo)線的半徑(cm)；m1為考慮導(dǎo)線表面情況的系數(shù)，對(duì)于多股絞線m1=0.83~0.87；m2為考慮氣象狀況的系數(shù)，對(duì)于干燥和晴朗的天氣

m2=1，有雨雪霧等的惡劣天氣m2=0.8~1；req為導(dǎo)線的等值半徑；Dm為幾何均距；δ為空氣的相對(duì)密度，正常工作情況下，一般取δ=1，Km

為分裂導(dǎo)線表面的最大電場強(qiáng)度，即導(dǎo)線按正多角形排列時(shí)多角形頂點(diǎn)的電場強(qiáng)度與平均電場強(qiáng)度的比值：

當(dāng)實(shí)際運(yùn)行電壓過高或氣象條件變壞時(shí)，運(yùn)行電壓將超過臨界電壓而產(chǎn)生電暈。運(yùn)行電壓超過臨界電壓愈多，電暈損耗也愈大。如果三相電路每公里的電暈損耗為ΔPg，則每

相等值電導(dǎo)為

式中，ΔPg的單位為MW/km；Ul為線電壓，單位為kV。

4.電納

在輸電線路中，導(dǎo)線之間和導(dǎo)線對(duì)地都存在電容，當(dāng)三相交流電源加在線路上時(shí)，隨著電容的充放電便產(chǎn)生了電流，這就是輸電線路的充電電流或空載電流。反映電容效應(yīng)的參數(shù)就是電容。三相對(duì)稱排列或經(jīng)完整循環(huán)換位后輸電線路單位長度電納可按以下公式計(jì)算(推導(dǎo)過程略)：

(1)單導(dǎo)線單位長度電納為

式中，Dm

、r

代表的物理意義分別為三相導(dǎo)線幾何均距、導(dǎo)線的半徑。顯然由于電納與幾何均距、導(dǎo)線半徑也有對(duì)數(shù)關(guān)系，因此架空線路的電納變化也不大，其值一般在2.85×10-6S/km左右。

(2)分裂導(dǎo)線單位長度電納為

式中，req為分裂導(dǎo)線的等值半徑，Dm為三相導(dǎo)線幾何均距(mm或cm)，其單位與導(dǎo)線的半徑相同。當(dāng)每相分裂導(dǎo)線根數(shù)分別為2、3、4根時(shí)，每公里電納約分別為3.4×10-6S/km、3.8×10-6S/km、4.1×10-6S/km。采用分裂導(dǎo)線可改變導(dǎo)線周圍的電場分布，等效于增大了導(dǎo)線半徑，從而增大了每相導(dǎo)線的電納。

例2.1330kV線路如圖2-8所示，導(dǎo)線結(jié)構(gòu)有如下三種方案：

(1)使用LGJ630/45導(dǎo)線，鋁線部分截面積為623.45mm2，直徑為33.6mm。

(2)使用2×LGJ300/50分裂導(dǎo)線，每根導(dǎo)線鋁線部分截面積為299.54mm2，直徑為24.26mm，分裂間距為400mm。

(3)使用2×LGJK300分裂導(dǎo)線，每根導(dǎo)線鋁線部分截面積為300.8mm2，直徑為27.44mm，分裂間距為400mm。

三種方案中，導(dǎo)線都水平排列，相間間距為8m。試求這三種導(dǎo)線結(jié)構(gòu)的線路單位長度的電阻、電抗、電納和電暈臨界電壓。圖2-8導(dǎo)線結(jié)構(gòu)方案(尺寸與實(shí)物同)

解：(1)線路電阻。

(2)線路電抗。

(3)線路電納。

(4)電暈臨界電壓。

三、

電力線路的數(shù)學(xué)模型

電力線路正常運(yùn)行時(shí)，三相電壓和電流可認(rèn)為都是完全對(duì)稱的，在這種條件下，每一單位長度的線路，各相都可以用等值阻Z1=r1+jx1

和等值對(duì)地導(dǎo)納Y1=g1+jb1

來表示。在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析中，電力線路數(shù)學(xué)模型是以電阻、電抗、電納、電導(dǎo)表示的等值電路，如圖2-9所示。圖2-9電力線路的單相等值電路

1.穩(wěn)態(tài)方程

電力線路是參數(shù)均勻分布的傳輸線，線路任一處無限小長度dx

都有阻抗Z1dx

和并聯(lián)導(dǎo)納Y1dx，如圖2-10所示。圖2-10分布參數(shù)線路

上兩式分別對(duì)x

求導(dǎo)數(shù)，則得

圖2-11線路沿線電壓變化情況

2.一般線路的等值電路

所謂一般線路，是指中等及中等以下長度的線路。架空線路長度大約為300km，電纜線路長度大約為100km。線路長度不超過這些數(shù)值時(shí)，可不考慮它們的分布參數(shù)特性，而只需將線路參數(shù)簡單地集中起來表示。

在以下的討論中，以R(Ω)、X(Ω)、G(S)、B(S)分別表示全線路每相的總電阻、電抗、電導(dǎo)、電納。顯然，線路長度為l(km)時(shí)，有

通常，對(duì)于線路導(dǎo)線截面積的選擇，如前所述，以晴朗天氣不發(fā)生電暈為前提，而沿絕緣子的泄露又很小，可設(shè)G=0。

一般線路中，又有短線路和中等長度線路之分。

所謂短線路，是指長度不超過100km的架空線路。線

路電壓不高時(shí)，電納B的影響一般不大，可略去?？梢姡@種線路的等值電路最簡單，只有一個(gè)串聯(lián)的總阻抗Z=R+jX，如圖2-12所示。圖2-12-短線路的等值電路

所謂中等長度線路，是指長度在100~300km之間的架空線路和不超過100km的電纜線路。這種線路的電納B一般不能略去。中等長度線路的等值電路有Π形等值電路和T形等值電路，如圖2-13(a)、(b)所示。其中，常用的是Π形等值電路。

在Π形等值電路中，除串聯(lián)的線路總阻抗Z=R+jX

外，還將線路的總導(dǎo)納Y=jB

分為兩半，分別并聯(lián)在線路的始末端。在

T

形等值電路中，線路的總導(dǎo)納集中在中間，而線路的總阻抗則分為兩半，分別串聯(lián)在它的兩側(cè)。因此，這兩種電路都是近似的等值電路，而且相互之間并不等值，即它們不能用△

Y

變換公式相互變換。圖2-13中等長度線路的等值電路

將式(2-24)與式(2-26)相比較，可得這種等值電路的通用常數(shù)為

相似地，可得圖2-13(b)所示等值電路的通用常數(shù)為

圖2-14長線路———均勻分布參數(shù)電路

分別以式(2-30)、式(2-29)代入上兩式，又可得

式(2-33)的解為

將其微分后代入式(2-29)，又可得

考慮到雙曲函數(shù)有如下定義：

運(yùn)用上式，可在已知末端電壓、電流時(shí)，計(jì)算沿線路任意點(diǎn)的電壓、電流。如以x=l代入，則可得

由上式又可見，這種長線路的兩端口網(wǎng)絡(luò)通用常數(shù)分別為

于是又可知，如只要求計(jì)算線路始末端電壓、電流、功率，仍可運(yùn)用類似圖2-13所示的Π形或T形等值電路。設(shè)長線路的等值電路如圖2-15所示。圖中，分別以Z'、Y'表示它們的集中參數(shù)阻抗、導(dǎo)納，以與圖2-13相區(qū)別。按圖2-15(a)，套用由圖2-13(a)導(dǎo)出的式(2-27)，并計(jì)及式(2-41)，可得它的通用常數(shù)為

由此可解得

相似地，對(duì)圖2-15(b)，可解得圖2-15長線路的等值電路

對(duì)不十分長的電力線路，這些級(jí)數(shù)收斂很快，從而可只取它們的前兩三項(xiàng)代入式(2-44)。代入后，經(jīng)不太復(fù)雜的運(yùn)算，可得

由式(2-46)可見，如將長線路的總電阻、電抗、電納分別乘以適當(dāng)?shù)男拚禂?shù)，就可繪制其簡化∏形等值電路，如圖2-16所示。這些修正系數(shù)分別為圖2-16長線路的簡化等值電路

附帶指出，雙曲函數(shù)除展開為級(jí)數(shù)外，還可展開為如下的形式：

或

這些展開式也常用。

例2.2-設(shè)500kV線路有如下導(dǎo)線結(jié)構(gòu)：使用4×LGJ300/50分裂導(dǎo)線，直徑為24.26mm，分裂間距為450mm。三相水平排列，相間距離為13m。設(shè)線路長600km，試作下列情況下該線路的等值電路：

(1)不考慮線路的分布參數(shù)特性；

(2)近似考慮線路的分布參數(shù)特性；

(3)精確考慮線路的分布參數(shù)特性。

解：先計(jì)算該線路單位長度電阻、電抗、電導(dǎo)、電納。

于是

(1)不考慮線路的分布參數(shù)特性時(shí)：

按此可作等值電路，如圖2-17(a)所示。

(2)近似考慮線路的分布參數(shù)特性時(shí)：

于是

按此可作等值電路，如圖2-17(b)所示。

(3)精確考慮線路的分布參數(shù)特征時(shí)：圖2-17電力線路的等值電路

第二節(jié)

電

力

變

壓

器一、

電力變壓器的分類及結(jié)構(gòu)

1.分類按相數(shù)分，電力變壓器可分為單相式和三相式?，F(xiàn)今生產(chǎn)的電力變壓器大多是三相的，但特大型變壓器鑒于運(yùn)輸上的考慮先制成單相的，安裝好后再連接成三相變壓器組。按每相線圈數(shù)分，電力變壓器可分為雙繞組和三繞組變壓器。前者聯(lián)絡(luò)兩個(gè)電壓等級(jí)，后者聯(lián)絡(luò)三個(gè)電壓等級(jí)。三繞組變壓器中三個(gè)繞組的容量可以不同，以最大的一個(gè)繞組的容量作為變壓器的額定容量。

按線圈耦合的方式分，電力變壓器可分為普通變壓器和自耦變壓器。電力系統(tǒng)中的自耦變壓器一般設(shè)置有補(bǔ)償繞組。它是一個(gè)低壓繞組。高壓、中壓繞組之間存在自耦聯(lián)系，而低壓繞組與高、中壓繞組之間只有磁的耦合。自耦變壓器的損耗小、重量輕、成本低，但其漏抗較小，使短流電流增大。此外，由于高、中壓繞組在電路上相通，為了過電壓保護(hù)，自耦變壓器的中性點(diǎn)必須直接接地。

2.結(jié)構(gòu)

變壓器主要由鐵芯與繞組兩大部分組成。為了減小交變磁通在鐵芯中引起的渦流損耗，變壓器的鐵芯一般用厚度為0.35~0.5mm的硅鋼片疊裝而成；并且，硅鋼片兩面涂有絕緣漆，作為片間絕緣。變壓器的繞組由原繞組(初級(jí))和副繞組(次級(jí))組成，原繞組接輸入電壓，副繞組接負(fù)載。原繞組只有一個(gè)，副繞組為一個(gè)或多個(gè)，并且原、副繞組套在一起。

雙繞組變壓器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2-18所示。圖2-18雙繞組變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

二、

雙繞組變壓器等值電路

在電機(jī)學(xué)課程中，已詳細(xì)推導(dǎo)出正常運(yùn)行時(shí)三相變壓器的單相等值電路類似于T形，如圖2-19(a)所示。圖2-19雙繞組變壓器單相等值電路

1.短路試驗(yàn)與繞組的電阻和漏抗

變壓器的短路試驗(yàn)是將一側(cè)(例如2側(cè))三相短接，在另一側(cè)(1側(cè))加上可調(diào)節(jié)的三相對(duì)稱電壓，逐漸增加電壓使電流達(dá)到額定值I1N(2側(cè)為I2N)。這時(shí)測出三相變壓器消耗的總有功功率稱為短路損耗功率Pk，同時(shí)測得1側(cè)所加的線電壓值U1k，稱為短路電壓。通常用額定電壓的百分?jǐn)?shù)表示：

2.空載試驗(yàn)和勵(lì)磁導(dǎo)納

變壓器空載試驗(yàn)是將一側(cè)(例如2側(cè))三相開路，另一側(cè)(1側(cè))加上線電壓為額定值U1N的三相對(duì)稱電壓，測出三相有功空載損耗P0

和空載電流I10，即勵(lì)磁電流Im

?？蛰d電流常用百分?jǐn)?shù)表示：I0%=(I10/I1N)×100。

例2.3一臺(tái)242/13.8kV、容量80MVA的三相雙繞組降壓變壓器，短路電壓Uk%=13，短路損耗Pk=430kW，空載電流I0%=2，空載損耗P0=78kW。試畫出單相等值電路并求歸算到低壓側(cè)的阻抗和并聯(lián)導(dǎo)納。圖2-20例2.3變壓器的等值電路圖

三、

三繞組變壓器等值電路

正常運(yùn)行時(shí)三繞組變壓器的單相等值電路如圖2-21(a)所示。

圖2-21(b)將勵(lì)磁并聯(lián)支路移到端部，是電力系統(tǒng)分析中常采用的等值電路。

圖2-21中勵(lì)磁并聯(lián)支路的導(dǎo)納Ym

用空載損耗

P0

和空載電流I0%計(jì)算，與雙繞組變壓器相同。圖2-21三繞組變壓器單相等值電路

(2)容量比為100/100/50。與第(1)類不同之處在于，低壓繞組的導(dǎo)線截面面積減小一半，額定電流值也相應(yīng)減小，所以低壓繞組的額定容量為變壓器額定容量的50%。此類變壓器的價(jià)格較低，適用于低壓繞組負(fù)載小于高、中壓繞組負(fù)載的場合。

(3)容量比為100/50/100，即中壓繞組的額定容量為50%。

我國制造的降壓型三繞組變壓器只有第(2)、(3)兩類，升壓型變壓器則三類都有。

先討論容量比為100/100/100變壓器的短路試驗(yàn)。共進(jìn)行三次額定電流短路試驗(yàn)：

①3側(cè)開路，1、2側(cè)短路試驗(yàn)，測得短路損耗

Pk(1-2)和短路電壓Uk(1-2)%，等值電路見圖2-22(a)；

②2側(cè)開路，1、3側(cè)短路試驗(yàn)(見圖2-22(b))，測得短路損耗Pk(1-3)和短路電壓Uk(1-3)%；

③1側(cè)開路，2、3側(cè)短路試驗(yàn)(見圖2-22(c))，測得短路損耗Pk(2-3)和短路電壓Uk(2-3)%。圖2-22-三繞組變壓器短路試驗(yàn)等值電路

設(shè)Pk1、Pk2和Pk3分別為三側(cè)繞組額定電流下的電阻功率損耗，則有

由上面三式可解得

參照式(2-51)，可得三側(cè)繞組的電阻：

設(shè)Uk1%、Uk2%和Uk3%為短路試驗(yàn)時(shí)各側(cè)繞組的短路電壓百分?jǐn)?shù)值，則有

解得

參照式(2-53)，可得各側(cè)繞組的等值漏抗：

還有，產(chǎn)品手冊(cè)中有的只提供一個(gè)短路損耗數(shù)值，稱為最大短路損耗Pkmax，它指的是兩個(gè)100%容量繞組的短路損耗值。所以根據(jù)

Pkmax只能求得兩個(gè)100%繞組的電阻之和，而這兩個(gè)繞組的電阻以及另一個(gè)繞組的電阻就只能估算了。假設(shè)各繞組導(dǎo)線的截面積是按同一電流密度選擇的，各繞組每一匝的長度相等，則不難證明，歸算到同一側(cè)時(shí)，容量相同繞組的電阻相等，容量為50%的繞組電阻比容量為100%的繞組大一倍。按此原則可估算得

例2.4一臺(tái)220/121/10.5kV、120MVA、容量比為100/100/50的Y0/Y0/△三相三繞組變壓器(降壓型)，I0%=0.9，P0=123.1kW，短路損耗和短路電壓如表2-2所示。

試計(jì)算勵(lì)磁支路的導(dǎo)納、各繞組電阻和等值漏抗。各參數(shù)歸算到中壓側(cè)。

(3)各繞組等值漏抗：

四、

自耦變壓器及其等值電路

自耦變壓器高壓繞組與低壓繞組之間除了有磁的耦合之外，還存在電的聯(lián)系。三相自耦變壓器只能用Y0/Y0-12接法，現(xiàn)取其一相進(jìn)行分析。

圖2-23為自耦變壓器的原理圖，其中高低壓公用的繞組(2~0間)稱為公共繞組，匝數(shù)為ωc；端子1~2之間的繞組稱為串聯(lián)繞組，匝數(shù)為ωs；兩個(gè)繞組繞在同一鐵芯柱上，它們的同名端已標(biāo)在圖上。圖2-23自耦變壓器原理

空載運(yùn)行時(shí)，1側(cè)加額定電壓U1N，2側(cè)電壓U2N稱為低壓側(cè)額定電壓，可見變比為

自耦變壓器帶負(fù)載運(yùn)行時(shí)，公共繞組的電流為

自耦變壓器的等值電路與雙繞組變壓器相同，它的參數(shù)也由空載和短路試驗(yàn)的數(shù)據(jù)決定，但計(jì)算時(shí)要用額定容量，而不是標(biāo)準(zhǔn)容量。需要說明的是，自耦變壓器繞組的電阻和漏抗都比同容量的雙繞組變壓器小，比較兩者的短路試驗(yàn)回路就不難理解這一特點(diǎn)。圖2-24(a)為自耦變壓器的短路試驗(yàn)回路。圖2-24(b)是它的等值回路，與變比為ωc/ωs

的雙繞組變壓器的短路試驗(yàn)回路相同。設(shè)短路電壓為UkA，短路損耗為PkA。圖2-24(c)為同容量雙繞組變壓器的短路試驗(yàn)回路，設(shè)短路電壓為Uk，短路損耗為Pk。圖2-24自耦變壓器與雙繞組變壓器短路試驗(yàn)回路

如果兩種變壓器的漏磁系數(shù)相同(單位匝數(shù)所對(duì)應(yīng)的漏抗相同)，顯然有

UkA歸算到以U1N為基準(zhǔn)時(shí)，則

這表明UkA%=KbUk%，即UkA%較小。

三相自耦變壓器通常還加有磁耦合的第三繞組，如圖2-25所示。圖2-25有第三繞組的三相自耦變壓器

最后，有必要討論三繞組自耦變壓器運(yùn)行的一個(gè)特殊問題：公共繞組過載問題。這種變壓器在某些運(yùn)行方式下，高壓和中壓側(cè)的負(fù)載(視在功率)都沒有超過額定容量SN，低壓繞組也沒有超過它的額定容量S3N，但公共繞組的視在功率卻有可能超過它的額定容量Sst即

KbSN?，F(xiàn)按圖2-26的單相圖進(jìn)行討論。圖2-26自耦變壓器單相原理圖

高壓側(cè)的三相復(fù)功率為

可得

中壓側(cè)的三相復(fù)功率為

現(xiàn)在討論兩種典型的運(yùn)行方式：

(1)高壓側(cè)和低壓側(cè)同時(shí)向中壓側(cè)送有功和滯后無功功率，或中壓側(cè)同時(shí)向高壓和低壓側(cè)送有功和滯后無功功率。根據(jù)圖2-26的參考方向，這類運(yùn)行方式P1

和P3

及Q1

和Q3

同為正值或負(fù)值，由式(2-84)可見，有可能出現(xiàn)Scom>KbSN，即公共繞組過載，這是不允許的。在運(yùn)行和設(shè)計(jì)中選擇變壓器時(shí)，都要注意這種情況。

(2)高壓側(cè)同時(shí)向中壓和低壓側(cè)送有功和滯后無功功率，或中、低壓側(cè)同時(shí)向高壓側(cè)送有功和滯后無功功率。這類運(yùn)行方式的P1

和P3及Q1

和Q3

總是一正一負(fù)的，由式(2-84)可知，公共繞組是不會(huì)過載的。

例2.5

一臺(tái)三相三繞組降壓型自耦變壓器的額定值為242/121/10.5kV/120MVA，容量比為100/100/50；空載電流I0%=0.5，空載損耗

P0=90kW；短路損耗：Pk(1-2)=430kW，P'k(1-3)=228.8kW，P'k(2-3)=280.3kW(未

歸

算)；短路電壓：Uk(1-2)%=12.8，Uk(1-3)%=11.8，Uk(2-1)%=17.58(已歸算)。試求：

(1)等值電路及各參數(shù)(歸算到中壓側(cè))；

(2)變壓器某一運(yùn)行方式，高壓側(cè)向中壓側(cè)輸送功率P1+jQ1=108+j15.4(MVA)，低壓側(cè)向中壓側(cè)輸送功

率

P3+jQ3=-6+j42.3(MVA)，中

壓

側(cè)

輸

出

功

率

P2-+jQ2=101.8+j40.2(MVA)。試檢查變壓器是否過載。

解：該變壓器額定容量SN=120MVA，低壓繞組額定容量S3N=0.5SN=60MVA，自耦部分變比k12=242/121=2，效益系數(shù)

Kb=1-1/2=0.5，公共繞組額定容量Sst=0.5×120=60(MVA)。

(1)等值電路。

磁并聯(lián)支路導(dǎo)納：

短路損耗歸算：

各繞組電阻：

各繞組等值漏抗：

等值電路如圖2-27所示。圖2-27例2.5的等值電路

與例2.4同電壓等級(jí)、同容量的三繞組變壓器相比：自耦變壓器自耦部分電阻R1+R2=0.437Ω，X1+X2=15.61Ω；例2.4的三繞組變壓器

R1+R2-=0.671Ω，漏抗

X1+X2-=30.14Ω。可見自耦變壓器電阻和漏抗分別減小了34.9%和48.2%。

(2)負(fù)載檢查。

第三節(jié)

發(fā)

電

機(jī)

一、

發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)同步發(fā)電機(jī)主要由定子(電樞)和轉(zhuǎn)子兩大部分構(gòu)成。定子也叫電樞，主要包括導(dǎo)磁的鐵芯和導(dǎo)電的電樞繞組。轉(zhuǎn)子有凸極式和隱極式兩種。凸極式轉(zhuǎn)子磁極是明顯凸出的，這種結(jié)構(gòu)機(jī)械強(qiáng)度較差，只用于低速電機(jī)中；隱極式轉(zhuǎn)子呈圓柱形，圓周長的2/3范圍內(nèi)沖有槽，槽內(nèi)嵌放激磁繞組，這種結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)子機(jī)械強(qiáng)度好，常用于高速電機(jī)中。如圖2-28所示是三相同步發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)。圖2-27例2.5的等值電路

由于轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)時(shí)，各相繞組所交鏈的磁通按正弦規(guī)律變化，因此各相繞組中的感應(yīng)電勢對(duì)時(shí)間而言，也必然依正弦規(guī)律變化。各相繞組的幾何形狀、尺寸和匝數(shù)既然完全相同，又以同一速度切割轉(zhuǎn)子磁極的磁力線，因此各相繞組中的電勢必然是頻率相同而且幅值相等。但由于AX、BY、CZ三相繞組依次切割轉(zhuǎn)子磁力線(亦即它們所交鏈的磁通依次達(dá)到最大值)，因而出現(xiàn)電動(dòng)勢幅值的時(shí)間就有所不同。在一對(duì)磁極的發(fā)電機(jī)中，三相電勢之間的相位差與三相繞組之間的空間角是一致的。

若以A相繞組的電勢作為計(jì)算時(shí)間的起點(diǎn)，則各相繞組中感應(yīng)電勢瞬時(shí)表達(dá)式可寫成

定子感應(yīng)電勢頻率，是由轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和磁極對(duì)數(shù)決定的，一對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電樞繞組中的感應(yīng)電勢也變化一周。按照這個(gè)道理，具有P

對(duì)磁極的轉(zhuǎn)子磁場在空間旋轉(zhuǎn)一周時(shí)，電樞繞組中的感應(yīng)電勢交變P

周。當(dāng)轉(zhuǎn)子每分鐘在空間旋轉(zhuǎn)n

轉(zhuǎn)時(shí)，感應(yīng)電勢每分鐘變化Pn周，而頻率f

是指每秒鐘電勢變化的次數(shù)，于是電樞繞組感應(yīng)電勢的頻率是

或者說，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速n

與電樞繞組電勢頻率f的關(guān)系為

式中，P

為電機(jī)的極對(duì)數(shù)。

二、

發(fā)電機(jī)穩(wěn)態(tài)數(shù)學(xué)模型

同步電機(jī)是一種交流電機(jī)，主要作發(fā)電機(jī)用，也可作電動(dòng)機(jī)用，一般用于功率較大、轉(zhuǎn)速不要求調(diào)節(jié)的生產(chǎn)機(jī)械，例如大型水泵、空壓機(jī)和礦井通風(fēng)機(jī)等。

同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中的電源，它的穩(wěn)態(tài)特性與暫態(tài)行為在電力系統(tǒng)中具有支配地位。雖然在電機(jī)學(xué)中已經(jīng)學(xué)過同步電機(jī)，但那時(shí)側(cè)重于基本電磁關(guān)系，而現(xiàn)在則從系統(tǒng)運(yùn)行的角度審視發(fā)電機(jī)組。

圖2-29同步發(fā)電機(jī)電勢、電壓和電流的向量圖

為了便于繪制相量圖，令d

軸作正實(shí)軸，q

軸作正虛軸，則各相量可表示為

所以

對(duì)于隱極式同步發(fā)電機(jī)(汽輪發(fā)電機(jī))，因氣隙均勻，直軸和交軸同步電抗相等(xd=xq)，故上式變?yōu)?/p>

此即隱極式同步發(fā)電機(jī)的方程，由此可作出它的等值電路和相量圖，如圖2-30所示。圖2-30隱極式同步發(fā)電機(jī)等值電路和相量圖圖2-31凸極式同步發(fā)電機(jī)等值電路和相量圖

2.同步發(fā)電機(jī)的功率特性

定義角ψ

為功率角δ和功率因數(shù)角φ

的和，稱為功率因數(shù)角，則凸極式同步發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率為

其中：

第四節(jié)

調(diào)相機(jī)及無功功率補(bǔ)償設(shè)備

一、

同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī)是電力系統(tǒng)的一種無功功率電源。實(shí)質(zhì)上，它是專用的空載運(yùn)行的大容量同步電動(dòng)機(jī)。同步調(diào)相機(jī)運(yùn)行時(shí)，由電力網(wǎng)供給的有功功率約為其額定容量的1.5%~3%，功率因數(shù)cosφ≈0.015~0.03。

同步調(diào)相機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的數(shù)學(xué)模型與同步發(fā)電機(jī)的相同。現(xiàn)在介紹它的實(shí)用簡化模型。簡化的條件是忽略它所需要的有功功率，認(rèn)為cosφ=0，即電壓和電流的相量正交。因此，它輸出的電流只有縱軸分量，I=Id，Iq

=0；電壓只有橫軸分量，U=Uq，Ud

=0。根據(jù)式(2-93)可得到調(diào)相機(jī)的簡化回路方程：

圖2-32為調(diào)相機(jī)的相量圖，其中圖2-32(a)為過勵(lì)磁(相位滯后)運(yùn)行時(shí)的相量圖，圖2-32(b)為欠勵(lì)磁(進(jìn)相)運(yùn)行時(shí)的相量圖。圖2-32-調(diào)相機(jī)相量圖

調(diào)相機(jī)輸出的無功功率(滯后)為

當(dāng)Eq

和U

用線電勢和線電壓表示時(shí)，Q

為三相無功功率。

根據(jù)式(2-106)可求得調(diào)相機(jī)的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)：

U*=1、xd*=2和Eq

無自動(dòng)控制時(shí)，調(diào)相機(jī)的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)如圖2-33所示?？梢姛o功功率小于0.5SN時(shí)電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)均為負(fù)值；大于0.5SN時(shí)雖為正值但不大。圖2-33調(diào)相機(jī)電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)

一般調(diào)相機(jī)均設(shè)有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器，它根據(jù)電壓的變化自動(dòng)改變勵(lì)磁電流，從而改變輸出的無功功率，保持電壓在給定的范圍內(nèi)。有自動(dòng)電壓調(diào)節(jié)器時(shí)，調(diào)相機(jī)的電壓調(diào)節(jié)效應(yīng)大為改善。

調(diào)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是，它不但能輸出無功功率，還能吸收無功功率，而且具有良好的電壓調(diào)節(jié)特性，對(duì)提高電力系統(tǒng)運(yùn)行性能和穩(wěn)定性都有作用。它的缺點(diǎn)是價(jià)格高，運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜，有功功率消耗較大。

二、

無功功率補(bǔ)償設(shè)備

常用的無功功率補(bǔ)償設(shè)備，除了同步調(diào)相機(jī)外，還有并聯(lián)電容器、并聯(lián)電抗器和靜止補(bǔ)償器等。相對(duì)于旋轉(zhuǎn)機(jī)械的同步調(diào)相機(jī)而言，后三種可稱為靜止的設(shè)備。

1.并聯(lián)電容器

并聯(lián)電容器又稱移相電容器，廣泛地應(yīng)用于改善負(fù)荷的功率因數(shù)，是電力系統(tǒng)中一種重要的無功功率電源。

2.并聯(lián)電抗器

并聯(lián)電抗器用于吸收高壓電力網(wǎng)過剩的無功功率和遠(yuǎn)距離輸電線的參數(shù)補(bǔ)償。

含有超高壓架空線路或(和)高壓電纜的電力網(wǎng)中，在輕負(fù)荷運(yùn)行時(shí)各線路分布電容產(chǎn)生的無功功率大于線路電抗中消耗的無功功率，因此會(huì)出現(xiàn)無功功率過剩的現(xiàn)象。解決無功功率過剩的措施之一，是在適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)接入并聯(lián)電抗器，就近吸收線路的無功功率，防止電力網(wǎng)的電壓過高。

在超高壓遠(yuǎn)距離架空輸電線路中，可用并聯(lián)電抗器和串聯(lián)電容器補(bǔ)償線路的參數(shù)，如圖2-34所示。圖2-34遠(yuǎn)距離輸電線參數(shù)補(bǔ)償

在電力網(wǎng)正常運(yùn)行的計(jì)算中，并聯(lián)電抗器可用接地的阻抗或?qū)Ъ{表示。根據(jù)三相并聯(lián)電抗器的額定容量SN(MVA)、額定線電壓UN(kV)和三相功率損耗ΔP0(MW)，可求得每相導(dǎo)納：

并聯(lián)電抗器上的電壓為U

時(shí)，吸收的無功功率為

3.靜止補(bǔ)償器

1)靜止無功補(bǔ)償器

靜止無功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator，SVC)簡稱靜止補(bǔ)償器，它由靜電電容器和電抗器并聯(lián)組成。電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結(jié)合起來，再配以適當(dāng)?shù)目刂蒲b置，就成為能平滑地改變發(fā)出(或吸收)無功功率的靜止無功補(bǔ)償器。

組成靜止無功補(bǔ)償器的元件主要有飽和電抗器、固定電容器、晶閘管控制電抗器和晶閘管開關(guān)電容器。實(shí)際上應(yīng)用的靜止無功補(bǔ)償器大多是由上述元件組成的混合型靜止補(bǔ)償

器。目前常用的有晶閘管控制電抗器型(TCR型)、晶閘管開關(guān)電容器型(TSC型)和飽和電抗器型(SR型)3種靜止補(bǔ)償器，如圖2-35所示。圖2-35靜止無功補(bǔ)償器類型

2)靜止無功發(fā)生器

20世紀(jì)80年代出現(xiàn)了一種更為先進(jìn)的靜止無功補(bǔ)償設(shè)備——靜止無功發(fā)生器(StaticVarGenerator，SVG)。它的主體部分是一個(gè)電壓型逆變器，如圖2-36所示，其基本原理就是將橋式變流電路通過電抗器或者直接并聯(lián)到電網(wǎng)上，適當(dāng)調(diào)節(jié)橋式電路的交流側(cè)電壓的幅值和相位就可以使該電路吸收或發(fā)出所要求的無功電流，實(shí)現(xiàn)無功補(bǔ)償?shù)哪康?。圖2-36靜止無功發(fā)生器原理圖

與靜止無功補(bǔ)償器相比，靜止無功發(fā)生器具有如下優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度更快，運(yùn)行范圍更寬，諧波電流含量更少，尤其重要的是，當(dāng)電壓較低時(shí)仍然可向系統(tǒng)注入較大的無功電流，它的儲(chǔ)能元件(如電容器)的容量遠(yuǎn)比它所提供的無功容量小。

第五節(jié)

電力系統(tǒng)負(fù)荷

一個(gè)綜合負(fù)荷包含種類繁多的負(fù)荷成分，如照明設(shè)備、大容量異步電動(dòng)機(jī)、同步電動(dòng)機(jī)、電力電子設(shè)備(如整流器)、電熱設(shè)備以及電力網(wǎng)的有功和無功損耗等。不同綜合負(fù)荷包含的各種負(fù)荷成分所占比例也是變化的。所以要建立一個(gè)準(zhǔn)確的綜合負(fù)荷模型是相當(dāng)困難的。綜合負(fù)荷模型可分為動(dòng)態(tài)模型和靜態(tài)模型兩類。

動(dòng)態(tài)模型描述電壓和頻率急劇變化時(shí)，負(fù)荷有功和無功功率隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)特性可表示為

由于負(fù)荷中異步電動(dòng)機(jī)的比例相當(dāng)大，所以負(fù)荷的功率不僅與電壓U、頻率f

有關(guān)，而且與電壓、頻率的變化速度有關(guān)。通常情況下，根據(jù)所研究問題的特點(diǎn)，可用不同的近似數(shù)學(xué)模型表示負(fù)荷。

負(fù)荷的動(dòng)態(tài)模型用于電力系統(tǒng)受到大擾動(dòng)時(shí)的暫態(tài)過程分析。綜合負(fù)荷的靜態(tài)模型描述有功和無功功率穩(wěn)態(tài)值與電壓及頻率的關(guān)系，可表示為

此式稱為負(fù)荷的靜態(tài)特性。

一、

用電壓靜態(tài)特性表示的綜合負(fù)荷模型

在電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)運(yùn)行分析中，一般不考慮頻率變化，某些暫態(tài)過程中頻率變化很小可以忽略不計(jì)，這時(shí)負(fù)荷可以用電壓靜態(tài)特性表示。