电气工程基础知识

电气工程基础

13.1电力系统基本知识

要求：了解电力系统运行特点和基本要求；掌握电能质量的各项指标；了解电力系统中各种结线方式及特点；掌握我国规定的网络额定电压与发电机、变压器等元件的额定电压；了解电力网络中性点运行方式及对应的电压等级。

13.1.1电力系统运行特点和基本要求 1电力系统运行的特点

（1） 电能不能大量存储。因而电能的生产、输送、分配和消费实际上是同

时进行的。任何时刻发电机所发出的功率等于用电设备所消耗的功率与输送和分配环节中功率损耗之和。

（2） 电力系统的暂态过程非常短促。从一种运行状态到另一种运行状态

的过渡极为迅速，以毫秒甚至微秒计。

（3） 与国民经济与人民生活密切相关。供电的突然中断会造成很大的损

失以致严重的后果。

2对电力系统运行的基本要求

（1） 保证安全可靠供电。要最大限度地满足用户用电的要求，对负荷按照

不同级别分别采取适当的技术措施来满足它们对供电可靠性的要求。

（2） 保证电能的质量（电压、频率和谐波）。 （3） 要有良好的经济性（降低网损、降低煤耗等）。

（4） 电能生产要符合环境保护标准，限制二氧化碳、二氧化硫等污染物

的排放量。

13.1.2电能质量各项指标

（1） 电压幅值。对于35kV及以上电压级允许变化范围为额定值的±5％，10kV

及以下电压级允许变化范围为±7％。电动机：±5％；照明：＋3％～－

2.5％; 农电：+7.5%～-10%。

（2）频率。我国电力系统的额定频率为50Hz，正常运行时允许的偏移为±0.2～±0.5Hz。

（3）谐波。为保证电压质量，要求电压为正弦波形，但由于某种原因总会产生

一些谐波，会造成电压波形的畸变。为此对电压正弦波形畸变率也有限制（波形畸变率是指各次谐波有效值平方和的方根对基波有效值的百分比），对于110kV及以上供电电压不超过2％，35－60kV供电电压不超过3％，6－10kV供电电压不超过4％，0.38kV电压不超过5％。

13.1.3电力系统中各种结线方式及特点

电力系统的结线包括发电厂、变电所的主结线和电力网络的结线。发电厂、变电所的主结线一般有单母线、单母线分段、双母线、双母线带旁路母线，桥式、角行等结线方式。电力网的结线通常按可靠性分为无备用和有备用两类。

1．无备用结线——每一个负荷只能靠一条线路取得电能。优点是设备费用小，缺点是可靠性差。无备用结线主要有以下三种方式：

（1）放射式 （2）干线式 （3）树状网络

图13.1－1几种无备用结线

2．有备用结线——负荷可以从两条及以上线路取得电能。优点是可靠性高，缺点是设备费用高。主要有以下三种方式：

（1）双回线 （2）环网 （3）两端供电

图13.1－2几种有备用结线

13.1.4我国电力系统的额定电压

以下所说的额定电压均指额定线电压。

1网络的额定电压

网络的额定电压等于用户设备的额定电压，也等于母线的额定电压，也等于线路的额定电压，也就是我们通常所说的额定电压。具体数值见表13－1的第一列。

2发电机的额定电压

发电机通常运行在比网络额定电压高5％的状态下，所以发电机的额定电压规定比网络额定电压高5％。具体数值见表13－1的第二列。

3变压器的额定电压

根据功率的流向，规定接受功率的一侧为一次绕组，输出功率的一侧为二次

绕组。故双绕组升压变压器，低压绕组为一次绕组，高压绕组为二次绕组；双绕组降压变压器，高压绕组为一次绕组，低压绕组为二次绕组。

（1） 变压器一次绕组相当于用电设备，故其额定电压等于网络的额定电压，但

当直接与发电机连接时，就等于发电机的额定电压。

（2） 变压器二次绕组相当于供电设备，再考虑到变压器内部的电压损耗，故：

a）当变压器的短路电压小于7％或直接与用户连接时，则二次绕组额定电压比网络的高5％。

b）当变压器的短路电压大于等于7％时，则二次绕组额定电压比网络的高10％。

变压器二次绕组的额定电压见表13－1的第四列

表13.1－1我国电力系统的额定电压（单位kV） 变压器额定电压 网络额定电压 发电机额定电压 一次绕组 二次绕组 3 3.15 3及3.15 3.15及3.3 6 6.3 6及6.3 6.3及6.6 10 10.5 10及10.5 10.5及11 13.8 13.8 15.75 15.75 18 18 20 20 35 110 220 330 500 35 110 220 330 500 38.5 121 242 363 550

4我国电力系统的平均额定电压

电力系统的平均额定电压VavN?1.05VN，并适当取整，具体为

3.15，6.3，10.5，37，115，230，345，525kV。

5变压器的分接头及其变比

为了调节电压，变压器的高压绕组以及三绕组变压器的中压绕组一般有不同的分接头抽头，用百分数表示，即表示分接头电压与主抽头电压的差值为主抽头电压的百分之几。变压器的变比有： 额定变比：主抽头额定电压之比。

实际变比：实际所接分接头的额定电压之比。

【例13.1－1】电力系统的部分接线示于例图13.1－1，各电压级的额定电压及功率输送方向已标明在图中。试求：

（1） 发电机及各变压器高、低压绕组的额定电压； （2） 各变压器的额定变比；

（3） 设变压器T－1工作于＋5％抽头，T－2和T－4工作于主抽头，T－3工作

于－2.5％抽头时，各变压器的实际变比。

例图13.1－1

解：（1）G：10.5kV

T－1：低10.5kV，高242 kV

T－2：高220 kV，中121 kV，低38.5 kV T－3：高35 kV，低10.5 kV

T－4：高220 kV，低121 kV

（2）T－1：242/10.5

T－2：220/121, 220/38.5, 121/38.5 T－3：35/10.5 T－4：220/121

（3）T－1：242（1＋0.05）/10.5 T－2与T－4：同（2）

T－3：35（1－0.025）/10.5

6额定电压与输电距离和传输功率的关系

传输功率一定，电压高，电流小；反之电压低，电流大。电压高，绝缘要加

强；电流大，导线截面要大；二者都要投资，需要进行经济技术比较来决定。 电压等级kv 输送容量MW 输送距离KM

3 0.1—1 1—3 6 0.1—1.2 4—15 10 0.2—2 6—20 35 2—15 20—50 110 10—50 50—150 220 100—500 100—300 330 200—800 200—600 500 1000—1500 150—850 750 2000—2500 500—以上

13.1.5电力网络中性点运行方式及对应的电压等级

电力网络中性点是指星形接线的变压器或发电机的中性点。中性点的运行方式或称接地方式可分为两大类：（1）中性点直接接地；（2）中性点不接地或经消弧线圈接地。

1中性点直接接地的电力网络

中性点直接接地的电力网络，其优点：首先安全性好，因为系统单相接地时即为单相短路，保护装置可以立即动作切除故障；其次是经济性好，因中性点直接接地系统在任何情况下，中性点电压不会升高，且不会出现系统单相接地时电弧过电压问题，这样网络绝缘水平可按相电压考虑。其缺点是：供电可靠性差。目前我国110kV及以上电力网络采用中性点直接接地方式。

2中性点不接地的电力网络

中性点不接地的电力网络，其优点是供电可靠性高，因为电力网络发生单相接地时，接地电流只是网络电容电流，比较小，不是单相短路，故接地时保护装置不作用于跳闸，只给出信号，电网可继续运行2小时，故提高了供电可靠性。缺点是经济性差，因不接地网络发生单相接地时，使不接地相对地电压变为了线电压，故系统的绝缘水平应按线电压设计，费用较高。此外，中性点不接地系统发生单相接地时，易出现电弧引起的谐振过电压。为了使电弧容易熄灭，在电容电流较大的35kV或10kV电网，采用中性点经消弧线圈（电感线圈）接地。不接地方式一般用在35kV及以下电网，在电容电流较大的10kV和35kV电网也采用中性点经消弧线圈接地的方式。

13.2电力线路、变压器的参数与等值电路

要求：了解输电线路电阻、电抗、电导和电纳四个参数所表征的物理意义及输电线路的等值电路；了解应用普通双绕组、三绕组变压器空载与短路试验数据计算变压器参数及制定其等值电路；了解电网等值电路中有名值和标幺值参数的简单计算。

13.2.1输电线路的参数计算及其等值电路 13.2.1.1输电线路的参数计算

1电阻（r）

直流电阻： r??s

式中：?为导线的电阻率（??mm2/km）； s为导线载流部分的标称截面积（mm2）

r为电阻（?/km）

对于交流电阻，由于集肤效应以及多股绞线使得导线实际长度大于导线长度等原因致使交流电组要大于直流电组，故在使用上述公式时，导线的电阻率取得略大一些：铜取18.8；铝取31.5。

2电抗（x）

（1） 单导线

x?0.1445lgDeqDs?/km

式中：在数值上Deq?3D12D23D31，其中D12、D23、Deq为三相导线的互几何均距，

D31分别为三导线中心之间的距离。

Ds为导线的自几何均距，在数值上对于非铁磁材料的单股线Ds＝0.779r（r为导线计算半径），对于非铁磁材料的多股线Ds＝（0.724～0.771）r，对于钢芯铝线Ds＝（0.77～0.9）r （2） 分裂导线

x?0.1445lgDeqDsb?/km

式中：Deq为互几何均距Deq?3D12D23D31， 其中D12、D23、D31分别为两相分

裂导线重心间的距离。

Dsb为自几何均距，它与分裂间距及分裂根数有关，

分裂根数为2时，Dsb?Dsd 其中Ds为每根导线的自几何均距，d为

分裂间距；

分裂根数为3时，Dsb?3Dsd2 分裂根数为4时，Dsb?1.094Dsd3

在近似计算时，对于单导线、二分裂、三分裂、四分裂时，每公里的电抗值可分别取为0.4Ω、0.33Ω、0.30Ω、0.28Ω左右。

3电导（g）

g?

?Ps(S/km) VL2式中：?PS为三相线路每公里的电晕损耗（MW/km）； VL为线电压（kV） 一般情况下g≈0 4电纳（b）

b?2?fNC?7.58?10?6S/km Deqlgreq式中：Deq为互几何均距，对于分裂导线为各相分裂导线重心间的几何均距。 req为一相导线组的等值半径 单导线时，req＝r（r为导线半径） 二分裂时，req＝（d为分裂间距） 三分裂时，req?3rd2 四分裂时，req?1.094rd3

在近似计算时，对于单导线、二分裂、三分裂和四分裂导线的电纳每公里大约为2.8×10－6S、3.4×10－6S、3.8×10－6S和4.1×10－6S

【例13.2－1】110kV架空输电线路的导线型号为LGJ－185，导线水平排列，相间距离为4m，求线路参数。

?31.5?/km?0.17?/km 解：线路的电阻 r??s185由手册查得LGJ－185的计算直径为19mm 。 线路的电抗

x?0.1445lg线路的电纳

b?DeqDs?0.1445lg1.26?4000?/km?0.402?/km

0.88?19?0.57.587.58?10?6??10?6S/km?2.78?10?6S/km Deq1.26?4000lglg19?0.5r【例13.2－2】 有一330kV架空输电线路，导线水平排列，相间距离8m，每相采用2×LGJQ-300分裂导线，分裂间距为400mm，试求线路参数。

?31.5?/km?0.053?/km 解：线路电阻 r??s2?300由手册查得LGJQ-300导线的计算半径为23.5mm，分裂导线的自几何均距

Dsb?Dsd?0.9?线路的电抗

23.5?400mm?65.04mm 2x?0.1445lgDeqDsb?0.1445lg1.26?8000?/km?0.316?/km

65.04每相导线组的等值半径req为

req?rd?线路的电纳

23.5?400mm?68.56mm 2b?7.587.58?10?6??10?6S/km?3.5?10?6S/km Deq1.26?8000lglg68.56req

13.2.1.2输电线路等值电路

110kV及以上输电线路的集中参数等值电路一般用П型等值电路，如图

13.2－1所示。

图13.2－1 110kV及以上输电线路等值电路图

图中：Z′为串联阻抗，在数值上Z??ZCshye,其中ZC为波阻抗，y为传播常数，

e (l)为线路长度，Y?为并联导纳，在数值上Y??2?chye?1?。ch和sh为双曲ZCshye函数。由于复数双曲函数的计算很不方便，一般又可简化为（称修正参数计算）

Z??Krrol?jKxxol

Y??jKbbol

式中ro、xo、bo为每公里电阻、电抗和电纳值，l为线路长度。

1Kr?1?xobol2

31?2bo?2?Kx?1??xb?rl ooo??6?xo?1xobol2 12当线路长度小于300公里时，还可进一步简化为（称近似参数计算）

Kb?1?Z??Z1??ro?jx0?l Y??Y?jbol

在稳态计算中，一般使用上式。但当线路长度大于300公里时，也可用几个П型等值电路串级相联表示，只要一个П型等值电路表示的长度小于300公里即可。35kV及以下电压的输电线路，由于线路长度较短，故也可略去并联导纳，只保留串连阻抗即可。

【例13.2－3】330kV架空线路的参数为：ro＝0.0579Ω/km，xo＝0.316Ω/km，

－6

go＝0，3.55×10S/km 。试分别计算长度为100、200、300km线路的П型等

值电路参数的近似值、修正值和精确值。 解：首先计算100km线路的参数。 （一）近似参数计算

Z???ro?jxo?l??0.0579?j0.316??100???5.79?j31.6??

Y???go?jbo?l?0?j3.55?10?6?100S?j3.55?10?4S

??（二）修正参数计算

112kr?1?xobol2?1??0.316?3.55?10?6??100??0.9963

331?1222bo?2?6?6?????kx?1??xb?rl?1?0.316?3.55?10?0.0579?3.55?10/0.316?100?0.9982ooo?6?x6o??kb?1?112xobol2?1??0.316?3.55?10?6??100??1.0009 1212????Z???krro?jkxxo?l??0.9963?0.0579?j0.9982?0.316??100???5.7686?j31.5431Y??jkbbol?j1.0009?3.55?10?6?100S?3.5533?10?4S

（三）精确参数计算 先计算ZC和?

ZC?

?ro?jxo?/?go?jbo???0.0579?j0.316?/?j3.55?10?6???299.5914?j27.2201???300.8255??5.192?????ro?jxo??go?jbo???0.0579?j0.316??j3.55?10?6km?1??0.9663?j10.6355??10?4km?1??10?4?100??0.9663?j10.6355??10?2 ?l??0.9663?j10.6355计算双曲线函数。

利用公式 sh?x?jy??shxcosy?jchxsiny

ch?x?jy??chxcosy?jshxsiny 将?l之值代入，便得

sh?l?sh0.9663?10?2?j10.6355?10?2?sh0.9663?10?2cos10.6355?10?2?jch0.9663?10?2sin10.6355?10?2??0.9609?j10.6160??10?2ch?l?ch0.9663?10?2?j10.6355?10?2?ch0.9663?10?2cos10.6355?10?2?jsh0.9663?10?2sin10.6355?10?2?0.9944?j0.1026?10?2П型电路得精确参数为

?????????? ?

????????????0.9609?j10.6106??10?2???5.7684?j31.5429??Z??ZCsh?l??299.5914?j27.2201

2?ch?l?1?2?0.9944?j0.1026?10?2?1??10?4S Y???S??0.0006?j3.5533ZCsh?l5.7684?j31.5429不同长度线路的П型等值电路参数也可用相同的方法算出，结果列于下表13.2－1

表13.2－1例13.2－3的计算结果 l/km Z?/? (Y?/S)?10?4 100 1 2 3 1 2 3 1 2 3 5.7900+j31.6000 5.7683+j31.5429 5.7684+j31.5429 11.58+j63.2000 11.4068+j62.7432 11.4074+j62.7442 17.3700+j94.8000 16.7854+j93.2584 16.7898+j93.2656 j3.55 j3.5533 (0.0006+j3.5533) j7.1000 j7.1265 (0.0049+j7.1267) j10.6500 j10.7393 (0.0167+j10.7405) ??200 300

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/s986.html