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2.1 电力线路的参数和等效电路

电力线路的参数指线路的电阻、电抗、电纳、电导。这里着重讨论使用铝、铜导线架空线路的参数和等效电路。

2.1.1 单位长度线路的参数

1.铝线、钢芯铝线和铜线线路的参数

(1)电阻

每相导线单位长度的电阻可按下式计算

式中, r 1 为导线单位长度的电阻,单位为Ω/km; ρ 为导线材料的电阻率,单位为Ω·mm 2 /km; S 为导线的额定截面积,单位为mm 2

在电力系统的计算中,导线材料的电阻率采用下列数值:

铝:31.5Ω·mm 2 /km;

铜:18.8Ω·mm 2 /km。

它们略大于这些材料的直流电阻率,因需计及趋肤效应,且绞线每一股线的长度略长于导线长度,而计算时采用的额定截面积又往往略大于实际截面积。

钢芯铝线的电阻,由于可只考虑主要载流部分——铝线部分的载流作用,与同样额定截面积的铝线相同。

实际上,导线的电阻通常可从产品目录或手册中查得。

由于产品目录或手册中查得的通常是20℃时的电阻值,而线路的实际运行温度又往往异于20℃,必要时可按下式修正

式中, r t r 20 分别为 t ℃、20℃时的电阻,单位为Ω/km; a 为电阻的温度系数;对于铝, a =0.0036;对于铜, a =0.00382。

(2)电抗

线路的电抗是由于导线中有交流电流流通时,在导线周围产生磁场而形成的。三相线路对称排列或虽不对称排列但经整循环换位时,每相导线单位长度的电抗由“电路原理”已知,可按下式计算

式中, x 1 为导线单位长度的电抗,单位为Ω/km; r 为导线的半径,单位为cm或mm; μ r 为导线材料的相对磁导率,对铝、铜等, μ r =1; f 为交流电的频率,单位为Hz; D m 为三相导线的几何平均距离,简称几何均距,单位为cm或mm,其单位应与 r 的单位相同。

式中, D ab D bc D ca 分别为AB相之间、BC相之间、CA相之间的距离。

如将 f =50, μ r =1代入式(2-3),可得

上式又可改写为

式中, r′ 为导线的几何平均半径,而由式(2-4)不难见, r′ =0.779 r

但需指出,式(2-3)~式(2-5)都是按单股导线的条件导得的。对多股铝线或铜线, r′ / r 将小于0.779;而钢芯铝线的 r′ / r 则可取0.95。

由于电抗与几何均距、导线半径之间为对数关系,导线在杆塔上的布置和导线截面积的大小对线路电抗没有显著影响,架空线路的电抗一般都在0.40Ω/km左右。在近似计算中,可取这个数值。

分裂导线的采用改变了导线周围的磁场分布,等效地增大了导线半径,从而减小了每相导线的电抗。可以设想,如将每相导线分成若干根,并将它们布置在半径为 r eq 的圆周上,则决定每相导线电抗的将不是每根线的半径 r 而是圆的半径 r eq 。在实际应用中,由于结构上的原因,每相导线的分裂数一般不超过4根,但都布置在正多角形的顶点。分裂导线的作用如图2-1所示。

每相具有 n 根分裂导线的线路电抗仍可用式(2-4)计算,只是式中的第二项应除以 n ,第一项中导线的半径应以等效半径 r eq 替代,其值为

式中, r 为每根导线的半径; a 为根与根之间的几何均距。

因此,分裂导线线路的电抗为

图2-1 分裂导线的作用

显然,分裂的根数越多,电抗下降也越多。但分裂根数超过3根时,电抗的下降已不明显,而导线结构、线路的架设和运行都将大为复杂,线路的造价也将因此而增加。

在同一杆塔上布置两回三相线路时,每一回线路的电抗不仅取决于该回线本身电流产生的磁场,而且也与另一回线电流产生的磁场有关。但在实际应用中,当同一杆塔上布置两回线路时,仍可按式(2-4)计算其电抗。因两回线路的互感的影响,在导线中流过对称三相电流时并不大,可略去不计。

(3)电纳

线路的电纳(容纳)是由导线相互间和导线与大地间的电容决定的。三相线路对称排列或虽不对称排列但经整循环换位时,每相导线单位长度的电容由“电路原理”已知,可按下式计算

式中, C 1 为导线单位长度的电容,单位为F/km; D m r 的代表意义与式(2-3)相同。

于是,当频率为50Hz时,单位长度的电纳为

式中, b 1 为导线单位长度的电纳,单位为S/km。

显然,和电抗相似,架空线路的电纳变化也不大,其值一般在2.85×10 -6 S/km左右。

采用分裂导线的线路仍可按式(2-9)计算其电纳,只是这时导线的半径 r 应以由式(2-6)确定的等效半径 r eq 替代。

也和电抗相似,同一杆塔上布置两回线路时,也仍可按式(2-9)计算其电纳。

(4)电导

线路的电导主要是由沿绝缘子的泄漏和电晕现象决定的。沿绝缘子的泄漏通常很小,可略去不计。

电晕现象是强电场作用下导线周围空气的电离现象。导线表面的电场强度超过某一定值时,就会产生电晕。电晕将损耗有功功率,但这有功功率仅与线路电压有关,与线路上流通的电流无关,因而与电晕相对应的是线路的电导。

因为电晕是在导线表面电场强度(对应于线路电压)超过某一定值时才会发生,可先求取这个电压——称电晕起始电压或临界电压 U cr ,并根据它的值判断是否要考虑与之对应的电导。电晕临界线电压可按如下的经验公式计算

式中, U cr 为电晕临界线电压,单位为kV; m 1 为考虑导线表面状况的系数,称光滑系数;对表面光滑的单线, m 1 =1;对久经使用的单线, m 1 =0.98~0.93;对绞线, m 1 =0.87~0.83; m 2 为考虑气象状况的系数,称气象系数;在干燥或晴朗天气, m 2 =1;在有雾、雨、霜、暴风雨时, m 2 <1;在最恶劣情况下, m 2 =0.8; δ 为空气的相对密度:

式中, b 为大气压力(厘米水银柱); t 为空气温度,单位为℃; D m r 的代表意义与式(2-3)相同,但单位都为cm。

采用分裂导线时,由于导线的分裂减小了电场强度,电晕临界线电压也改变为

式中, f na 为与分裂根数 n 、根与根之间的几何均距 a 有关的函数:

r eq n a 的代表意义与式(2-6)相同。

当导线水平排列时,边相导线的电晕临界电压较按式(2-10)和式(2-11)求得的高6%;中间相导线的电晕临界电压则较按式(2-10)和式(2-11)求得的低4%。

线路实际电压高于电晕临界电压时,与电晕相对应的电导为

式中, g 1 为导线单位长度的电导,单位为S/km;Δ P g 为实测的三相线路电晕消耗的总功率,单位为kW/km; U 为线路线电压,单位为kV。

应该指出,实际上,经常是在线路设计时就按上列公式校验所选导线的半径能否满足在晴朗天气不发生电晕的要求。如在晴朗天气就要发生电晕,则应加大导线截面或考虑采用扩径导线或分裂导线。规程规定:对普通导线,330kV电压线路,直径不小于33.2mm(相当于LGJQ-600型);220kV电压线路,直径不小于21.3mm(相当于LGJQ-240型);154kV电压线路,直径不小于13.7mm(相当于LGJ-95型);110kV电压线路,直径不小于9.6mm(相当于LGJ-50型),就可不必验算电晕。

2.钢导线线路的参数

钢导线与铝、铜导线的主要差别在于钢导线导磁,以致它的两个与磁场直接、间接有关的参数——电抗和电阻与铝、铜导线不同。

由于钢导线导磁,交流电流通过钢导线时,趋肤效应和磁滞效应都很突出,使钢导线的交流电阻比直流电阻大很多。而且,这些效应与磁场的强弱以及通过导线电流的大小有关,这就使钢导线的电阻成了电流的函数。因此,钢导线的电阻难以用分析的方法来决定,只能依靠实测。实测所得的钢导线的电阻可从有关的产品目录或手册中查得。

计算线路电抗的式(2-3)实际上可分为两部分。

第一部分为

取决于导线的布置方式和截面积,但与导线是否导磁无关。这部分其实是导线外部磁场所决定的,因而称为导线的外电抗。

第二部分为

只与磁导率 μ r 有关,从而取决于导线的导磁。这部分其实是导线内部磁场所决定的,因而称为导线的内电抗。钢导线的磁导率相当大,且与磁场强弱有关。这就使钢导线的内电抗比铝、铜导线大很多,且与通过的电流大小有关。因此,钢导线的内电抗也难以用分析的方法来决定,只能依靠实测。实测所得的钢导线的内电抗可从有关的产品目录或手册中查得。

单位长度钢导线的电抗就是单位长度外电抗和内电抗之和。

至于钢导线的电纳和电导,因与导线是否导磁无关,仍可按求取铝、铜导线电纳、电导的公式来计算。

3.电缆线路的参数

电缆线路与架空线路的主要差别在于结构,表现在以下几方面:三相导体相互间的距离近得多,导体的截面可能不是圆形;导体外有铝(铅)包和钢铠;绝缘介质不是空气等。这些差别使计算电缆参数的方法较计算架空线路复杂得多。但好在电缆的结构和尺寸是系列化的,这些参数可事先测得。因此,通常不必计算电缆的参数。

例2-1 220kV线路使用如图2-2所示的带拉线铁塔;使用LGJQ-400型导线,直径为27.2mm,铝线部分截面积为392mm 2 ;使用由13片X-4.5型绝缘子组成的绝缘子串,长为2.6m,悬挂在横担端部。试求该线路单位长度的电阻、电抗、电纳和电晕临界电压。

:每千米线路的电阻:

每千米线路的电抗:

先求三相导线相互间距离 D ab D bc D ca ,由于绝缘子串长度对每相都相同,它们又都悬挂在横担端部,求三相导线相互间距离时,只需求三根横担端部的距离。由图2-2可见

图2-2 带拉线铁塔

求几何均距

最后求 x 1

每千米线路的电纳:

电晕临界电压:

m 1 =0.85, m 2 =0.90, δ =1.0

可见该线路不会发生电晕,即 g 1 =0。

例2-2 330kV线路的导线结构有如下三种方案9见图2-3):

图2-3 导线结构方案(尺寸与实物同)

1)使用LGJQ-600导线,铝线部分截面积为578mm 2 ,直径为33.1mm;

2)使用LGJ-2×300分裂导线,LGJ-300的铝线部分截面积为295mm 2 ,直径为24.2mm,分裂间距为400mm;

3)使用K-2×272分裂导线,K-272的铝线部分截面积为300.8mm 2 ,直径为27.44mm,分裂间距为400mm。

三种方案中,导线都水平排列,相间距离为8m。

试求这三种方案导线结构的线路每km的电阻、电抗、电纳和电晕临界电压。

:1)每千米线路电阻。

LGJQ-600

LGJ-2×300

K-2×272

2)每千米线路电抗。

对三种方案

LGJQ-600

LGJ-2×300

先求 r eq

K-2×272

先求 r eq

3)每千米线路电纳。

LGJQ-600

LGJ-2×300

K-2×272

4)电晕临界电压。

设光滑系数 m 1 =0.85,气象系数 m 2 =1.0,空气相对密度 δ =1.0,

LGJQ-600

边相,1.06×329kV=348.74kV;中间相,0.96×329kV=315.84kV

LGJ-2×300

先求 f na

边相,1.06×352kV=373.12kV;中间相,0.96×352kV=337.92kV

K-2×272

先求 f na

边相,1.06×391kV=414.46kV;中间相,0.96×391kV=375.36kV

不同导线结构方案参数见表2-1。

表2-1 不同导线结构方案参数表

分析上表可见:

1)由于三个方案中导线主要载流部分的截面积基本相等,它们的电阻也基本相同。

2)就减小线路电抗而言,采用分裂导线有利,两个分裂导线方案较单导线方案的电抗小30%以上。

3)电抗小的方案电纳必然大,因电抗中外电抗部分与电纳间为反比关系。

4)就避免发生电晕而言,采用分裂扩径导线最合理。单导线即使在晴朗天气中间相仍将发生电晕。

2.1.2 一般线路的等效电路

按式(2-1)、式(2-4)、式(2-9)、式(2-12)求得单位长度导线的电阻、电抗、电纳、电导后,就可作最原始的电力线路等效电路,如图2-4所示。这是单相等效电路,之所以可用单相等效电路代表三相,是由于目前讨论的是三相对称运行状况。

图2-4 电力线路的单相等效电路

以单相等效电路代表三相虽已简化了不少计算,但由于电力线路的长度往往有数十乃至数百km,如将每km的电阻、电抗、电纳、电导都一一绘于图上,所得的等效电路仍十分复杂。何况,严格说来,电力线路的参数是均匀分布的,即使是极短的一段线段,都有相应大小的电阻、电抗、电纳、电导。换言之,即使是如此复杂的等效电路,也不能认为精确。但好在电力线路一般不长,需分析的又往往只是它们的端点状况——两端电压、电流、功率,通常可不考虑线路的这种分布参数特性,只是在个别情况下才要用双曲函数研究具有均匀分布参数的线路。以下,先讨论一般线路的等效电路。

所谓一般线路,指中等以下长度线路。对架空线路,长度大约为300km,对电缆线路,大约为100km。线路长度不超过这些数值时,可不考虑它们的分布参数特性,而只用将线路参数简单地集中起来的电路表示它们。

在以下的讨论中,以 R X G B 分别表示全线路每相的总电阻、电抗、电导、电纳。显然,线路长度为 l km时

通常,由于线路导线截面积的选择,如前所述,以晴朗天气不发生电晕为前提,而沿绝缘子的泄漏又很小,可设 G =0。

1.短线路

短线路指长度不超过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,这种线路的等效电路最简单,只有一串联的总阻抗 Z = R +j X ,如图2-5所示。

图2-5 短线路的等效电路

显然,如电缆线路不长,电纳的影响不大时,也可采用这种等效电路。

由图2-5可得

将式(2-16)与“电路原理”中介绍过的两端口或四端口网络方程式

相比较,可得这种等效电路的通用常数 A B C D

2.中等长度线路

中等长度线路指长度在100~300km之间的架空线路和不超过100km的电缆线路。这种线路的电纳 B 一般不能略去。这种线路的等效电路有Π形等效电路和T形等效电路,如图2-6所示,其中常用的是Π形等效电路。

图2-6 中等长度线路的等效电路

在Π形等效电路中,除串联的线路总阻抗 Z = R +j X 外,还将线路的总导纳 Y =j E 分为两半,分别并联在线路的始末端。在 T 形等效电路中,线路的总导纳集中在中间,而线路的总阻抗则分为两半,分别串联在它的两侧。因此,这两种电路都是近似的等效电路,而且,相互间并不等效,即它们不能用Δ-Y变换公式相互变换。

由图2-6a可得流过串联阻抗 Z 的电流为 ,从而

流入始端导纳 的电流为 ,从而

由此又可得

将式(2-19)与式(2-17)相比较,可得这种等效电路的通用常数为

相似地,可得图2-6b所示等效电路的通用常数为

2.1.3 长线路的等效电路

长线路指长度超过300km的架空线路和超过100km的电缆线路。对这种线路,不能不考虑它们的分布参数特性。

图2-7所示为这种长线路的示意图,图中, z 1 y 1 分别表示单位长度线路的阻抗和导纳,即 z 1 = r 1 +j x 1 y 1 = g 1 +j b 1 分别表示距线路末端长度为 x 处的电压、电流, 分别表示距线路末端长度为 x +d x 处的电压、电流;d x 为长度的微元。

图2-7 长线路——均匀分布参数电路

由图2-7可见,长度为d x 的线路,串联阻抗中的电压降落为 ,并联导纳中的分支电流为 。从而可列出

取式(2-22)和式(2-23)对 x 的微分,可得

分别将式(2-23)和式(2-22)代入式(2-24)和式(2-25),又可得

式(2-26)的解为

将其微分后代入式(2-22),又可得

Z c γ 分别称为线路的特性阻抗和传播常数,上面两式可改写为

计及 x =0时, ,可见

从而

以此代入式(2-28)和式(2-29),可得

考虑到双曲函数有如下定义

式(2-30)和式(2-31)又可改写如下:

运用上式,可在已知末端电压、电流时,计算沿线路任意点的电压、电流。而如以 x = l 代入,则可得

由此又可见,这种长线路的两端口网络通用常数应分别为

于是又可见,如只要求计算线路始末端电压、电流、功率,仍可运用类似图2-6所示的Π形或T形等效电路。长线路的等效电路如图2-8所示。图中,分别以 Z′ Y′ 表示它们的集中参数阻抗、导纳,从而与图2-6相区别。按图2-8a,套用由图2-6a导得的式(2-20),并计及式(2-34),可得它的通用常数为

由此可解得

图2-8 长线路的等效电路

Π形等效电路: Z′ = Z C sinh γl

T形等效电路:

相似地,对图2-8b,可得

显然,无论图2-8a或b都是精确的。但是,由于 Z′ Y′ 的表示式中, Z C γ 都是复数,它们仍不便于使用。为此,将它们简化如下。

将式(2-35)改写为

将式中的双曲函数展开为级数

对不十分长的电力线路,这些级数收敛很快,从而可只取它们的前两、三项代入式(2-37)。代入后,经不太复杂的运算,可得

Z = R +j X = r 1 l +j x 1 l Y = G +j B = g 1 l +j b 1 l 以及 G = g 1 l =0代入,展开可得

由式(2-39)可见,如将长线路的总电阻、电抗、电纳分别乘以适当的修正系数,就可绘制其简化Π形等效电路,如图2-9所示。这些修正系数分别为

图2-9 长线路中的简化等效电路

但需注意,由于推导式(2-40)时,只取用了双曲函数的前两、三项,在线路很长时,该式也不适用,应直接使用式(2-37)。反之,线路不长时,这些修正系数都接近于1,从而可不必修正。

相似地,可作简化T形等效电路。但因这种等效电路一般不用,从略。

附带指出,双曲函数除展开为级数外,还可展开为如下的形式

sinh γl =sinh( α +j β ) l =sinh αl cos βl +jcosh αl sin βl

cosh γl =cosh( α +j β ) l =cosh αl cos βl +jsinh αl sin βl

或者为

这些展开式也常用。

例2-3 设330kV线路采用例2-2中的导线结构方案3),线路总长为530km,试作该线路的等效电路。1)不考虑线路的分布参数特性;2)近似考虑线路的分布参数特性;3)精确考虑线路的分布参数特性。

:由例2-2已知该线路每km的电阻、电抗、电导、电纳分别为

r 1 =0.0579Ω; x 1 =0.316Ω

g 1 =0; b 1 =3.55×10 -6 S

1)不考虑线路的分布参数特性时。

R = r 1 l =0.0579×530Ω=30.7Ω

X = x 1 l =0.316×530Ω=167.5Ω

B = b 1 l =3.55×10 -6 ×530S=1.88×10 -3 S

按此可作等效电路,如图2-10a所示。

2)近似考虑线路的分布参数特性时。

于是

k r R =0.895×30.7Ω=27.5Ω

k x X =0.949×167.5Ω=158.96Ω

k b B =1.026×1.88×10 -3 S=1.93×10 -3 S

按此可作等效电路,如图2-10b所示。

3)精确考虑线路的分布参数特性时。

先求取 Z C γl 。而为此,需先求得

z 1 = r 1 +j x 1 =(0.0579+j0.316)Ω=0.321∠79.6 ° Ω

y 1 =0+j b 1 =j3.55×10 -6 S=3.55×10 -6 ∠90°S

由此可得

将sinh γl 、cosh γl 展开。展开时需注意, βl 的单位为弧度。

sinh γl =sinh( αl +j βl )=sinh(0.0513+j0.564)

=sinh0.0513cos0.564+jcosh0.0513sin0.564

=0.0513×0.845+j1.0013×0.5345

=0.0433+j0.5352=0.537∠85.37°

cosh γl =cosh( αl +j βl )=cosh(0.0513+j0.564)

=cosh0.0513cos0.564+jsinh0.0513sin0.564

=1.0013×0.845+j0.0513×0.5345

=0.846+j0.02742=0.84∠1.86°

最后可求取 Z′ Y′

按此可作等效电路,如图2-10c所示。

图2-10 电力线路的等效电路

比较这三种等效电路可见,对这种长度超过500km的线路,如不考虑其分布参数特性,将给计算结果带来相当大的误差,其中以电阻值为最,误差大于10%,电抗次之,电纳更次之。但也可见,近似考虑其分布参数特性,即可得到足够精确的结果。而重要的是,这种近似考虑仅需作简单的算术运算,不必像精确考虑时那样,要进行复数和双曲函数计算。 LaJrEHEsPsFGIj0vZ/P7aQIIyy2NinH9YMQofuZ/kaw2p1RxlPZa+fFRyuncMAnJ

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