尹克宁电力工程电子教案.ppt

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1、电力工程,普通高等教育“十一五”国家级规划教材,尹克宁 编著,“十一五”国家级规划教材,前言,本课件是为了配合普通高等教育“十一五”国家级规划教材电力工程的教学需要而制作的。本课件采用powerpoint软件。为了更好地与教材内容相协调，本课件中所使用的章节号，公式、图及表的编号均与原书一致，特此说明。本课件由顺特电气有限公司肖勋，程小凤等协助制作，笔者谨在此表示最深切的谢意。笔者 2009年4月,“十一五”国家级规划教材,第一章电力系统概述,143,第二章电力网及其稳态分析,44236,第三章发电厂和变电所的一次系统,237349,第四章电力系统短路,350471,第五章电力系统稳定,472

2、509,第六章发电厂和变电所的二次系统,510601,第七章远距离输电,602666,目录,“十一五”国家级规划教材,第一节 电力工业在国民经济中的地位和我国电力工业的发展,电力工业是国民经济的重要部门之一。它承担着把自然界提供的能源转换为供人们直接使用的电能，它既为现代工业、现代农业、现代科学技术和现代国防提供必不可少的动力，又和广大人民群众的日常生活有着密切的关系。电力又是工业的先行，电力工业的发展必须优先于其他的工业部门，整个国民经济才能不断前进。,第一章 电力系统概述,“十一五”国家级规划教材,在电力工业发展的初期，发电厂都建设在用户附近，规模很小，而且是孤立运行的。随着生产的发展和科

3、学技术的进步，用户的用电量和发电厂的容量都在不断增大。由于电能生产是一种能量形态的转换，发电厂宜于建设在动力资源所在地，而蕴藏动力资源的地区与电能用户之间又往往隔有一定距离。例如，水能资源集中在河流落差较大的偏僻地区，热能资源则集中在盛产煤、石油、天然气的矿区；而大城市、大工业中心等用电部门则由于原材料供应、产品协作配套、运输、销售、农副产品供应等原因以及各种地理、历史条件的限制，往往与动力资源所在地相距较远，为此就必须建设升压变电所和架设高压输电线路以实现电能的远距离输送。而当电能输送到负荷中心后，又必须经过降压变电所降压，再经过配电线路，才能向各类用户供电。,一、电力系统的形成和优越性,（

4、一）电力系统的形成,第二节 电力系统的组成和特点,“十一五”国家级规划教材,随着生产的发展和用电量的增加，发电厂的数目也不断增加。这样一来，一个个发电厂再保持孤立运行的状态就没有什么好处了。当一个个地理上分散在各处、原来孤立运行的发电厂通过输电线路、变电所等相互连接形成一个“电”的整体以供给用户用电时，就逐步形成了现代的电力系统。换句话说，电力系统就是由发电厂、变电所、输配电线路直到用户等在电气上相互连接的一个整体.,它包括了从发电、输电、配电直到用电这样一个全过程。另外，还把由输配电线路以及由它所联系起来的各类变电所总称为电力网络（简称电力网），所以，电力系统也可以看作是由各类发电厂和电力网

5、以及用户所组成的。,“十一五”国家级规划教材,“十一五”国家级规划教材,（二）系统联系的优越性与存在问题,1减少系统中的总装机容量,2合理利用动力资源，充分发挥水力发电厂的作用,3提高供电的可靠性,4提高运行的经济性,5系统增强所带来的问题：事故波及,“十一五”国家级规划教材,二、电力系统的特点以及对电力系统的要求,（一）电力系统的特点,（1）电能不易储藏。由于电能生产是一种能量形态的转换，从而要求生产与消费同时完成。电能难于储存，可以说是电能生产的最大特点。,（2）电能生产与国民经济各部门和人民生活有着极为密切的关系。,（3）暂态过程十分短暂。由于电是以光速传播的，所以运行情况发生变化所引起

6、的电磁方面和机电方面的暂态过程都是十分迅速的。,（4）电力系统的地区性特点较强。,（二）对电力系统的要求,（1）最大限度地满足用户的用电需要，为国民经济的各个部门提供充足的电力。,（2）保证供电的可靠性。,“十一五”国家级规划教材,（3）保证电能的良好质量。,（4）保证电力系统运行的经济性。,把上述各点归纳起来可知：保证对用户不间断地供给充足、优质而又价廉的电能，这就是电力系统的基本任务。,“十一五”国家级规划教材,一次能源，可以说与粮食和水一样，是人类赖以生存以及支撑现代社会文明的主要物质基础之一。从原始社会起，人类就是通过消耗能量而生活，并进行各种社会活动的，目前世界上可以利用的一次能源资

7、源主要为化石能源（煤、石油、天然气）、可再生能源（水能、风能、太阳能等）以及核能源等，电能主要通过这些一次性能源转换而生产出来。能源形态与电能生产的相互关系，可简略地用下图1-2表示。,一、一次能源与电力生产,第三节 发电厂的类型及其生产过程简介,“十一五”国家级规划教材,由于地球上的一次能源资源的储存量是有限的，如不注意节约与合理使用，必有一天人类将面临能源枯竭的危险。因此，在21世纪中，对节约能源与开发新能源特别是对可再生能源利用的研究，将是人类社会的可持续发展所面临的一项重大的课题。,“十一五”国家级规划教材,火力发电厂是以煤、石油、天然气等作为燃料，燃料燃烧时化学能被转换为热能，再借助

8、汽轮机等热力机械将热能转换为机械能，并由汽轮机带动发电机将机械能变为电能。据统计，全世界发电厂的总装机容量中，火力发电厂占了70%以上。迄今，我国的发电厂总装机容量中，火电厂占75%以上。,二、火力发电厂,一般火力发电厂多采用凝汽式汽轮发电机组，故又称为凝汽式发电厂,“十一五”国家级规划教材,图1-3凝汽式发电厂生产过程示意图,“十一五”国家级规划教材,水力发电厂是利用河流所蕴藏的水能资源来发电，水能资源是最干净、价廉的可再生能源。,三、水力发电厂,水力发电厂可能的发电出力（容量）的大小决定于上下游的水位差（简称水头）和流量的大小。因此，水力发电厂往往需要修建拦河大坝等水工建筑物以形成集中的水

9、位差，并依靠大坝形成具有一定容积的水库以调节河川流量。,水力发电厂的生产过程较简单（以坝后式水电厂图1-4为例进行介绍），故它所需的运行维护人员较少，且易于实现全盘自动化。再加之水力发电厂不消耗燃料，所以它的电能成本要比火力发电厂低得多。此外，水力发电机组的效率较高、承受变动负荷的性能较好，故在系统中的运行方式较为灵活；水力发电机组起动迅速，在事故时能有力地发挥其后备作用。,水力发电厂的另一个优点是不像火力发电厂、核能发电厂那样存在环境污染问题。水能资源是属于可再生利用的清洁能源，这种发电方式对节能减排有利。,“十一五”国家级规划教材,图1-4 坝后式水电厂示意图,“十一五”国家级规划教材,核

10、能发电的基本原理是：核燃料在反应堆内发生可控核裂变，即所谓链式反应，释放出大量热能，由冷却剂（水或气体）带出，在蒸汽发生器中将水加热为蒸汽，然后同一般火力发电厂一样，用蒸汽推动汽轮机，再带动发电机发电。冷却剂在把热量传给水后，又被泵打回反应堆里去吸热，这样反复使用就可以不断地把核裂变释放的热能引导出来。,四、核能发电厂,核能发电厂与火力发电厂在构成上的最主要区别是，前者用核蒸汽发电系统（核反应堆、蒸汽发生器、泵和管道等）来代替后者的蒸汽锅炉。所以核能发电厂中的反应堆又被称为原子锅炉。,“十一五”国家级规划教材,根据核反应堆的形式不同，核能发电厂可分为几种类型。图1-6为目前使用较广的轻水堆型（

11、包括沸水堆和压水堆）核能发电厂的生产过程示意图。,（a）沸水堆型反应堆；,（b）压水堆型反应堆,图1-6 轻水堆型核能发电厂生产过程示意图,“十一五”国家级规划教材,核能发电厂的主要优点之一是可以大量节省煤、石油等燃料。例如，1 kg的铀裂变所产生的热量，相当于2700 t标准煤燃烧产生的热量。具体而言，一座容量为50万kW的火力发电厂每年至少要烧掉150万t煤，而同容量的核能发电厂每年只要消耗600 kg铀燃料就够了，从而可避免大量的燃料运输。,核能发电厂的另一个特点是燃烧时不需要空气助燃，所以核能发电厂可以建设在地下、山洞里、水下或空气稀薄的高原地区。此外，从发电厂的建设投资和发电成本来看

12、，核能发电厂的造价虽较火力发电厂的要高，但发电成本比火力发电厂的要低30%50%，它的规模愈大，单位千瓦投资费用下降愈多。另外，核能发电厂适宜于担任电力系统的基本负荷，这样可以保证运行时的效率最高。,核能发电厂的另一个主要优点是较之一般燃煤电厂而言，它的CO2等温室气体的排放量要低得多，从而对节能减排有利。目前也有一种提法是“核电是清洁能源”。,核能发电厂的主要问题是对放射性泄漏污染的担心。,“十一五”国家级规划教材,在我国，核能发电厂的建设起步较晚。迄今，在全世界的总发电容量中，核能发电厂占了约16%，而我国核电仅占1.6%，,据规划，到2020年中国的核电装机容量将达到4000万kW，约占

13、当时全国装机容量的4%。,“十一五”国家级规划教材,一般而言，可再生利用的能源主要是指水能、风能和太阳能。,五、可再生能源发电与分布式发电,在可再生能源中，以风力发电最受重视。风力发电有离网型和并网型两种类型。并网型的风电场可以得到大电力网的补偿和支撑，可以更充分地开发可利用的风能资源，这是近几年来国内外风力发电发展的主要方向。,（一）风力发电,并网型的风力发电系统又可以分为恒速恒频风力发电系统和变速恒频风力发电系统两种。,图1-7 恒速恒频风力发电系统的基本结构,“十一五”国家级规划教材,变速恒频风力发电系统的发展主要依赖于大容量电力电子技术的成果，从结构和运行方面可分为直接驱动的同步发电机

14、系统和双馈感应发电机系统。,图1-8直接驱动的同步发电机系统,图1-9双馈感应发电机系统,“十一五”国家级规划教材,利用太阳能的转换方式有光热转换、光电转换以及光化学转换三种。,（二）太阳能发电,太阳能电池是利用半导体PN结的光伏效应将太阳能直接转换成电能的器件。单个太阳能电池不能作为电源使用，而要用若干片电池组成的电池阵进行发电。,图1-10离网太阳能光伏发电系统,“十一五”国家级规划教材,图111并网屋顶太阳能光伏发电系统示意图,“十一五”国家级规划教材,最后再谈一下分布式发电。它是指风力、太阳能、潮汐、地热、植物秸秆发电，垃圾发电和磁流体发电等。这种发电方式一般都容量不大，具有各自的运行

15、特点且并不都与系统相连，它可以分散于各处，其中多数属于上述的可再生利用的清洁能源。尽管分布式发电的技术尚不成熟，容量也有限，但是作为一种替代能源，它还是很有潜力的。为了解决长远的能源资源紧缺问题，世界上许多国家都出台了一些支持分布式发电的政策，我国也不例外，今后对它的发展还是非常值得关注的。,“十一五”国家级规划教材,电压质量对各类用电设备的安全经济运行都有直接的影响。图1-12表示照明负荷的电压特性。从图上可以看出，对照明负荷来说，白炽灯对电压的变化是敏感的。当电压降低时，白炽灯的发光效率和光通量都急剧下降；当电压上升时，白炽灯的寿命将大为缩短。例如，电压较额定值降低10%，则光通量减少30

16、%；电压额定值上升10%，则寿命缩减一半。,一、电压,第四节 电能的质量指标,通常衡量电能质量的主要指标是电压、频率和波形。,图1-12照明负荷（白炽灯）的电压特性,“十一五”国家级规划教材,图1-13输出功率一定时异步电动机的定子电流、功率因数和效率随电压而变化的特性,对电力系统的负荷中大量使用的异步电动机而言，它的运行特性对电压的变化也是较敏感的。当输出额定功率并保持不变时，异步电动机的定子电流、效率因数和功率随电压而变化的特性如图1-13所示。,“十一五”国家级规划教材,频率的偏差同样将严重影响电力用户的正常工作。对电动机来说，频率降低将使其转速下降，从而使生产率降低，并影响电动机的寿命

17、；反之，频率增高将使电动机的转速上升，增加功率消耗，并使经济性降低。特别是某些对转速要求较严格的工业部门（如纺织、造纸等），频率的偏差将大大影响产品质量，甚至产生废品。另外，频率偏差对发电厂（尤其是火力发电厂）本身将造成更为严重的影响。,二、频率,此外，频率的变化还将影响到电子信息设备以及计算机、自控装置等电子设备的准确工作等。,目前世界上除美国外的绝大多数国家规定的额定频率为50 Hz（美国为60 Hz），而各国对频率变化的容许偏差的规定不一，有的国家规定为不超过0.5 Hz，也有一些国家规定为不超过（0.20.1）Hz的。我国的技术标准规定电力系统的额定频率为50 Hz，而频率变化的容许偏

18、差为（0.50.2）Hz。,“十一五”国家级规划教材,通常，要求电力系统给用户供电的电压及电流的波形应为标准的正弦波。,三、波形,供电电压（电流）的波形不是标准的正弦波时，必然包含着各种高次谐波成分，这些谐波成分的出现将大大影响电动机的效率和正常运行，还可使系统因容抗、感抗等参数的改变而产生高次谐波共振以及增大元件的谐波损耗而危及设备的安全运行。,“十一五”国家级规划教材,一、电力系统的接线方式,第五节 电力系统的接线方式和电压等级,（一）系统发展的基本结构形式,“十一五”国家级规划教材,（二）电力网络的接线,（1）无备用电力网接线,（2）有备用电力网接线,“十一五”国家级规划教材,二、电力系

19、统的额定电压等级,电力系统中的电机、电器和用电设备都规定有额定电压，只有在额定电压下运行时，其技术经济性能才最好，也才能保证安全可靠运行。,我国所制定的电压在1000 V以上电气设备的国家标准所规定的额定电压如下表1-1所示。,“十一五”国家级规划教材,对表1-1进行分析，可以发现下列特点:,（1）发电机的额定电压较用电设备的额定电压高出5%。,（2）变压器的一次绕组是接受电能的，可以看成是用电设备，其额定电压与用电设备的额定电压相等，而直接与发电机相连接的升压变压器的一次绕组额定电压应与发电机额定电压相配合。,（3）变压器的二次绕组相当于一个供电电源，从表1-1可以看出，它的额定电压要比用电

20、设备的额定电压高出10%。但在3、6、10 kV电压时，如为短路阻抗小于75%的配电变压器，则二次绕组的额定电压仅高出用电设备额定电压的5%。,“十一五”国家级规划教材,图1-18电力网各部分电压分布示意图,“十一五”国家级规划教材,三、电压等级的选择,在输送距离和传输功率的一定条件下，如果所选用的额定电压愈高，则线路上的电流愈小，相应线路上的功率损耗、电能损耗和电压损耗也就愈小。并且可以采用较小截面的导线以节约有色金属。但是电压等级愈高，线路的绝缘愈要加强，杆塔的几何尺寸也要随导线之间的距离和导线对地之间的距离的增加而增大。这样线路的投资和杆塔等的材料消耗就要增加。同样线路两端的升压、降压变

21、电所的变压器以及断路器等设备的投资也要随着电压的增高而增大。因此，采用过高的额定电压并不一定恰当。一般来说，传输功率愈大、或输送距离愈远，选择较高的电压等级就比较有利。,“十一五”国家级规划教材,根据以往的设计和运行经验，我国电力网额定电压、输送距离和传输功率之间的大致关系如下表1-2所示。此表可供选择电力网额定电压时的参考。,表1-2 电力网的额定电压、传输功率与输送距离的大致关系（供参考）,目前，我国超高压交流远距离输电电压为330、500、750kV（其中330kV及750kV仅在我国西北地区使用），即将有1000kV的特高压线路投入运行。,“十一五”国家级规划教材,一、负荷与负荷特性,

22、第六节 电力系统的负荷和负荷曲线,“十一五”国家级规划教材,（三）负荷特性,负荷特性是指负荷功率随负荷端电压或系统的频率变化而变化的规律，又有静态特性与动态特性之分。,（a）静态电压特性,（b）静态频率特性,“十一五”国家级规划教材,二、电力系统的日负荷曲线及其用途,图1-20电力系统的典型日有功负荷曲线,图1-21电力系统的典型日无功负荷曲线,负荷曲线除了用来表示负荷功率随时间变化的规律外，还可用来计算用户所消费的电能的大小。在某一时间t内用户所消耗的电能A为该时间内用户的有功功率P和时间t的乘积。,“十一五”国家级规划教材,图1-22电力系统日负荷曲线分配,负荷曲线对电力系统的运行十分有用

23、，电力系统的计划生产主要是建立在预测的负荷曲线的基础之上的。通常，为了事先安排电力系统中各个电厂的生产（即要求各个电厂在某个时刻应开几台机组、发多少电等），必须事前由电力系统调度中心（指挥和协调电力系统中各个发电厂生产的一个部门）制定出电力系统每天的预测负荷曲线。这种负荷曲线常绘制成阶梯形，如图1-22所示。,因此，在一昼夜内用户所消费总电能为,“十一五”国家级规划教材,三、电力系统的年负荷曲线和年最大负荷利用小时数,“十一五”国家级规划教材,如果把用户全年所消耗的电能与一年内的最大负荷相比，所得到的时间称为年最大负荷利用小时数Tmax，则有,从式（1-7）可以看出，Tmax的物理意义为：若用

24、户始终保持最大负荷Pmax运行，在经过Tmax小时后所消耗的电能恰好等于其全年实际消耗的总电能。,年最大负荷利用小时数的大小在一定程度上反应了实际负荷在一年内的变化程度。,“十一五”国家级规划教材,表1-3各类用户的年最大负荷利用小时数Tmax,根据电力系统长期实测资料积累，对于各类用户的年最大负荷利用小时数Tmax值大体在一定范围内，如表1-3所示,“十一五”国家级规划教材,第一节电力线路的结构,电力线路可分为架空线路与电缆线路两大类。架空线路将线路导线架设在杆塔上，它敷设于屋外并露置于大气中，如图2-1所示；电缆线路则一般埋于地下，图2-2为敷设于地下电缆廊道内的电缆。,4绝缘子,图2-1

25、 架空线路,1避雷线；,2导线；,3杆塔；,第二章 电力网及其稳态分析,“十一五”国家级规划教材,架空线路主要由导线、避雷线（架空地线）、杆塔、绝缘子和金具等部件所组成（见图2-1），它们的作用分别是：（1）导线传导电流、输送电能；（2）避雷线将雷电流引入大地，以保护线路免受雷击；（3）绝缘子将不同带电体之间及其与接地杆塔之间保持良好的绝缘；（4）金具连接导线，或将导线固定在绝缘子上以及将绝缘子固定在杆塔上，也可作连接绝缘子或保护绝缘子和导线等用；,一、架空线路的结构,（5）杆塔支持导线和避雷线，并使导线之间、导线和杆塔以及大地,间保持一定的距离。,“十一五”国家级规划教材,架空线路的导线和避

26、雷线都在露天环境下工作，要承受自重、风力、覆冰等机械力的作用，同时还要受到温度变化的影响。因此，对导线材料除了要求有良好的导电性能外，还要求有相当高的机械强度与抗化学腐蚀能力。导线的材料主要是铝、铜、钢等，目前主要采用铝线；个别情况下也有采用铝合金线的。架空线路导线的结构形式主要有单股线、多股绞线、钢芯铝绞线三种，其结构如图2-3所示。,（一）导线和避雷线,图2-2 敷设于地下电缆廊道内的电缆,“十一五”国家级规划教材,图2-3架空线路导线的结构形式（a）单股线（b）多股绞线（c）钢芯铝绞线,由于它结合了铝和钢两者的优点，在某些方面它甚至较铜线的性能更为优越，可以说是架空线路导线的主要形式。,

27、目前一般都采用钢芯铝绞线见图2-3（c）。这种绞线是将铝线绕在钢线的外层，由于集肤效应，电流主要从铝线部分通过，而导线的机械负荷则主要由钢线负担。,“十一五”国家级规划教材,根据所用材料的不同，架空线路的杆塔可分为木杆、铁塔和钢筋混凝土杆这三种类型。,1.直线杆塔 用于线路走向成直线处。图2-5所示为500kV架空线路的单回线路直线铁塔。,2.耐张杆塔 耐张杆塔又称为承力杆塔，它是每隔几个直线杆塔就设置的一种能承受较大拉力的杆塔。图2-7所示为500kV耐张杆塔外观。,（二）杆塔,“十一五”国家级规划教材,图2-5 500 kV架空线路的单回线路直线铁塔,图2-7 500 kV耐张杆塔外观,“

28、十一五”国家级规划教材,3.转角杆塔,这种杆塔装设在线路的转角处，在结构上必须考虑承受这种不平衡拉力的要求。,图2-9为500kV转角铁塔的外观。,图2-9 500 kV转角铁塔外观,4.终端杆塔,终端杆塔是设置在进入发电厂或变电所的线路末端的杆塔，由它来承受最后一个耐张档距中导线的拉力,如图2-10所示。,图2-10 终端杆塔布置图,“十一五”国家级规划教材,5.特种杆塔,特种杆塔主要有跨越杆塔与换位杆塔两种。图2-11表示了三相导线在形杆塔上轮流换位的情况。,（三）绝缘子,图2-11 三相导线在形杆塔上轮流换位的情况,1.针式绝缘子。,它的外形如图2-12所示。,图2-12 针式绝缘子的外

29、形,“十一五”国家级规划教材,2.悬式绝缘子,这种绝缘子广泛用于电压为35 kV以上的线路,其外形如图2-13（a）所示。,悬式绝缘子通常都组装成绝缘子链来使用，如图2-13（b）所示每串绝缘子链的绝缘子数目与线路额定电压有关，如表2-1所示。,表2-1 悬式绝缘子链的绝缘子最小用量表,用于耐张杆塔上的绝缘子数量要多一些。例如，在35110kV线路上要多一个，在220kV线路上要多用两个。,注,“十一五”国家级规划教材,3.瓷横担绝缘子,这种绝缘子是可以同时起到横担与绝缘子作用的一种绝缘子结构，其外形如图2-14所示。,图2-13悬式绝缘子的外形（a）单个悬式绝缘子；（b）悬式绝缘子链1耳环；

30、2绝缘子；3吊环；4线夹,图2-14 瓷横担绝缘子外形,“十一五”国家级规划教材,4.复合绝缘子,关于绝缘子所用材料，以往最常用的是电瓷。自20世纪60年代起出现了由环氧树脂玻璃纤维芯棒和高分子聚合物伞盘、护套组成的复合绝缘子，如图2-15所示。复合绝缘子具有许多优点，如工艺简单、生产过程对环境污染小、质量小、体积小、运输安装方便，尤其是它具有优良的耐污闪性能，所以近年来复合绝缘子的应用日益增加。,图2-15复合绝缘子结构简图1铁帽；2芯棒；3伞盘；4护套,（四）金具,通常把架空线路所使用的金属部件总称为金具。,（1）悬垂线夹,图2-17（a）所示为一种常见的悬垂线夹，它的使用已表示在图2-1

31、7（b）中。,“十一五”国家级规划教材,图2-16 220 kV悬式复合绝缘子1上铁帽；2芯棒；3伞盘及护套；4粘接材料；5下铁帽,图2-17 悬垂线夹和耐张线夹（a）悬垂线夹；（b）耐张线夹,（a）,（b）,“十一五”国家级规划教材,（2）耐张线夹,（3）接续金具,图2-17（b）所示为一种常见的耐张线夹。耐张线夹在线路上的具体应用情况则如图2-18所示。,这种金具主要用于导线或避雷线的两个终端的连接处，如图2-19所示的压接管、钳接管等。,图2-18耐张线夹在线路上的具体应用情况,图2-19接续金具（a）压接管；（b）钳接管,“十一五”国家级规划教材,（4）连接金具,（5）保护金具,图2-

32、20几种保护金具（a）护线条；（b）防振锤；（c）悬重锤,“十一五”国家级规划教材,二、电缆线路的结构,在人口密度大与负荷密度高的大城市及其近郊区，由于受到环境、安全、景观等多方面的限制，大多采用埋设于地下的电缆配电线路。近年来我国的大城市的城网改造中这种趋势愈来愈明显。一般来说，电缆线路的造价较之架空线路要高，而且电压等级愈高，二者的差别也愈大，且电缆线路的检修也费事、费时。但由于电缆线路不需要在地面上架设杆塔，占用土地面积少、美观、营造绿色的居住环境，且极少受到各种气象因素与外力的影响，因而供电可靠性高，对人身也较安全、更符合环保要求，等等。,电缆的构造一般包括三部分：导体、绝缘层和包护层

33、。,电缆的导体一般采用铝或铜的单股或多股线，通常用多股线。,（一）电缆的构造,“十一五”国家级规划教材,电缆绝缘层的材料有橡胶、沥青、聚乙烯（PE）、交联聚乙烯（XLPE）、聚氯乙烯（PVC）、聚丁烯、棉、麻、绸、纸、浸渍纸和矿物油、植物油等液体绝缘材料。电缆线路常用电缆的构造如图2-21所示。,图2-21 常用电缆的构造（a）铝（铜）芯线绝缘铝（铅）包钢带铠装电力电缆；（b）纸绝缘分相铝（铅）包裸钢带铠装电力电缆1导体；2相绝缘；3带绝缘；4铝（铅）包；5麻衬；6钢带铠装；7麻被；8填麻,“十一五”国家级规划教材,图2-23 XLPE电缆结构1导线；2导线屏蔽层；3XLPE绝缘层；4半导电层

34、；5铜带；6填料；7扎紧布带；8PVC外护套,图2-24 PVC电缆结构1导线；2PVC绝缘；3PVC内护套；4铠装层；5填料；6PVC外护套,“十一五”国家级规划教材,（二）电缆的附件,电缆附件主要有连接头（盒）和终端头（盒），而充油电缆则还有一整套供油系统。,图2-25 环氧树脂连接头1铝（铅）包；2线芯绝缘；3环氧树脂；4压接管,图2-26 环氧树脂户外终端头 1缆芯；2预制袖口套管；3预制模盖；4预制底壳；5环氧树脂,“十一五”国家级规划教材,输电线路的电气参数是指线路的电阻、电导、电感（电抗）和电容，通常，这些参数是均匀分布的。正确计算这些参数是线路电气计算的基础。,单根导线单位长度

35、的直流电阻计算为 式中 导线材料的电阻率，；导线的截面积，。,一、电阻,（2-1）,第二节 输电线路的电气参数,“十一五”国家级规划教材,由于从产品目录或手册中所查得的通常都是20时的电阻值，当线路实际运行的温度不等于20时，应修正其电阻值，修正式为 式中、分别为，20时的电阻，/km。电阻的温度系数。对于铝，=0.0036；对于铜，=0.00382。,二、电导,输电线路在输送功率的过程中，除了电流在线路电阻内产生有功功率损耗之外，在周围的绝缘介质中还将产生功率损耗。输电线路的电导即与后一部分功率损耗有关。,（2-2）,“十一五”国家级规划教材,具体而言，架空线路的电导，或称为泄漏电导，它主要

36、与沿绝缘子串及金具 的泄漏损耗以及电晕损耗有关，严格说来它应理解为等值电导。通常，泄漏损耗的值很小，往往可以略去不计，而线路的电晕损耗往往是决 定线路电导值的主要因素。电晕是一种气体放电现象。电晕放电是当导线的表面电场强度达到并超过一定数值时，导线周围的空气分子被游离而产生的。产生电晕需要消耗功率与能量，这就形成了电晕损耗。电晕损耗的大小与导线表面电场强度值、导线的表面状态、气象条件、导线的布置方式等因素有关，而与线路的电流值无关。,“十一五”国家级规划教材,当已知架空线路单位长度的电晕损耗后，即可计算出线路单位度的等值电导g1来，其计算式为 g1=10-3(S/km)（2-3）式中pg三相线

37、路单位长度的电晕损耗功率，kW/km；U线路的线电压，kV。,为了减少电晕损耗，应设法降低导线表面电场强度值，当导线表面电场强度值低于产生电晕的临界电场强度值时就不致发生电晕。,对于超高压输电线路而言，单纯依靠增大导线截面来限制电晕的产生是不经济的。,实践证明，采用每相导体分裂几根子导体的分裂导线结构，可降低其表面电场强度，这是目前国内外超高压输电线路上广为采用的导线形式。,“十一五”国家级规划教材,图2-27 分裂导线结构示意图（a）n=2；（b）n=2；（c）n=3；（d）n=4；n每相导线分裂根数,三、电抗,（一）两线输电线路的电感,对于图2-29所示的往返两线输电线路，单位长度电感计算

38、式为,（2-4）,“十一五”国家级规划教材,单位长度导线的内部电感，；单位长度导线的外部电感，；真空磁导率，；,导线的半径，；,式中,两导线的几何轴线距离，,。,如将0的值代入式（2-4）并适当化简后可得,（2-5）,“十一五”国家级规划教材,（二）三相输电线路的电感,1.三相导线按等边三角形布置时的电感,从物理概念出发，完全与上述往返两线输电线路的电感计算相等效。可以直接用式（2-5）来计算电感，这时三相中每相导线的电感值均完全相同。,图2-30 三角形布置的三相导线（a）等边三角形布置；（b）不等边三角形布置,图2-29 往返两线输电线路,“十一五”国家级规划教材,2.三相导线按不等边三角

39、形布置时的电感,当三相导线按不等边三角形布置，如图2-30（b）所示。若流过下列对称的三相交流时，有,（2-6）,于是，相应A相导线的电感值为,（2-9）,“十一五”国家级规划教材,同理，可求得B相、C相的电感值分别为,（2-10）,（2-11）,3.三相导线按水平布置时的电感,如图2-31所示，由于各相之间的距离并不相等，故它的电感计算可认为是上述三相不等边三角形布置的一种特例，可取D12=D，D23=D，D31=2D，并代入式（2-9）式（2-11），即可得出三相导线水平布置的各相电感的计算公式为：,“十一五”国家级规划教材,图2-31三相导线按水平方式布置,（2-12）,（2-13）,（

40、2-14）,“十一五”国家级规划教材,4.三相导线完全换位时的电感,换位就是轮流改换三相导线在杆塔上的位置，如图232所示。当线路进行完全换位时，在一次整换位循环内，各相导线将轮流地占据A、B、C相的几何位置，因而在这个长度范围内各相的电感（电抗）值就变得一样了。当线路经完全换位后，各相电感值就变得相等。,图2-32三相输电线路的一次整换位循环,“十一五”国家级规划教材,式中 三相导线经完全换位后每相导线单位长度的电感；,三相导线间的几何均距，,对于水平布置方式，由于D12=D，D23=D，D31=2D，故有,5.三相单回线路电抗的适用计算公式,（2-16）,“十一五”国家级规划教材,如将f=

41、50 Hz，=2f=250=100代入式（2-16），并将自然对数换算为常用对数后即可得,（2-17）,式（2-17）即为一般完全换位的三相单回线路电抗的适用计算公式。在计算时须注意Djp与r应取相同的单位。,由于电抗值与几何均距、导线半径之间为对数关系，所以导线在杆塔上的布置方式及导线截面积的大小对线路电抗值影响不大。通常，架空线路的电抗值一般都在0.4/km左右，在近似计算时就可取这个值。,“十一五”国家级规划教材,6.分裂导线电抗的计算公式,如前所述，对于超高压输电线路，为了降低导线表面电场强度以达到减低电晕损耗和抑制电晕干扰的目的，目前广泛采用了分裂导线。,由于电流分布的改变所引起的周

42、围电磁场的变化，使得分裂导线的电抗计算将不同于一般的导线。可以设想，如将每相导线分裂为若干根子导体，并将它们均匀布置在半径为rD的圆周上见图2-33（d），则决定每相导线电抗的将不再是每根子导体的半径r，而是圆的半径rD，这样就等效地增大了导线半径，从而减低了导线的电抗。,图2-33分裂导线（a）双分裂；（b）三分裂；（c）四分裂；（d）n分裂,“十一五”国家级规划教材,分裂导线电抗的适用计算式为,（2-22）,式中 每相导线的分裂根数（即子导体数）；分裂导线的等值半径，m；三相导线的几何均距，m。,分裂导线的等值半径 的一般计算式为,（2-23）,“十一五”国家级规划教材,式中 每根子导体的

43、半径；,各根子导体间的几何均距，它的一般计算式可根据电感计算的原理推导而得，由于较繁琐，这里从略。读者如有需要，可参阅有关书籍。根据理论推导的结果，在实际使用时，值可计算为,(2-24）,表2-2 不同布置方式时分裂导线的值,“十一五”国家级规划教材,采用分裂导线可以显著降低输电线路单位长度的电抗。,图2-34分裂导线的电抗x1值与分裂根数n的关系,四、电容和电纳,通常，架空线路的相间和相对地之间都存在着电位差，而它们之间又依靠空气等绝缘介质隔开，因而相间和相对地之间必有一定的电容存在，相应地也有一定的容性电纳存在。电容的大小与相间距离、导线截面、杆塔结构尺寸等因素有关。,“十一五”国家级规划

44、教材,（一）两线输电线路的电容,对于图2-35所示一组分别带有电荷为,的平行导线，根据静电场的原理，它们在导线A、B间所引起的电位差UAB为,式中、各平行导线单位长度所带的电荷，C/m；、各导线的计算半径，m；、各导线的间距，m；,介质的介电常数，真空的介电常数为=8.8510-12F/m，而一般电介质的相对介电常数为。,“十一五”国家级规划教材,式（2-25）将作为分析后面内容的重要基础。下面研究图2-36所示往返两线输电线路的电容。已知导体A、B的半径为rA=rB=r，另外由于是往返两线输电线路，导体的电荷间存在着qA=-qB=q的关。根据式（2-25）可知，导线A、B间的电位差为,（2-

45、26）,“十一五”国家级规划教材,根据电容的定义可知,（2-27）,将介电常数 的值代入式（2-27），再把自然对数换算成常用对数，并进行适当的单位换算后可得,（2-28）,图2-35一组带电的平行导线,图2-36往返两线输电线路,图2-37两线输电线路间的线间电容与对地电容,“十一五”国家级规划教材,式（2-28）给出了往返两线输电线路的导体A、B之间的电容量，即线间电容量，但是作为电力网计算用的等值电容都是指线对地的电容。为此，人们常设想在两导线间正好有一个零电位点处于导线间的几何中心处，因此可以把线间电容CAB看成是两个导线对地电容（即对中点N的电容）CAN及CBN相串联（见图2-37）

46、。故导线的对地电容为,（2-29）,根据式（2-28）、式（2-29）可得,（2-30）,“十一五”国家级规划教材,（二）三相输电线路的电容和电纳,（1）三相导线按等边三角形布置时,当三相导线对称布置时每相导线的对地（中性点）电容为,（2-35）,式中 C1每千米线路的相对地电容,相应的容性电纳b1为,“十一五”国家级规划教材,（2）三相导线不对称布置时 当三相导线采用如图2-40所示的不等边三角形布置或如图2-31所示的水平布置时，都属于不对称布置的情况，这时各相之间的距离一般不相等，即D12D23D31。,对于不对称布置的三相线路，,需要进行导线换位。,经推导，每根导线的对地电容为,（2-

47、45）,“十一五”国家级规划教材,或,比较式（2-30）、式（2-35）以及式（2-45）可知，对于两线输电线路、三相导线对称布置以及三相导线不对称布置这三种情况而言，其对地电容的计算公式在形式上是相同的，只是当三相导线不对称布置时，相间距离应取为导线间的几何均距而已，这与前述导线电感计算的情况相类似。这时，相应的电纳计算式为,（2-46）,“十一五”国家级规划教材,（三）分裂导线的电容和电纳,理论推导表明，采用分裂导线的线路仍可分别采用式（2-45）和式（2-46）来计算其电容与电纳，只是这时导线的半径应当用按式（2-23）所确定的等值半径rD来代替。其具体计算公式如下。,1.相对地电容,式

48、中 Djp三相导线的几何均距，m；rD分裂导线的等值半径，按式（2-23）计算，m。,（2-47）,“十一五”国家级规划教材,2.电纳,（2-48）,一般来说，采用分裂导线的线路的每相电纳，在截面相同时，要比一般线路的每相电纳大，其增大的程度与分裂根数等有关。,（四）大地对三相输电线路电容的影响,上述计算电容的公式是在没有考虑大地影响的前提下得出的。但是，由于大地的存在将使输电线路导线的电场发生畸变，从而影响到输电线路的电容值。,“十一五”国家级规划教材,首先看一看如图2-42所示由具有电荷q的单根导线与大地间所形成的电场。如果设想大地是一个无限大平面的完全导体，则大地表面可以看成是一个等位面

49、。根据电磁场理论中的“镜像法”原理，可以设想有一根虚构的镜像导线位于地面以下，它距地面的距离就等于架空导线的离地高度H。如果将大地移去而将与架空导线上的电荷大小相等但符号相反的电荷q充于假想导体上，则在架空导线与假想导体之间的中间平面将形成一个等位面，这正是原来大地的位置，这时电力线分布情况将与大地存在时完全一致。这表明完全可以用镜像法来处理大地对导线电容的影响，现进一步推导于后。设三相导线的布置如图2-43所示。导线A、B、C的电荷量分别为qA，qB，qC，导线采用完全换位，并且在换位的第一个循环中分别占据1、2、3的位置。,“十一五”国家级规划教材,图2-42大地对单根导线电场分布的影响（

50、a）单根导线的对地电场；（b）导线的镜像,图2-43利用镜像法来分析考虑,“十一五”国家级规划教材,经推导，在考虑大地影响后，每相的对地电容为,（2-55）,式中H1、H2、H3、H12、H23、H31各导线与镜像导线之间的距离，m，可参见图2-43。,“十一五”国家级规划教材,比较式（2-55）与式（2-45）可知，大地的影响将使线路的电容增大。但由于一般架空线路距地面较高，以致H12、H23、H31与H1、H2、H3的值很接近，于是分母中的第二项可以忽略不计，这样一来，式（2-55）又变成了式（2-45）。换句话说，在一般情况下大地的影响可以不考虑。,“十一五”国家级规划教材,一、双绕组变