高压输电计算教学课件

高压输电计算教学课件第一章高压输电基础概述高压输电系统是现代电力系统的核心组成部分，它通过高电压等级实现电能的远距离、大容量、高效率传输本章将介绍高压输电的基本概念、分类及其在电力系统中的重要地位高压输电的重要性与应用电力系统连接提高输电效率典型电压等级输电线路连接发电厂与负荷中心，构建电力高压输电显著降低线路损耗，同等功率下电常见电压等级包括、、69kV132kV系统骨干网络，保障电能远距离传输，实现流减小，导致损耗大幅降低，输电效率、、及特高压I²R220kV500kV800kV资源优化配置显著提升以上，电压等级选择取决于输送距1000kV离与功率输电线路的分类123短线路中线路长线路长度不超过公里长度在公里之间长度超过公里5050-150150电压等级低于电压等级在之间电压等级在以上20kV20kV-100kV100kV计算模型特点可忽略电容效应，仅考虑电计算模型特点需考虑电容效应，采用型计算模型特点采用分布参数模型，考虑、πR阻和电感参数或型等效电路、、均匀分布R LT LC G适用场景城市配电网、工厂内部配电系统适用场景区域性输电网络、省内骨干线路适用场景跨区域特高压输电、远距离大容量输电高压输电线路的结构组成高压输电线路由多种关键部件组成，包括导线、绝缘子、铁塔、基础、避雷线和接地装置等导线承担输送电能的功能，通常采用钢芯铝绞线；ACSR绝缘子将带电导线与铁塔隔离；铁塔支撑导线并保持足够的对地距离；避雷线保护线路免受雷击；接地装置确保系统安全运行第二章输电线路的电气参数输电线路的电气参数是进行各类计算和分析的基础，主要包括电阻、电感、R L电容和电导四个基本参数这些C G参数决定了线路的阻抗特性和传输性能线路电阻R影响因素计算公式集肤效应导线材料的电阻率直流电阻交流电流趋向于集中在导体表面•ρR_dc=ρl/A导线的长度与截面积•l A温度修正导致有效截面积减小R_t=R_20[1+αt-20]导线的工作温度•T交流电阻电阻增加约R_ac≈

1.02~

1.05R_dc2%~5%频率交流电阻高于直流电阻•高频和大截面导线效应更明显线路电感L电感的物理意义电感计算线路电感是由导线周围磁场引起的，反映了线路储存磁场能量的能力电感会导单相线路单位长度电感致电流滞后于电压，产生感抗，影响线路的阻抗特性和功率因数其中₀为真空磁导率•μ为导线间距•D为导线几何平均半径•r GMR对于多相线路，需考虑相序排列和几何位置线路电容C电容形成原理电容计算公式输电线路的电容是由导线间以及导线与大地单相线路单位长度电容之间的电场分布决定的当导线带电时，在导线表面形成电场，产生电位差，从而形成电容效应其中₀为真空介电常数，为导线间距，εD r为导线半径线路电容对系统的影响主要表现在产生容性充电电流，影响线路的无功功率平衡•引起费兰蒂效应，导致轻载长线路末端电压升高•Ferranti Effect线路电导G电导的物理意义电导特性线路电导表示绝缘介质中的有功功率损在正常工作条件下，线路电导值通常很耗，主要由两部分组成小，其影响远小于其他参数，因此在大多数计算中可以忽略不计绝缘子表面泄漏电流引起的损耗•但在以下情况下需要考虑电导的影响电晕放电引起的功率损耗•特高压线路的电晕损耗计算•恶劣天气条件如雨、雪、雾下的线•路性能评估第三章输电线路的计算模型与公式根据线路长度和电压等级的不同，输电线路可采用不同的计算模型合理选择计算模型是准确分析线路电气特性的关键本章将详细介绍短线路、中线路和长线路三种主要计算模型，以及相应的分析方法和计算公式短线路模型模型特点仅考虑串联阻抗•Z=R+jXL忽略并联导纳•Y=G+jBC适用于低电压、短距离线路＜•50km基本方程其中、为发送端电压和电流，、为接收端电压和电流，为线路总阻抗VS ISVR IRZ中线路模型型等效电路π串联部分线路总阻抗Z=R+jXL并联部分线路总电容效应集中在两端，每端电容为总电容的一半适用范围，电压50-150km20kV-100kV基本方程其中为线路总并联导纳Y=jBC长线路模型分布参数模型传输线方程长线路中，、、、参数均匀分布于R LC G线路全长，需采用分布参数模型进行分析基本特点参数均匀分布于线路全长•其中为传播常数γ电压、电流在线路上呈波动变化•存在行波现象•为衰减常数，为相位常数αβ电压调节率计算基本定义计算方法评价标准电压调节率是衡量线路电压调节性能的重要短线路配电系统通常要求不超过%VR≈IR·cosφ+IX·sinφ/VR VR5%-10%指标，定义为×100%输电系统根据电压等级不同，一般控制在中线路需考虑电容效应对电压的提升范围内3%-8%长线路采用参数法计算电压偏差超标会影响用电设备正常运行ABCD其中为发送端电压，为接收端电压标VS VR幺值或实际值传输效率计算效率定义影响因素输电线路传输效率是指接收端有功功率线路电阻线损主要来自损耗•R I²R与发送端有功功率之比负载功率因数影响线路电流•cosφ大小电压等级高电压可减小电流，降低•损耗输送功率大功率传输相对损耗较小•其中为接收端有功功率，为发送端PR PS有功功率经济电压计算实例结果分析实例计算理论计算结果为，根据标准电经验公式

1428.09kV已知，，压等级，应选择或电压等级P=400MW L=300km500kV750kV经济电压等级计算常用公式，Still cosφ=

0.9Nc=2考虑到工程实际情况、造价和运行维护等因计算素，最终选择电压等级500kV其中为传输功率，为线路长度P MWL，为功率因数，为回路数km cosφNc第四章典型计算案例解析本章将通过实际工程案例，综合应用前述章节的理论知识，展示高压输电线路设计与计算的完整流程这些案例涵盖了不同电压等级、不同线路长度和不同应用场景，旨在帮助学习者将理论知识转化为实际应用能力案例一双回路输电线路设计220kV工程背景导线选型计算设计一条双回路输电线路，线路长度，传输功率额定电流×××220kV200km I=P/√3·U·cosφ=13010³/√

32200.96，功率因数130MW

0.96=

355.47A要求计算导线选型、绝缘子盘数、过电压等级及安全裕度考虑裕度，设计电流为20%

426.56A选择导线型钢芯铝绞线额定载流量JL/G1A-400/35450A绝缘子计算安全裕度分析系统最高电压导线载流量裕度Um=252kV450-

426.56/

426.56≈

5.5%雷电过电压等级绝缘安全裕度

3.0p.u.15%操作过电压等级结论设计满足安全运行要求

2.5p.u.需要绝缘子盘数××盘N=

2523.0/

1.

37.5≈77案例二输电线路电抗与电容计算案例描述三相单回路输电线路，采用分裂导线×，导线排列为水平排列，相间距为500kV4LGJ-400/5012m电容计算电感计算单位长度电容导线参数确定单位长度电感导线直径LGJ-400/50d=

27.6mm几何平均半径×GMR r=

0.7788r=

0.

778813.8=

10.75mm分裂导线等效GMRreq=r·D₁₂·D₁₃·D₁₄^1/4=250mm线路总电容C_total=

1.20×10⁻¹¹×200×10³=

2.40μF线路总电感×⁻××其中D₁₂、D₁₃、D₁₄为子导体间距L_total=

8.1210⁷20010³=

162.4H容抗X_C=1/2πfC_total=1/2π×50×

2.40×10⁻⁶=1326Ω案例三长距离输电线路电压调节问题分析1超高压输电线路，长度，传输功率，功率因数滞后接收端电压需维持在±范围内750kV500km2000MW

0.957505%kV计算电压分布、无功补偿需求、补偿装置布置方案分布参数计算特性阻抗₀∠°Z=√Z/Y=267-3Ω传播常数⁻γ=√ZY=

0.00004+j

0.00112km¹2参数ABCD∠°A=D=coshγl=

0.

9973.2₀∠°B=Z sinhγl=

149.

587.2Ω₀∠°C=sinhγl/Z=

0.

0055987.2S电压分布计算无补偿情况下，接收端电压，发送端电压需达到787kV825kV3空载时接收端电压升高至费兰蒂效应838kV重载时接收端电压降至，超出允许范围712kV无功补偿方案需补偿无功功率Q=800Mvar补偿装置配置线路中点并联电抗器抑制费兰蒂效应400Mvar接收端并联电容器提高重载电压600Mvar变电站静止无功补偿器动态调节200Mvar输电线路电压分布曲线无补偿时电压分布无功补偿后电压分布在长距离输电线路中，电压沿线路分布通过合理配置无功补偿装置，可以显著呈非线性变化改善线路电压分布空载或轻载时电压从发送端向接收并联电抗器安装在线路中间位置，••端逐渐升高，末端电压高于发送端电吸收容性无功功率，抑制轻载时的过压费兰蒂效应电压满载或重载时电压从发送端向接收并联电容器安装在接收端附近，提••端逐渐降低，末端电压低于发送端电供感性无功功率，提高重载时的接收压端电压临界负载时电压沿线近似恒定静止无功补偿器可动态调节无功功••率，使电压保持在合理范围内合理的无功补偿不仅能改善电压分布，还能提高线路的输送容量和稳定性在实际工程中，需要根据线路特性和负载特性，优化补偿装置的类型、容量和位置第五章高压输电安全与现场操作高压输电线路的安全运行和现场操作是电力系统可靠性的重要保障本章将介绍高压输电线路的安全计算、绝缘保护、维护与故障处理等关键内容，帮助工程人员正确评估安全风险并采取有效措施现场操作涉及多种复杂情况，如带电作业、检修维护、故障排除等，这些工作需要严格遵循安全规程，确保人身安全和设备安全通过科学的计算和规范的操作，可以有效预防事故发生，保障电力系统安全稳定运行现场带电作业安全计算机械载荷计算导线应力计算导线自重载荷₁，单位导线最大应力•q=γ·A N/m•冰雪载荷q₂=γᵢ·π·d+2b·b，单位N/m风压载荷₃，单位•q=α·k·v²·d N/m合成载荷₁₂₃，其中为合成载荷，为档距，为弧垂，•q=√q+q²+q²q lf单位为截面积，为许用应力N/m A[σ]安全距离计算带电体对地最小安全距离₁•D=

0.01U+

0.3m带电体对人体最小安全距离₂•D=

0.015U+

0.4m带电作业工具最小安全距离₃•D=

0.02U+

0.5m其中为线路电压，单位•U kV带电作业是高压输电线路维护中的特殊作业形式，需要精确计算机械载荷、电气安全距离和环境条件限制在实际操作中，还需考虑人员资质、工具装备、工作流程和应急预案等因素，确保作业安全绝缘子选择与过电压保护绝缘子选择计算绝缘子数量计算其中₁为安全系数，通常取•k

1.2-

1.3₂为污秽系数，轻污区，重污区•k

1.

01.2-

1.5为系统最高电压•Uₘ•kₑ为过电压系数，雷电

2.5-

3.0，操作

1.5-

2.5•Uᵢ为单片绝缘子的耐压值避雷器选择过电压防护装置输电线路维护与故障处理1常见故障类型•绝缘击穿由雷击、污闪或老化引起•导线断线由机械应力、电蚀或疲劳引起•铁塔倒塌由极端气象或基础破坏引起•接地故障接地装置损坏或接触不良•金具故障腐蚀、变形或松动2故障诊断方法•保护装置信息分析•故障波形记录分析•故障定位装置•航空巡线与无人机检测•红外测温与紫外成像3维护流程规范定期维护•地面巡视每月1次•登杆检查每季度1次•红外测温每半年1次•绝缘测试每年1次•全面检修每3-5年1次4安全操作规程•五步安全操作法•工作票制度•安全工器具检查•临时接地与验电•防误操作闭锁输电线路的维护与故障处理是保障电力系统安全稳定运行的重要环节通过科学的维护计划和规范的操作流程，可以有效预防故障发生，提高线路可靠性；当故障发生时，通过快速准确的诊断和处理，可以最大限度减少停电范围和时间现代输电技术展望高压直流输电柔性交流输电HVDC FACTS高压直流输电技术在远距离、大容量、跨海等特殊场景中具有显著优势柔性交流输电系统通过功率电子装置动态控制输电系统无稳定性限制，输送距离可达以上静止无功补偿器快速调节无功功率•3000km•SVC线路走廊宽度减小静止同步补偿器提高暂态稳定性•40%-60%•STATCOM可实现异步电网互联统一潮流控制器综合控制有功和无功功率••UPFC线路损耗减少可提高输电容量•30%-50%•30%-40%智能电网技术数字化输电系统将现代通信、传感与控制技术与传统电网融合，实现信息化、自动化和智能化主要特点包括利用大数据、云计算、人工智能等技术实现输电系统全生命周期数字化管理自愈能力故障自动隔离与恢复数字孪生虚拟映射物理设备••分布式管理灵活适应各类发电方式状态监测在线评估设备健康状态••高级量测基础设施预测性维护减少非计划停电•AMI•智能输电线路监测系统智能传感技术数据分析与应用现代输电线路监测系统采用多种传感器通过大数据分析技术，智能监测系统可实时监测线路状态实现导线温度传感器监测导线热容量动态容量评估根据实时气象和负荷••调整额定容量应变传感器监测机械应力和振动•故障预警识别潜在风险并提前预警气象传感器监测风速、温度、湿度••寿命评估基于实际运行状况评估设倾角传感器监测杆塔倾斜度••备剩余寿命局部放电传感器监测绝缘状态•智能巡检结合无人机和图像识别技•术自动检测异常决策支持为运行维护提供数据支持•智能监测系统能够提高输电线路的可观测性和可控性，实现从计划维护向状态维护、从事后处理向预测预防的转变，大幅提升输电系统的安全性、可靠性和经济性课程总结基础知识电气参数掌握高压输电的基本概念、分类及重要性，理解深入理解线路电阻、电感、电容、电导的物理意输电线路的结构组成及功能义及计算方法，分析其对线路性能的影响计算模型技术展望掌握短线路、中线路、长线路三种基本计算了解高压直流输电、柔性交流输电、智能电模型及其适用条件，能够正确选择和应用模网等现代输电技术的发展趋势及应用前景型安全操作关键计算了解高压输电线路的安全要求、维护规程及故障熟练掌握电压调节率、传输效率、经济电压等关处理方法，确保系统安全稳定运行键指标的计算方法，并能结合实际工程进行分析通过本课程的学习，学生应能够理论联系实际，综合运用所学知识解决实际工程问题，为电力系统的设计、运行与维护奠定坚实基础谢谢聆听！欢迎提问与讨论30100+5课时计算示例主题模块系统全面的高压输电计算理论与实践课程丰富的工程实例与详细计算过程从基础理论到前沿技术的全面覆盖如有疑问，欢迎随时提问您也可以通过以下方式获取更多学习资源课程网站•www.powerengineering.edu.cn/hv-transmission参考教材《高压输电线路设计与计算》，电力出版社•实验室开放时间每周

二、四下午•14:00-17:00。