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建模 输电线路等值电路

时间:2022-12-23 20:55:28浏览次数:54  
标签:电感 frac 传输线 电阻 损耗 建模 输电 线路 等值

综述

输电线路是电力系统中的重要一环,实现对线路的建模,尤为重要。将实物可见的输电线变成电路模型,这个过程本身而言就是一种对实物理解加深的过程。因此,将基于线路实物,分析其发生的物理过程,建立电路及数学模型,并给出求解模型参数的方法,实现对输电线路的建模。

准备工作

首先,需要先明确手头的工具有哪些。依据《电路》,知道基本的电路元件有:

  1. 电阻(电导)
  2. 电感
  3. 电容
  4. 电流源
  5. 电压源

之所以称其为基本元件,原因在于任何一种电力设备都可以转换成用其表达的形式。这其中,电阻、电导、电感、电容都是无源元件,而输电线路也是一种无源设备,因此将采用这三种元件进行建模。为此,需要搞清楚这三种元件分别代表了什么。

电阻

根据欧姆定律

\[R = \frac{U}{I} \]

电阻定义为一段导体两端的电势差与流过该导体的电流的比值,反映的物理意义在于:流过导体的电流所产生的有功功率损耗。同样的,也定义有反映有功功率损耗的电导

\[G = \frac{I}{U} = \frac{1}{R} \]

与电阻对比,电导产生有功功率损耗的先导原因在于电压,即施加在导体两端电压所产生的有功功率损耗。

电感

电感的定义式为

\[L = \frac{\psi}{i} \]

其中,\(\psi\) 为电流 \(i\) 产生的磁链。因此,电感可以理解为一种比例系数,这个比例系数反映了一段导体流过多少电流,就会对应产生多少的磁链。换句话说,电感反映了导体产生的磁场效应。

对于电感的计算,常采用下面的式子进行,请注意,这些关系在电力系统乃至与电磁相关的方面应用甚为广泛

\[\begin{equation} \begin{gathered} L = \frac{\psi}{i} \\ \psi = n \cdot\ \phi \\ \phi = \frac{F}{R_m} \\ F = H \cdot i \end{gathered} \end{equation} \]

事实上,这些公式不过是麦克斯韦方程组和欧姆定律的不同表现形式罢了,或者也可以这样说,麦克斯韦方程组和欧姆定律是电磁学的第一性原理(之二?)

电容

与电感对称,电容更多的是为反映导体产生的电场效应,电容定义为

\[C = \frac{Q}{U} \]

电容也理解为一种比例系数,即一段导体施加多少电压,就对应积累多少电荷。

传输线路物理现象

分析完上述三种基本元件后,再看传输线路,在传输线路上发生着怎样的物理过程?

首先,电流流过传输线,在传输线上必然产生一定的电压损耗,反映为有功损耗。有功损耗的产生是由电阻产生,也由电阻反映出来,甚至可以这样认为,正是由于传输线路上的电压损耗,才导致电阻的出现。同时,这部分有功损耗是由于电流流过产生的,因此,在传输线路的等值电路中,需要有串联的电阻。

其次,再分析,有功损耗只有这些吗?显然不是的。在导线和大地之间,存在着泄漏电流,尽管由于传输线路的绝缘、空气绝缘的存在,这部分泄漏电流并不大,但是,忽略不忽略是计算的事情,建模是要追求精确的。同时,对于高压线路,传输线周围还会存在有电晕现象,即由于空气电离产生的损耗。这一部分也需要考虑进去。再看这两部分损耗产生的原因,在于传输线对地保持的高电压。因此,适合用并联的电阻表示。为了计算,采用物理意义和电阻相同的电导。

然后,有电流存在的地方必然有磁场,因此,为了表述由于电流产生的磁场效应,在模型中串联入电感。

同理,由于传输线对地的高电压,将传输线和大地视为两电极,必然有电场效用,在模型中并入电容。

传输线等值电路

由上述分析,可以得到传输线路的等值电路

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注意,这里是一种分布参数模型,即电阻、电感、电导、电容都是单位长度的值。这是因为在漫长的传输线中,必不可能保证传输线路的每一段都有着相同的参数。例如,由于海拔、湿度的影响,电导对应的空气电离程度不同,产生的损耗不同。因此采用分布参数模型。

这种模型必然是准确的,但是,未必是最好的。为了便于计算,存在有传输线路的集总参数模型,这将在后续进行说明。

接下来,需要解决的是怎样计算这些参数。


未完待续

以上内容为学习电力系统分析时的笔记与心得,如有错误,恳请指正。

标签:电感,frac,传输线,电阻,损耗,建模,输电,线路,等值
From: https://www.cnblogs.com/VicoZhang/p/17001602.html

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