Transmission Line Models


transmission line models
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line equations
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π equivalent circuit
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with losses
lossless model
exact π equivalent
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approx. π eqivalent
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with losses
lossless model
with losses
lossless model

Line Equations

The line equations give values  U(z)  and  I(z)  for any point  z  along the line.
         
here:   U(z) ,  UAUE : line-to-ground-voltages

with losses

 U( z ) =  UE · cosh( γ z ) +  IE · Z0 · sinh( γ z )
 
 I( z ) =   IE · cosh( γ z ) +  ( UE / Z0 ) · sinh( γ z ) 

 Z0  =  sqrt(  R' + j ω L'  ) ;       ω  =  2 π f 
G' + j ω C'

 Z0 : characteristic impedance
 R' : resistance [ Ohm / km ]     L' : inductance [ mH / km ]
 G' : conductance[ mhO / km ]     C' : capacitance[ nF / km ]


 γ  =  sqrt(  ( R' + j ω L' ) · ( G' + j ω C' )  )  =  α + j β 

 γ =  α + j β  : propagation constant
 α : attenuation constant [ 1 / km ]     β : phase constant [ ° / km ]

cosh γ  =  ( e γ + e -γ ) / 2 ;       sinh γ  =  ( e γ − e -γ ) / 2

e γ  =  e α + j β  =  e α · e j β  =  e α · ( cos β + j sin β )


lossless line

 R'  =  0 ;    G'  =  0    =>

 Z0  =  sqrt(   R' + j ω L'   )  =  sqrt( L' / C' )  =  Z0   (pure resistance)
G' + j ω C'

  γ  =  sqrt(  ( R' + j ω L' ) · ( G' + j ω C' )  )  =  α + j β  =  0  +  j ω · sqrt( L' · C' )

  γ  =   j β ;     cosh( j β )  =  cos β ;     sinh( j β )  =  ( e - e -jβ ) / 2  =  j sin β ;


 U( z ) =  UE · cos( β z ) +  j IE · Z0 · sin( β z )
 
 I( z ) =   IE · cos( β z ) +  j ( UE / Z0 ) · sin( β z ) 
 
 Z0  =  sqrt( L' / C' ) ;       β  =  ω · sqrt( L' · C' ) 


Power ( 3-phase )

S( z )  =   P( z ) + j Q( z )   =   3 · U( z ) · I*( z ) 
 
   =   3 · ( Re{ U(z) } + j Im{ U(z) } ) · ( Re{ I(z) } - j Im{ I(z) } )
 
   =   3 · ( Re{ U(z) } · Re{ I(z) } + Im{ U(z) } · Im{ I(z) } )
 
   + j 3 · ( Im{ U(z) } · Re{ I(z) } − Re{ U(z) } · Im{ I(z) } )



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400 kV overhead line ( 200 km )

zero load

PE = 0 MW ;   QE = 0 Mvar

| UE | = 400 kV   >   | UA | = 390.8 kV

QA =  −141 Mvar   <   0 ( capacitive )

PA = 281 kW ;   δ = 0.17°

lossless line

PA = 0 kW ;   δ = 0°

dU / dP ; dU / dQ

ΔPE ΔQE | UA | ΔUA
0 MW 0 Mvar 390.8 kV 0 kV
+100 MW 0 Mvar 392.6 kV 1.8 kV
0 MW +100 Mvar 403.4 kV +12.6 kV
0 MW −100 Mvar 378.2 kV −12.6 kV

=> dU / dP << dU / dQ


natural load / surge impedance load

Q(z) = 0 Mvar ;   IN = 2.58 kA ;   I / IN ≈ 40 %

low load: QA ( − QE ) < 0   capacitive
high load:   QA ( − QE ) > 0 inducitive

maximum load:

Qloss > 0   inductive


220 kV (underground) cable ( 20 km )

zero load

QA = −84 Mvar ;   IN = 0.315 kA ;   I / IN ≈ 71 %

maximum load:

Qloss < 0   capacitive


π equivalent circuit

The equivalent circuit gives values only for the (receiving and sending end) terminals of the line.
     

exact π equivalent

  UA  =  U( z = l ) ;       g  =  γ · l ;       l = line length

 UA  =  UE · ( 1. + ZL / ZQ )  +  IE · ZL
 
 UA  =  UE ·       cosh g  +  IE · Z0 · sinh g

  cosh g  =  1. + ZL / ZQ ;     Z0 · sinh g  =  ZL


 ZQ  =  
ZL
 =  Z0 ·
sinh g
cosh g  -  1.cosh g  -  1.


 ZL  =  Z0 · sinh g ;      ZQ  =  Z0 · sinh g
cosh g  -  1. 


lossless

 b  =  β · l ;     ZL  =  j XL  =  j Z0 · sin b ;     ZQ  =  j XC  =  j Z0 · sin b
cos b  -  1. 


approx. π equivalent

 Simplified calculation of the impedances without trigonometrical functions for  l < 200 km

 sinh g  ≈  g     for small values of g  (Taylor series)

 ZL  =  Z0 · sinh g  ≈  Z0 · g  =  ( R' + j ω L' ) · l

 cosh g  ≈  1. + g2 / 2     for small values of g  (Taylor series)

 ZQ  =  Z0 · sinh g  ≈  Z0 · g  =  2 · Z0 / g  =  2
cosh g  -  1. g2 / 2 ( G' + j ω C' ) · l

 ZL  ≈  ( R' + j ω L' ) · l ;      ZQ  ≈  2
( G' + j ω C' ) · l 


lossless

 R'  =  0 ;    G'  =  0    =>

 ZL  =  j XL ;     XL  ≈  ω L' · l ;       ZQ  =  j XC ;     XC  ≈  - 2 / ( ω C' · l )   <   0