電力系統(tǒng)無功功和電壓調(diào)整

第五章電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整本章主要介紹電力系統(tǒng)各元件的無功功率--電壓特性，無功功率平衡，以及各種調(diào)壓措施的原理及應(yīng)用。電壓偏移過大對電力系統(tǒng)本身以及用電設(shè)備會(huì)帶來不良的影響。效率下降，經(jīng)濟(jì)性變差。電壓過高，照明設(shè)備壽命下降，影響絕緣。電壓過低，電機(jī)發(fā)熱。系統(tǒng)電壓崩潰不可能使所有節(jié)點(diǎn)電壓都保持為額定值。設(shè)備及線路壓降負(fù)荷波動(dòng)運(yùn)行方式改變無功不足電力系統(tǒng)一般規(guī)定一個(gè)電壓偏移的最大允許范圍，例如:35kV及以上供電電壓正負(fù)偏移的絕對值之和不超過10%;10kV及以下在±7%以內(nèi)。第一節(jié)電壓調(diào)整的必要性圖5-1沿線路各點(diǎn)電壓的變化第二節(jié)電力系統(tǒng)的無功功率平衡電壓是衡量電能質(zhì)量的重要指標(biāo)。電力系統(tǒng)的運(yùn)行電壓水平取決于無功功率的平衡。系統(tǒng)中各種無功電源的無功出力應(yīng)能滿足系統(tǒng)負(fù)荷和網(wǎng)絡(luò)損耗在額定電壓下對無功功率的需求，否則電壓就會(huì)偏離額定值。一、無功功率負(fù)荷和無功功率損耗1．無功功率負(fù)荷異步電動(dòng)機(jī)圖5-2異步電動(dòng)機(jī)的簡化等值電路jX電壓下降,轉(zhuǎn)差增大,定子電流增大.圖5-3異步電動(dòng)機(jī)的無功功率與端電壓的關(guān)系受載系數(shù):實(shí)際負(fù)載和額定負(fù)載之比.在額定電壓附近，電動(dòng)機(jī)的無功功率隨電壓的升降而增減2．變壓器的無功損耗假定一臺(tái)變壓器的空載電流I0%=2.5，短路電壓VS%=10.5，在額定滿載下運(yùn)行時(shí)，無功功率的消耗將達(dá)額定容量的13%。如果從電源到用戶需要經(jīng)過好幾級變壓，則變壓器中無功功率損耗的數(shù)值是相當(dāng)可觀的。3．輸電線路的無功損耗圖5-4輸電線路的π型等值電路線路的無功總損耗為一般情況下，35kV及以下系統(tǒng)消耗無功功率；110kV及以上系統(tǒng)，輕載或空載時(shí)，成為無功電源，傳輸功率較大時(shí)，消耗無功功率。二、無功功率電源電力系統(tǒng)的無功功率電源有發(fā)電機(jī)、同步調(diào)相機(jī)、靜電電容器及靜止補(bǔ)償器，后三種裝置又稱為無功補(bǔ)償裝置。1.發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)在額定狀態(tài)下運(yùn)行時(shí)，可發(fā)出無功功率：發(fā)電機(jī)在非額定功率因數(shù)下運(yùn)行時(shí)可能發(fā)出的無功功率。圖5-5發(fā)電機(jī)的P-Q極限當(dāng)發(fā)電機(jī)低于額定功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，能增加輸出的無功功率，但發(fā)電機(jī)的視在功率因取決于勵(lì)磁電流不超過額定值的條件，將低于其額定值。當(dāng)發(fā)電機(jī)高于額定功率因數(shù)運(yùn)行時(shí)，勵(lì)磁電流不再是限制條件，原動(dòng)機(jī)的機(jī)械功率又成了限制條件。發(fā)電機(jī)只有在額定電壓、額定電流和額定功率因數(shù)（即運(yùn)行點(diǎn)C）下運(yùn)行時(shí)視在功率才能達(dá)到額定值，使其容量得到最充分的利用。2.同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī)相當(dāng)于空載運(yùn)行的同步電動(dòng)機(jī)。在過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)，它向系統(tǒng)供給感性無功功率而起無功電源的作用，能提高系統(tǒng)電壓；在欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)（欠勵(lì)磁最大容量只有過勵(lì)磁容量的（50%～65%）)，它從系統(tǒng)吸取感性無功功率而起無功負(fù)荷作用，可降低系統(tǒng)電壓。它能根據(jù)裝設(shè)地點(diǎn)電壓的數(shù)值平滑改變輸出（或吸?。┑臒o功功率，進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。因而調(diào)節(jié)性能較好。缺點(diǎn)：同步調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)機(jī)械，運(yùn)行維護(hù)比較復(fù)雜；有功功率損耗較大，在滿負(fù)荷時(shí)約為額定容量的(1.5~5)%，容量越小，百分值越大；小容量的調(diào)相機(jī)每kVA容量的投資費(fèi)用也較大。故同步調(diào)相機(jī)宜大容量集中使用，容量小于5MVA的一般不裝設(shè)。同步調(diào)相機(jī)常安裝在樞紐變電所。QC=V

2/XC缺點(diǎn)：電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能比較差。優(yōu)點(diǎn)：靜電電容器的裝設(shè)容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安裝。且電容器每單位容量的投資費(fèi)用較小，運(yùn)行時(shí)功率損耗亦較小，維護(hù)也較方便。3.靜電電容器靜電電容器可按三角形和星形接法連接在變電所母線上。它供給的無功功率QC值與所在節(jié)點(diǎn)電壓的平方成正比，即靜止補(bǔ)償器由靜電電容器與電抗器并聯(lián)組成電容器可發(fā)出無功功率，電抗器可吸收無功功率，兩者結(jié)合起來，再配以適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)裝置，就能夠平滑地改變輸出（或吸收）的無功功率。4.靜止補(bǔ)償器圖5-6靜止無功補(bǔ)償器的原理圖(a)可控飽和電抗器型；(b)自飽和電抗器型；(c)可控硅控制電抗器型；(d)可控硅控制電抗器和可控硅投切電容器組合型三、無功功率平衡電力系統(tǒng)無功功率平衡的基本要求：系統(tǒng)中的無功電源可以發(fā)出的無功功率應(yīng)該大于或至少等于負(fù)荷所需的無功功率和網(wǎng)絡(luò)中的無功損耗。Qres>0表示系統(tǒng)中無功功率可以平衡且有適量的備用；Qres<0表示系統(tǒng)中無功功率不足，應(yīng)考慮加設(shè)無功補(bǔ)償裝置。無功不足應(yīng)采取的措施電力系統(tǒng)的無功功率平衡應(yīng)分別按正常運(yùn)行時(shí)的最大和最小負(fù)荷進(jìn)行計(jì)算。經(jīng)過無功功率平衡計(jì)算發(fā)現(xiàn)無功功率不足時(shí)，可以采取的措施有：要求各類用戶將負(fù)荷的功率因數(shù)提高到現(xiàn)行規(guī)程規(guī)定的數(shù)值。挖掘系統(tǒng)的無功潛力。例如將系統(tǒng)中暫時(shí)閑置的發(fā)電機(jī)改作調(diào)相機(jī)運(yùn)行；動(dòng)員用戶的同步電動(dòng)機(jī)過勵(lì)磁運(yùn)行等。根據(jù)無功平衡的需要，增添必要的無功補(bǔ)償容量，并按無功功率就地平衡的原則進(jìn)行補(bǔ)償容量的分配。小容量的、分散的無功補(bǔ)償可采用靜電容電器；大容量的、配置在系統(tǒng)中樞點(diǎn)的無功補(bǔ)償則宜采用同步調(diào)相機(jī)或靜止補(bǔ)償器。圖5-10等值電路和相量圖四、無功功率平衡和電壓水平的關(guān)系問題：在什么樣的電壓水平下實(shí)現(xiàn)無功功率平衡？QGC=QLD+QL例:隱極機(jī)經(jīng)過一段線路向負(fù)荷供電當(dāng)P為一定值時(shí)，得圖5-11無功平衡與電壓水平應(yīng)該力求實(shí)現(xiàn)在額定電壓下的系統(tǒng)無功功率平衡。例5－1異步電機(jī)無功發(fā)電機(jī)無功第三節(jié)電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整一、電力系統(tǒng)電壓偏移的原因及影響1．造成電壓偏移的原因設(shè)備及線路壓降負(fù)荷波動(dòng)運(yùn)行方式改變無功不足或過剩2．電壓偏移的影響電壓偏移，效率下降，經(jīng)濟(jì)性變差。電壓過高，照明設(shè)備壽命下降，影響絕緣。電壓過低，電機(jī)發(fā)熱。系統(tǒng)電壓崩潰。圖5-15“電壓崩潰”現(xiàn)象35kV及以上電壓供電負(fù)荷:

±5%10kV及以下電壓供電負(fù)荷:

±7%低壓照明負(fù)荷:農(nóng)村電網(wǎng):+5%~-10%+7.5%~-10%3我國規(guī)定的允許電壓偏移二、中樞點(diǎn)的電壓管理電壓中樞點(diǎn)：指那些能夠反映和控制整個(gè)系統(tǒng)電壓水平的節(jié)點(diǎn)（母線）。1．電壓中樞點(diǎn)的選擇一般可選擇下列母線作為電壓中樞點(diǎn)：大型發(fā)電廠的高壓母線；樞紐變電所的二次母線；有大量地方性負(fù)荷的發(fā)電廠母線。例：中樞點(diǎn)中樞點(diǎn)圖5-16

電力系統(tǒng)的電壓中樞點(diǎn)2．中樞點(diǎn)電壓和負(fù)荷電壓的關(guān)系圖5-17負(fù)荷電壓與中樞點(diǎn)電壓中樞點(diǎn)i的電壓滿足Vimin≤Vi≤Vimax中樞點(diǎn)i的最低電壓Vimin等于在地區(qū)負(fù)荷最大時(shí)某用戶允許的最低電壓Vmin加上到中樞點(diǎn)的電壓損耗△Vmax。中樞點(diǎn)i的最高電壓Vimax等于地區(qū)負(fù)荷最小時(shí)某用戶允許的最高電壓Vmax加上到中樞點(diǎn)的電壓損耗△Vmin。簡單電力網(wǎng)電壓損耗例只滿足i節(jié)點(diǎn)負(fù)荷時(shí)，中樞點(diǎn)電壓VO應(yīng)維持的電壓為只滿足j節(jié)點(diǎn)負(fù)荷時(shí)，中樞點(diǎn)電壓VO應(yīng)維持的電壓為同時(shí)考慮i、j兩個(gè)負(fù)荷對O點(diǎn)的要求，可得出O點(diǎn)電壓的變化范圍。圖5-19中樞點(diǎn)O電壓容許變化范圍中樞點(diǎn)O到i及j變電所的電壓損耗不大時(shí)的電壓變化范圍；中樞點(diǎn)O到i及j變電所的電壓損耗相差較大時(shí)的電壓變化范圍3．中樞點(diǎn)電壓調(diào)整的方式中樞點(diǎn)電壓調(diào)整方式一般分為三類：逆調(diào)壓、順調(diào)壓和常調(diào)壓。(1)逆調(diào)壓最大負(fù)荷時(shí)升高電壓，但不超過線路額定電壓的105%，即1.05VN；最小負(fù)荷時(shí)降低電壓，但不低于線路的額定電壓，即1.0VN。順調(diào)壓最大負(fù)荷時(shí)降低電壓，但不低于線路額定電壓的2.5%，即1.025VN；最小負(fù)荷時(shí)升高電壓，但不超過線路額定電壓的7.5%，即1.075VN。常調(diào)壓電壓保持在較線路額定電壓高2%~5%的數(shù)值，即(1.02~1.05)VN，不隨負(fù)荷變化來調(diào)整中樞點(diǎn)的電壓。三、電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整1．電壓調(diào)整的基本原理圖5-20電壓調(diào)整原理圖調(diào)節(jié)發(fā)電機(jī)勵(lì)磁電流以改變發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓VG；改變變壓器的變比k1、k2；改變功率分布P+jQ（主要是Q），使電壓損耗△V變化；改變網(wǎng)絡(luò)參數(shù)R+jX（主要是X），改變電壓損耗△V。電壓調(diào)整的措施：圖5-21多級變壓供電系統(tǒng)的電壓損耗分布一．改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓根據(jù)運(yùn)行情況調(diào)節(jié)勵(lì)磁電流來改變機(jī)端電壓。適合于由孤立發(fā)電廠不經(jīng)升壓直接供電的小型電力網(wǎng)。在大型電力系統(tǒng)中發(fā)電機(jī)調(diào)壓一般只作為一種輔助性的調(diào)壓措施。第四節(jié)利用發(fā)電機(jī)和變壓器調(diào)壓15%~35%二、變壓器分接頭的選擇改變變壓器的變比調(diào)壓實(shí)際上就是根據(jù)調(diào)壓要求適當(dāng)選擇分接頭。1．降壓變壓器分接頭的選擇圖5-22降壓變壓器k

=V1t/V2N最大運(yùn)方最小運(yùn)方平均根據(jù)V1t.av值可選擇一個(gè)與它最接近的分接頭。然后根據(jù)所選取的分接頭校驗(yàn)最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時(shí)低壓母線上的實(shí)際電壓是否滿足要求。例5-2k

=V1t/V2N圖5-24升壓變壓器2．升壓變壓器分接頭的選擇選擇升壓變壓器分接頭的方法與選擇降壓變壓器的基本相同。例5－3例5－4有載調(diào)壓變壓器可以在帶負(fù)荷的條件下切換分接頭而且調(diào)節(jié)范圍也比較大，一般在15%以上。目前我國暫定，110kV級的調(diào)壓變壓器有7個(gè)分接頭，即VN±3×2.5%；220kV級的有9個(gè)分接頭即VN±4×2.0%。采用有載調(diào)壓變壓器時(shí)，可以根據(jù)最大負(fù)荷算得的V1tmax值和最小負(fù)荷算得的V1tmin分別選擇各自合適的分接頭。這樣就能縮小次級電壓的變化幅度，甚至改變電壓變化的趨勢。三、有載調(diào)壓變壓器例5－5注意：只有當(dāng)系統(tǒng)無功功率電源容量充足時(shí)，用改變變壓器變比調(diào)壓才能奏效。圖5-33簡單的電力系統(tǒng)圖因此，當(dāng)系統(tǒng)無功功率不足時(shí)，首先應(yīng)裝設(shè)無功功率補(bǔ)償設(shè)備。第五節(jié)無功功率補(bǔ)償調(diào)壓圖5-34簡單電力網(wǎng)的無功功率補(bǔ)償一、利用并聯(lián)補(bǔ)償調(diào)壓供電點(diǎn)電壓V1和負(fù)荷功率Ｐ+jQ已給定，線路電容和變壓器的勵(lì)磁功率略去不計(jì)。且不計(jì)電壓降落的橫分量。補(bǔ)償前如果補(bǔ)償前后V1保持不變，則有歸算到高壓側(cè)的變電所低壓側(cè)電壓補(bǔ)償后由上式可解得忽略第二項(xiàng)由此可見:補(bǔ)償容量與調(diào)壓要求和降壓變壓器的變比選擇均有關(guān)。變比k的選擇原則：在滿足調(diào)壓的要求下，使無功補(bǔ)償容量為最小。無功補(bǔ)償設(shè)備的性能不同，選擇變比的條件也不相同。1.補(bǔ)償設(shè)備為靜電電容器為了充分利用補(bǔ)償容量，在最大負(fù)荷時(shí)電容器應(yīng)全部投入，在最小荷時(shí)全部退出。首先，根據(jù)調(diào)壓要求，按最小負(fù)荷時(shí)沒有補(bǔ)償?shù)那闆r確定變壓器的分接頭。于是(據(jù)此選擇分接頭V1t)（確定變比）其次，按最大負(fù)荷時(shí)的調(diào)壓要求計(jì)算補(bǔ)償容量然后，根據(jù)算得的補(bǔ)償容量，從產(chǎn)品目錄中選擇合適的設(shè)備。最后，根據(jù)確定的變比和選定的靜電電容器容量，校驗(yàn)實(shí)際的電壓變化。2.補(bǔ)償設(shè)備為同步調(diào)相機(jī)首先確定變比k最大負(fù)荷時(shí)，同步調(diào)相機(jī)容量為：最小負(fù)荷時(shí)調(diào)相機(jī)容量應(yīng)為：兩式相除，得：由此可解出：確定實(shí)際變比據(jù)此確定分接頭電壓V1t在高壓電力網(wǎng)中，電抗遠(yuǎn)大于電阻， 中無功功率引起的QX/V分量就占很大的比重。在這種情況下，減少輸送無功功率可以產(chǎn)生比較顯著的調(diào)壓效果。反之，對截面不大的架空線路和所有電纜線路，用這種方法調(diào)壓就不合適。特別注意例5-6二、線路串聯(lián)電容補(bǔ)償改善電壓質(zhì)量未加串聯(lián)電容前串聯(lián)了容抗XC后因此，根據(jù)線路末端電壓需要提高的數(shù)值（ΔV-ΔVc），就可求得需要補(bǔ)償?shù)碾娙萜鞯娜菘怪礨C。如果每臺(tái)電容器的額定電流為INC，額定電壓為VNC，額定容量為QNC=VNCINC，則可根據(jù)通過的最大負(fù)荷電流Icmax和所需的容抗值XC分別計(jì)算電容器串、并聯(lián)的臺(tái)數(shù)n，m以及三相電容器的總?cè)萘縌C。圖5-37串聯(lián)電容器組確定線路上串聯(lián)接入的電容器的個(gè)數(shù)：三相總共需要的電容器臺(tái)數(shù)為3mn。安裝時(shí)，全部電容器串、并聯(lián)后裝在絕緣平臺(tái)上。nVNC≥ICmaxXCmINC≥ICmax圖5-38串聯(lián)電容補(bǔ)償前后的沿線電壓分布（a）負(fù)荷集中在線路末端（b）沿線路有若干個(gè)負(fù)荷電容器安裝地點(diǎn)的選擇：使沿線電壓盡可能均勻串聯(lián)電容器提升的末端電壓的數(shù)值QXC/V(即調(diào)壓效果)隨無功負(fù)荷增大而增大、無功負(fù)荷的減小而減小，恰與調(diào)壓的要求一致。這是串聯(lián)電容器調(diào)壓的一個(gè)顯著優(yōu)點(diǎn)。但對負(fù)荷功率因數(shù)高(cosφ>0.95)或?qū)Ь€截面小的線路，由于PR/V分量的比重大，串