第10章 電力系統(tǒng)電壓

第2篇電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析Part2Steadyanalysis

電力系統(tǒng)的潮流 電力系統(tǒng)的頻率

電力系統(tǒng)的電壓第10章電力系統(tǒng)的電壓

10.1電力系統(tǒng)電壓概述

電壓質(zhì)量

電壓偏移、電壓波動、電壓閃變 電網(wǎng)諧波和三相不對稱 內(nèi)容無功功率平衡、電壓管理和調(diào)壓保證電壓質(zhì)量的條件首先應(yīng)有充足的無功電源無功電源的配置要合理必要的電壓調(diào)整措施10.1.1無功功率負(fù)荷與電壓的關(guān)系

有功平衡與無功平衡

全系統(tǒng)只有一個頻率 各節(jié)點電壓不同 系統(tǒng)節(jié)點電壓的變動主要由無功功率變動引起 書上式（10-5）表明 節(jié)點電壓特性曲線10.1.2電壓偏移的危害電動機：如下圖所示

電源電壓下降→電流上升→功率下降（防止發(fā)熱） 負(fù)荷U↓?轉(zhuǎn)差率s↑?I↑?溫升↑?η↓10.1.3電壓偏移的標(biāo)準(zhǔn)

所有節(jié)點電壓額定是不可能的 一般用電設(shè)備允許一定的電壓偏移 電壓偏移的標(biāo)準(zhǔn)

正常運行電壓偏移小、事故運行方式電壓偏移大 系統(tǒng)電壓不能低、負(fù)荷側(cè)電壓不能高我國運行規(guī)程規(guī)定：（1）500(330)kV母線正常運行時，最高運行電壓不

得超過系統(tǒng)額定電壓的10％；最低運行電壓不應(yīng)影 響電力系統(tǒng)功角穩(wěn)定、電壓穩(wěn)定、廠用電的正常使 用及下一級電壓的調(diào)節(jié)。（2）發(fā)電廠和500kV變電所的220kV母線，正常運 行方式時，電壓允許偏移為系統(tǒng)額定電壓的0～＋

10％；事故運行方式時為系統(tǒng)額定電壓的－5～＋

10％。（3）發(fā)電廠和220（330）kV變電所的110～35kV母（5）發(fā)電廠和變電所的10（6）kV母線應(yīng)使用戶電壓符合（4）中用戶電壓的規(guī)定值。線，正常運行方式時，電壓允許偏移為相應(yīng)額定電壓的－3～＋7％；事故運行方式時為系統(tǒng)額定電壓的±10%。（4）用戶受電端的電壓允許偏移值如下：35kV及以 上用戶的電壓偏移不大于10%；10kV用戶為系統(tǒng)額 定電壓的±7%

；0.38kV用戶為系統(tǒng)額定電壓的±7%；

0.22kV用戶為系統(tǒng)額定電壓的?10~+5%。

10.2電力系統(tǒng)中無功功率的平衡與補償

QG=QL+ΔQL10.2.1電力系統(tǒng)中無功功率負(fù)荷和無功功率損耗1、無功功率負(fù)荷系統(tǒng)中主要的負(fù)荷（特別是無功負(fù)荷）是異步電動機，異步電動機吸收無功。其消耗的無功功率為

無功電壓特性曲線為2.變壓器中的無功功率損耗

1）勵磁支路損耗，近似為I0％，約為1～2％SN；

2）繞組漏抗中的損耗，變壓器通過額定負(fù)荷時，基本上與短路電壓的百分值相等，約10％SN；

因此一臺變壓器總的無功損耗，在變壓器滿載時約為11~12%SN。

對多電壓級網(wǎng)絡(luò)，其值更是可觀！其典型計算結(jié)果為：所有變壓器都滿載半載變壓器勵磁支路損耗7%7%變壓器繞組中漏抗損耗50%12.5%變壓器總無功損57%19.5%變壓器總損耗/變壓器負(fù)荷57/10019.5/100因此，變壓器的無功損耗占總負(fù)荷的比例相當(dāng)高。比有功損耗大得多。（有功損耗一般10%左右）例：3.輸電線路的無功功率損耗

?U1

?U2P1+jQ1Y 2Y 2一般35kV及以下架空線充電功率很小，這種線路吸收無功。110kV及以上線路當(dāng)傳輸功率較大時，電抗中消耗的無功功率大于充電功率，因而吸收無功；當(dāng)線路負(fù)載較輕時，充電功率大于電抗中消耗的無功功率，線路成為無功電源。10.2.2電力系統(tǒng)中的無功電源1、發(fā)電機

QGN=SGNsin?N=PGNtg

?N正常發(fā)電機以滯后功率因數(shù)運行特殊運行：進(jìn)相運行。吸收系統(tǒng)中多余的無功功率2.調(diào)相機過激（勵）運行：提供無功功率欠激（勵）運行：吸收無功功率，欠激時的最大容量為過激容量的50~65%。缺點：旋轉(zhuǎn)設(shè)備運行維護比較復(fù)雜； 有功損耗較大，P=1.5~5%額定容量；

增大系統(tǒng)短路時的短路電流；投資大。

我國調(diào)相機一般裝在大型樞紐變電所，以便平滑調(diào)節(jié)電壓和提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。N一般：?50%QN≤Q≤Q3.靜電電容器2C

2CQU X==ωCU缺點：電容器的無功功率調(diào)節(jié)性能較差U↓?QC↓。優(yōu)點：裝設(shè)容量可大可小，既可集中，又可分散就地供應(yīng)無功；運行時功率損耗也小，約為額定容量的0.3~0.5%；由于無旋轉(zhuǎn)設(shè)備，維護方便；實際運行時可根據(jù)系統(tǒng)負(fù)荷的變化，分組的投入或切除。小結(jié)無功負(fù)荷與電壓的關(guān)系電壓偏移的危害和標(biāo)準(zhǔn)無功平衡（無功負(fù)荷與無功損耗、無功電源）4.靜止無功補償器

SVC是FACTS家族中的一員 電容器＋電抗器＋調(diào)節(jié)裝配置 典型的三種SVC如圖所示

TCR型TSC型SR型5.靜止無功發(fā)生器(SVG)電壓源型逆變器＋變壓器控制GTO的通斷路改變輸出的交流電壓SVG處于容性、感性和零負(fù)荷狀態(tài)比較：1、同步調(diào)相機調(diào)節(jié)性能好，但其投資維護費用高；2、電容器電壓調(diào)節(jié)性能稍差，投資、運行費用小， 裝設(shè)靈活、方便；3、靜止補償器介于兩者之間；4、靜止無功發(fā)生器優(yōu)于靜止補償器 目前，國外許多發(fā)達(dá)國家已不使用同步調(diào)相機。電容器使用最普遍。10.2.3電力系統(tǒng)的無功功率平衡與補償所謂無功功率平衡，就是要使系統(tǒng)的無功電源所發(fā)出的無功功率與系統(tǒng)的無功負(fù)荷和無功損耗相平衡。同時，為了運行的可靠性及適應(yīng)系統(tǒng)負(fù)荷的發(fā)展，還要求有一定的無功備用。

Qres

=QGC?QL?ΔQL

QGC=QG∑+QC∑Qres

——無功功率的備用容量，可取7~8%最大無功負(fù)荷式中：樣，發(fā)電機還可作為無功備用。無功損耗由三部分組成：變壓器中的無功損耗，線路電抗中的損耗和線路電納中的無功功率損耗，（吸收容性無功）QL—按負(fù)荷的有功功率和功率因數(shù)計算。而我國規(guī)程 規(guī)定，以35kv及以上電壓直接供電的工業(yè)負(fù)荷，功 率因數(shù)不得低于0.9，對其它負(fù)荷功率因數(shù)不得低于

0.85。QG∑—按其額定功率因數(shù)計算發(fā)電機發(fā)出的無功。這QC∑—調(diào)相機、電容器等的無功功率按其額定容量計算。無功負(fù)荷的自然功率因數(shù)為0.6~0.8因此作無功平衡時，要先補償，提高負(fù)荷的功率因數(shù)。無功平衡與補償?shù)脑瓌t分區(qū)平衡分層補償就地平衡避免長距離輸送無功功率10.3電力系統(tǒng)中的電壓管理與調(diào)壓方法1、電壓管理 電力系統(tǒng)復(fù)雜 沒有必要控制每一點的電壓。 控制關(guān)鍵節(jié)點的電壓 中樞點（1）區(qū)域性水、火電廠的母線；（2）樞紐變電所的二次母線；（3）有大量地方負(fù)荷的發(fā)電廠母線。10.3.1中樞點電壓管理時

?

負(fù)荷點電壓要求

(0.95~1.05)UN負(fù)荷點j對中樞點i的電壓要求0~8Ui(j)=Uj+ΔUij=(0.95~1.05)UN+0.04UN=(0.99~1.09)UN8~24時Ui(j)=Uj+ΔUij=(0.95~1.05)UN+0.1UN=(1.05~1.15)UN簡單網(wǎng)絡(luò)日負(fù)荷曲線電壓損耗電壓允許變化范圍負(fù)荷點k對中樞點i的電壓要求：圖（d）中的公共部分即為中樞點i的電壓變化范圍。中樞點電壓變化范圍縮小了最大7％、最小1％。0~16時i(k)ikNU=Uk+ΔU=(0.96~1.06)U16~24時i(k)NU=Uk+ΔUik=(0.98~1.08)U

向多個負(fù)荷點供電的中樞點電壓按兩種極端情況

中樞點滿足調(diào)壓要求有公共部分。 中樞點不滿足調(diào)壓要求沒有公共部分。在負(fù)荷點安裝補償設(shè)備。2、調(diào)壓方式進(jìn)行電力系統(tǒng)規(guī)劃時，沒有具體數(shù)據(jù)，提一般要求。（1）逆調(diào)壓 高峰負(fù)荷時升高電壓：中樞點電壓保持105%UN

低谷負(fù)荷時降低電壓：中樞點電壓保持UN

逆調(diào)壓一般適用于供電線路較長、負(fù)荷變動較大的中樞點調(diào)壓。中樞點采用逆調(diào)壓可以改善負(fù)荷點的電壓質(zhì)量。（2）順調(diào)壓

高峰負(fù)荷：中樞點電壓不低于102.5%UN

低谷負(fù)荷：中樞點電壓不高于107.5%UN

順調(diào)壓一般適用于供電線路不長、負(fù)荷變動較小，線路上電壓損耗小的中樞點調(diào)壓。（3）常調(diào)壓常調(diào)壓：在任何負(fù)荷下，中樞點電壓保持一基本數(shù)值不變。一般取102~105%UN10.3.2電壓調(diào)整的基本原理

擁有充足的無功功率電源是保證電力系統(tǒng)有較好的運行電壓水平的必要條件，但要使所有用戶的電壓質(zhì)量都符合要求，還必須采用各種調(diào)壓手段。負(fù)荷點的電壓：①調(diào)節(jié)發(fā)電機勵磁電流以改變發(fā)電機端電壓UG；②適當(dāng)選擇變壓器的變比；③改變線路的參數(shù)；④改變無功功率的分布為了調(diào)整負(fù)荷點的電壓UL，可采取如下措施：1.發(fā)電機調(diào)壓 當(dāng)然，在各種調(diào)壓手段中，首先應(yīng)考慮發(fā)電機調(diào)壓，因為它不需要花費額外的投資。（1）完全靠發(fā)電機調(diào)壓

孤立發(fā)電廠（或發(fā)電機母線直接供電）不經(jīng)升壓直接供電的小型電力網(wǎng)，因供電線路不長，線路上電壓損耗小，故可改變發(fā)電機母線電壓，實行逆調(diào)壓以滿足負(fù)荷對電壓質(zhì)量的要求。（2）發(fā)電機輔助調(diào)壓 當(dāng)發(fā)電機經(jīng)多級網(wǎng)絡(luò)向負(fù)荷供電時，僅靠發(fā)電機調(diào)壓往往不能滿足電壓要求。

ΔUmax

ΔUmin相差21%最大負(fù)荷時，線路末端的電壓損耗為：ΔUmax=35%最小負(fù)荷時，線路末端的電壓損耗為：ΔUmin=14%2.改變變壓器變比的調(diào)壓方式(1)變壓器分接頭的選擇

6300KVA及以下的變壓器有三個分接頭為8000KVA及以上的變壓器有五個分接頭為

UN±5%UN±2×2.5%

變壓器低壓側(cè)不設(shè)分接頭。對三繞組變壓器，一般在高、中壓繞組設(shè)分接頭。雙繞組變壓器分接頭的選擇(a)降壓變壓器分接頭的選擇如圖為一降壓變壓器。若通過功率為

P+jQ高壓側(cè)實際電壓為U1

，低壓側(cè)實際電壓為U2，歸算到高壓側(cè)的變壓器阻抗為RT+jX

T，歸算到高壓側(cè)的變壓器電壓損耗為:ΔUT=(PRT+QXT)/U1U2為U2=(U1?ΔUT)/kU1RT+jX

Tk:1U2P+jQU1t=

普通的雙繞組變壓器的分接頭只能在停電的情況下改變。在正常的運行中無論負(fù)荷怎樣變化只能有一個固定的分接頭。為此可以分別求出最大負(fù)荷和最小負(fù)荷下所要求的分接頭電壓，然后取它們的平均值，最后選擇一個與平均值最接近的分接頭。式中：是變壓器的變比

U1t——高壓繞組分接頭電壓，U2N——低壓繞組額定電壓U2N若將k代入，即可得U1t為

U1?ΔUT

U2最大負(fù)荷：最小負(fù)荷：其算術(shù)平均值為：

選擇與U1tav最接近的分接頭，然后校驗最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時低壓母線上的實際電壓是否符合要求。U2max(U1max?ΔUTmax)U2NU1tmax=U2min(U1min?ΔUTmin)U2NU1tmin=)2(U1tmax+U1tminU1t?av

=例： 降壓變壓器及等值電路如圖所示。歸算到高壓側(cè)的阻抗為RT+jXT=2.44+j40。最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時通過變壓器的功率分別為Smax=28+j14MVA和Smin=10+j6MVA，高壓側(cè)的電壓分別為U1max=110kV和U1min=114kV（順調(diào)壓）。要求低壓母線的電壓變化不超過6.0～6.6kV的范圍，試選擇分接頭。U1

~S2.44+j40ΩU2110±2×2.5%/6.6kV

31.5MVA解：先計算最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時變壓器的電壓損耗

假定最大負(fù)荷和最小負(fù)荷時低壓側(cè)的電壓分別取U2max=6.0kv,U2min=6.6kv,則

取平均值：U1t?av=(114.72+111.68)/2=113.20kV選最接近的分接頭U1t=112.75kV按所選分接頭校驗低壓母線的實際電壓。因此所選分接頭能滿足調(diào)壓要求。（b）升壓變壓器分接頭的選擇式中U2：變壓器低壓側(cè)實際電壓或給定電壓

U1：高壓側(cè)所要求電壓 這里要注意升壓變壓器與降壓變壓器繞組的額定電壓略有差別。另外發(fā)電機端電壓不能超過其允許電壓。GU2U1P+jQRT+jX

T

1:k例：升壓變壓器容量為31.5MVA，變比為121±2×2.5％/6.3kV,歸算到高壓側(cè)的阻抗為3+j48。最大負(fù)荷、最小負(fù)荷時通過變壓器的功率分別為Smax=25+j18MVA，Smin=14+j10MVA，高壓側(cè)的要求電壓分別為U1max=120kV和U1min=114kV。發(fā)電機電壓的調(diào)整范圍是6.0～6.6kV。試選擇分接頭。解：最大負(fù)荷時U2max=6.6kV,最小負(fù)荷時U2min=6kV選最接近的分接頭U1t=124.025kV。驗算發(fā)電機端的實際電壓：經(jīng)驗證，滿足要求。

三繞組變壓器分接頭的選擇

上述選擇雙繞組變壓器分接頭的計算公式也適用于三繞組變壓器的分接頭選擇，但需要根據(jù)變壓器的運行方式分別地或依次地逐個進(jìn)行。步驟：1）根據(jù)低壓母線對調(diào)壓的要求，選擇高壓繞組分抽頭；2）根據(jù)高壓繞組的分抽頭，選擇中壓繞組分抽頭。 普通變壓器無法滿足調(diào)壓要求時，可采用裝設(shè)帶負(fù)荷調(diào)壓的變壓器本身就具有調(diào)壓繞組的有載調(diào)帶負(fù)荷調(diào)壓變壓器有兩種壓變壓器

帶有附加調(diào)壓器的調(diào)壓變壓器(2)有載調(diào)壓變壓器 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)范圍也較大，一般在15％以上。 目前我國暫定：110kV的調(diào)壓變壓器有7個分接頭，即

UN±3×2.5％

220kV的調(diào)壓變壓器有9個分接頭，即

UN±4×2％

采用有載調(diào)壓變壓器時，可以根據(jù)最大負(fù)荷算得的U1tmax值和最小負(fù)荷算得的U1tmin來分別選擇各自合適的分接頭。 這樣就能縮小副方繞組電壓的變化幅度，甚至改變電壓變化的趨勢。 一般，如系統(tǒng)中不缺無功功率，凡采用普通變壓器不能滿足調(diào)壓要求的場合，采用有載調(diào)壓器后，都可滿足調(diào)壓要求。 具體有載調(diào)壓變壓器的接線圖這里不再介紹了。3.并聯(lián)補償調(diào)壓系統(tǒng)中無功電源不足需采用無功補償調(diào)壓補償設(shè)備大致可分為：并聯(lián)電容器并聯(lián)補償調(diào)相機并聯(lián)在主電路中，提供感性無功功率

靜止補償器串聯(lián)補償：串聯(lián)在主電路中的電容器，抵償線路中的感抗。按調(diào)壓要求選擇無功補償設(shè)備容量

如圖為一簡單網(wǎng)絡(luò)，供電點的電壓U1和負(fù)荷功率P+jQ已給定，線路電容和變壓器的勵磁功率略去不計。U1U2R+jXP+jQ

jQC加補償設(shè)備之前（不計電壓降的橫分量）U2’——歸算到高壓側(cè)的變電所低壓母線電壓。

并聯(lián)補償容量QC后：若補償前后U1保持不變，則有：

由上式知補償容量QC與調(diào)壓要求（U2C為多少）和變壓器的變比選擇有關(guān)。

k的選擇原則是：在滿足調(diào)壓的要求下，使無功補償容量為最小。

如果變壓器的變比為k，經(jīng)補償后變電所低壓側(cè)要求保持的實際電壓為U2C，則U2C’=kU2C。將其代入式得：U2NU2min（1）補償設(shè)備為靜電電容器最大負(fù)荷時電容器應(yīng)全部投入，最小負(fù)荷時全部退出。具體計算步驟如下：按最小負(fù)荷確定變壓器分接頭（變比）：U2min’——最小負(fù)荷時低壓母線歸算到高壓側(cè)的電壓U2min——最小負(fù)荷時低壓母線要求保持的實際電壓

'U2minUt=最大負(fù)荷時：按最大負(fù)荷時的調(diào)壓要求計算補償容量。即式中：U2Cmax——低壓母線補償后要求保持的實際電壓

U2max’——補償前低壓母線歸算到高壓側(cè)的電壓 由上式計算求得QC后，從產(chǎn)品目錄（手冊）中選擇合適的設(shè)備。最后根據(jù)確定的變比和選定的容量，校驗實際的電壓變化。（2）補償設(shè)備為同步調(diào)相機最大負(fù)荷時：調(diào)相機按額定容量過激運行最小負(fù)荷時：按二分之一額定容量欠激運行

按上式求得的k，選擇一個最接近的U1t，確定實際變比k=U1t/U2N，將此k代入可求出需要的調(diào)相機容量。根據(jù)手冊選擇容量最接近的調(diào)相機。并校驗電壓。 靜止補償器的容量選擇同調(diào)相機，這里不再累述。4.串聯(lián)補償電容器調(diào)壓

調(diào)壓：用于電壓等級較低如10KV、35KV、110K