電力系統(tǒng)無功功率與電壓調(diào)整

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電力系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)分析第六章電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整主講：王瑞明rmwau@http://.77電氣工程學(xué)院

主講教師王瑞明

2023年6月3日星期一

第六章電力系統(tǒng)無功功率和電壓調(diào)整本章的主要內(nèi)容介紹無功功率與系統(tǒng)電壓的關(guān)系；了解無功電源和無功負(fù)荷的特性；系統(tǒng)中各種調(diào)壓方式及其調(diào)壓原理；利用發(fā)電機(jī)、變壓器及并聯(lián)、串聯(lián)無功補(bǔ)償裝置進(jìn)行系統(tǒng)的電壓調(diào)整。主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

電壓是電力系統(tǒng)電能質(zhì)量的另一個(gè)重要指標(biāo)。由于線路和變壓器中電壓損耗與通過它們的功率有關(guān)，而在高壓系統(tǒng)中又主要決定于通過的無功功率，因此，電壓的調(diào)整和控制與系統(tǒng)中無功功率的分布密切相關(guān)。無功功率和電壓的控制與有功功率和頻率的控制之間的區(qū)別(1)在穩(wěn)態(tài)狀況下，全系統(tǒng)各點(diǎn)的頻率是一致的，但各點(diǎn)的電壓則不同。(2)調(diào)整電壓的手段除了各個(gè)發(fā)電機(jī)以外，還有大量的無功補(bǔ)償設(shè)備和帶負(fù)荷調(diào)整分接頭變壓器，它們分散在整個(gè)電力系統(tǒng)中。主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

6.1電力系統(tǒng)無功功率的平衡一、電壓偏移造成的影響和容許電壓偏移電氣設(shè)備都是依照額定電壓來設(shè)計(jì)的。實(shí)際運(yùn)行電壓高于或低于它的額定電壓，則運(yùn)行性能和效率將有所下降，并可能影響到使用壽命甚至使設(shè)備損壞。電壓低于額定電壓時(shí)，對(duì)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)來說，其轉(zhuǎn)差率將增大，從而使繞組中的電流增加，使繞組電阻中的損耗加大，引起效率降低、溫升增加并使壽命縮短。而且，由于轉(zhuǎn)差率增大，其轉(zhuǎn)速下降，使電動(dòng)機(jī)的輸出功率減少，從而使產(chǎn)品的產(chǎn)量和質(zhì)量降低。電動(dòng)機(jī)的起動(dòng)過程將因電壓低而加長，在電壓過低的情主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

況下有可能在起動(dòng)過程中因溫度過高而燒毀。對(duì)于火力發(fā)電廠來說，由電動(dòng)機(jī)所驅(qū)動(dòng)的風(fēng)機(jī)和給水泵等廠用機(jī)械出力將因轉(zhuǎn)速的降低而減少，結(jié)果使鍋爐和汽輪機(jī)的出力降低。當(dāng)電壓過低時(shí)，電弧爐所消耗的有功功率減少，使金屬在其中的冶煉時(shí)間增加從而影響產(chǎn)量。對(duì)于白熾燈來說其發(fā)光效率將降低；各種電子設(shè)備將不能正常工作，等等。

主講教師王瑞明

2023年6月3日星期一

運(yùn)行電壓高于額定電壓所引起的主要危害是使電氣設(shè)備的絕緣性能降低，并影響到使用壽命。假使電壓過高，則可能使絕緣擊穿，從而使設(shè)備損壞。另外，當(dāng)電壓高于額定電壓時(shí)，變壓器和電動(dòng)機(jī)鐵芯的飽和程度增大，使鐵芯損耗增加；白熾燈的壽命則因電壓過高而明顯降低，例如，當(dāng)電壓高出10%時(shí)，壽命將縮短一半。為了避免電壓偏移造成很大的影響，各國電網(wǎng)都規(guī)定電

壓偏移的容許范圍。我國在《電力系統(tǒng)電壓和無功電力技術(shù)導(dǎo)則》中規(guī)定：主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

各電壓等級(jí)用戶的容許電壓偏移用戶電壓等級(jí)35kV及以上用戶20kV及以下用戶380V電力用戶220V單相供電用戶容許電壓偏移正負(fù)偏差絕對(duì)值之和不超過10%7%7%-10%~+7%

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對(duì)于發(fā)電廠和變電所的母線，也規(guī)定了它們的容許電壓偏移范圍。330kV和500kV母線最高不超過額定電壓的110%;發(fā)電廠和500kV變電所的220kV母線容許電壓偏移為0%~10%;110kV和35kV母線的容許電壓偏移為-3%~7%;20kV母線的電壓則應(yīng)使所供給的全部高壓和低壓用戶滿足上表所規(guī)定的要求。

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二、無功功率負(fù)荷和無功功率損耗1、無功功率負(fù)荷在各種用電設(shè)備中，除了白熾燈和電熱器等電阻性負(fù)荷只取用有功功率以外，其它都需要從電網(wǎng)吸收感性無功功率才能運(yùn)行，特別是感應(yīng)電動(dòng)機(jī)。1)感應(yīng)電動(dòng)機(jī)目前我國電力負(fù)荷以工業(yè)負(fù)荷為主，而工業(yè)負(fù)荷中感應(yīng)電動(dòng)機(jī)占比重比較大，無功負(fù)荷特性一般以感應(yīng)電動(dòng)機(jī)特性代替。感應(yīng)電動(dòng)機(jī)所吸收的無功功率包括兩部分。一部分是勵(lì)磁無功功率，即下圖所示的感應(yīng)電動(dòng)機(jī)等值電路中勵(lì)磁電抗XM中的無功功率，它將隨著電壓的降低而減少。另一部分是定子和轉(zhuǎn)子漏抗(下圖中的X1和X2)中的無功損耗，當(dāng)電壓在額主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

定值附近開始增加時(shí)，由于飽和程度的增加，勵(lì)磁電流增加好多，電動(dòng)機(jī)所吸收的無功功率也增加好多，電動(dòng)機(jī)所吸收的無功功率主要取決于激磁支路的無功。2

UQ=+I2(X1+X2)XM

當(dāng)電壓從額定值開始降低時(shí)，由于飽和程度的降低，勵(lì)磁無功功率的減少大大超出漏抗中無功功率損耗的增加，電動(dòng)機(jī)所吸收的無功功率顯著減少。主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

隨著電壓的進(jìn)一步降低，勵(lì)磁無功功率的減少趨于緩和而在漏抗中的無功功率損耗的增加趨于猛烈，使電動(dòng)機(jī)所吸收的無功功率的減少趨于緩和直至兩者之間取得平衡。假使再進(jìn)一步降低電壓，則漏抗中的無功功率損耗的增加將超過勵(lì)磁無功功率的減少，從而使電動(dòng)機(jī)所吸收的總無功功率隨著電壓的降低反而增加。無功功率隨電壓變化的特性如上圖所示。主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

2)變壓器中的無功功率損耗變壓器中的無功功率損耗可以分為兩部分。一部分是勵(lì)磁無功損耗：I0%SBI0%QY=UBT≈U=SB2100UN10022N

另一部分是漏抗中的無功損耗：2U%UUK%SK2NSB≈SBQZ=IXT=100U

100SB2

從上面的公式看出在額定電壓下，勵(lì)磁無功損耗占變壓器額定容量的百分?jǐn)?shù)，大約為其空載電流的百分?jǐn)?shù)，實(shí)際勵(lì)磁無功損耗則與其運(yùn)行電壓的平方成正比。主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

在變壓器滿載的狀況下，漏電抗中的無功損耗所占變壓器額定容量的百分?jǐn)?shù)，大約等于短路電壓的百分?jǐn)?shù)，而實(shí)際漏電抗中的無功損耗則與所通過的視在功率之平方成正比。3)線路的無功功率損耗在線路中，電流流過電抗后的無功功率損耗，與電流的平方成正比，而分布電容發(fā)出的感性無功功率與線路實(shí)際運(yùn)行電壓的平方成正比。22BB+PQQL=U2LY1+LY2+XL22U2

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當(dāng)線路的傳輸功率等于自然功率時(shí)，電抗中消耗的無功功率正好與分布電容發(fā)出的無功功率相平衡。在傳輸功率大于自然功率的狀況下，電抗消耗的無功功率大于電容發(fā)出的無功功率，即線路的無功損耗大于零。反之，無功損耗小于零。從發(fā)電機(jī)到用戶往往要經(jīng)過多級(jí)變壓器進(jìn)行屢屢升壓和降壓，而每經(jīng)過一個(gè)變壓器都要產(chǎn)生無功功率損耗。因此整個(gè)系統(tǒng)的無功功率損耗比有功功率損耗大得多。

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2、無功功率電源1)同步發(fā)電機(jī)由其次章中介紹過的內(nèi)容已知同步發(fā)電機(jī)是電力系統(tǒng)中主要的無功電源之一，它除了能發(fā)無功功率以外，在必要時(shí)還能吸收無功功率。發(fā)電機(jī)在額定狀況下能夠發(fā)出的無功功率主要決定于它的額定容量SN和額定功率因數(shù)cosN。同步發(fā)電機(jī)吸收無功功率時(shí)以超前的功率因數(shù)運(yùn)行，即所謂的進(jìn)相運(yùn)行，其所能吸收的數(shù)量一般需要通過試驗(yàn)來決定。主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

2)同步調(diào)相機(jī)同步調(diào)相機(jī)既可以用于發(fā)出無功功率，也可以用于吸收無功功率。即調(diào)相機(jī)能夠過勵(lì)運(yùn)行也能夠欠勵(lì)運(yùn)行，過勵(lì)運(yùn)行能夠發(fā)出額定容量功率，在欠勵(lì)運(yùn)行時(shí)所能吸收的無功功率為額定容量的60%左右。同步調(diào)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是調(diào)理比較靈活，不但可以用來控制系統(tǒng)的電壓，而且可以用于提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。其缺點(diǎn)是設(shè)備投資和維護(hù)費(fèi)用高，因此，只在十分必要時(shí)才考慮采用。

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3)并聯(lián)電容器并聯(lián)電容器的費(fèi)用比較低廉、能量損耗小，而且可以分散安裝在用戶、變電所和配電所中進(jìn)行就近補(bǔ)償，因此是應(yīng)用最為廣泛的無功補(bǔ)償設(shè)備。其主要缺點(diǎn)是：發(fā)出的無功功率與電壓的平方成正比，當(dāng)電壓降低時(shí)發(fā)出的無功功率顯著減少，而這時(shí)正是系統(tǒng)需要無功電源的時(shí)候，反之電壓增加時(shí)發(fā)出的無功顯著增

加，而這時(shí)正是系統(tǒng)需要減少無功電源的時(shí)候。并聯(lián)電容器只能成組地投入和切除而不能進(jìn)行連續(xù)調(diào)理。主講教師王瑞明2023年6月3日星期一

4)并聯(lián)電抗器并聯(lián)電抗器主要用于補(bǔ)償線路的充電功率，特別是在超高壓長距離輸電線路中，往往必需安裝并聯(lián)電抗器來吸收充電功率，以限制線路空載時(shí)末端的電壓升高。5)靜止無功補(bǔ)償器靜止無功補(bǔ)償器(StaticVarCompensator,縮寫為SVC)可以用于對(duì)無功功率進(jìn)行連續(xù)和快速的調(diào)理，其性能與同步調(diào)相機(jī)一致，由于它由靜止元件所組成，因此維護(hù)比較簡單。主講教師王瑞明2023年6月3日星