1、第9章 电力系统的电压及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,9.1 概述 电压是电能质量的又一重要指标。电力系统中的用电设备是按标准的额定电压来设计制造的。用电设备的电压与其额定电压值的偏移不超过允许的数值是电力系统运行调整的基本任务之一。电压调整： (1)全系统频率相同，而系统中为数甚多的节点(母线)其电压值各不相同。 (2) 电压则与系统无功功率关系很大，无功电源除各类发电厂的发电机外，可分散在各变电所设置的其它无功电源。 (3) 使全系统各节点电压满足要求，必须也可能采用各种调整措施。,第9章 电力系统的电压及其调整,9.1 电压偏移及电压调整 电力系统在正常运行中，负荷随时都在发生
2、变化，电力系统的运行方式也常有变化。 它们都将使网络中潮流发生变化，从而网络中电压损耗相应地各节点电压也随之变化。 系统中各节点联接的所有用户的电压在任何时刻都为额定值是不可能的。 各节点电压值在运行过程中对其额定电压总会有一定偏移，只要电压偏移值在允许的范围内，就能保证用户及电力系统的正常运行。,第 8 章 电力系统的频率调整,我国规定的各类用户允许电压偏移值，在正常运行状态下为： 35kV及以上电压供电的用户 010% 10kV及以下电压供电的用户 士7% 220V用户 十5%-10% 电力系统节点的供电电压相对其额定值偏移过大，就会使用户电气设备的性能恶化。 如照明负荷在电压偏低时，发光
3、不足，影响人们的视力，降低生产及工作的效率，日光灯还会产生不启动现象； 电压偏高又会缩短灯管的寿命。电炉等电热设备的发热量与电压的平方成正比，当电压偏低时，使发热量从而生产量降低。,第9章 电力系统的电压及其调整,用户中大量使用的异步电动机其电机转矩与端电压平方成正比， 当电压偏低时： 一方而使由它带动的生产设备运行不正常，电压过低，电动机可能制动，生产设备就会停运； 另一方面，电动机滑差加大，定子电流显著增加，绕组温度升高，加速绝组老化，影响电动机寿命，严重情况下台使电动机烧毁； 电压偏高时： 绝缘受到损害。电压偏移过大，对广泛使用的电子设备也影响其使用效率和寿命。如电视机在电压偏低时屏幕显
4、示不稳定，电压偏高将使显像管寿命缩短等等。,第9章 电力系统的电压及其调整,9.1.2 无功功率与电压质量的关系 正常运行状态下，电压的变化主要由负荷变动而引起。 简单输电线路图为例，视其负荷的有功功率及无功功率对节点电压的影响。输送功率时，在其阻抗上产生电压降。,用户的用电设备和电力网络都要求在正常电压下运行,第9章 电力系统的电压及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,一般输电线路两端电压之间相位角较小，可认为式中cos 1，这说明输电线路所传输的无功功率的大小和方向主要取决于两端电压的大小，
5、并由电压高的一端流向电压低的一端。 两端电压差值愈大，流过的无功功率就愈大。 这就是为满足电压要求而设置的除发电机以外的无功补偿电源，或简称无功补偿。,第9章 电力系统的电压及其调整,根据电力系统综合无功负荷的无功电压静态特性，负荷的无功功率又与其端电压直接相关。 随端电压升高负荷的无功功率增加；端电压降低负荷的无功功率则减少。 要保证电力系统在正常电压水平的前提下又保证正常运行的任何方式下供给负荷所需的无功功率，电力系统就必须具备足够的无功电源容量。,第9章 电力系统的电压及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,9.2 电力系统的无功功率平衡 电力系统的无功功率平衡是指在运行中的任何时刻，
6、电源供给的无功功率与系统中需求的无功功率相平衡_必需具备一定的无功备用容量。 9.2.1 无功负荷及无功损耗 电力系统中需求的无功功率包括负荷所需的无功功率及电力网络中的无功损耗。 1电力系统的无功负荷 无功负荷是以滞后功率因数运行的用电设备所吸取的无功功率,第9章 电力系统的电压及其调整,主要是异步电动机的无功功率。 异步电动机的无功功率包括激磁无功功率Qm和漏抗无功功率Q,第9章 电力系统的电压及其调整,2电力系统的无功损耗 (1)输电线路的无功损耗 输电线路中电抗的无功损耗与传输功率的平方成正比。比线路 电阻中的有功损耗大，特别是导线截面积大的线路，无功损耗比有功损耗大得多。 (2)变压
7、器的无功损耗 变压器的无功损耗包括激磁无功损耗和漏抗无功损耗两部分。激磁无功损耗 SNT:额定容量 Io:空载电流百分数,第9章 电力系统的电压及其调整,漏抗的无功损耗,Vs%:短路电压百分数,第9章 电力系统的电压及其调整,9.2.2无功功率电源 同步发电机，同步调相机，静电电容器，及静止补偿器等。 1同步发电机 发电机是电力系统唯一的有功功率电源，同时也是最基本的无功功率电源。,第9章 电力系统的电压及其调整,2调相机 调相机实质上是空载运行的同步电动机。它的运行方式为过激运行和欠激运行两种，过激运行时向系统提供无功功率；欠激运行时从系统吸取无功功率。 当系统电压降低时，电动机过激运行增加
8、输出无功维持系统电压，特别是有强行励磁装置时在系统故障情况下也能调整系统电压，提高系统运行的稳定性。 在超高压系统轻载运行时系统电压偏高，欠激运行吸取系统过剩的无功功率使系统电压维持正常。 它是旋转机械，运行维护不方便。,第9章 电力系统的电压及其调整,3电容器 电容器只能向系统供给无功功率。所供无功功率的大小与所在节点的电压平方成正比，即,第9章 电力系统的电压及其调整,在系统发生故障或其它原因而使电压下降时，电容器供给系统的无功功率反而减少，将导致系统电压继续下降，这是电容器在调压特性上的缺点。 为改变其负向调节特性，将多个电容器连结成组，按需要成组地投入或切除，使它的容量可大可小。 尽管
9、电容器不能作到平滑地调整电压，但由于它具有有功功率损耗小；单位容量投资费用较小；既可集中又可分散地灵活使用，还可随意拆迁，从而可在靠近负荷中心处安装，减少线路上的功率损耗及电压损耗等优点； 电容器作为无功补偿电源在国内外都得到广泛采用。,第9章 电力系统的电压及其调整,4静止补偿器 静止补偿器发展较快的一种无功补偿装置。它同调相机一样，既可向系统供应无功功率，也可从系统吸取无功功率。它是由电抗值可变的电抗器与电容器并联组成。 设补偿器所在母线上的无功负荷为QD，补偿器的无功功率包括吸取的无功QL和发出的无功QC两部分。则由系统送入该母线的无功功率Q为：,第9章 电力系统的电压及其调整,第9章
10、电力系统的电压及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,静止补偿器对电压调整灵敏快速，特性平滑，可分相补偿，有功损耗小(1)，且由静止元件组成，维护方便。因此，在国外许多国家将它替代调相机得到广泛采用，我国的电力系统中也有使用，并取得较好的效果。,第9章 电力系统的电压及其调整,5. 高压输电线的充电功率 输电线路中电纳的无功功率为容性，称为线路的充电功率。其实质相当于无功电源向系统 供给无功功率。可近似用下式计算,第9章 电力系统的电压及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,9.2.3 无功功率的平衡 电力系统的无功功率平衡应满足下面两个关系式，一是在系统运行时必须满足,第9章 电力系统的
11、电压及其调整,9.3 电力系统的电压管理 电力网络中,由于功率流动而产生的电压损耗几乎使系统中所有母线的电压值都不相同。 电力系统结构复杂，用户成千上万，若对连接用户电气设备的数量极多的母线一一进行电压监视和调整，是无法实现的。 选择一些关键性的母线作为电压的监视点，控制这些母线的电压偏移在允许范围内，系统中各母线电压，从而所有负荷处的电压就基本上满足要求。,第9章 电力系统的电压及其调整,电压监视点称为电压中枢点。故对电力系统电压的监视和调整即通过监视和调整中枢点的电压来实现。 一般选择可反映系统电压水平的 水、火电厂高压母线； 枢纽变电所低压母线； 有大量地方负荷的发电机母线等作为电压中枢
12、点。 因为在这些母线供电的范围内，基本上包括了系统中的所有负荷。,第9章 电力系统的电压及其调整,9.3.1 中枢点的电压偏移 对中枢点电压进行监控，必须首先确定中枢点电压的允许变动范围。 一个简单网络为例，说明中枢点电压曲线的编制。在图(a)，中枢点i向两个负荷j、k供电。图(b) 、(c)是两个负荷的简化日负荷曲线。图(d)、(e)分别示出线路i-j、i-k电压损耗变化曲线。设两负荷允许的电压偏移都是5，如图(f)。 根据负荷对电压的要求，任何时刻都要满足,第9章 电力系统的电压及其调整,根据各时段电压Vi允许的变动范围，表示在图 (a)中的阴影部分，这就是中枢点电压 曲线。,第9章 电力
13、系统的电压及其调整,在实际电力系统中，由同一中枢点母线供电的负荷可能更多，且中枢点到各负荷处线路上电压损耗的大小和变化规律的差别可能更大，完全可能出现在某些时段内，中枢点电压取任何值都不能同时满足全部负荷对电压质量要求的情况。,第9章 电力系统的电压及其调整,在简单网络运行电压图中，若8时至24时内Vij 为0.12VN，其结果将出现8时至16时的时段内，中枢点的电压无论取何值都不能同时满足负荷j和k对电压质量的要求，如图 (b)所示。由此可见，仅依靠控制中枢点电压，不一定就能完全控制所有负荷处的电压。当出现这种情况时，必须采取其它措施调整电压。,第9章 电力系统的电压及其调整,9.3.2 中
14、枢点电压的调整方式 编制中枢点电压曲线，需知由它供电的各负荷对电压质量的要求，以及到各负荷点线路上 的电压枢耗。 系统规划设计时，各负荷点对电压质量的要求，以及由中枢点供电的低电压等级电力网络结构等情况都不明确，无法计算电压损耗，因此，不能按上述方法编制中枢点的电压曲线。这时，只能对中枢点的电压提出原则性的要求，根据电 力网络的性质大致确定一个允许的变动范围。,第9章 电力系统的电压及其调整,9.3.3 调整电压的基本原理 保证电力系统正常电压水平的必要条件是系统要有充足的无功功率电源，使系统在任何 运行方式下都能维持无功功率平衡。其充分条 件是还须采取必要的调压措施。,第9章 电力系统的电压
15、及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,9.4 利用发电机调压 同步发电机的电压，在运行中允许5的偏移，即可在95105%VGN范围内变动。发电 机母线作电压中枢点时，就可利用发电机的自动调节励磁装置调节发电机励磁电流改变其端电压达到调压的目的。 这种调压方法不增设额外设备，简便可行且又经济，应首先考虑，充分利用。,第9章 电力系统的电压及其调整,逆调压_在最大负荷时提高中枢点电压，最小负荷时降低电压的调整方式称为“逆调压”。 常调压或恒调压_对于负荷变动较小、供电线路上电压损耗也较小的电力网络，无论最大或最小负荷时，只要中枢点电压维持在允许电压偏移值范围内的某一个电压值或较小的范围内就可保
16、证各负荷点的电压质量。这种在任何负荷下，中枢点电压保持基本不变的调压方式称为常调压或恒调压。,第9章 电力系统的电压及其调整,顺调压_对于负荷变动甚小、供电线路不长的电力网络，在允许电压偏移值范围内，最大负荷时电压可以低一些，最小负荷时电压可以高一些，这种调压方式称为顺调压。,第9章 电力系统的电压及其调整,第9章 电力系统的电压及其调整,图所示，在最大负荷及最小负荷两种运行方式下，发电机至系统末端总电压损耗分别为20及8，末端电压则有12 的变动。若发电机母线实现最大负荷时为105VN及最小负荷时为1VN的逆调压方式，就会使两种运行方式下末端电压偏移之差减小为7，且都在负荷允许的电压偏移5范
17、围内。,第9章 电力系统的电压及其调整,对于多电源的大型电力系统，改变发电机电压会引起电源问无功功率的重新分配。故在利用发电机调压时，必须与系统无功功率合理分配等问题作全面优化考虑。,9.5 改变变压器变比调压,变压器的变比即为绕组间匝数之比，改变变压器的变比就是通过改变绕组间匝数比来实现。 一般电力变压器高压绕组都具有若干抽头。对应绕组额定电压VN的抽头称为主接头，其它的抽头称为分接头。,9.5 改变变压器变比调压,普通变压器一般有三个或五个抽头，如图。其中: 35土563kV变压器，主接头电压为35kv，两个分接头电压分别为35(1十5)即36.75kV和35(1-5)33.25kV。,9
18、.5 改变变压器变比调压,121土225105kV变压器，高压侧有五个抽头，主接头电压为121kv，四个分接头电压为：127.05kv，124.025kv 117.975kV，114.95kV。低压绕组均只有一个接头电压，即变压器低压绕组的额定电压。,9.5 改变变压器变比调压,普通变压器在运行过程中不能倒换接头，只有停运情况下才能调整变比。所以，必须在投运前选择好合适的接头电压以满足各种运行方式下对电压的要求。 1双绕组降压变压器 图为变压器等值电路。变压器阻抗归算至高压侧，变压器符号表示一个理想变压器。由变压器变比定义可得,9.5 改变变压器变比调压,9.5 改变变压器变比调压,以M表示最
19、大负荷方式,m表示最小负荷方式，分别计算两种方式下接头电压,第9章 电力系统的电压及其调整,根据这两个计算值，选取一个接近它们的标准分接头电压VtH，代入下式分别计算两种方式下变压器低压母线的实际电压VLM和VLm ，以及电压偏移，校验是否满足调压的要求。,9.5 改变变压器变比调压,2.双绕组升压变压器 升压变压器高压绕组接头电压的确定方法与降压变压器相同。但须注意两点 (1)电压损耗的计算方向，写成,9.5 改变变压器变比调压,(2)低压母线期望电压 当发电机母线有直馈负荷时，低压母线的VdM和Vdm按负荷的调压要求取值(一般为逆调压要求)；发电机母线没有负荷时，大、小负荷方式下，母线期望
20、电压均取发电机额定电压VGN，按发电机允许的电压偏移进行校验。,9.5 改变变压器变比调压,9.5 改变变压器变比调压,9.5 改变变压器变比调压,9.5 改变变压器变比调压,3三绕组变压器 三绕组变压器除高压绕组有抽头外，一般中压绕组也具有抽头可供选择(某些情况下中压 绕组无抽头)。对高、中压绕组都具抽头的三绕组变压器，各绕组接头电压的确定仍按上述双绕 组变压器的方法分两步进行。,9.5 改变变压器变比调压,首先，根据低压母线的调压要求在高低压绕组之间进行计算，选取高压绕组的接头电压， 即变比VtH/VNL；然后根据中压母线的调压要求及选取的高压绕组接头电压VtH，在高-中压绕 组之间进行计
21、算，选取中压绕组的接头电压VtM。确定的变比即为VtH VtM VNL。,9.5 改变变压器变比调压,4.有载调压变压器 采用上述的普通变压器(又称无载调压变压器)，有时会出现这种情况，不论选取那一个接 头电压，都不能同时满足最大方式和最小方式下低压母线的实际电压符合调压的要求。这时只能采用有载调压变压器。有载调压变压可以在有载情况下更改接头，对不同的负荷水平可有不同的变比，而且，它的调节范围更大，如VN32.5%、VN42.0%或VN81.25，即有7个、9个咸17个接头供选择等等。,9.5 改变变压器变比调压,9.5 改变变压器变比调压,9.5 改变变压器变比调压,9.5 改变变压器变比调
22、压,9.5 改变变压器变比调压,9.5 改变变压器变比调压,9.5 改变变压器变比调压,9.6 并联补偿无功设备调压,当系统中无功电源不足时，不能靠改变变压器变比调压，必须采用增设无功电源的措施。 一般在降压变电所低压母线或大负荷的中心变电所设置电容器、调相机、静止补偿器等无功电 源装置，称并联补偿。,9.6 并联补偿无功设备调压,1.电容器 电容器只能发出感性无功功率提高电力网络的电压，而不能吸收成性无功功率降低电压，所以，只有在重负荷时全部投入电容器，轻负荷时就应将它们全部或部分切除。确定补偿电容器的容量分两步； 首先，按最小负荷时全部切除电容器，并根据最小负荷调压的要求，计算变压器分接头
23、电压，确定其变比k, 然后，按最大负荷时的调压要求，将选定的变k，计算所需的补偿电容器容量，再按产品规格选取合适的设备容量。,9.6 并联补偿无功设备调压,2调相机 调相机既可过激运行发出感性无功功率，又可欠激运行吸收感性无功功率，变压器变比的 选择就府兼顾这两种情况。 设最大负荷时调相机按额定容量过激运行，最小负荷时按(0.50.6)额定容量欠激运行。 最大负荷时作为无功电源调相机容量Qsc应为,9.6 并联补偿无功设备调压,9.6 并联补偿无功设备调压,按式算出的k值选择分接头电压Vt，并确定实际变比kV tVNL。将此变比代入式即可算出所需的调相机容量。根据调相机产品的规格确定与此相近的
24、标准容量并校验电压是否符合要求。,9.7 改善线路参数串联电容器调压,改善线路参数，即减小线路的电阻或电抗，从而降低线路上的电压损耗以提高末端电压达到调压的目的。减小电阻是用加大电力线路导线截面积来实现；减小电抗则是在电力线路上串联电容器以容抗来抵偿线路的感抗。 两种方法分别用于不同性质的电力网络。,9.7 改善线路参数串联电容器调压,9.7 改善线路参数串联电容器调压,9.8 调压措施的合理选用,实际电力系统的调压问题，很少是用单一措施就得以解决的。而是根据具体情况将可能选用的措施进行技术经济比较确定合理的综合调压方案。技术上合理即满足调压要求，经济上合理则投资费、运行维护费及电能损耗等最少
25、。 一般而论，对上述各种调压措施的合理选用可概话如下： 利用发电机调压不附加设备也就不需附加投资，应优先考虑。当发电机母线没有负荷时，有95一l05的调节范围，发电机母线有负荷时一般采用逆调压就可满足母线直馈负荷的电压要求；对远方网络合理利用发电机调压也可减轻其它调压措施的负担。,9.8 调压措施的合理选用,改变变压器变比调压有一定局限性。普通变压器在运行过程中不能改变变比也就不能调整电压；采用有载调压变压器虽能带负荷切换变比，但又必须以系统电源无功充足为前提。当系统电源无功不足时，系统电压水平偏低，在有有载调压变压器的地区由它的作用可将该地区 电压升高，从而该地区负荷需求的无功功率也增加造成
26、整个系统无功缺额加大，导致整个系统电压水平进一步地下降，显然，对系统不利。但只要电力系统电源无功充裕，使用有载调压变压器确为有效且灵活的调压措施。,9.8 调压措施的合理选用,对于电源无功不足的系统，首要问题是增加无功电源，采用并联补偿，设置电容器、调相机或静止补偿器。所以，基本上在任何系统中都须采用并联补偿的措施。而且，使用并联电容器或调相机还可降低网络中的功率损耗和电能损耗。 串联电容器补偿调压效果显著，特别适用于电压波动频繁、负荷功率因数低的场合。但由 于设计、运行等方面的原因，作为调压措施用得不很广泛。,小 结,本章以保证电力系统电压质量问题为中心，讨论了无功功率与电压质量的关系；电力
27、系统的无功功率平衡；电力系统的电压管趾及几种调压措施。 电力系统运行电压水平，决定于系统电源无功的多寡。维持系统无功平衡是保证电压质量的必要条件；输电线上输送的无功功率受两端点允许电压偏移值的约束。这两个方面都要求系统中除发电机外，还需在负荷中心处设置电容器、调相机或静止补偿器等无功电源补偿装置。,小 结,发电机所能供应的无功功率由它们的运行极限图确定。电容器、调相机、静止补偿器按额定容量考虑。系统需求的无功功率包括负荷的无功功率和网络阻抗中的无功损耗及变压器激磁无功损耗。高压输电线电纳无功功率作为无功电源参与无功平衡计算。 电力系统的电压管理即为监视并控制电压中枢点的电压偏移。中枢点允许的电
28、压偏移则根据负荷对电压的要求及供电线上的电压损耗确定。控制中枢点电压的调整措施有：利用发电机调压；改变变压器变比调压；并联补偿功设备调压；串联电容器调压等。,小 结,发电机调压简单、经济，应优先考虑。在系统中电源无功充裕时，有载条件下改变变压器变比调压其效果明显，实为有效调压措施，应按电力系统电压和无功电力技术导则规定尽可能 选用。并联补偿无功设备则需增加设备投资费用，但这类措施往往也为无功平衡所需，且还能 降低网损，也是可取的调压措施。串联电容器作为调压措施使用较少。实际电力系统的调压， 是将可行的措施按技术经济最优的原则，进行合理组合，分散调整，尽量使各地区无功功率就 地平衡，避免无功功率远距离输送。,
