第3章 传统电能质量问题

(2) 改变变压器变比调压
有载调压变压器可以在带负荷的情况下，随时更改分 接头。 有载调压变压器的分接头数比较多(一般为7~27个分 接头)、调压范围大，因此容易满足电压偏差的要求。 有载调压变压器已经在电力系统中得到广泛应用，成 为保证电压质量的主要手段。 当系统无功缺额较大时，系统电压水平偏低。如果此 时用有载调压变压器进行调压，使变压器二次侧的电压抬 高，则无功缺额全部转嫁到主网上，使主网电压严重下 降，这种情况极有可能引发电压崩溃事故。装设有载调压 变压器的前提是系统无功功率电源充足。
输送距离 （KM) 0.15 0.12 0.25 0.35 3—1 10—3 <8 15—5 <10 50—20 100—30 150—50 200—300
四 电压偏差过大的危害
1 对用电设备的危害 用电设备是按照设备的额定电压进行设计和制造 的。当电压偏离额定电压较大时，用电设备的运行性 能恶化，不仅运行效率降低，很可能会由于过电压或 过电流而损坏。 例如： 白炽灯设备，当电压低于额定电压的5%时，白炽灯的 光通量减少18%；低于额定电压的10%时，光通量减少 30%。高于额定电压的5%时，寿命减少30%；高于额 定电压的10%时，寿命减少一半。 电炉等电热设备的发热量与电压的平方成正比。
异步电动机，电磁转矩与端电压的平方成正比。电压过 低，电动机滑差加大，定子电流增加，绕组温度升高，绝缘老 化加速，电机寿命缩短，甚至烧毁；电压过高，损坏绝缘，由 于励磁电流过大而过电流，电动机寿命缩短。 2 对电网的危害 线路静态稳定功率极限近似与线路的电压平方成正比。 电压偏低，输电功率极限降低，可造成系统解列。 如果系统缺乏无功电源，可能产生系统电压不稳定现 象，导致电压崩溃。 电压过高使电气设备绝缘受损，使带铁芯的设备饱 和，产生谐波，可能引发铁磁谐振。 影响系统的经济运行：电压偏低将使电网的有功损耗、 无功功率损耗以及电压损失增加；系统电压偏高，超高电 压网的电晕损耗加大。
五 改善电压偏差的措施
保证电力系统各节点电压在正常水平的充 分必要条件是系统具备充足的无功功率电源， 同时采取必要的调压手段。
（一）配置充足的无功功率电源
无功电源发出的无功功率大致一半供给负荷，另一半则用 说明调压基本原理的简单电力系统
PR + QX 1 U L ≈ U S k1 − UN k2
（2) 串联电容器 串联电容补偿
∆U ≈ PR + Q ( X L − X C ) PR + QX L < U2 U2
串联电容补偿线路电抗程度可用补偿度kc来表 示。kc>1叫过补偿，kc<1叫欠补偿，kc=1叫完全补 偿。
K
C
=
X X
C L
采用串联电容也会带来一些新问题。 在配电线路中，串联电容与一些容量较大的 串联电容器调压示意图
改变分接头时需要停电的变压器的变压器叫无载 调压变压器。无载调压变压器调压不宜频繁操作，往 往只作季节性操作，适合于出线线路不长、负荷变化 不大的电压调整。
(3) 改变线路参数调压 (1)采用分裂导线 在相同导线有效截面积下，导线分裂数越多， 线路的电抗越小。二分裂导线和四分裂导线的单位 电抗约为无分裂导线的 64%和45%。 采用分裂导线还可以减少输电线路的电晕损 耗，减少输电线路对周边环境的电磁污染，有利于 提高电力系统的稳定性和线路的输电能力。
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恒调压：无论负荷如何变动，中枢点电压基本保持不变的电 压调整方式。一般保持102%～105%的额定电压。
逆调压适合于出线线路较长，各负荷变化规律大致 相同，且负荷波动较大的中枢点。 顺调压适合于出线线路不长，负荷变化不大的中枢 点。 恒调压的使用范围介于逆调压和顺调压之间。 目前中枢点常用的调压方式是逆调压。
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顺调压：在最大负荷时适当降低中枢点电压，最小负荷时适 当加大中枢点电压的电压调整方式。
顺调压时一般要求最大负荷时中枢点电压不低于系统标称电 压的102.5%，最小负荷时中枢点电压不高于系统标称电压的 107.5%。
2 电压偏差的调整手段
(1) 用发电机调压
当以发电机母线作为电压中枢点时，在维持发电机 额定输出功率的同时，通过调节励磁装置使发电机输出 电压在 (95%~105%) 额定电压范围内变动。 该调压手段适用于发电机母线直馈负荷的情况，且 多采用逆调压方式。 如果发电机经多级变压供电，仅用发电机调压，往 往不能满足负荷的电压要求。因为发电机要照顾近处的 地方负荷，电压不能调的太高。所以需要靠其他调压措 施来满足远处负荷的电压要求。当发电机母线没有负荷 时，合理利用发电机调压可减轻其他调压措施的压力。
传输方式 架空线 电缆线 架空线 电缆线 架空线 架空线 电缆线 架空线 电缆线 架空线 架空线 架空线 架空线
输送容量（KW) <50 <100 100 175 100—1000 2000 3000 3000 5000 2000—10000 3500—30000 10000—50000 100000—500000
2 同步调相机
实质上是不带机械负载的同步电动机。改变调相机 的励磁，可使调相机工作在过励磁或欠励磁状态，从而 发出或吸收无功功率。 优点： 系统故障引起电压下降时，调相机快速动作，输出 大量感性无功功率，起到电压支撑的作用。 缺点： 本身及附属设备的有功损耗大，约为额定容量的 2%~3%；它是旋转机械，运行维护复杂，投资大。 调相机已不作为主要的无功功率调节设备。
电容器无功补偿示意图
2）调压不是连续的。常规电容器采用分组投切的形式。 3）电容器不宜频繁投切。
4 电抗器
线路的分布电容所产生的无功功率，即线路 的充电功率，与电压的平方成正比，同时与线路 的长度成正比。因此，长距离、高电压等级的线 路产生的充电功率不容忽视。
P + jQ
高压线路在轻载时，将会存在大量过 剩的充电功率，从而使电压升高，高压线 路轻载时电压升高现象十分严重，对系统 的安全运行和用户的正常生产构成了极大 的威胁。
¾
我国国家标准GB12325—1990 《电能质量 供电电压允许偏差》规定:
35kv以上的供电电压的正、负偏差的绝对值 之和不超过标称电压的10% ¾ 10kv及以下三相供电电压允许偏差为标称电 压的+7% ¾ 220v单相供电电压允许偏差为标称电压的+7%、 –10%
三、 电压偏差产生的原因
电力系统中的负荷以及发电机组的出力随时发生变 化，网络结构随着运行方式的改变而改变，系统故障等 因素都将引起电力系统功率的不平衡。系统无功功率不 平衡是引起系统电压偏离标称值的根本原因。 以供电线路为例来说明无功功率与电压损失的关系。
& U 1
− j B 2
& U 2
− j B 2
线路∏形等值电路
5 静止无功补偿装置和静止无功发生装置
电抗器一般并联接入220kV以上电压等级的电 网，《电力系统电压和无功电力技术导则(试行)》规 定，330~500kV电网应按无功功率分层就地平衡的基 本要求配置高、低压并联电抗器，总容量不宜低于 线路充电功率的90%。 高压并联电抗器有功功率损耗小、容量组合灵 活、安全可靠，但造价高。
1 同步发电机
发电机能发出无功功率，也能吸收无功功率。 发电机调节无功的速度快且不需要额外的投资，充分 利用发电机改善无功功率的平衡是一种十分经济实用的调 节手段，其缺点是调节能力不大。 发电机在吸收系统无功功率的时候称为进相运行。 发电机的进相运行增大了系统静态不稳定的风险。同 时，进相运行使发电机的端部发热加剧，对发电机的安全 运行构成潜在危险。 同步发电机进相运行多用于超高压系统轻载运行时吸 收多于无功功率，抑制系统电压升高。
第三章 传统电能质量分析与改善措施
一
第二节 供电电压偏差
电压偏差的定义 供电系统在正常运行方式下，某节点的实际电压与 系统的标称电压之差对系统标称电压的百分数称为该节 点的电压偏差。
δU =
U re − U N × 100% UN
第一节 概述
20世纪70年代以前，电力系统中使用电子计算机进行 控制的设备和电子装置的数量不多，非线性负荷和冲击性 负荷占系统总的比例很小，电力工作者关心的电能质量问 题主要局限在电压、频率和连续供电方面。 电压偏差、频率偏差、电压三相不平衡和供电可靠性 构成了传统电能质量的主要内容。
(二)
系统调压手段
1 电压偏差的调整方式 逆调压、顺调压和恒调压。 逆调压：在最大负荷时，提高中枢点电压以补偿线 路上增加的电压损失，最小负荷时降低中枢点电压 以防止受端电压过高的电压调整方式。 逆调压时，一般中枢点电压在最大负荷时较系 统标称电压升高5%，在最小负荷时下降为系统标 称电压。
选择一些关键性的母线作为电压监测点，如果 将这些母线的电压偏差控制在允许范围内，系统中 其它节点的电压及负荷电压就能基本满足要求。这 些电压监测点称为电压中枢点。 一般选择系统内装机容量较大的发电厂高压母 线、容量较大的变电所低压母线、以及有大量地方 负荷的发电机母线作为电压中枢点。
z z z
基于电力电子半控器件的静止无功补偿装置(Static Var Compensator - SVC)和基于电力电子全控器件的静止无功发 生装置(Static Var Generation-SVG)具有动态无功功率补偿 特性，它们既可向系统输出无功功率，也可吸收系统的无 功功率，动态特性好，调压速度快，调压平滑，而且可实 现分相无功补偿，有功功率损耗也比较小。 它们由静止开关元件构成，运行维护方便、可靠性较高。 但这类设备价格普遍较高，运行经验较欠缺。 静止无功补偿装置和静止无功发生装置主要安装在有功冲 击负荷的用户变电所或系统中的枢纽变电所，用来实现动 态电压的控制，如电压波动与闪变的抑制，系统故障时的 电压支撑等。
U re ——实际电压，KV δ U ——电压偏差 U N ——系统标称电压
电压偏差属于电压变动的范围，强调电压持续性地 逐渐（较缓慢地）偏离标称电压。
二、 电压偏差的限值
电压偏差仅针对电力系统正常运行状态而言。 在正常运行状态下，电压偏差绝对值一般不大于 10%。 过电压和欠电压强调实际电压严重偏离标称电 压，分别高于标称电压的110%和维持在标称电压的 10%—90%，并且持续时间超过1min。
于补偿线路及变压器的无功损耗。 一般认为新增加1kW有功设备需要相应增加0.55~0.65kvar 容性无功补偿设备。 无功补偿的原则是尽量做到分区、分层、分变电所进行补 偿，实现无功功率的就地平衡，并要留有足够的事故无功功率 备用容量。 无功功率备用容量一般取最大无功功率负荷的7%~8%。
调压方法： (1)改变系统无功功率的分布 (2)改变发电机端电压Us (3)改变变压器变比k1 、k2 (4)改变输电网的参数X
3 电容器
无功功率的大小可以表示成：
2 QC = ωCU2
电容器具有功率损耗小，设计简单、容量组合灵活、 安全可靠、运行维护方便、投资省等优点，是电力系统优 先采用的无功功率补偿设备。 据统计，1998年底并联电容无功补偿容量占电力系统 (含用户)无功总补偿容量的97.8%。 电容器调压的缺点： 1）电压下降时，电容器输出无功按电压的平方关系减 少，导致电压进一步降低；电压偏高时，电容器输出无功 按电压的平方关系增加，使电压进一步升高。正反馈的电 压调节特性不利于系统电压的稳定。
电压损失 ： ∆ U ≈
PR + QX U2
在110KV及以上的电压等级的输电线路中， X R，无功功率Q对电压损失的影响远大于有功功 率P对电压损失的影响。 供配电网络结构的不合理也能导致电压偏差。 为此，我国对不同电压等级的供配电线路规定了合 理的输送距离和输送容量。见下表：
供电线路等值电路
额定电压（KV） 0.22 0.38 3 6 10 35 66 110 220
在低压配电线路中，为了提高线路末端的电压，有 时采用过补偿。 超高压线路上串联电容的目的是为了提高输电线 路的输送能力和系统运行的稳定性，通常采用欠补偿方 式。在超高压线路上，作为调压手段而装设串联电容器 的应用并不广泛。
感应电动机或同步电动机有可能产生共振，这种 现象称为电机自激。 串联电容与变压器也可能发生共振，即变压 器的铁磁谐振。 在超高压输电线路线中，采用串联电容后， 有可能与发电机组产生谐振频率低于工频的频率 振荡，即次同步振荡，危及发电机组的安全。