第12章-电力系统的无功功率补偿与电压调整

第12章 电力系统的无功功率平衡及电压调整 上一章我们学习了电力系统正常、稳态运行状况的分析和计算。本章和下一章是上章的继续和发展。因这两章将阐述正常、稳态运行状况的优化和调整，亦即保证正常、稳态运行时的电能质量和经济性问题。

衡量电能质量的指标是频率和电压的偏移。频率偏移以Hz 表示，例如±0.2Hz 。电压偏移以百分数表示，例如±0.5%。衡量运行经济性的主要指标是比耗量和线损率。这些技术经济指标的优劣与系统中有功、无功功率的分配以及频率、电压的调整有关。而这两方面正分别是接下来两章中将讨论的主要容。

本章主要阐述电力系统中无功功率平衡和电力系统的电压调整两个问题。包括图12-1所示容。

图12-1 第12章结构图 Q -V ？ 么 什 为 怎样

调整？

有

谁有关系？ 有什么关系？

12-1 电力系统的无功功率平衡

电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡。系统中各种无功电源的无功功率输出（简称无功出力）应能满足系统负荷和网络损耗在额定电压下对无功功率的需求，否则电压就会偏离额定值。为此，先对无功负荷、网络损耗和各种无功电源的特点作一些说明，并得到系统无功和电压特性图。

一无功负荷和无功损耗

大多数用电设备都要消耗无功功率。白炽灯和一些电热设备不消耗无功功率；同步电机可以消耗也可以发出无功功率；而用电设备中的异步电动机消耗的无功功率最大。未经补偿的综合负荷的自然功率因数一般为0.6~0.9，低值对应于异步电动机比例较高的负荷。这些在运行中要消耗无功功率的负荷，即为无功负荷。

无功损耗主要是指电力线路上的无功损耗和变压器的无功损耗。

1 无功负荷

异步电动机在电力系统负荷（特别是无功负荷）中占的比重很大。系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定，其等值电路如图12-2所示。其中Xσ为定子和转子漏抗，R为转子电阻，X m为励磁电抗，s为转差率。

电动机从电网中吸收的无功功率为：

σσX I X V Q Q Q m

m M 22

+=+= (12-1)

图12-2 第12章结构图

其中Q m 为励磁无功功率损耗，与电压的平方成正比。Q σ为漏抗X σ上的无功功率损耗，当负载功率不变时，随电压的

降低Q σ要增大。综合这两部分无功功率的变化特点，可得

图12-3所示曲线，其中β为电动机实际负荷与额定负荷之比，称为电动机的受载系数。

图12-3 第12章结构图

由图12-3可见，在额定电压附近，电动机吸收的无功功率随电压的降低而明显下降，随电压的升高而明显升高；当电压明显低于额定值时，电动机吸收的无功功率随电压的下降反而具有上升的趋势。另外，无功功率的电压特性和电动机的受载系数β有很大关系，β高时，漏抗中的无功功

V /s

率损耗Q σ在电动机总的无功功率中占的比例要高一些。

2 变压器的无功损耗

变压器中的无功功率损耗包括励磁损耗ΔQ 0与绕组漏抗损耗ΔQ T ，由等值电路图12-4，可得

图12-4 第12章结构图

==∆T B V Q 20N N N S I V S I V 100%100%0202

≈Mvar (12-2) ==∆T T X I Q 2N

N s S V V V S 222100%Mvar (12-3) 其中S N 为变压器的额定容量；S 为变压器负载量；I 0%为变压器的空载电流；V s %为变压器的短路电压百分比。

可见，励磁功率大致与电压平方成正比；当通过变压器的视在功率不变时，漏抗中损耗的无功功率与电压平方成反比。因此变压器的无功损耗电压特性也与异步电动机的相似。

变压器的无功功率损耗在系统的无功需求中占有相当的比重。对于单个变压器，满载时的无功功率损耗占无功负荷的11%~12%。如果从电源到用户需要经过好几级变压，则变压器中无功功率损耗的数值相当可观，总和占无功负荷的50%~75%。以5级变压网络(10/220，220/110，110/35，35/10，

V

10/0.4kV)为例，统计结果如表12-1所示。

表12-1 5级变压网络的变压器损耗

3 输电线路的无功损耗

输电线路用II 形等值电路表示如图12-5。

图12-5 第12章结构图

线路串联电抗中的无功功率损耗ΔQ L 与所通过电流的平方成正比，即

X V Q P X V Q P X I Q L 222

222212121

2+

=+==∆ (12-4) 线路电容的充电功率ΔQ B 与电压平方成正比，当作无功损耗时应取负号。

)(2

2221V V B Q B +-=∆ (12-5) 1

V P +jQ 2 P +jQ

线路的无功总损耗为

)(22221212

121

V V B X V Q P Q Q B L +-+=∆+∆ (12-6) 35kV 及以下的架空线路的充电功率甚小，一般说，这种线路都是消耗无功功率的。

110kV 及以上的架空线路当传输功率较大时，电抗中消耗的无功功率将大于电纳中产生的无功功率，线路成为无功负载。

110kV 及以上的架空线路当传输功率较小时，电纳中产生的无功功率，除了抵偿电抗中的损耗以外，还有多余，此时线路就为无功电源。

此外，为吸收超高压输电线路充电功率而装设的并联电抗器也属于系统的无功负荷。

二 无功功率电源

电力系统中的无功电源向系统发出感性无功功率。无功电源主要有以下三类：a 发电机； b 无功补偿电源，包括同步调相机、静电电容器、静止无功补偿器和静止无功发生器；c 110kV 及以上电压线路的充电功率。

1 发电机

发电机既是唯一的有功功率电源，又是最基本的无功功率电源。通过调节发电机的励磁电流，改变发电机发出的无功功率。增加励磁电流(电压)，则可以增大无功输出；减小励磁电流(电压)，则可减小无功输出。

发电机在额定运行状态下可发出最大的无功功率为：