第二章 电力系统电压偏差

1.1 定义
• 供电系统在正常运行方式下，某一节点的 实际电压与系统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。
• 供电系统正常运行方式是指系统中所有电 气元件均按预定工矿运行。 • 电压的均方根值偏离额定值的现象称为电 压变动，电压偏差属于电压变动范围。
1.2 限值
• • • • 1、35kV及以上 正负偏差之和 10％ 2、10kV及以下 7% 3、220V单相 ＋7％～－10％ 4、对供电短路容量较小，供电距离较长以 及对供电电压有有特殊要求的用户，由供 用电双方共同确定。（2008版）
3.2 对交流电动机的影响
Hale Waihona Puke Baidu1、转矩
Tmax 1 m1 pU 2 2c1 2f [ R1 R12 ( X 1 c2 X 2 )2 ]
m1 pU 2 R2 Tst ) 2 ( X 1 c1 X 2 )2 ] 2f [(R c1R2
例如，异步电动机端电压从额定电压降至额定电压的90％， 则其最大转矩和启动转矩将分别降至额定转矩的81％，
PR QX U U2
三、电压偏差过大的危害
• 总得来说，主要分为以下两种： • 对电气设备的危害 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就会恶化，不仅运行 效率低，很可能会由于过电压或过电流而 损坏。 • 对电网的危害 ：稳定性和经济性
• 负荷接入点电压：
1 PR QX 1 U L (U s k1 U ) (U s k1 ) k2 UN k2
• 式中 U ：归算到高压侧线路电压损失 U N ：高压侧线路标称值 •
由上式可知：改变以下各量，可以改变负荷 接入点电压
改变线路无功分布 改变发电机机端电压，调节发电机励磁电 流 改变变压器变比 改善输电线路参数
3.7对电网经济运行的影响
输电线路和变压器在输送功率不变的条件下， 流过电流大小与电网运行电压成反比。 电网低电压运行时，会使线路和变压器电流增 大，线路和变压器绕组的有功损耗与电流平方成 正比，因此低电压运行会使有功和无功损耗大大 增加，从而增大了供电成本。
四、改善电压偏差的措施
• 电力系统电压水平控制既有局域性又有全 局性，即与网络规划设计有关，又与运行 控制密不可分，保证电力系统各节点电压 在正常水平的充分必要条件是：具备充足 的无功功率电源、且分布合理、同时采取 必要的调压手段。
5、电流 电压下降时，定子和转子电流增大。
3.3 对电力变压器的影响
对空载损耗的影响 对绕组损耗的影响 对绝缘的影响
变压器空载损耗包括铁心损耗和附加损耗，铁心损耗又称 为空载损耗，与铁心中的磁感应强度有关，一般只占额定 容量的千分之几。
3.3 对电力变压器的影响
对空载损耗的影响 对绕组损耗的影响 对绝缘的影响
各类扩大 5
± 10
1、前苏联的标准是指用电设备处电压允许偏差
2、日本中央电力委员会规定：101V的允许偏差为±6V，202V的允 许偏差为± 20V
一些国家和组织对于供电电压允许偏差 的规定
国别或组织 国际电工委员会（IEC） 法国电力局（EDF） 电压允许偏差 100V～35kV为±10％ 中压电网为±7％；低压电网电缆供电 为±5％；架空线路供电为±7.5％； 其他为±10％ ±10％ ±10％ 国际发供电联盟（UNIPEDE） 低压供电网为±10％
• 1、同步发电机 发电机是电力系统中唯一的有功电源， 也是唯一的电压资源，同时也是最基本的 无功电源。 • 2、同步调相机、同步电动机 • 3、补偿电容器 电容器这种正反馈电压调节特性不利于 系统电压的稳定。 • 4、电抗器 • 5、SVC、SVG
各无功电源的比较
有功损耗 同步发电机 基本为零 2～ 3％ 0.3～0.5％ 0.3～0.5％ 对无功影响 可发，少量吸 可发 可发 可吸 优缺点 无需额外投资，最经济 有功损耗大，基本不用 设计简单、维护方便、投 资省，但调节不连续， 主要用于高电压、长距离 输电线路（充电电容） 产生谐波、可靠性差；动 态性能好、调压平滑、分 相补偿
4.1配臵足够的无功功率电源
• 增 加 1 kW 有 功 设 备 ， 同 时 应 增 加 0 . 5 5 ～ 0 . 6 5 kVar 无 功 电 源 （ 合 理 情 况 下 为 1 ： 1.8）。 • 无功补偿的原则：分区、分层、分变电所 进行不错，实现无功功率的就地平衡，并 留有足够的备用容量。
同步调相机 同步电动机
电容器 电抗器
SVC
1.6～1.8％
可发、可吸
4.1.1 同步发电机电压调节
同步发电机的外特性
同步发电机与无穷大系统并联
发电机励磁电流调整的结果只是改变了发电机送 入系统的无功功率，而完全没有了“调压”作用。
同步发电机之间无功负荷分配
• 并联运行发电机间的无功负荷分配，取决于机组 的外特性曲线。曲线越平坦的机组，无功电流的 增量就越大。
• 所谓电压崩溃，是指由于电压不稳定所导致的系 统内大面积、大幅度的电压下降的过程。（其衰 落时可能几秒，也可能长达10～20min） • 电压安全性：不仅是指一个系统稳定运行的能力； 也指在出现任何适当而又可信的预想事故或有害 的系统变更后，系统维持电压稳定的能力。 • 电压衰落期间，系统和用户中多种自动、手动的 控制装臵或手段都会起作用。包括发电机和励磁 机的保护装臵、电厂运行人员的控制、系统运行 人员的控制、配电有载调压变压器、控制电压的 并联电容器组、恒温控制负荷和手动控制负荷。 在扰动之后，这些控制交互作用于电压、使得这 个期间成为所谓的慢动态期间。
在传输同样功率的条件下，变压器电压降低，会使变压器 绕组电流增大，绕组的损耗增大，损耗大小与通过变压器 的电流的平方成正比。其损耗是空载损耗的几～几十倍， 不能忽视。
3.3 对电力变压器的影响
对空载损耗的影响 对绕组损耗的影响 对绝缘的影响
变压器内绝缘主要有变压器油和绝缘纸。 变压器油分为热老化和电老化。变压器温度升高会产生热 老化，电压升高会加快电老化。 绝缘的环境温度越高、绕组中的电流越大，温升越大，会 使绝缘纸干燥发脆，机械强度产生破坏。
3、有功损耗
与电机的负荷率有关，当负荷率比较高时，机端电压下降 引起电流增大，在定子绕组和转子中的损耗增大，电机总 的损耗增大，反之降低。
4、无功损耗
U2 2 Q I ( X1 X 2 ) Xm
励磁无功损耗 定子和转子绕组漏 抗上的无功损耗
电压升高，转差减小，电流下降 异步电动机的无功电压特性在机端电压大于某一临界值时， 无功功率也将随电压的升高而增大，电压越高，负荷率越 低，其变化率越大，但电压低于临界值时，电压降低反而 会使无功增加，原因是电机漏抗上的无功损耗占了主要部 分。
3.1对照明设备的影响
照明常用的白炽灯、荧光灯，其发光效率、 光通量和使用寿命均与电压有关。 当电压较额定电压降低5％时，白炽灯的光 通量减少18％；当电压降低10％时，光通 量减少30％，使照度显著降低； 当电压较额定电压升高5％时，白炽灯的寿 命减少30％；当电压升高10％时，寿命减 少一半。
罗马尼亚
匈牙利 希腊
通常为±5％，偏僻地区大于±5％
＋5％；-10％ 无全国规定，通常为±7.5％
二、产生原因
• 系统无功功率不平衡是系统电压偏离标称 值的根本原因。 • 概念：无功功率不平衡、无功功率过剩 （不足） • 特点：就地补偿
• 不是就变电站补偿，也不是就变压器 补偿 • 讨论：为何无功功率要就地补偿？
解决办法：采用斩控式
1.3 国外电压偏差的标准
国别 照明用电 电压允许偏差范围（％） 动力用电 农村用电 事故后运 行方式
美国
前苏联 日本 德国 英国 加拿大
± 5
＋5；-2.5 ± 6（± 10） ± 3 ± 6 ＋10；-3
± 10
＋10；-5 ± 10 ± 5 ＋12；0 ＋10；-3 ＋10；-3 ± 5 ＋9；－7 ± 10
2、滑差和转速
s smax
2 b b 2 4 KU KU 1 2 KT KU
s smax

2 b b 2 KT 2 4 2 bKU b 2 KU KT
例如，当机端电压比额定电压降低10％时，对b＝2，SN＝2 ％的电动机，即Ku＝0.9，KT＝1，得：s＝2.6％，滑差增 大0.6％，相应的转速和功率减小了0.6％
两边乘以U：
U ( E cos U ) Q X
当Q>0时，在系统母线上将得到来自发电机的无 功，反之发电机将从系统吸收无功，进相运行。 若E降低时，系统静态稳定极限降低，对电网不利， 因此限值发电机进相运行或高功率因数运行。
3.7 对电压稳定性的影响
我国2001年新发布的DL755－2001《电 力系统安全稳定导则》中将电压稳定定义 为：电力系统受到小的或大的扰动后，系 统电压能保持或恢复到容许的范围内，不 发生电压崩溃的能力。 IEEE电压稳定小组1990年的报告认为： 如果电力系统能够维持电压以确保负荷增 大时，负荷消耗的功率随着增大，就称系 统是稳定的；反之是电压不稳定的。
3.6 对功角稳定的影响
同步发电机的转矩决定于作用在其轴上的转矩， 但转矩变化时转速也将相应的发生变化。正常运 行时，原动机的功率与发电机的输出功率是平衡 的，因此发电机以恒定的同步转速运行。但是， 这种功率平衡是相对的、暂时的。因为电力系统 的负荷随时都在变化，有时还有偶然事故的产生， 所以平衡状态不断被打破。
意大利 荷兰
瑞典
瑞士 奥地利 芬兰
无全国规定，一般为±5％，最大值为 ±10％
无全国规定，一般为±5％以下 无全国规定，一般为±10％， 无全国规定，通常城市为±5％，其他 为±10％
国别或组织 丹麦 挪威 前南斯拉夫 波兰 捷克
电压允许偏差 无全国规定，实际白天±10％，夜间 为±5％ 无全国规定，通常城市为±5％，其他 为±10％ 规定±10％，争取达到±5％ 城市为±5％，其他为±10％ 无全国规定，通常为±5％
第二章
电力系统电压偏差
主要内容
电压偏差的国家标准 电压偏差超标的危害 电力系统电压调整 电力系统无功补偿 无功和电压管理
一、电压偏差的国家标准
• • • • GB12325-1990 GB12325-2003 GB12325-2008 适用范围：交流50Hz电力系统在正常运行 条件下，供电电压对额定电压的偏差。 • 不适用于瞬态和非正常运行情况。
3.4 对电力电容器的影响
U QC XC
2
U 8.5 L LN ( ) UN
若一般使用年限为20年，长期运行在1.1倍额定电压下，使 用寿命将减少到44.48％，即仅为8～9年。
3.5 对家用电器的影响
家用电器中85％为单相异步电动机，其 工作原理类似于三相异步电动机，电压过低 会影响电动机启动，电压过高会使绝缘损坏 或由于励磁过大而过电流。
微机型自并励 发电机励磁系统
• 1、三相全控整流电路晶闸管、移相范围、 功率因素、各次谐波含量。 • 2、微机测控系统的构成：前向通道、后向 通道、相互通道、人机接口。
4.1.2TSC和TCR工作原理
• TCR：晶闸管相控电抗器 • TSC:晶闸管投切电容器 • 两者电路基本相同，都是由两个反并联晶 闸管串联电抗器（电容器）构成。
都属于交交变流电路范畴，交交变流 电路分为交流调压电路，交流调功电 路。TCR属于交流调压电路，而TSC属 于交流调功电路。
单相交流调压电路
纯感性负载时谐波分析
晶闸管相控式电抗器主要问题
• 功率因素低：若忽略电阻影响，其功率因 素变化范围是：[0.707, 0.904]； • 产生3、5、7等奇次谐波电流。
EU P sin X
dP 0 d
EU PM X
当电力系统结构已经确定的情况下， 提高系统电压及发电机电动势就能 大大提高系统的静态稳定极限
例如，将E、U较额定值升高10 ％，则静态极限要比运行在额 定电压时提高20％
简单输电系统无功功率与电压的关系
E cos U X I sin