电压和无功功率

电压与无功功率
问题：
1．什么是有功功率、无功功率、视在功率、功率因数？
2．哪些电气设备消耗无功功率？
3．无功功率与电网电压之间的关系？无功功率增加和减少会引起电压如何变化？
4．无功补偿有何作用？有哪些无功补偿措施？
第一节概述
在电力系统的正常运行中，任何电压的偏移都会带来经济、安全方面的不利影响。

这是因为：
1．所有的用电设备都是按运行在额定电压时效率为最高设计的、偏离额定电压必然导致效率下降，经济性较差：
2．电压过高会大大缩短白炽灯一类照明灯的寿命，也会对设备的绝缘产生不利影响。

3．电压过低会大大增加恒定转矩的异步电动机的转差，由此引起工业产品出现次品、废品，转差增大的结果使异步电动机电流增加，由此引起发热、甚至损坏。

虽然电力系统的各节点电压要求能保持在额定值，但是在实际运行中是不可能实现的，其主要原因有两点：
1）在正常稳态远行方式下，一个互相连结的电力系统具有同一频率。

但是，电压与频率不同，因为电力系统中每一元件都有可能产生电压降落，所以电力系统中各点电压不相同，不可能同时将所有节点保持在额定电压。

例如，一条线路上接有几个负荷，如图所示，设线路各段均有电压降落。

则节
点1、2、3、4的电压都不相同。

如将节点4维持在额定电压UN，则节点1的电压太高；反之，如将节点1的电压维持在额定值，则节点4的电压又太低。

2）负荷时时刻刻都在变化，负荷的变化必然导致电力系统中每一元件电压降落的变化，因而即使是在同一点上，也很难保证电压始终维持在额定电压。

鉴于以上原因，同时考虑到用电设备对电压的要求，电力系统一般规定一个电压偏移的最大允许范围，例如土5％以内。

为了实现这个要求，需要对电压进行调整。

第二节无功功率和电压的关系
电力系统中的电压水平与无功功率密切相关。

这可从两方面加以说明。

1．节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用
正常运行时输电线路两端电压的相位角差δ比较小，可以认为cosδ≈1，这样线路中传输的无功功率大小就与线路两端电压有效值之差成正比，无功功率将从节点电压高的一端流向节点电压低的一侧，节点电压有效值的变化，也将使流经线路的无功功率随之发生变化。

因此电力网中节点电压的变化会引起无功功率潮流的变化。

如果远处电源经输电线路向负荷提供无功功率，会使沿线路各点的电压下降，甚至不能满足质量要求，同时使线路和变压器的有功和无功损耗也都增加。

所以，负荷所需的无功功率应尽可能由附近的电源供给。

2．无功功率对电压水平有决定性影响
电力系统中各种用电设备吸收的无功功率，大多数与所加电压有关，如表所示。

在额定电压附近，无功功率随电压上升而增加，随电压下降而减小。

当系统出现无功功率缺额，亦即无功电源不能提供足够的无功功率时，系统所接的各负荷的电压将下降，减少其向系统吸取的无功功率，才能获得无功功率平衡。

根据以上讨论，可以看出电压控制与无功功率的分布和平衡是分不开的。

第三节无功功率平衡
1．无功功率电源
发电机是最基本的无功功率电源。

按照发电机的设计，它不仅可以发出有功功率，而且还可发出无功功率。

可以通过调节发电机的励磁电流来改变发电机发出的无功功率。

增加励磁电流，就可以增加无功功率输出，反之，就减少无功功率输出。

发电机在额定工作状况（额定电压U N，额定有功功率P N，额定功率因数cosφN）时发出的无功功率为额定无功功率Q N＝P N tgφN。

当发电机输出的有功功率和功率因数角发生变化时，发电机输出的无功功率可通过发电机的允许运行范围求取。

只有当发电机运行在额定状态时，发电机才能获得最大视在功率，其容量才能获得最充分的利用。

当发电机降低有功功率运行时，其输出的无功功率可以较额定运行状态的无功功率大，但视在功率则较额定视在功率小。

除了发电机外，电力系统中主要的无功功率电源还有并联电容器、同步调相机和静止补偿器等无功功率补偿设备。

2．无功负荷与电力网无功损耗
1）负荷的无功功率
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。

负荷的无功功率随时间的变化而变化，在一天之中也有高峰和低谷。

负荷无功功率的峰值并不一定与有功功率的峰值同时出现，它一般出现在工业负荷最大的时刻，而有功功率峰值—般出现在工业负荷与民用（照明）负荷最大时刻，前者可能在白天，后者往往在傍晚。

2）电力线路上的无功功率损耗
电力线路上的无功功率损耗包括串联电抗和并联电抗中的无功功率损耗。

串联电抗始终消耗无功功率，与通过线路电流的平方成正比，当通过电流为零时，串联电抗不消耗无功功率；并联电纳消耗容性无功功率，或者说发出感性无功功率（或称充电功率），其大小与所加的电压平方成正比，与通过电流无直接关系。

当线路两端电压一定时，电力线路轻载运行时，线路充
电功率大于串联电抗上消耗的无功功率，整条线路呈容性；当重负载运行时，线路呈感性。

因而电力线路究竞是消耗感性无功功率还是容性无功功率与通过线路的功率大小有关。

35kv及以下电压等级的架空线路，充电功率很小，可以略去不计，所以总是消耗感性无功功率。

3）变压器中的无功功率损耗
变压器的无功功率损耗也由两部分组成：励磁支路和绕组漏抗中的无功功率损耗。

励磁支路的无功功率损耗与变压器所加电压有关，绕组漏抗中的无功功率损耗与通过变压器的功率成比例。

变压器的无功功率消耗相当大。

3．无功功率平衡
运行中电力系统的无功功率必须平衡，亦即电力系统发出的无功功率必须等于负荷无功功率与变压器、电力线路消耗的无功功率之和。

电力系统中无功功率的损耗相当大，一般约占系统负荷的50％。

这些损耗的很大部分是由于功率传输过程中在变压器和电力线路中造成的，因此减少无功功率的传输，实现无功功率的就地平衡是减少无功和有功功率损耗的一个重要方法。

在进行无功功率平衡计算时，不仅要确定无功功率电源的容量，还需要对无功功率的传输加以规划，尽量做到无功功率的就地平衡和补偿，长距离传输无功功率肯定是不经济的。

无功功率电源的容量中还含有一定的备用．一般备用容量取最大无功负荷的7～8％。

第四节无功功率补偿设备
电力系统需要的无功功率比有功功率大，若综合有功发电最大负荷为100％，则无功总需要约为120～140％，它包括负荷的无功功率和线路、变比器的无功损耗。

发电机的额定功率因数一般大于0.8，同时也不允许长距离输送无功功率，所以单靠发电机发出的无功功率（加上线路电容产生的无功功率）不能平衡电力系统的无功需求，因此就要进行无功功率补偿。

主要的无功功率补偿设备有同步调相机、电力电容器和静止补偿器。

同步调相机实际上是一台空载运行的同步电动机，在过励磁运行时可发出无功功率，适用于大型变电所进行集中补偿。

它不但能发出无功功率，在
欠励磁时还可以吸收无功功率，调节均匀简单。

自动励磁调节装置能使同步调相机在端电压波动时自动调节无功功率，维持电压，对提高系统远行的稳定性也有好处。

缺点是投资大，功率损耗大，而且旋转设备运行维护工作量也较大。

电力电容器能补偿负荷感性无功功率以提高功率因数，故又称移相电容器。

它常并联接于6.3、10.5或35kV母线上，故又称并联电容器。

由于电容器可分散安装，越靠近负荷集中处安装，就越会获得理想的技术经济效果。

电容器的有功功率损耗很小，约为容量的0.3～0.5％。

电容器的投资低于调相机，且单位容量投资几乎与总容量无关。

这些都是其优点。

电容器不足之处是只能产生感性无功功率，不能象调相机那样在欠励磁运行时吸收无功功率。

近年来出现的一种叫静止补偿器的无功功率调节装置弥补了这一不足。

静止补偿器由可控电抗器和电容器组并联组成。

设电容器发出的无功功率为Q C，电抗器吸收的无功功率为Q L，则静止补偿器发出的无功功率为（Q C－Q L）。

通常Q C做成可连续调节的。

当Q C<Q L时，补偿器发出无功功率，而当Q J＞Q C时则吸收无功功率。

配以适当的自动调节装置后，就能自动调节无功功率，保持连接点电压为给定值。

静止补偿器不但能在稳态运行时调节无功功率，保证系统电压的稳定，由于其反应的快速性，对冲击负荷也有较强的适应性，能满足动态无功功率补偿的要求。

与同步调相机相比，它调节速度较快，运行维护简单，功率损失较小。

70年代以来，静止补偿器在国外已被大量使用，近年来，在我国电力系统中也已开始应用。

在某些系统中，还装有并联电抗器，其作用和欠励磁运行的调相机相仿，吸收过剩的无功功率。

装在超高压线路上的高压电抗器则是用来吸收线路上的充电功率和降低过电压的。