电力系统无功功率与电压调整

电力系统稳态分析第六章电力系统无功功率和电压调整主讲：王瑞明 rmwau@http://www.77cn.com.cn电气工程学院

主讲教师王瑞明

2013年6月3日星期一

第六章电力系统无功功率和电压调整本章的主要内容介绍无功功率与系统电压的关系；了解无功电源和无功负荷的特性；系统中各种调压方式及其调压原理；利用发电机、变压器及并联、串联无功补偿装置进行系统的电压调整。主讲教师王瑞明 2013年6月3日星期一

电压是电力系统电能质量的另一个重要指标。由于线路和变压器中电压损耗与通过它们的功率有关，而在高压系统中又主要决定于通过的无功功率，因此，电压的调整和控制与系统中无功功率的分布密切相关。无功功率和电压的控制与有功功率和频率的控制之间的区别 (1)在稳态情况下，全系统各点的频率是相同的，但各点的电压则不同。 (2)调整电压的手段除了各个发电机以外，还有大量的无功补偿设备和带负荷调整分接头变压器，它们分散在整个电力系统中。主讲教师王瑞明 2013年6月3日星期一

§6.1电力系统无功功率的平衡一、电压偏移造成的影响和容许电压偏移电气设备都是按照额定电压来设计的。实际运行电压高于或低于它的额定电压，则运行性能和效率将有所下降，并可能影响到使用寿命甚至使设备损坏。电压低于额定电压时，对感应电动机来说，其转差率将增大，从而使绕组中的电流增加，使绕组电阻中的损耗加大，引起效率降低、温升增加并使寿命缩短。而且，由于转差率增大，其转速下降，使电动机的输出功率减少，从而使产品的产量和质量降低。电动机的起动过程将因电压低而加长，在电压过低的情主讲教师王瑞明 2013年6月3日星期一

况下有可能在起动过程中因温度过高而烧毁。对于火力发电厂来说，由电动机所驱动的风机和给水泵等厂用机械出力将因转速的降低而减少，结果使锅炉和汽轮机的出力降低。当电压过低时，电弧炉所消耗的有功功率减少，使金属在其中的冶炼时间增加从而影响产量。对于白炽灯来说其发光效率将降低；各种电子设备将不能正常工作，等等。

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运行电压高于额定电压所引起的主要危害是使电气设备的绝缘性能降低，并影响到使用寿命。如果电压过高，则可能使绝缘击穿，从而使设备损坏。另外，当电压高于额定电压时，变压器和电动机铁芯的饱和程度增大，使铁芯损耗增加；白炽灯的寿命则因电压过高而明显降低，例如，当电压高出10%时，寿命将缩短一半。为了避免电压偏移造成很大的影响，各国电网都规定电

压偏移的容许范围。我国在《电力系统电压和无功电力技术导则》中规定：主讲教师王瑞明 2013年6月3日星期一

各电压等级用户的容许电压偏移用户电压等级 35kV及以上用户 20kV及以下用户 380V电力用户 220V单相供电用户容许电压偏移正负偏差绝对值之和不超过10%±7%±7% -10%~+7%

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对于发电厂和变电所的母线，也规定了它们的容许电压偏移范围。330kV和500kV母线最高不超过额定电压的110%;发电厂和500kV变电所的220kV母线容许电压偏移为0%~10%;110kV和35kV母线的容许电压偏移为-3%~7%;20kV母线的电压则应使所供给的全部高压和低压用户满足上表所规定的要求。

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二、无功功率负荷和无功功率损耗 1、无功功率负荷在各种用电设备中，除了白炽灯和电热器等电阻性负荷只取用有功功率以外，其它都需要从电网吸收感性无功功率才能运行，尤其是感应电动机。 1)感应电动机目前我国电力负荷以工业负荷为主，而工业负荷中感应电动机占比重比较大，无功负荷特性一般以感应电动机特性代替。感应电动机所吸收的无功功率包括两部分。一部分是励磁无功功率，即下图所示的感应电动机等值电路中励磁电抗 X M中的无功功率，它将随着电压的降低而减少。另一部分是定子和转子漏抗(下图中的 X 1和 X 2 )中的无功损耗，当电压在额主讲教师王瑞明 2013年6月3日星期一

定值附近开始增加时，由于饱和程度的增加，励磁电流增加很多，电动机所吸收的无功功率也增加很多，电动机所吸收的无功功率主要取决于激磁支路的无功。 2

U Q=+ I 2 ( X1+ X 2 ) XM

当电压从额定值开始降低时，由于饱和程度的降低，励磁无功功率的减少大大超出漏抗中无功功率损耗的增加，电动机所吸收的无功功率显著减少。主讲教师王瑞明 2013年6月3日星期一

随着电压的进一步降低，励磁无功功率的减少趋于缓和而在漏抗中的无功功率损耗的增加趋于激烈，使电动机所吸收的无功功率的减少趋于缓和直至两者之间取得平衡。如果再进一步降低电压，则漏抗中的无功功率损耗的增加将超过励磁无功功率的减少，从而使电动机所吸收的总无功功率随着电压的降低反而增加。无功功率随电压变化的特性如上图所示。主讲教师王瑞明 2013年6月3日星期一

2)变压器中的无功功率损耗变压器中的无功功率损耗可以分为两部分。一部分是励磁无功损耗：I0%SB I0% QY= U BT≈ U= SB 2 100U N 1002 2 N

另一部分是漏抗中的无功损耗：2 U% U UK% S K 2 N SB≈ SB QZ= I X T= 100 U

100 S B 2

从上面的公式看出在额定电压下，励磁无功损耗占变压器额定容量的百分数，大约为其空载电流的百分数，实际励磁无功损耗则与其运行电压的平方成正比。主讲教师王瑞明 2013年6月3日星期一

在变压器满载的情况下，漏电抗中的无功损耗所占变压器额定容量的百分数，大约等于短路电压的百分数，而实际漏电抗中的无功损耗则与所通过的视在功率之平方成正比。 3)线路的无功功率损耗在线路中，电流流过电抗后的无功功率损耗，与电流的平方成正比，而分布电容发出的感性无功功率与线路实际运行电压的平方成正比。2 2 B B+ P Q QL= U 2 LY 1+ LY 2 + XL 2 2 U 2

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当线路的传输功率等于自然功率时，电抗中消耗的无功功率正好与分布电容发出的无功功率相平衡。在传输功率大于自然功率的情况下，电抗消耗的无功功率大于电容发出的无功功率，即线路的无功损耗大于零。反之，无功损耗小于零。从发电机到用户往往要经过多级变压器进行多次升压和降压，而每经过一个变压器都要产生无功功率损耗。因此整个系统的无功功率损耗比有功功率损耗大得多。

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2、无功功率电源 1)同步发电机由第二章中介绍过的内容已知同步发电机是电力系统中主要的无功电源之一，它除了能发无功功率以外，在必要时还能吸收无功功率。发电机在额定情况下能够发出的无功功率主要决定于它的额定容量 S N和额定功率因数 cos N。同步发电机吸收无功功率时以超前的功率因数运行，即所谓的进相运行，其所能吸收的数量一般需要通过试验来决定。主讲教师王瑞明 2013年6月3日星期一

2)同步调相机同步调相机既可以用于发出无功功率，也可以用于吸收无功功率。即调相机能够过励运行也能够欠励运行，过励运行能够发出额定容量功率，在欠励运行时所能吸收的无功功率为额定容量的60%左右。同步调相机的优点是调节比较灵活，不但可以用来控制系统的电压，而且可以用于提高系统的稳定性。其缺点是设备投资和维护费用高，因此，只在十分必要时才考虑采用。

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