第六章电力系统

第六章 电力系统无功功率的平衡和电压调整

第一节 电力系统中无功功率的平衡

一、无功功率负荷和无功功率损耗

1、无功功率负荷是以滞后功率因数运行的用电设备（主要是异步电动机）所吸收的无功功率。一般综合负荷的 功率因数为0.6-0.9。 2、电力系统的无功损耗 （1）变压器的无功损耗

变压器中的无功功率损耗分两部分，即励磁支路损耗和绕组漏抗中损耗。其中励磁支路损耗的百分值基本上等于空载电流的百分值，约为1％一2％；绕组漏抗中损耗,在变压器满载时，基本上等于短路电压UK的百分值，约为10％。 （2）电力线路的无功损耗

 电力线路的无功损耗也分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功功率损耗。并联电纳中的无功损耗又称充电损耗，与电力线路电压的平方成正比，呈容性。串联电抗中的无功功率与负荷电流的平方成正比，呈感性。  对线路不长，长度不超过100Km，电压等级为220Kv电力线路，线路将消耗感性无功功率；

 对线路较长，其长度为300Km左右时，对220Kv电力线路，线路基本上既不消耗感性无功功率也不消耗容性无功功率，呈电阻性；

 线路大于300Km时，线路为电容性的。 二、无功功率电源

电力系统的无功功率电源包括同步发电机、同期调相机、并联电容器和静止补偿器等。 1、同步发电机：发电机在额定状态下运行时，可发出无功功率：

QGNSGNsinNPGNtgN

图6-1 发电机的P-Q极限

当系统中无功电源不足，而有功备用容量又较充足时，可利用靠近负荷中心的发电机降低功率因数运行，多发无功功率以提高电力系统的电压水平。但是发电机的运行点不应越出P-Q极限曲线的范围。 2、同期调相机

调相机实际上就是只能发无功功率的发电机。它在过激运行时向电力系统供给感性无功功率，欠激运行时从电力系统吸取感性无功功率。欠激运行时的容量约为过激运行时容量的50%-60%：这些也就是作为无功功率电源的调相机的运行极限。 3、并联电容器及静止补偿器

静电电容器可按三角形和星形接法连接在变电所母线上。它供给的无功功率QC值与所在节点电压的平方成

c 正比，即：

 缺点：电容器的无功功率调节性能比较差。

 优点：静电电容器的装设容量可大可小，既可集中使用，又可以分散安装。且电容器每单位容量的投资费

用较小，运行时功率损耗亦较小，维护也较方便。 三、无功功率的平衡

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QcV2/X——————电力系统分析——————

电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中的无功电源可以发出的无功功率应该大于或至少等于负荷所需的无功功率和网络中的无功损耗。

QGCQLDQLQresQLQLTQLQB

QGCQGQC

Q res >0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用； Q res <0表示系统中无功功率不足，应考虑加设无功补偿装置。

第二节 电力系统的电压管理

一、中枢点电压管理

电力系统进行调压得目的，就是要采取各种措施，使用户处的电压偏移保持在规定的范围内。但由于电力系统结构复杂，负荷较多，如对每个用电设备电压都进行监视和调整，不仅不经济而且无必要。因此，电力系统电压的监视和调整可通过监视、调整电压中枢点电压来实现。

电压中枢点是指某些可以反映系统电压水平的主要发电厂或枢纽变电所母线。因为很多负荷都由这些中枢点供电，如能控制住住这些电的电压偏移，也就控制住了系统中大部分负荷的电压偏移。于是，电力系统电压调整问题也就转变为保证各中枢点的电压偏移不超出给定范围的问题。 1、电压中枢点的选择

 电压中枢点的选择在：（1）区域性水、火电厂的高压母线。（2）枢纽变电所二次母线。 （3）有大量地方负荷的发电厂母线。（4）城市直降变电所二次母线。 2、中枢点的调压方式

 中枢点的调压方式分为逆调压、顺调压和恒调压三类。

 逆调压：在大负荷时升高电压，小负荷时降低电压的调压方式。一般采用逆调压方式，在最大负荷时可保

持中枢点电压比线路额定电压高5％，在最小负荷时保持为线路额定电压。供电线路较长、负荷变动较大的中枢点往往要求采用这种调压方式。

 顺调压：大负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于线路额定电压的102.5％；小负荷时允许其电压高一

些，但不超过线路额定电压的107.5％的调压模式。对于某些供电距离较近，或者符合变动不大的变电所，可以采用这种调压方式。

 恒调压：介于前面两种调压方式之间的调压方式是恒调压。即在任何负荷下，中枢点电压保持为大约恒定

的数值，一般较线路额定电压高2％～5％。 二、电压调整的基本原理

 拥有较充足的无功功率电源是保证电缆系统有较好的运行电压水平的必要条件，但是要使所有用户的电压

质量都符合要求，还必须采用各种调压手段。

 现以下图为例，说明常用的各种调压措施所依据的基本原理：

电压调整原理图

PRQXVi(VGk1V)/k2VGk1VN电压调整的措施：

（1）调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压VG； （2）改变变压器的变比k1、k2；

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k2

——————电力系统分析——————

（3）改变功率分布P+jQ（主要是Q），使电压损耗△V变化； （4）改变网络参数R+jX（主要是X），改变电压损耗△V。

第三节 电力系统的几种调压方式

一、改变发电机机端电压调压

 这种调压手段是一种不需要耗费投资，且是最直接的调压方法，应首先考虑采用。发电机的电压调整是借

助于调整发电机的励磁电压，以改变发电机转子绕组的励磁电流，就可以改变发电机定子端电压。  不同类型的供电网络，发电机调压所起的作用是不同的。

 对于发电机不经升压直接供电的小型电力系统，供电线路不长，线路上电压损耗不大，借改变发电机端电

压的方法，例如实行逆调压，就可以满足负荷点要求的电压质量。

 对由发电机经多级变压向负荷供电的大中型电力系统，线路较长，供电范围大，从发电厂到最远处的负荷

之间的电压损耗和变化幅度都很大。这时，单靠发电机调压是不能解决问题的。发电机调压主要是为了满足近处地方负荷的电压质量要求，即发电机采用逆调压方式。对于远处负荷电压变动，只能靠其它调压方式来解决。

 对有若干发电厂并列运行的大型电力系统，利用发电机调压，会出现新的问题。首先，当要提高发电机的

电压时，则该发电机就要多输出无功功率，这就要求进行电压调整的电厂的母线电压，会引起系统中无功功率的重新分配，这还可能同无功功率的经济分配发生矛盾。所以在大型电力系统中发电机调压一般只作为一种辅助的调压措施。 二、改变变压器变比调压 1、降压变压器分接头的选择

VT(PRTQXT)/V1V2(V1VT)K

VV式中，kV1t/V2N是变压器的变比，即高压绕组分接头电压1t和低压绕组额定电压2N之比。将k代V入上式，得高压侧分接头电压1t[(V1VT)/V2]V2N。当变压器通过不同得功率时，可以通过

计算求出在不同负荷下为满足低压侧调压要求所应选择的高压侧分接头电压。 普通的双绕组变压器的分接头只能在停电得情况下改变，在正常的运行中无论负荷怎样变化只能使用一个固定的分接头。这样可以计算最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压

V1tmax(V1maxVtmax)V2NV2maxV1tmin(V1minVtmin)V2NV2min然后求取它们的算术平均值，即

V1tav(V1tmaxV1tmin)/2 根据值可选择一个与它最接近的分接头。然后根据所选取的分接头校验最大负荷和最小负荷时低压母线电压上的实际电压是否符合要求

当考虑负荷变化时，分别求出最大和最小负荷时的抽头选择，然后取其算术平均值，再进行校验是否满足电压要求，基本步骤如下 ：

1、根据最大和最小负荷的运行情况，求出其一次侧电压

和 ，以及通过变压器的负荷 ， 求取变压器的电压损耗 。 2、套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择

V1tmaxV1minVminV1maxVmaxV2NV2NV1tminV2minV2max

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——————电力系统分析——————

3、取其算数平均值

V1t1(V1tmaxV1tmin)2V1maxVTmaxV2NV1t

4、选择邻近的接头作为所选择的接头 5、套用低压则电压计算公式进行验算

V2maxV2min

V1minVTminV2NV1t

2、升压变压器分接头的选择

选择升压变压器分接头的方法与选择降压变压器的基本相同。

升压变压器

由于升压变压器中功率方向是从低压侧送往高压侧的，故公式中△VT前的符号应相反，即应将电压损耗和高压

1T22N 侧电压相加。因而有1t式中， V2为变压器低压侧的实际电压或给定电压； V1为高压侧所要求的电压。 3、三绕组变压器分接头的选择

① 将高低绕组看作双绕组，确定高绕组接头；② 将高中绕组看作双绕组，确定中绕组分接头位置。 注意：功率分布 4、有载调压变压器

有载调压变压器可以在带负荷的条件下切换分接头而且调节范围也比较大，一般在15%以上。

目前我国暂定，110kV级的调压变压器有7个分接头，即VN±3×2.5%；220kV级的有9个分接头即VN±4×2.0%。

采用有载调压变压器时，可以根据最大负荷算得的V1tmax值和最小负荷算得的V1tmin 分别选择各自合适的分接头。这样就能缩小次级电压的变化幅度，甚至改变电压变化的趋势。

有载调压变压器接线图

三、改变网络中无功功率分布调压 当电力系统中无功电源不足时，就不能单靠改变变压器变比调压。而需要在适当地点对所缺无功进行补偿，这样也就改变了电力网中无功功率的分布。 按调压要求选择无功补偿设备容量 1、并联无功补偿调压的基本原理

V[(VV)V]VVPRQXPR(QQe)XVV2x2

2、按调压要选择补偿量的基本原理

V1

PRQXV1V2V2

V2cPR(QQc)XV2c

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PR(QQc)XPRQXV2V2cV2V2cQccV2PRQXPRQX(VV)()2c2cxx2V2

第二项很小

V2ccV2)Qc(x2x

于是有

k2V2cV2Qc(V2c)xk

选择补偿容量的基本原则：在满足各种运行方式下的调压要求下，与其它调压方式配合，使补偿容量最小。有补偿的变压器选择的基本原则：在满足调压的要求下，使补偿容量最小 （1）选用并联电容器

通常在大负荷时降压变电所电压偏低，小负荷时电压偏高。电容器只能发出感性无功功率以提高电压，但电压过高时却不能吸收感性无功功率来使电压降低。为了充分利用补偿容量，在最大负荷时电容器应全部投入，在最小负荷时全部退出。

① 根据调压要求，按最小负荷时没有补偿这样变 压器变比

k2V2c(V2cV2)xV1t(V1minVmin)V2NV2r

② 按最大负荷时的调压要求选择补偿容量

QcV2cmaxV(V2cmax2max)k2xk

③ 校验实际电压是否满足要求

（2）选用同期调相机

调相机的特点是既能过励磁运行，又能欠励磁运行。如果调相机在最大负荷时按额定容量过励磁运行，在最小负荷按（0.5～0.65）额定容量欠励磁运行，那么，调相机的容量将得到最充分的利用。 同步调相机容量选择

最大负荷时调相机发出全部容性无功 ，最小负荷时吸收 感性无功，（ ），有：

V2cminV2minV2cmaxV2mac2Qc(V2cmin)k2Qc(V2cmax)kxkxk

两式相除： 可得

V2cmin(kV2cminV2min)V2cmax(kV2cmaxV2max)

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r2cmaxV2maxV2cminV2mink2V22Vcmax2cmin按以上公式选择k和

QCN

第四节 电力线路导线截面的选择

电力线路导线的投资在电力线路总投资中所占的比重较大，在一般35~110Kv架空电力线路中，导线投资约占30%左右。正确地选择电力线路的导线截面，对电网的经济运行，提高电能的质量至关重要。 一、按经济电流密度选择导线截面

根据经济条件选择导线截面，要考虑两方面问题；从降低功率损耗及电能损耗的条件出发，则导线截面越大越有利；从减少投资和节约有色金属出发，则导线截面越小越好。而电力线路投资和电能损耗都影响年运行费。综合考虑了各方面的因素，定出符合总的经济利益的导线截面称为经济截面，对应于经济截面的电流称为经济电源密度。

1、电力网的年运行费

电力网的年运行费包括四个部分：

（1）设备的折旧费：电力网中各种设备在运行期间将逐渐陈旧、老化，更新设备所需的费用叫做折旧费。 （2）设备的小修费和维护管理费：为保证电力网中设备的技术质量，设备必须进行经常性的小修和运行中的维 护和管理，这方面所需要的费用称为小修费和维护管理费。

（3）电能损耗费：电力网的电能损耗费是以电力网一年的网损电能乘以计算电价而决定的。 2、经济电流密度

经济电流密度对应于不同的

Tmax而有不同的值。

3、按经济电流密度选择导线截面

首先必须确定电力线路输送的最大负荷。然后根据负荷的性质，得知最大负荷利用小时数用导线材料的经济电流密度

Tmax，由表可查出所

Jj。最后计算导线截面为

ImaxSJjPmax(mm2)3UNJjcos

二、按机械强度的要求选择导线最小容许截面

为了保证电力线路在运行中安全，导线必须有必要的机械强度，这就要求导线截面不能太小。所以在规程中对各种不同电压等级的电力线路和不同的导线材料，按机械强度的要求规定了导线最小容许截面。 三、按导线的长期发热条件选择导线截面

导线长期发热问题是牵涉到电力网安全运行的问题，所以不管在哪一种电力网中，其导线中实际通过的电流都不应超过持续容许电流表所规定的数值。 四、按电晕临界电压选择导线截面

电力线路的运行电压超过导线的电晕临界电压时，电力线路会出现电晕。这样，一方面会产生电晕损耗，使网损增大，运行经济性变差；另一方面电晕放电对无线电有干扰作用。因此，应按晴天导线不出现电晕这一条件选择导线最小容许截面或最小容许直径。 五、按容许电压损耗选择导线截面

在地方电力网中，电力线路导线截面一般是按容许电压损耗来选择的。这是因为，一方面在地方电力网中一般没有特殊的调压设备，只有依靠适当地选择导线截面来保证电力线路的电压损耗不超过容许值，从而保证

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——————电力系统分析——————

各用户的电压偏移在容许范围内；另一方面地方电网导线的电阻较大，也有可能通过选择适当的导线截面降低电压损耗。 当有n个负荷时

V(PmRmQmxm)m1nVNnroPmmxoQmmm1m1nnxN

QmlmPVxxOVNm1S

Pn1nmmP

VN(VVx)六、选择导线截面基本方法的应用

工厂电力网——持续容许电流或经济电流密度 中、低压配电力网——（长线路）容许电压损耗 （短线路）容许电流损耗

农村电力网——容许电压损耗 区域电力网——经济电流密度

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