电力系统电压管理设计.doc

编号 1251401149 课程设计 题 目： 电力系统电压管理设计 学 院： 物理与机电工程学院 专 业： 电气工程及其自动化 作者姓名： 叶海龙 指导教师： 刘永科 职称： 副教授 完成日期： 2015 年 6 月 20 日二 一 五 年 五 月河西学院本科生课程设计任务书设 计 题 目电力系统电压管理设计作 者 姓 名叶海龙学院、专业、年级物电学院电气工程及其自动化12级1班指导教师姓名、职称刘永科 副教授任务下达日期2015年5月20日一、设计内容1.1设计内容某降压变电所及其等值电路，已知数据均见表9-13中示例1，要求低压母线的电压变化不超出6.0-6.6kv的范围，试选择分接头电压。 升压变压器1.2原始资料双绕组变压器分接头选择实际电路等值电路归算到高压侧的阻抗()最大负荷时最小负荷时通过变压器的功率（MVA）变压器的电压损耗（kv）高压侧的电压（kv）通过变压器的功率（MVA）变压器的电压损耗（kv）高压侧的电压（kv）事例1：降压(Kv=31.5MVA2.32+j4028+j145.6811010+j62.39113低压母线要求的电压或电压允许变化范围分接头电压（kv）校验低压母线实际电压（kv）最大负载时最小负载时平均值标准值最大负载时最小负载时6kv6kv=6.56.6kv二、设计的基本要求2.1设计及计算说明书（1）说明书要求书写整齐，条理分明，表达正确、语言正确。（2）计算书内容：为各设计内容最终成果、确定提供依据进行的技术分析、论证和定量计算，如。（3）计算书要求：计算无误，分析论证过程简单明了，各设计内容列表汇总。2.2图纸（1）绘制分析所需的必要图纸（2）图纸要求：用标准符号绘制，布置均匀，设备符号大小合适，清晰美观。三、论文(设计)进度安排1熟悉设计任务书、设计题目及设计背景资料5.205.252查阅有关资料5.265.273阅读设计要求必读的参考资料5.285.294书写设计说明书5.306.205小组答辩与质疑6.216.226上交设计成果6.30四、需收集和阅读的资料及参考文献（指导教师指定）1: 陈珩.电力系统稳态分析（第三版）M，北京，中国电力出版社，20072：何仰赞，温增银.电力系统分析第三版M，武汉,华中科技大学出版社，20023：陈悦.电气工程毕业设计指南电力系统分册M，北京，中国水利水电出版社，20084：陆敏政. 电力系统习题集M，北京，中国水利水电出版社，1990教 研 室 意 见 负责人签名： 年 月 日摘要随着电力系统的发展，电压等级逐渐提高，网络的结构越来越复杂，对电力系统的电压水平要求也越来越高，本文就简要阐述了电力系统的电压管理分析。为确保用电系统最远端用电设备的正常运行和提高供电的质量，调节变压器分接开关是最常用的方法之一，但按照经验反复的调节势必对供电的可靠性造成影响，将会给企业造成不必要的经济损失，即便使用带载调压的电力变压器，也会对工时和人力造成浪费，单也不确定得到好的结果。本篇文章是以理论分析计算为起点，讨论了变压器分接头的合理确定方法，并用实例进行计算，分析和验证。本方法是在根据供电系统的最大和最小负载两种条件下进行的计算和分析。因此它适合各种运行情况。目录1.设计目的52.设计的意义53.电力系统的电压管理64.调压措施的具体分析及展望125.有关计算16实验总结18参考文献191.设计目的 保证供给用户用电设备的电压不超过允许的偏移范围是电力系统电压调整的基本目的。但在电力系统中有许多发电厂、变电站和大量的负荷节点，要全部监视、控制并调整所有节点的电压不仅很难做到，而且也无必要。在电力系统往往选择一些有代表性的发电厂和变电站的母线作为电压监控点电力系统的电压调整实质上就是保证系统中各电压中枢点的电压不超过允许范围。电压调整和频率调整相比较有如下的不同：（1）全系统频率相同，而系统中为数甚多的节点（母线）其电压值各不相同。（2）频率与系统有功功率密切相关，系统的有功电源集中于发电厂的发电机；而电压则与系统无功功率关系很大，无功电源除各类发电厂的发电机外，可分散在各变电所设置的其他无功电源。（3）调整频只须采用调整发电厂原动机功率这惟一手段。2.设计的意义 (1) 坚持电压质量和无功补偿综合治理的原则，充分利用有载调压的手段，改善电网输出的电压质量，并根据无功情况及时投切电容补偿装置。 (2) 改进电网电压质量和无功电力管理的措施将编入分公司电网发展规划和年度计划之中加以落实。 (3) 电网电压质量和无功电力管理实行分级管理。各级领导、专业人员及班组站人员都要熟悉和掌握电压质量标准和功率因数考核指标及本办法内容，并严格遵照执行。 (4) 本办法依据原电力部部颁“电力系统电压和无功管理条例”、“电力系统电压和无功电力技术导则”并结合我县农村电网的实际情况而制定。 (5) 做好分公司电压和无功统计资料和报表的管理工作，监督和检查各班组站电压、无功和功率因数管理工作的完成情况。 (6) 负责制定公司、供电所电压和无功管理工作计划和完善改进电压质量提高无功补偿率的技术措施。 (7) 各供电所全面负责辖区内农电系统电压和无功的管理工作。 (8) 准确、完整收集整理无功电压管理基础资料，确保图表、台帐准确无误。统计数据真实可信，能正确反映出电网真实情况，并根据分析及时调整无功补偿设备。 (9) 根据负荷情况，及时做出无功补偿调整，实现电容器自动补偿与随器、随机、分散就地补偿相结合，提高功率因数和改变电压质量，提高配变供电能力和设备出力，降低电能损失，从而达到降低线损的目的。3.电力系统的电压管理 3.1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。 3.1.1电压中枢点的选择 电压中枢点的选择在：a.区域性水、火电厂的高压母线b.枢纽变电所二次母线c.有大量地方负荷的发电厂母线d.城市直降变电所二次母线 3.1.2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。(1) 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。(2) 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。(3) 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25。 3.2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；（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。 3.3电力系统的几种调压方式 3.3.1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。（1）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。（2）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。（3）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。 3.3.2改变变压器变比调压 （1）、降压变压器分接头的选择 式中， K=V1T/V2N是变压器的变比，即高压绕组分接头电压V1T 和低压绕组额定电压V2N之比。将k代入上式，得高压侧分接头电压 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然后求取它们的算术平均值，即 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 ：a、根据最大和最小负荷的运行情况，求出其一次侧电压U1max和U1min，以及通过变压器的负荷Pmax+jQmax ，Pmax+jQmax求取变压器的电压损耗Vmax, Vmin。b、套用公式计算最大负荷和最小负荷时的分接头选择c、取其算数平均值d、选择邻近的接头作为所选择的接头 e、套用低压则电压计算公式进行验算(2)、升压变压器分接头的选择升压变压器 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侧电压相加。因而有式中， 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 将高低绕组看作双绕组，确定高绕组接头； 将高中绕组看作双绕组，确定中绕组分接头位置.（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VN32.5%；220kV级的有9个分接头即VN42.0%。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。 3.3.3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 （2）、按调压要选择补偿量的基本原理 第二项很小 于是有 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 A.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。 根据调压要求，按最小负荷时没有补偿这样变 压器变比 按最大负荷时的调压要求选择补偿容量 校验实际电压是否满足要求B.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（0.50.65）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QcN，最小负荷时吸收QcN感性无功，有： 两式相除： 可得按以上公式选择k和QcN 4.调压措施的具体分析及展望电压调整是一个复杂的问题。因为整个系统每个节点的电压不同，客户对电压也有要求，所以在各个节点调整电压以满足用户对电压要求。 4.1电网电压偏差大的原因 4.1.1电压偏低的原因 供电网络或配电网络结构不合理，特别是一些农电线路送电距离太长，供电半径过大，导线截面太小，使线路电压损失太大。电网无功功率电源不足或无功补偿设备管理不善，长期失修、经常停用等，使无功平衡破坏，这是电网电压水平普遍下降的根本原因。变压器分接头位置放置不合理。电网接线不合理，负荷过重，负荷功率因数低，电力设备检修及线路故障等，均可能使电网电压下降。 4.1.2电网电压偏高的原因 随着现代化电网的发展，2030万KW大容量机组直接接入超高压电网，以及500KV超高压线路的投入运行，其线路充电功率较大，每百公里充电功率（电容性无功功率）约10万Kvar，使220KV500KV超高压电网内无功过剩，使主网电压过高。这是电网发展的新课题。 4.2调压措施分析 拥有充足的无功功率电源是保证电网有较好运行电压水平的必要条件。但要使所有用户处的电压质量都符合要求，还必须采用各种调压手段。就电力网而言，目前调整用户端电压的手段，主要采取如下措施：适当选择变压器的变比；改变线路参数R和X及改变无功功率分布，以减少网络的电压损耗。为了保证中枢点电压变动不超过规定范围，在无功功率平衡的前提下，可以采用如下几种调压方法：(1). 利用调整变压器分接头调压 改变变压器的变比可以升高或降低次级绕组的电压。它分两种方式，即无载调压和有载调压。 无载调压 所谓无载调压，即是不带负荷调压，这种调压必须在变压器断开电源之后停电操作，改变变压器分接头，达到调整二次电压的目的。因为无载调压时需要停电，所以这种调压方式适用于季节性停电的变（配）电站。由于不能根据负荷变化，灵活调节电压，故许多城市电网对110KV及以上变压器都已逐步采用有载调压变压器。 有载调压 有载调压变压器可以在带负荷运行的条件下切换其分接头，而且调压范围也较普通变压器大，调压级数多，调压范围可达额定电压的20%30%。所以在110KV及以上变压器得到广泛应用，并随着农网改造二期工程的收尾，在农网中也得到了大力推广。(2). 改变电力网的无功功率分布进行调压 改变电力网无功功率分布的办法是在输电线末端，靠近用户处装设并联的无功补偿设备,电网的无功补偿设备主要有同期调相机、静电电容器、静止补偿器。 同期调相机 同期调相机实质上就是只能发无功功率的发电机，它在过激运行时向系统供应感性无功功率，欠激运行时从系统吸取无功功率。所以改变同期调相机的励磁，可以平滑地改变它的无功功率的大小和方向，因而可以平滑地调节所在地区的电压，既可提高电压，也可降低电压。同期调相机可以装设自动调节励磁装置，能自动地在电网电压降低时增加输出的无功功率，以维持系统电压。 静电电容器 静电电容器可按三角形和星形接法接在变电站母线上，只能供给电网无功功率，而不能吸收无功功率。它供给的无功功率QC值与所在结点的电压U的平方成正比。所以电压下降时，它供给的无功功率也减小，因此，在电网发生故障或其它原因而使电压下降时，其输出的无功功率反而减少，结果导致电网电压继续下降，这是静电电容器的缺点。为了在运行中调节电容器的功率，可将电容器连接成若干组，根据负荷变化，分组投入和切除。它广泛地应用在系统变电站和用户配电所中。 静止补偿器 静止补偿器又称可控静止无功补偿器，是一种动态无功补偿电源。其特点是将可控的电抗器与静电电容器并联使用，电容器可发出无功功率，可控电抗器则可以吸收无功功率，可以按照负荷变化情况进行调节，因而使母线电压保持稳定。它能快速、平滑地调节电压，运行维护方便，功率损耗小，对不平衡的负荷变化可以作到分相补偿，对冲击负荷的适应性较强，我国500KV变电站大都安装了静止补偿器。 (3). 改变线路参数R和X的方法调压 电压损耗可近似为电压降的纵向分量：从上式可知，在输送功率一定时，改变参数R和X的大小，可以改变电压损耗，起到调压作用。用串联电容补偿线路参数的方法调压 在高压电网中，通常电抗X比R大得多，用串联电容的方法，改变线路电抗以减小电压损耗。对于负荷功率因数低、输送功率较大、负荷波动大、导线截面较大的线路，串联电容器调压，效果尤其显著。按允许电压损耗选择导线截面 在低压电网中，用户很多又很分散，容量又不大，且导线截面较小，电压损耗中PR/U分量所占的比重较大，并联补偿和串联补偿不仅不经济，且均受到限制，对于这种电网，改变导线电阻将取得一定的调压效果。因此在低压电网的设计和建设中，按照规定的允许电压损耗，选择适当的导线截面，是保证用户电压质量的重要措施之一，随着农网改造二期工程的进行，这一措施得到了很大程度的落实，农网中，因导线截面小造成线路功率和电压损耗大的状况得到了很大程度的改善。 用串联电感线圈增加线路无功功率和电压损耗的方法调压 对于一些输电距离远、输送功率大的500KV线路，由于线路的充电功率较大，整个线路呈现容性，功率因数高，使线路末端的电压很高，这时通常采用在线路上串联电感线圈的方法，吸收线路上过剩的容性无功，增加电压损耗，以达到调压的目的。 辅助性调压措施通过变更发电机的励磁电流改变发电机的端电压来调整电压 这种方法一般可在额定电压的5%范围内调节电压。对孤立电厂直接供电的小型电网，因线路不长，其电压损耗不大，故改变发电机电压就可满足用户的电压质量要求。但对多级变压的供电范围大的系统，仅借发电机调压一般不能满足要求。 4.3各种调压方式的比较 各种调压方法的应用范围是相当复杂的，而对调压设备的选择，往往要通过技术经济比较来确定。现对几种调压方法比较如下： a.改变发电机电压来进行调压，仅对有孤立运行的发电厂供电的小型电力系统才有显著效果。对电网来说，不可能由它来解决全部调压问题，但是由于它不需要投资，在一些地区解决调压问题，应予以优先考虑。 b.在无功功率不足的情况下，首要问题是增加无功电源。这时利用调压变压器是解决不了问题的。 c.用有载调压器进行调压，应用在无功功率并不缺乏的大型电力系统中。在配网中采用小容量的有载调压器，已成为唯一经济合理的调压方法。因配网中的客户，其功率因数往往比较大，所以他们的电压损耗主要是有功功率，而不是无功功率所决定的。一般有以下几种情况： 有载调压器分别装在变电所内，这种费用高，但是比较灵活，一般用在调压要求比较高，各变电所负荷曲线相差很大的配网中。 有载调压器只装在一个局域网的变电所内，这种费用低，但只是用于客户负荷比较相似的中等电网中。 一些地区，由于线路长、负荷多，在各种运行方式下，难以满足各个负荷点对电压的要求。当一部分负荷的要求得到满足时，另一部分负荷的电压偏移已超过允许程度。在这种情况下，若在功率分点处设一台辅助调压变压器，把电力网隔成电压互补影响的两部分。在这两部分中，可以各自进行调压，以满足各负荷点对电压的要求。 d.采用同期调相机、电容器和静止补偿器等无功补偿设备进行调压时，由于无功补偿设备本身的投资和损耗，将增加电网的建设费用和运行费用。因此要经过经济技术比较来决定是否利用无功补偿设备进行调压。由于静止补偿器有很多优点，在选用无功补偿设备时，特别是有集中冲击负荷，并产生电压波动时，应优先考虑采用静止补偿器。 e.当线路电压损耗过大，必须采取调压措施时，是否采用并联电容补偿器，则要经过经济技术比较才能确定，特别是要和并联电容器比较。根据以往经验，在比较时，要注意以下两种情况。 在考虑投资大小的情况下，串联补偿和并联补偿所需电容量之比，为线路中的无功功率损耗和线路所输送无功功率之比。在一般情况下，线路所输送的无功功率总要比线路中的无功功率损耗大。所以，在调压效果相同时，一般来说用串联补偿所需电容量，要比并联补偿所需电容量小得多。 按降低线路功率损耗和电压损耗的要求，并联补偿比串联补偿更为有效。 所以，调压设备的选择，不仅与电网对电压的要求、电网的规模、结线方式等有关，而且还应与系统的功率平衡、电能损耗等方面相配合。因此，在选择调压方案和调压设备时，应通过经济技术比较，从整个电力系统的情况出发，全面加以考虑。但是频率调整与电压调整的相互影响在正常参数附近运行时是不大的。5.有关计算 5.1 变压器损耗的计算如图为降压变压器。其中为高压母线电压，为低压母线电压，归算到高压侧的变压器阻抗为，若通过的功率为，那么归算到高压侧的变压器电压损耗为 (2-1)低压母线电压 (2-2)式中 _ 变压器的电压比； _ 高压绕组分接头电压。将k带入式（2-2）中，得到高压绕组的分接头电压为 (2-3) 5.2.变压器分接开关的确定 当变压器通过的负荷发生变化时，各电压值将发生变化，这就需要计算在不同负下为满足低压侧要求所应选择的高压侧分接头电压。普通的双绕组变压器在正常运行中无论负荷怎样变化只能使用一个固定的分接头。这时可以分别算出最大负荷和最小负荷下所要求的分接头电压为 （2-4） （2-5） 为使在最大、最小负荷两种情况下变压器的分接头均使用，则在变压器高压绕组的分接头电压取最大和最小负荷时分接头电压的平均值，即为 （2-6） 5.3变压器分接头选择选择实例及验证当低压母线电压在6KV6.6KV范围内变化时，计算最大负荷和最小负荷时其分接头电压如下 选择最接近的分接头。校验低压母线的实际电压