（电力系统及其自动化专业论文）配电变压器无弧有载调压技术研究.pdf

中国电力科学研究院硕士论文 a b s t r a c t v o l t a g ei so n eo f t h ei m p o r t a n tt a r g e t st ov e r i f yp o w e rq u a l i t y t h eh i g h e rd e s i r e f o rp o w e rs u p p l yq u a l i t ya n dr e l i a b i l i t yh a sb e e na d v a n c e da l o n gw i t ht h er a p i d d e v e l o p m e n t o fn a t i o n a le c o n o m ya n dt h ec o n t i n u i n ge l e v a t i o no f p e o p l e ss t a n d a r d o fl i v i n g v o l t a g ee x c u r s i o ni ne l e c t r i cp o w e rs y s t e mc a l lb e e nm a d eb yv a r i o u s c a u s e s ，w h e ni ti ss e v e r e ，e n o r m o u sl o $ s e sa n db r e a k a g ew i l lb eb r o u g h tt op o w e r e q u i p m e n t sa n dp o w e ru s e r sa sw e l la st h es y s t e mp e r s e o n - l o a dt r a n s f o r m e rc a l l r e g u l a t ev o l t a g ew i t hl o a d ，a n di ti sae f f e c t i v em e a n sf o rv o l t a g ec o n t r 0 1 s oo n l o a d t r a n s f o r m e rh a sb e e ng o t t e na l l - p e r v a d i n ga p p l i c a t i o ns t e pb ys t e pi nd i s t r i b u t i o n n e t w o r k si nr e c e n ty e a r s o n l o a d t a pc h a n g e rm a d eu po fm e c h a n i c a l a n d d y n a m o e l e c t r i cc o m p o n e n t si sa d o p t e di nt r a d i t i o n a lo n l o a dt r a n s f o r m e r i t ss p e e d o fv o l t a g er e g u l a t i n gi ss l o w , a n da r ci sp r o d u c e de a s i l y , a sw e l la si t sf a u l tr a t i oi s h i 曲a l ll o n g t h ef u n c t i o no fo n l o a dv o l t a g er e g u l a t i o nf o rt r a n s f o r m e ri st h e n a f f e c t e db a d l y t h ed e v e l o p m e n to f p o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g ym a k e si tp o s s i b l et o c a r r yo u tt a ps h i f tb yu s i n gm i c r o p r o c e s s o rt oc o n t r o ld i r e c t l yp o w e re l e c t r o n i c s w i t c h t h ed e v e l o p m e n tt r e n di nt h i sf i e l di st h a tm e c h a n i c a lv o l t a g er e g u l a t i o n t e c h n o l o g yi sr e p l a c e db yq u i c ka n da r cl e s sp o w e re l e c t r o n i cv o l t a g er e g u l a t i n g t e c h n o l o g y i tw a gp u tf o r w a r dt h a tan e wt e c h n o l o g ys c h e m eo fa r c l e s so n l o a dv o l t a g e r e g u l m i o nr e g a r d e dp o w e re l e c t r o n i cs w i t c ha st h ek e yp a r ti nt h i sp a p e r , a n dt h i s w a sb a s e do ni n v e s t i g a t i n ga sw e l la ss u m m i n g u pa n da n a l y s i st ot h i st e c h n o l o g y o v e rt h ew o r l d t h es i m u l a t i o nm o d e lo ft h es c h e m ew a se s t a b l i s h e du s i n g p s c a d e m t d c ( e l e c t r om a g n e t i ct r a n s i e n t sf o rd c ) s i m u l a t i o ns t u d ya n d a n a l y s i sf o rt h es h i f ta n dt r a n s i t i o no f p o w e re l e c t r o n i cs w i t c h e sw a sc a - t i e dt h r o u g h , a n dt h ef e a s i b i l i t yo f t h i ss c h e m ew a sv a l i d a t e dp r i m a r i l y t h ef i n a lr e a l i z a t i o no fa r c l e s so n - l o a dv o l t a g er e g u l a t i n gs c h e m ed e p e n d so n t h er e l i a b l ea n de f f e c t i v ec o n t r o lo fi t sa u t oc o n t r o ls y s t e m t h ec o r r e l a t i v e i n t e r f e r e n c ea n dt e c h n i c a lc o u n t e r m e a s u r e sf o rs c mm e a s u r ea n dc o n t r o ls y s t e m w e r ea n a l y z e da n ds t u d i e d ，a n dac o n t r o ld e v i c ew i t hc y g n a lm i x e db e a c o na g e c m o sc h i pc 8 0 51 fs c m ( s i n g l ec h i pm i c y o c o ) o fa r c l e s so n - l o a dv o l t a g e r e g u l m i o nw a ss e tu p t h eh a r d w a r es t r u c t u r ea n df u n c t i o nc i r c u i td e s i g na n dt h e s o f t w a r ef l o wd e s i g no f c o n t r o ls y s t e mw e r ec a r r i e dt h r o u g h f i n a l l y , l o wv o l t a g et e s tm o d e lo fa r c l e s so n l o a dv o l t a g er e g u l a t i n gs c h e m e w a se s t a b l i s h e dw i t ht h en e wt e c h n o l o g ys c h e m eo fa r c l e s so n 一1 0 a d v o l t a g e r e g u l a t i o na n dt h ed e s i g no fc o n t r o ls y s t e m s i m u l a t i n gv o l t a g ee x c u r s i o ni n s t a n c ei n 中国电力科学研究院硕士论文 d i s t r i b u t i o ns y s t e mp r a c t i c a lr u n ，l o wv o l t a g et e s ta n de f f e c ta n a l y s i sw e r ec a r r i e d o u t t h ef e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es c h e m ew a sv a l i d a t e dm o r eb yl o wv o l t a g e m o d e lt r i a l s k e y w o r d s ：d i s t r i b u t i o nt r a n s f o r m e r , o n l o a dt a pc h a n g e r , p o w e re l e c t r o n i c t e c h n o l o g y , t h y r i s t o r , s o f i ds t a t er e l a y , v o l t a g ee x c u r s i o n ，p o w e rq u a l i t y i 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 随着我国经济的快速发展，对电力的需求量不断增加，对配网的供电 可靠性和供电质量都提出了更高的要求。如何适应和满足经济建设对电力 的要求，是目前电力企业面临的重要课题。计算机技术、电力电子技术以 及相关新技术逐步在电力系统配电网络中得到广泛应用，配电网运行与管 理以高度自动化替代传统落后的人工操作已是大势所趋。电压质量是检验 电能质量的一个重要指标，与国民经济发展和人民生活水平提高有着极为 密切的关系。电网中因负荷变化、运行操作等原因造成电压波动和偏移， 严重时会出现不允许的低电压或高电压运行状态。不合格电压会使工厂生 产效率降低，出现大量废品、次品，降低设备的使用寿命，有时甚至会烧 坏设备，给用户造成严重的经济损失，也极大地影响到电力企业的社会声 益。 有载调压变压器作为电压控制的有效手段，在电力系统中已广为应用。 但由于传统有载调压变压器的机械式开关存在结构复杂、切换时产生电弧 和故障率高等诸多缺点【1 2 3 】，极大影响了有载调压变压器在配电网络中的 功能发挥。针对配电变压器所存在的问题，多种新型有载调压装置相继研 制，目标是使变压器有载调压实现快速无弧化。而已有的变压器无弧有载 调压开关方案在实际应用中还存在许多问题和难点，需要进一步改进和完 善。随着电力电子技术的快速发展及其在社会各个领域的普及应用，大功 率、高性能、低成本的电力电子器件不断涌现，利用具有良好开断性能的 电力电子开关替代传统的机械式分接开关实现变压器有载自动调压已成 为可能【l 4 ，5 】。微型计算机技术的发展，使得我们可以利用以微处理器为核 心的控制系统直接控制电力电子开关的通断。通过适当选择电力电子开关 的通断时刻和通断配合，完成分接头问的转换，从而免除了复杂多故障的 机械结构和电动部件，使得有载调压分接开关具有无油、无电弧、低损耗、 少维护等诸多优势，能够自动快速、准确地完成调压任务。 配电变压器有载调压作为配网运行和配电自动化系统不可缺少的一个 重要组成部分，在配网中应用量大、面广，再与并联电容器投切相结合已 第一章绪论 成为我国目前进行电压无功综合自动控制和无功优化的主要手段。实现有 载变压器快速、可靠、无弧化调压，对保证配电网安全、稳定、经济运行 以及向用户可靠优质供电有着极为重要的经济效益和社会效益。 1 2 国内外发展现状 电力系统中有载调压变压器的应用越来越广泛，它在提高系统电压质 量和供电可靠性方面的作用可谓举足轻重。但传统的有载调压变压器是由 机械式有载分接开关调整其分接头和相关的电动部件完成的，分接开关带 负荷切换时产生较大的电弧，容易烧蚀触头造成油污染，影响变压器的绝 缘特性和使用寿命。电动操作机构容易出现故障，据有关数据统计，其故 障率约占分接开关故障的8 0 ，维护工作量大，制约了变压器有载调压作 用的发挥。基于有载调压变压器在电力系统安全经济运行中的关键地位， 一直以来都倍受该领域专家的关注，有载调压技术更是处于不断地探索和 改进过程中。 自2 0 世纪7 0 年代以来，国内外许多学者都想到利用电力电子器件的 无弧断流特性来改善有载调压变压器的分接头转换过程，并进行了多方面 的研究和探索，提出了多种方案 7 , 8 , 1 0 , 1 1 , 1 2 】，但由于工作的可靠性和制造成 本问题，一直没有得到批量生产，在实际应用中也未得到最终认可。电力 电子技术的发展，给无弧有载调压方案改进带来了新的可能性。 目前国内对有载调压开关的研究并不多，有载分接开关实现快速无弧 化是这一领域的必然趋势，无弧调压开关技术正处于试验和摸索阶段。有 效改善传统有载调压变压器在配电网络中的应用现状，关键是消除机械式 有载调压开关进行分接头切换时所产生的电弧烧蚀触头问题。迄今为止， 无弧调压的设计思想大体分两种，一种是完全取消机械式触头的大功率晶 闸管实现有载调压，一种是机械触头与晶闸管相结合的混合式有载调压。 国内提出的混合式调压方案中有一种是晶闸管辅助机械开关无弧有载调 压【1 “，采用机械式开关与电力电子开关相结合的混合式调压，以电力电子 开关为辅助，只在切换时使用晶闸管，正常运行时仍使用机械开关。该方 案的优点是切换过程中机械开关的切换不会切断电流，避免了电弧产生， 可有效延长机械开关的使用寿命。但是正常运行时的机械开关回路中始终 串有电阻，造成大量能量损耗，而且开关结构与控制比单纯的机械式结构 更为复杂，容易出现故障。所提出的一种完全取消机械和电动机构的电力 电子式有载调压方案【2 1 1 ，采用固态继电器电压过零触发和电流过零自动关 第一章绪论 闭的快速调节技术，每两个分接头间都串有两个固态继电器，并且取消了 过渡电阻，切换动作迅速。无电弧产生。但是调压回路中的任何固态继电 器的提前导通或延时关断都可能造成分接间短路或产生大的环流；在选择 最小变比时，通路中需要很多个固态继电器串联导通，很难保证变压器调 压过程中的协调可靠控制。 相对来说，国外对无弧有载调压开关的研究起步较早，并提出了多种 设计方案，但有的方案还处在试验阶段，有的因为在实际的应用过程中存 在技术上和经济上的难题，而没能在市场上得到推广，对于已投产运用多 年的产品，也还存在某些方面的问题，方案设计仍处在不断的改进和完善 中。a b b 公司生产的u e d 型晶闸管无弧有载分接开关【8 】己早有生产，分接 开关在晶闸管电流过零时切换，没有电弧产生，开关寿命长短不取决于操 作次数，而取决于维护和运行条件；三相分接开关是每相单独分开并互相 独立操作，系统除保持每相电压稳定，也能补偿各相间的不平衡。该产品 所存在的问题是价格昂贵、体积庞大及电控系统的敏感干扰等。国内学者 曾对国外提出的以晶闸管作为o l t c 辅助触点的无弧有载调压方案进行了 低压模拟试验，发现其方案的灭弧特性与电流方向和开关动作状况有关， 不能可靠实现无弧有载调压。 总的看来，目前国内外有关无弧有载调压开关的设计方案还不十分理 想，各方案均存在需要改进和完善的地方。配电网中有载调压变压器的应 用日益广泛，有载调压与并联电容器投切相结合的电压无功综合自动控制 作为提高电能质量、降低网损以及电网无功优化的一条重要途径正受到越 来越多的关注，并在配网中得到快速普及。现有较为先进的电压无功综合 自动控制中基本实现了电容器组的无触点、快速自动投切，取代了原来的 机械开关有触点投切，获得了明显的实用效果。而有载变压器自动调压依 然采用传统的机械装置与电动操作机构相结合的方式，动作速度侵，调压 次数受到限制，机械和电动机构部分故障率高，极大影响了综合自动装置 的功能实现。 1 3 本论文的主要工作 1 3 1 论文的主要研究内容 有载调压变压器实现无弧调压的关键技术是有载调压分接开关实现无 第一章绪论 弧化切换。利用先进的电力电子技术，以具有良好开断性能的电力电子开 关取代传统的机械式开关进行可靠快速地调压，提高有载变压器的整体性 能。本论文基于有载调压开关的工作机理和电力电子开关的开断特性，在 总结前人经验教训和相关理论分析的基础上，展开配电变压器无弧有载调 压技术的研究，完成的具体工作如下： i 对变压器有载调压的相关关键技术和无弧有载调压技术现状进行 大量的文献调研和综述比较，并由此提出需要重点解决的问题。 2 研究变压器有载调压的概念及其工作原理，详细分析电力系统中 电压偏移的主要原因以及给电力设备、电力用户和电网本身所造成 的危害，重点描述变压器有载调压在配电网中的重要作用以及实时 电压调整的必要性。 3 详细分析有载调压开关的结构及工作原理，研究电力电子开关技术 特点和性能状况，通过具体的理论计算和分析，阐明利用电力电子 开关实现无弧有载调压可行性。 4 通过对已有无弧设计方案的深入分析和比较，总结出各方案所存在 的优缺点，提斟学的无弧有载调压新技术设计方案，给出方案的 工作原理和适用范围。并且使用电力系统专门的仿真应用软件 p s c a d e m t d c 对设计方案进行仿真与分析，给出相应的仿真波形， 验证方案的正确性、可行性和可靠性。 5 研究单片机测控系统中电磁干扰的危害及形成的因素，分析总结控 制系统设计中各种具体可行的抗干扰措施和有效方法，设计完成无 弧有载调压自动控制硬件系统和软件流程设计。 6 根据所提出的无弧有载调压设计方案和控制系统设计，建立低压试 验模型，模拟配电网实际运行状况进行低压模型试验，进一步验证 设计方案的可行性和控制系统设计的正确性。 本论文的重点工作是无弧有载调压方案的设计与确立。方案的可行性 和优越性通过相关仿真分析和低压模型试验进行验证。低压模型试验是建 立在有载无弧调压自动控制系统设计的基础上，控制系统也是整个无弧有 载调压技术的核心部分，它决定整个有载调压变压器装置的性能好坏和调 压质量的高低。 第一章绪论 1 3 2 工作进度安排 第一阶段( 2 0 0 5 年4 月一5 月) 查阅文献，熟悉有载调压分接开关 工作原理，单片机原理结构及其接口技术，电力系统相关仿真应用 软件以及单片机c 语言编程技术。 第二阶段( 2 0 0 5 年6 月一7 月) 设计无弧有载调压分接开关方案，利 用电力系统仿真应用软件对设计方案进行仿真分析，并进行自动控 制系统硬件结构和软件流程设计， 第三阶段( 2 0 0 5 年7 月一9 月) 建立低压试验模型及利用单片机c 语言进行编程。 第四阶段( 2 0 0 5 年1 0 月- i o 月中旬) 进行低压模型试验及效果分 析。 第五阶段( 2 0 0 5 年1 0 月中旬) 馔写论文。 第二章有载调压及在配电网中韵应用 第二章有载调压及在配电网中的应用 2 1 配电网电压调整现状 现在电力系统在发电、输电和配电环节都有一定的调压措施。发电厂 通过增加发电机的励磁电流来提高搿压变压器的端电压，但仅靠发电机的 调压无法保证线路末端的电压质量。而在感性负荷较大的用户端装设调相 机或并联电容器等无功就地补偿装置，虽然对调压有一定的效果，但是单 纯依靠调整无功功率来调节电压，范围有限，而且也不经济。相对来说， 在输配电网络中合理采用调压变压器，是减小电压偏移、保证供电电压质 量的有效措施。 目前我国配电网中调压状况还不甚理想，部分城市和广大农村配电变 压器依然采用无载调压，改变分接头时，需要兼顾最大负荷和最小负荷， 事先选择好个合适的档位停电操作。这种无载分接开关不适合频繁调 节，一般只作季节性调整，或在因故停电检修时进行。因不能对电压偏移 作及时调整，故很难保证对用户的供电质量。而有载调压变压器，又称为 带负荷调压变压器，调压范围大，而且可根据实际运行电压进行实时自动 调整，无需停电，容易满足电力用户对电压偏差的要求。尤其在无功电源 充裕的系统中，应该大力采用和推广有载调压变压器，这是在各种运行方 式下保证电网电压质量的关键手段之一【6 9 i 。而且，随着我国经济的发展和 人民生活水平的提高，电网负荷的峰谷差也越来越大。对于那些通过多条 不同电压等级线路、多级变压器供电的负荷，其高峰负荷与低谷负荷的电 压损耗差别，已经大到无法仅仅靠发电机调压或无功补偿的方法来满足两 种运行方式下的用户电压的要求，不是高峰负荷时用户电压太低，就是低 谷负荷时电压太高。在这种情况下，采用有载调压是保证用户电压质量唯 一可行的办法。 近几年我国以城网和农网改造为标志的电力工业进入了一个飞速发展 阶段，在各种电压等级下采用有载调压变压器的数量不断增加，有载调压 变压器已成为电网中的主要设备。变压器有载调压符合供电企业经济、优 质供电的宗旨，符合广大电力用户的利益需求，是全面实现配电自动化的 前提所在。但国内有载调压变压器依然采用传统的机械装置与电动操动机 第二章有载调压及在配电网中的应用 构相结合的方式，动作速度慢、调压次数受到限制，机械和电动部分故障 率高，极大地影响了电网的供电可靠性。有载变压器实现无弧调压的相关 方案已有研究人员提出，但现有的方案存在诸多问题，还只是停留在试验 阶段，未得到推广运用。随着电力电子技术的发展，电力电子器件以它独 特的优势在电力系统中得到广泛应用，为电力系统真正实现全面自动化起 到了积极的推动作用。在原有无弧有载调压方案的基础上加以改进和完 善，通过对电力电子开关关断的有效控制，完成有载变压器分接头间的自 动切换，再与电容器无触点自动投切结合起来，实现配电网电压和无功综 合自动优化运行。 总之，现在降损节能、优质供电已成为电力行业关注的焦点问题，随 着配电自动化的发展和普及，对设备及配套装置的性能要求会越来越高， 有载调压变压器作为配电系统中的重要组成部分将得到更为广泛的应用。 2 2 变压器有载调压原理 变压器有载调压的概念：变压器在带负荷的情况下，利用有载调压开 关进行绕组间分接头切换，改变高低压绕组匝数比，即改变变压器高低侧 变比，实现电压调整的目的。 变压器带负荷时，其端电压随负载电流的增大而变化。当输入电压和 负载功率因数不变时，次级电压u 2 随次级电流1 2 变化的关系，即u 2 ：f ( 1 2 ) ， 叫做变压器的外特性，具体可用外特性曲线f 1 7 】来表示，如图2 - 1 所示。 图2 - 1 变压器外特性曲线 变压器负载为电阻性和电感性时，随着负载电流1 2 的增大，变压器次 级电压逐渐降低，即变压器具有下降的外特性。在相同的负载电流下，其 电压下降的程度取决于负载功率因数的大小，负载功率因数愈低，端电压 第二章有载调压及在配电网中的应用 下降愈大。如果是电容性负载，变压器具有上升的外特性，也就是说，随 着负载的增大，次级电压将逐渐升高。 变压器的外特性标志着供电电压的质量。从用电负载的角度来看，当 负载变动时，总希望电源电压越稳定越好。 改变变压器的变比可以升高或降低次级绕组的电压，电力变压器的有 载调压分接开关大多接在高压绕组上，首先，可以认为设置分接线段的目 的是为了补偿外施电压的变化，外施电压都是加在高压绕组上，当外施电 压增高时，需要使用分接开关改变分接位置增加高压绕组的匝数，从而维 持绕组每匝电压和低压输出电压不交。当外旌电压降低时，减少高压绕组 匝数从而改变高低压绕组变比，维持输出电压恒定。维持绕组每匝电压不 变，铁心中的磁通密度就不变，因此变压器铁心不会由于外施电压偏离其 额定值而达到饱和的危险程度。其次，设置在高压侧是因为高压绕组内流 过的电流较小，需要的分界线的尺寸也小，分接开关本身流过的电流也小， 有利于有载分接开关的绝缘设计。 通过改变变压器变比实现调压，实际上就是根据调压要求适当选择绕 组分接头。有载调压可以在不中断负荷电流的情况下完成分接头选择与切 换动作。下面以降压变压器分接头选择为例，说明具体选择方法。图2 - 2 为一简单电力系统，变压器是向用户供电的降压变压器。 u 1 r t + j 1 u 2 卜二簟函卜 p + j q “ 图2 2 降压变压器 高压侧实际电压为u 1 ，通过的功率为p + j q ，归算到高压侧的变压器阻 抗为r t + j x t ，归算到高压侧的变压器电压损耗为u t ，低压侧要求得到的 电压为u 2 ，则有： u t = ( p r r + q x t ) u l ( 2 1 ) u 2 = ( u 1 一u t ) k( 2 2 ) 式中k = u l t u 2 n 是变压器的变比，即高压绕组分接头电压u “和低压绕 组额定电压u 2 n 之比。将k 代入( 2 2 ) ，可得到高压侧分接头电压： - 8 第二章有载调压及在配电网中的应用 “：u i ，- ，a u , u 2 u 2 ( 2 3 ) 当变压器通过不同的功率时，高压侧电压u l 、电压损耗x u t 以及低压 侧所要求的电压u 2 都要发生变化，通过计算可以求出，在不同的负荷下为 满足低压侧电压要求所应选择的高压侧分接头电压。 有载调压变压器分接头可以在带电的情况下进行自动切换，这需要通 过自动调压控制系统来完成，把实际电压采样值与电压整定值相比较，发 出相应升压或降压控制命令，改变高低压侧变比，保证低压侧供电电压质 量在合格范围内。 2 3 变压器有载调压的重要性 2 3 1 基本概念f 1 8 】 电压降落：元件两端电压之向量差，即v = v i v 2 。 电压损耗：元件两端电压有效值之差，常以百分值表示为 麟：堡墨 电压偏移：电压变化率小于每秒1 时，实际电压值与系统标称电压 值之差，可用有名值或标么值( 以标称电压为基值) 表示，用百分数表示 的电压偏移为a v = 学。 电压崩溃：在电力系统扰动下，无功功率平衡状态被破坏，用正常调 节手段无法恢复稳定运行，局部或全网系统电压急剧下降的过程，称为电 压崩溃。 逆调压：控制点供电电压的调整使其在高峰负荷时的电压高于低谷负 荷时的电压，一般高峰负荷保持电压比系统标称电压值高5 ，低谷负荷 保持电压为标称电压。 顺调压：是指控制点电压的调整为高峰负荷时的电压低于低谷负荷电 压。一般高峰负荷电压不低于标称电压的1 0 2 5 ，低谷负荷电压不高于 标称电压的1 0 7 5 。 第二章有载调压及在配电网中的应用 恒调压：任何负荷时控制点的电压基本保持不变的调压方式，一般保 持电压高于标称电压的2 5 。 2 3 2 配电网电压降落分析 供配电网络中，功率经网络元件传输会造成电压降落。网络元件的一 相等值电路如图2 - 3 所示： ks胄j xs 2 圪 o _ ，= ) _ r y 、_ + 0 叫s ，1，2 图2 - 3 ：网络元件等值电路 其中r 和x 分别为一相的等值电阻和电抗，v 和i 为相电压和相电流。 由等值电路可得： 玩一唬= + 弘) t = ( r + i x ) 2 ( 2 - 4 、 与电压圪和电流厶对应的一相功率为： s 2 = ，；= 只+ 旭2 ( 2 - 5 ) 用功率代替电流，并以向量唬为参考轴，则元件首端电压为： 啦略( r 川 6 ， 玩= ( v 2 + 等等 + ，等等 ， 电压降落向量可分解为与电压向量吐同方向和垂直的两个分量，即电 压降落的纵分量a 吃和横分量巧吒，艿为首末端电压向量的相位差。则： k = + x v 2 + 万匕= k 么万 ( 2 8 ) 第二章有载调压及在配电网中的应用 _ = 俪i 面万i 万订 艿：删a n 鱼兰2 + a a v 2 = 半 ( 2 9 ) ( 2 一i o ) ( 2 1 1 ) 占y ：垒丝二望2 墨 v 2 ( 2 - 1 2 ) 电压降落是指始末端电压的相量差，而电压损耗指的是始末端电压的 数量差，有时可近似认为电压损耗等于电压降落的纵分量，电压损耗反映 线路首末端电压偏差的大小，电压损耗过大将直接影响供电电压质量，在 线路通过最大负荷时电压损耗的百分值一般不应超过1 0 ，而电压偏移则 直接反应供电电压的质量。 2 3 3 电压偏移的原因及危害1 8 1 2 3 3 1 电压偏移的原因 电力系统正常运行中，由于运行方式的不断改变，引起电网中功率分 布的不断变化，造成电网中的电压损耗不断变化，导致系统中的电压也不 断变化。具体来说，配电网中电压偏移的主要原因有以下几个： 1 ) 电力负荷的变动。农网中有功功率、无功功率和功率因数是随着昼 夜、季节、生产流程和生活习惯的改变而发生变动，从而导致电压变动。 2 ) 电力系统接线方式的变动。有时为适应某种要求，需要改变电力系 统的接线方式，以致引起功率分布和元件阻抗的改变，使电压发生变动。 3 ) 电网中某些设备发生障碍，引起非正常运行，或是个别设备因检修 或故障而退出工作，造成电力网阻抗参数的改变，并引起相应的电压损耗 改变。 2 。3 3 2 电压偏移的危害 供电设备在额定电压下运行，其工作效率最高。当供用电设备的端电 第二章有载调压及在配电网中的应用 压超出规定范围时，运行条件恶化，对安全经济运行将产生不良影响。用 电设备设计也是在额定电压时性能最好、效率最高，发生电压偏差时，其 性能和效率都会降低，有的还会减少使用寿命。电压偏差超过一定范围， 设备会由于过电压或过电流而损坏。 交流输电存在同步运行稳定问题，输电线的输送功率受稳定极限的限 制，特别是小扰动下的静态稳定功率极限与电网运行电压有很大的关系， 电压越低功率极限越低，越是容易发生不稳定现象。电网缺乏无功功率时， 运行电压低，有可能产生电压不稳定现象，造成电网电压崩溃。同步运行 稳定的破坏或电压不稳定都是严重的电力系统事故，会造成大量负苟停电 及系统瓦解等十分严重的后果。电网电压过低或无功功率远距离流动，都 会增大电网的线损( 有功功率损耗) ，提高用电成本。 电压偏高或偏低对设备和电网运行的具体危害简述如下： 1 电压偏高的危害 使供用电设备的绝缘加速老化，降低设备的使用寿命。 造成电压波形的畸变，增大电力网的高次谐波，严重时导致过电压， 危及设备和电力网的安全运行。 增加供用电设备的空载损耗( 铁损) 。 迫使电容器退出运行，降低无功补偿增益，增大电力网线损。 影响用户正常生产，造成产品质量下降。 2 电压偏低的危害 降低发供电设备的工作效率。 增大电网的功率消耗。 危及电网的安全运行，严重时容易造成电网瓦解。 电动机启动困难，长期在低压下运行，导致电动机烧毁。 降低用电器具的工作效率，甚至不能使用。 实际上大多数用电设备都允许有一定的电压偏移，允许的电压偏移是 根据用电设备对电压偏移的敏感性和电压偏移对用电设备所造成后果的 严重性而定。从技术上和经济上综合考虑供电和用电两个方面的情况，确 定了反映整体利益的合理的允许电压偏移标准，各类用户的允许电压偏移 在正常状况下为： 第二章有载调压及在配电网中的应用 3 5 k v 及以上电压供电的负荷5 i o k v 及以下电压供电的负荷 7 。 低压照明负荷 + 5 一l o 农村电网 + 7 5 一1 0 在事故状况下，允许在上述基础上再增加5 ，但正偏移最大不能超 过+ l o 。 2 3 3 3 电压调整的必要性 电力系统在稳定运行状态下，电网中的各级电压都应保持一定的电压 幅值，任何的电压偏差都会带来经济、安全方面的不利影响。虽然电力系 统中的各点电压要求保持在额定值，但在实际运行中很难实现，主要原因 【1 7 】有： 1 ) 在正常稳态运行方式下，一个互相联接的电力系统具有同一频率， 因为电力系统中每一元件都可能产生电压降落，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，如图2 - 4 所示。 v 1 v 2 v 3 4 4 = v n 图2 - 4 沿线路各点电压变化 第二章有载调压及在配电网中的应用 一条线路上接有几个负荷，且各段均有电压降落，节点1 ，2 ，3 ，4 的 电压都不相同，如果将节点4 维持在额定电压v n ，则节点1 的电压就会太 高；反之，如将节点1 的电压维持在额定值，则节点4 的电压又会太低。 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，因而即使在同一点上，也很难保证电压始终维持在额定 电压。 电压偏差应满足标准规定的要求，以防止出现电压崩溃和同步稳定性 破坏等事故，确保电力系统静态与暂态稳定运行。电网电压调整的基本原 则是通过调整无功功率补偿设备的出力与变压器分接头选择，满足给定的 系统电压约束条件下的无功功率就地平衡的要求，同时保证变压器低压母 线的电压在允许范围内运行。无功功率就地平衡只能减小电网首、末两端 或地区之间的电压差，电网的各级电压水平决定于有载调压变压器使用状 况。 2 4 有载调压在配网综合控制中的应用 2 4 1 电压与无功功率的关系 在配电网电压无功综合控制过程中，电压和无功相互关联，调节变压 器分接头既影响电压，也影响无功潮流；投切电容器既影响无功功率，也 影响电压。配电网中电压调整与无功功率分布有着十分密切的关系，因此， 无功功率的分布除了满足经济要求，还要满足调压的要求。 2 4 1 1 无功不平衡对电压的影响 电力系统的运行电压水平取决于无功功率的平衡，系统中各种无功电 源的无功功率输出，应满足系统负荷网络损耗在额定电压下对无功功率的 需求。无功不平衡会引起电压偏移，根据无功负荷的电压静态特性，当一 个地区无功过剩时电压升高，而无功不足时电压降低。无功不平衡致使无 功潮流在电网中流动，产生电压降落，线路及变压器上的电压降与无功负 荷成正比，无功潮流越大，在电力网中造成的电压降也越大，则电压偏移 越大。 在交流电网中的线路，尤其是变压器的电抗远远大于电阻的，无功功 第二章有载调压及在配电嗣中的应用 率通过电抗产生很大的电压降落，电力系统中各点的电压都不一样，所以 电力系统的电压调整要求无功功率就地( 分区、分层) 平衡，以减小电网 首、末两端的电压差。通常利用有载调压变压器分接头改变来减小变压器 的高低压绕组变比，提高二次侧电压。这样就将二次电压电网的无功功率 补偿不足部分转嫁到一次电压无功补偿，会造成无功功率的远距离输送。 如果一次侧电网没有足够的无功功率补偿容量，则会进一步降低电网电 压。相反，如果通过增大变压器变比降低二次电压，就会减少二次电压电 网的无功功率需求，则有可能造成一次侧电网电压升高。 2 4 1 2 电压调节对无功功率的影响 电力系统中各母线的无功负荷静态电压特性曲线i 】一般都有曲线q f h 所示的形状( 如图2 5 ) ，即随着电压的上升，无功负荷也相应增大。而无 功电源的电压特性曲线一般呈曲线q f 的形状，两条曲线有两个交点a 和b 。 由于无功负荷与无功电源必然满足平衡关系，只能运行在a 或b 点。 如果母线运行在点b ，当母线电压有一个小的波动，如在u b 基础上增 加u 时，这时q f h ( u b + u ) q f ( u b + u ) ，出现无功负荷大于无功电 源，出现无功不足，电压必定被拉回到b 点；当母线电压减少u 时，q f ( u b 一u ) q f h ( u b - a u ) ，这时无功电源大于无功负荷，出现无功过 剩现象，又会使电压升高到b 点，b 点是稳定运行点。 u au b 2 - 5 无功负荷静态电压特性 如果母线运行在点a ，在u a 基础上增加u 时，这时q f ( u a + a u ) q f h ( u a + u ) ，出现无功过剩，母线电压升高，一直到达新的稳定点b 。当母 第二章 有载调压及在配电网中的应用 线电压减少u 时，q f h ( u a + a u ) q f ( u a + a u ) ，出现无功不足，使母 线电压继续下降，越下降无功缺额越大，恶性循环，系统失去稳定运行能力， 最终导致“电压崩溃”。 2 4 1 3 改善电压对无功的要求 配电网络中改善电压质量通常采用的方法主要有两种：一是通过并联 电容器进行无功补偿；一是通过调节变压器分接头。无功补偿只作为辅助 调压手段，以变压器调压为主。变压器有载调压既可以改变电压水平又可 以改变系统的功率分配。调节变压器分接头的调压方式，只有在电力系统 的无功电源充足的条件下才行之有效，因为采用该方式提高系统中的局部 电压水平时，要增加无功功率的消耗。如果系统无功电源不足，为防止发 电机因输出过多的无功功率而严重过负荷损坏，发电机不得不进一步降压 运行，即进一步降低整个电力系统的电压水平。这样就会形成电压水平低 落和无功功率供应不足的恶性循环，严重时甚至会导致系统电压的崩溃。 在目标电压下达到无功平衡，就要求系统具有足够的无功补偿容量， 以保证高峰负荷时的无功平衡；还要考虑一定的备用容量，以满足系统检 修或事故方式的需要；同时要求具有足够的无功调节能力，以保证在负荷 低谷时的无功平衡。实现无功就地平衡，可以减少无功在电网中的流动， 尤其是远距离的流动，使电网各点电压都在合格的范围内。一般需要按逆 调压的要求实现无功平衡，因为高峰负荷时无功负荷大，无功电源到负荷 点的压降大，低谷负荷时无功负荷小，压降亦小，所以为使负荷端电压稳 定，需要实现电网电压的逆调整，即高峰负荷时电压要高一点，低谷负荷 时电压要低一点，也就是说按逆调压的要求确定目标电压，在这个目标电 压下实现无功平衡，就对无功补偿和无功调节能力提出了更高的要求。 2 4 2 配电网电压无功综合控制 在配电系统中，电压无功综合控制【1 8 , 1 9 , 2 0 , 2 3 主要是通过调节变压器分 接头和投切电容器来实现。在系统发生高振幅电压波动时，实时自动地进 行变压器有载调压或并联电容器投切，这种自动、分散控制是根器学的 综合控制策略 2 4 , 2 5 , 2 6 , 2 7 1 而动作的，以维持供电电压在规定的范围内，以及 功率损耗最小。线路上一般对电压升高的限制比较严格，电压升高影响电 容器组的运行安全和使用寿命。配电线路电压质量是受多种因素影响的， 第二章有载调压及在配电网中的应用 在很大程度上受制于上一级电网的电压水平，同时也取决于配电线路本身 的设备参数和运行参数，需综合采用多种手段和方式才能有效地保证其电 压质量。 在电压无功综合控制中，需要充分考虑并联电容器的电压特性，才能 保证控制的可靠性和正确性。图2 - 6 中1 为变压器高压侧，2 为变压器低 压侧。砜和z 0 为变电站接入系统的等值电压和等值阻抗，忽略变压器的励 磁支路，不考虑负荷的电压特性，当变压器分接档位发生变化和投切电容 u q z l u l s l 1 2 s lu ls l = p l j q l _ z o = r o + j x ok ：1z f = r f + j x t- j q c 图2 - 6 变压器等值电路图 q c = 6 猡；1 0 一 ( 2 1 3 ) 式中f 为频率h z ，为低压侧母线电压k v ，幺为无功出力m v a r ，b 为电容器组的等值电容值m f ；令h = b x f 1 0 西，则q c = 昵。 置和i v , 分别为归算到变压器一次侧的电阻和电抗，q c 为变压器一次 卟互u o 上i u 二g - 4 下0 - 瓦h x x 厂& r 一, + q x , ) ( 2 - 1 4 ) 卵学+ 掣儿 沿 第二章有载调压及在配电网中的应用 ( 2 1 6 ) 变压器调档时，对于降压变压器而言，当其档位升高时，变比k 增大， 减少，厂( 以) 增大，q 1 增大；当其档位降低时，变比k 减小，增大， ，_ ( 阢) 减少，q l 减少。当投电容器组时，以增大，厂( u 2 ) 减少，q 1 减少； 切电容器组时，以减少，厂( ) 增大，q 1 增大。 利用有载调压变压器分接头调压和并联电容器补偿是根据各变电站实 际运行状况而确定的。目前大部分负荷为感性负载，采用补偿电容的方式 来补偿感性负载引起的电压与电流的相位差，可以降低损耗，提高电能质 量。 一般情况下，电压无功综合控制应以调整变压器分接头为主要调压方 式，用并联电容器宣作辅助调压手段。因为按调压要求来选择补偿容量一 般都比经济补偿容量大，按调压要求，全部由电容并联补偿，是不经济的。 由于并联电容器发出的无功功率与电压平方成正比，当电网电压降低需要 大量无功使电压恢复时，此时电容器的无功功率将随电压下降而成平方关 系减少。反之，当电网电压偏高，需减少无功时，电容器却随电压的平方 关系增发无功，促使电压更趋升高，这是由于电容器的无功特性所决定的。 为此，较大容量的电容器组均应配置自动投切控制装置，以保证自动地按 所需的无功和电压变化情况，投切电容器组。这也是并联电容器