第6章 电力系统无功功率的平衡和电压调整

第六章电力系统无功功率的平衡和电压调整第二节电力系统中无功功率的平衡第三节电力系统的电压管理第四节电力系统的几种调压措施第五节电力线路导线截面的选择第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系1.理解无功功率平衡与电压的关系;教学要求3.熟悉电力系统电压调整的原理和措施；4.熟悉电力线路导线截面的选择方法。2.熟悉电力系统中枢点的电压调节方式；35kV及以上电压供电的负荷±5%10kV及以下电压供电的负荷±7%低压照明负荷＋5%~-10%农村电网正常运行情况＋7.5%~-10%

事故运行情况＋10%~-15%一、电压偏移允许范围第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系(

>0

感性)二、容性无功与感性无功(a)Q=UIsin

＞0,感性无功(a):Q=UIsin

＜0,容性无功(b):注意:消耗容性无功相当于提供感性无功。(

<0容性）(b)第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系三、电力网中功率的流动方向当X>>R时12R+jXP1+jQ1P2+jQ2U1.U2.高压电力网0

δ22UXQ第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系当超前于时，sinδ>0，P2>0。0

δ22UXQ电力网中的有功功率总是从电压超前的一端向电压滞后的一端流动。第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系δ角一般很小，故cosδ≈1若U1>U2时，Q2>0；U1＜U2时，Q2＜

0。注意：上述关于电力网中功率的流动方向的结论只适用于高压电网---要注意使用条件！。电力网中的感性无功功率总是从电压高的一端流向电压低的一端，而容性无功功率则总是从电压低的一端流向电压高的一端。第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系四、无功功率与电压的关系(1)节点电压有效值的大小对无功功率分布起决定作用12R+jXP1+jQ1P2+jQ2U1.U2.电力网中的感性无功功率总是从电压高的一端流向电压低的一端，而容性无功功率则总是从电压低的一端流向电压高的一端。第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系(2)无功功率对节点电压有效值起决定性影响12R+jXP1+jQ1P2+jQ2U1.U2.高压线路(3)各种用电设备吸收的无功功率与所加电压有关后详电压的控制也就是无功控制第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系电力系统综合负荷中包括了各种不同的用电设备，如电热器、白炽灯、异步电动机等。所谓电力系统综合负荷的电压静态特性，是指各种用电设备所消耗的有功功率和无功功率随电压的变化的关系，简称负荷的电压特性。由于异步电动机在电力系统负荷中占的比重很大，异步电动机消耗的有功功率几乎与电压无关，而消耗的无功功率对电压却十分敏感。因此，通常所说的综合负荷的电压特性主要是指综合负荷无功功率的电压特性。(1)电力系统综合负荷的无功--电压静态特性五、无功功率平衡与电压的关系第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系jXσjXm

异步电动机等值电路

异步电动机的无功—电压静态特性异步电动机Q-U静特性UcrUNUQMQNO第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系Qm

:励磁功率。当电压较高时，由于饱和的影响，Xm

下降，Qm

随U变化的曲线稍高于二次曲线。Qσ

:漏抗Xσ的无功损耗，若负载功率不变，当电压降低时，转差s

增大，ILD增大，Qσ

也增大。Qm起主要作用Qδ起主要作用jXσjXm

异步电动机等值电路

异步电动机的无功—电压静态特性异步电动机Q-U静特性UcrUNUQMQNO当无功设备变化时，特性曲线移动正常运行时，UQ第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系(2)发电机的无功—电压静态特性P+jQT-1T-2GL

φ(a)jXP+jQ(b)(c)简单系统（a）系统图；（b）等值电路；（c）相量图

δφφ从图（c）中可推导出：当发电机励磁电流变化时，曲线移动

所谓发电机的无功—电压静态特性，是指发电机向系统输送的无功功率与电压的变化关系曲线。正常运行时，工作在ab段Q

QO发电机电压静态特性UUcrab第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系P+jQT-1T-2GL

φ(a)jXP+jQ(b)(c)简单系统（a）系统图；（b）等值电路；（c）相量图

δφφ从图（c）中可推导出：

所谓发电机的无功—电压静态特性，是指发电机向系统输送的无功功率与电压的变化关系曲线。Q

QO发电机电压静态特性UUcrab正常运行时，

UQ(2)发电机的无功—电压静态特性第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系(3)无功平衡与电压水平的关系①

无功平衡首先是对于运行中的各个设备，要求系统无功电源所发出的无功功率与系统无功负荷及无功损耗相平衡，即系统无功电源发出的无功系统无功负荷系统无功损耗系统应在正常电压水平下平衡第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系系统电压升高系统电压降低第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系

②

无功备用无功备用容量无功电源装机容量第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系③

系统无功功率平衡与电压水平

电力系统无功—电压特性4调节过程是由无功电源和负荷共同完成的系统必须具有足够的无功储备，否则系统出现电压崩溃第一节电力系统中无功功率平衡与电压的关系应该力求实现在额定电压下的系统无功功率平衡。一、无功功率负荷和无功功率损耗1.无功功率负荷

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)变压器的无功损耗第二节电力系统中无功功率的平衡如前述

励磁无功损耗：绕组漏抗中无功损耗：额定状态下的MVA第二节电力系统中无功功率的平衡第二节电力系统中无功功率的平衡(2)电力线路的无功损耗呈感性呈容性，相当于提供感性无功△QX：线路电抗的无功功率△QB：充电无功功率第二节电力系统中无功功率的平衡第二节电力系统中无功功率的平衡电力线路是作为无功功率负荷还是无功功率电源要视具体情况而定。

(1)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；

(2)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。

330kV及以上电压等级线路的并联电纳提供的无功大于线路本身的电感消耗的无功；110kV及以下电压等级线路的并联电纳提供的无功小于线路本身的电感消耗的无功。第二节电力系统中无功功率的平衡二、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、静止补偿器及电力线路的并联电纳等。1.同步发电机发电机可发无功第二节电力系统中无功功率的平衡发电机的运行极限图---P-Q极限曲线受转子额定电流限制受额定视在功率限制发电机只有在额定的电压、电流和功率因数下运行时，视在功率才到达额定值，其容量得到最充分的利用。受额定功率限制第二节电力系统中无功功率的平衡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。无功多发，有功就减少同步发电机---能平滑地发出无功功率。第二节电力系统中无功功率的平衡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。调相机可装设自动调节励磁装置。调相机常安装在枢纽变电站。调相机能平滑地吸收和发出无功功率。第二节电力系统中无功功率的平衡3.并联电容器电容器的端电压缺点：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。电网电压降低时，供给的无功减少电容器---能有级地供给无功功率。第二节电力系统中无功功率的平衡静止补偿器---能平滑地供给和吸收无功功率Qii

QLD

C

L

Lh晶闸管限流电抗器充电功率，与线路电压的平方成正比。4.静止补偿器5.输电线路的并联电纳静止补偿器其他类型，后详第二节电力系统中无功功率的平衡三、无功功率的平衡

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。系统无功电源发出的无功系统无功负荷系统无功损耗系统应在正常电压水平下平衡适量备用第二节电力系统中无功功率的平衡第三节电力系统的电压管理一、中枢点电压管理

电力系统进行调压的目的，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。在电力系统中往往对一些主要供电点进行电压监视和调整。如果这些节点的电压满足要求，则这些节点附近的其他节点或供电地区的电压基本上也能满足要求。这些用来监视、控制、调整电压的母线称为电压中枢点。

电力系统电压调整问题就是保证各中枢点的电压偏移不超出给定范围的问题。电力系统的电压中枢点举例

第三节电力系统的电压管理电压中枢点电压中枢点电压中枢点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。第三节电力系统的电压管理(1)逆调压最大负荷时升高中枢点电压，为线路额定电压的105%，即1.05UN；最小负荷时降低中枢点电压，为线路的额定电压，即1.0UN。适用于：中枢点至各负荷点的线路较长，各负荷变化规律大致相同、且变化幅度较大的情况。第三节电力系统的电压管理(2)顺调压最大负荷时降低中枢点电压，但不低于线路额定电压的2.5%，即1.025UN；最小负荷时升高中枢点电压，但不超过线路额定电压的7.5%，即1.075UN。适用于：负荷变动很小、线路损耗也小，或者用户处电压偏移允许较大的情况。

第三节电力系统的电压管理(3)恒(常）调压任何负荷下，中枢点电压保持在较线路额定电压高2%~5%的数值，即(1.02~1.05)UN，不随负荷变化来调整中枢点的电压。适用于：负荷变动较小的情况。第三节电力系统的电压管理在实际电力系统中，由同一中枢点供电的负荷可能很多，且中枢点到负荷处线路上的电压损耗的大小和变化规律的差别可能很大，完全可能出现在某些时段内，中枢点电压取任何值均不能满足要求，这时须采取其他措施（如在负荷处进行无功补偿，改变变压器变比等）。第三节电力系统的电压管理二、电压调整的基本原理R+jXUbP+jQUG1：K1K2:1G负荷端的电压Ub为:基本级两变压器的阻抗已归算到基本级，且与线路一起的总阻抗为R+jX。第三节电力系统的电压管理(1)调节发电机励磁电流以改变发电机机端电压UG；电压调整的措施：(2)改变变压器的变比K1、K2，即选择适当的变压器分接头；(3)改变功率分布P+jQ（主要是Q），减少电压损耗△U；(4)改变网络参数R+jX（主要是X），减少电压损耗△U。第三节电力系统的电压管理第四节电力系统的几种调压方式一、改变发电机机端电压调压发电机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。对于发电机不经升压直接供电的小型电力系统，改变发电机机端电压的调压效果较好。对由发电机经多级变压向负荷供电的大中型电力系统，改变发电机机端电压的调压效果较差。G+5%-5%-9%+1%-5%-4%-5.6%+4.4%+2%发电机逆调压举例第四节电力系统的几种调压方式设变压器变比为：

原边、副边每匝平均电压相等二、改变变压器变比调压U2变压器分接开关示意图N1N2+－Ut·+－·1.无励磁调压与有载调压第四节电力系统的几种调压方式无励磁调压，调压时要停电第四节电力系统的几种调压方式用线电压表示的抽头额定电压220kV升压变压器降压变压器发电机第四节电力系统的几种调压方式变压器T1

变压器T4

在下图中，若变压器T1运行于+5%抽头时，T4运行于-2.5%抽头时，求它们的实际变比。有载调压变压器接线图独立的油箱变压器的油箱第四节电力系统的几种调压方式在调节分接头时，先断开接触器触头Ja，将可动触头Ka切换到相邻的分接头上，然后重新合上接触器触头Ja；另一可动触头Kb也采取相同的步骤，移到这个相邻的分接头上。这样一步步地移动，直到Ka和Kb都接到新选定的分接头位置为止。第四节电力系统的几种调压方式2.降压变压器分接头的选择第四节电力系统的几种调压方式根据低压母线的调压要求，确定高压绕组分接头。2.降压变压器分接头的选择基本级已归算到基本级在最大负荷时：归算到高压侧的低压母线电压Ui·max为：第四节电力系统的几种调压方式2.降压变压器分接头的选择基本级已归算到基本级则：低压母线要求的实际电压分接头电压低压绕组的额定电压第四节电力系统的几种调压方式2.降压变压器分接头的选择基本级已归算到基本级可得：同理，最小负荷时：高压侧的实际电压第四节电力系统的几种调压方式对于无励磁调压变压器，希望所选的分接头能兼顾最大与最小负荷的要求，所以：改变分接头要停电根据UtI·av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。具体方法见教材第四节电力系统的几种调压方式改变分接头不需停电对于有载调压变压器，可以根据最大负荷算得的UtI·max值和最小负荷算得的UtI·min

，分别选择各自合适的分接头。第四节电力系统的几种调压方式例1:某变电所有一台电压为(110±2×2.5%)/11kV的降压变压器，如图所示。已知最大和最小负荷时高压侧的实际电压分别为112kV和113kV，归算到高压侧的变压器参数及负荷如图所示。若变压器低压母线要求实行顺调压，试选择变压器分接头。第四节电力系统的几种调压方式解：(1)计算最大、最小负荷时的变压器电压损耗第四节电力系统的几种调压方式(2)计算最大、最小负荷时的变压器分接头电压第四节电力系统的几种调压方式(3)计算分接头电压的平均值，并选择标准分接头选择最接近的标准分接头电压。第四节电力系统的几种调压方式(4)校验变压器低压侧的实际电压经校验均未超出调压要求的电压，所以所选的分接头是合适的。第四节电力系统的几种调压方式3.升压变压器分接头的选择第四节电力系统的几种调压方式根据高压母线的调压要求，确定高压绕组分接头。基本级已归算到基本级在最大负荷时：归算到高压侧的低压母线电压Ug·max为：3.升压变压器分接头的选择第四节电力系统的几种调压方式基本级已归算到基本级3.升压变压器分接头的选择则：低压母线的实际电压或给定电压分接头电压低压绕组的额定电压第四节电力系统的几种调压方式基本级已归算到基本级3.升压变压器分接头的选择可得：同理，最小负荷时：高压侧所要求的电压第四节电力系统的几种调压方式对于无励磁调压变压器，希望所选的分接头能兼顾最大与最小负荷的要求，所以：根据UtG·av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。具体方法见教材对于有载调压变压器，可以根据最大负荷算得的UtG·max值和最小负荷算得的UtG·min

，分别选择各自合适的分接头。第四节电力系统的几种调压方式例2:某变电所有一台电压为(121±2×2.5%)/10.5kV的升压变压器，如图所示。已知最大和最小负荷时高压侧的实际电压分别为116kV和114kV，归算到高压侧的变压器参数及负荷如图所示。若要求发电机电压在10~10.5kV范围内变化，试选择变压器分接头。第四节电力系统的几种调压方式解：(1)计算最大、最小负荷时的变压器电压损耗第四节电力系统的几种调压方式(2)计算最大、最小负荷时的变压器分接头电压第四节电力系统的几种调压方式(3)计算分接头电压的平均值，并选择标准分接头选择最接近的标准分接头电压。第四节电力系统的几种调压方式(4)校验变压器低压侧的实际电压由计算结果可见，所选的分接头电压满足调压要求。第四节电力系统的几种调压方式4.三绕组变压器分接头的选择①将高、低绕组看作双绕组降压变压器，根据低压母线的调压要求，确定高压绕组分接头；(1)三绕组降压变压器电源侧在高压侧②将高、中绕组看作双绕组降压变压器，根据中压母线的调压要求和选定的高压绕组的分接头电压，确定中压绕组分接头。第四节电力系统的几种调压方式①将高、低绕组看作双绕组升压变压器，根据高压母线的调压要求，确定高压绕组分接头；(2)三绕组升压变压器电源侧在低压侧②将中、低绕组看作双绕组升压变压器，根据中压母线的调压要求，确定中压绕组分接头。第四节电力系统的几种调压方式教材中例6-1，自学。第四节电力系统的几种调压方式三、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。无功补偿的意义:(1)减少系统元件的容量，换个角度看是提高电网的输送能力。(2)降低网络功率损耗和电能损耗。(3)改善电压质量。第四节电力系统的几种调压方式1.按调压要求选择无功补偿设备容量没有无功补偿时：低压母线无功补偿后：补偿量第四节电力系统的几种调压方式补偿后的变压器2低压侧折算到高压侧的电压

1.按调压要求选择无功补偿设备容量补偿容量补偿前的变压器2低压侧折算到高压侧的电压

第四节电力系统的几种调压方式并联电容器和同期调相机的补偿计算，及例6-2，自学。第四节电力系统的几种调压方式(a)可控饱和电抗器型；(b)自饱和电抗器型；

(c)可控硅控制电抗器型；

(d)可控硅控制电抗器和可控硅投切电容器组合型2.静止补偿器第四节电力系统的几种调压方式为了保持节点电压Ui不变，需保持QS不变。因此，需根据负载QD的变化调节QL。第四节电力系统的几种调压方式铁磁材料中磁通与励磁电流(a)用直流电调节铁心饱和程度，从而调节电感值L及QL。第四节电力系统的几种调压方式铁磁材料中磁通与励磁电流(b)若电压Ui升高，电抗器自饱和，电感值L减少，QL升高。感性无功增加，电压Ui降低。铁心线圈：第四节电力系统的几种调压方式(c)控制可控硅的导通角，调节电抗器上通过的电流。(d)在图(c)的基础上，还可直接控制电容器的投切。第四节电力系统的几种调压方式高次谐波调谐电感线圈静止无功补偿器属于动态无功补偿器。速度快，平滑调节第四节电力系统的几种调压方式U1U1U2U2CR+jX-jXCP+jQP+jQ未加串联电容前有：串联容抗XC后为：四、改变电力线路参数---串联电容器调压第四节电力系统的几种调压方式所以串联电容器的容抗应为：U1U1U2U2CR+jX-jXCP1+jQ1P1+jQ1因此，根据线路末端电压需要提高的数值（ΔU-ΔU′），就可求得需要补偿的电容器的容抗值XC。第四节电力系统的几种调压方式通过电容器组的总的最大负荷电流每台电容器的额定电流需要补偿的电容器串数m为：ICmn串联电容器组第四节电力系统的几种调压方式每台电容器的额定电压ICmn串联电容器组则每串电容器的台数n为：三相电容器的总容量QC为：第四节电力系统的几种调压方式串联补偿调压一般用于35kV或10kV电压等级，且导线截面大而负荷功率因数又很低的网络中，作为一种辅助调压手段。为什么？导线截面大，R就小负荷功率因数低，Q的成分大在此种情况下，调压效果才好说明：第四节电力系统的几种调压方式串联电容器组装设地点的选择(1)当负荷集中在电力线路末端时，串联电容器组应装设在末端。串联电容器组前电压串联电容器组后电压为负第四节电力系统的几种调压方式串联电容器组前电压串联电容器组后电压为负(2)沿电力线路有若干负荷时，可将串联电容器组装设在串联电容器组前其电压损耗为线路总电压损耗的一半处。第四节电力系统的几种调压方式无功功率的经济分配自学结论：等网损微增率准则。第四节电力系统的几种调压方式第五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