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第五章 供配电系统的无功补偿和电压调整
VAR compensation and voltage adjustment of power supply and distribution system
5-1 供配电系统的电压偏移与无功平衡
Voltage deviation and VAR balance of power supply and distribution system
一、 电压偏移影响
influence of voltage deviation
1.电力系统的负荷：电动机、照明设备、电热器具、家用电器、冲击性负荷（电弧炉、轧钢机等)
2.所有的用电设备都是以额定电压为条件制造的，最理想的工作电压是额定电压。
3。电压偏移的影响：
<1〉 对用电设备的影响
a． 异步电动机（电力系统负荷中占较大比重，如起重机、磨煤机、碎石机）转矩与端电压平方成正比。
① 端电压降低太多，使带额定负荷的电动机可能停止，重载电机可能无法起动。且带负载的电动机电流增大，使绕组温升，加速绝缘老化。
② 电压过高,对绝缘不利.
b． 白炽灯
端电压低于额定电压，会使发光效率和光通量下降.端电压高于额定电压5％，则寿命会减少一半，但发光效率会提高。
c． 电热器具 (阻抗值不随电压变化的负荷）
电压变化会影响其出力;
d． 精密仪器加工业
如电子元件加工业,电压大幅波动会产生大量不合格产品。
综上所述，电压偏移越小越好。但由于电力系统节点多,结构复杂,负荷分布不均又经常变动,故保证所有节点电压都是额定电压是不可能的。
<2〉 对电力系统本身
电压降低,使网络中功率损耗和电能损耗加大，可能危及电力系统稳定性；电压过高，电气设备绝缘易受损。
二、电压偏移标准
正常情况下：35Kv及以上 ；
10Kv及以下 ；
低压照明 +5％，－10％ ；
低压照明与动力混合使用 +5%，－7％
事故情况下：电压偏移允许值比正常值多5%，
但电压的正偏移不大于10％.

三、 负荷的电压静态特性 static voltage characteristic of load
-—系统频率一定时，负荷功率随电压变化的关系。
〈一〉 有功负荷的电压静态特性
static voltage characteristic of active load
取决于负荷性质及各类负荷所占的比重.
1.电动机
同步电动机的有功功率与电压无关。
异步电动机的有功功率基本上电压无关。
2.白炽灯
其电阻值随温度而变化,P＝KU1。6
3。阻抗不随电压变化的负荷
如电热、电炉、整流负荷
P＝
<二〉 无功负荷的电压静态特性
static voltage characteristic of reactive load
1。异步电动机

励磁功率Qm与电压平方成正比，电压比较高时,由于磁饱和曲线的影响，Xm有所下降，则Qm随电压变化曲线略高于二次曲线。
电压降低时，负载不变的情况下，定子电流增大，则漏抗中损耗也增大。
故：在额定电压附近,电动机的无功随电压升降而增减。当电压显著低于额定电压时，漏抗损耗占主要部分，随电压降低而升高。
2.阻抗不随电压变化的负荷
四、无功功率平衡 reactive balance
<一〉、 基本知识 basic knowledge
1. 无功功率平衡：
无功功率电源发出的无功功率＝用户所需的无功＋系统无功损耗
2。 无功功率电源： 发电机、调相机、静电电容器、静止补偿器等。
3。 无功负荷: 除白炽灯和纯电阻性加热设备外的其它用电设备均需要无功,其中异步电动机占很大比重.
4。 无功损耗：线路和变压器上的无功损耗。
5. 据统计：用户需要的无功≈50％∽100％用户需要的有功。
6. 由负荷无功功率电压静止特性可知：要维持负荷点电压在额定值附近就必须提供足够的无功，否则电压会降低.
<二>、 电力系统中的无功电源 reactive power sources
1、发电机 generator
发电机作为无功源即可发出感性无功,又可发出容性无功。
在进行无功调整时,首先应充分利用发电机的无功输出能力。
2、 调相机 synchronous condenser
(1）是只发无功功率的同步发电机.过励磁运行时，向系统发出感性无功功率;欠励磁运行时，从系统吸收感性无功。
（2） 欠励磁运行时的容量约为过励磁运行时容量的50％。
（3） 带励磁调节装置的调相机，可根据其所在点的电压自动平滑的改变出力;有强行励磁装置时,系统故障情况下也可维持该机的出口电压.
（4） 特点：
a) 运行维护复杂.
b) 有功损耗大，满载时达额定容量的1。5%∽3％,容量越小，损耗占的比重越大。故容量小于5Mvar时，不宜用调相机.
c) 可平滑调整无功出力，系统故障时也可按要求输出无功.
3、静电电容器 static capacitor
(1)按三角形或星形接法并联在线路上。
（2)只能向系统提供感性无功,当端口电压下降时，出力会显著下降.
（3）特点：
1)无功输出调节能力差，输出无功受端口电压限制.
2）单位容量成本低，且与总容量大小无关，安装维护方便。
3)有功损耗小，满载时仅为额定容量的0。3%∽0.5％。
4）可集中使用，也可分散就地供应无功,从而减少网络电能损耗.
4、静止补偿器SVC static VAR compensator
可控硅控制的电抗器与电容器并联组成的.
（1） 吸收或发出感性无功。
(2）快速跟踪负荷，响应速度快。
(3）运行时有功损耗小，满载时不超过额定容量的1%。
（4）可靠性高，维护工作量小.
（5）不增加短路电流。
(6）可控硅控制电抗器时，电网中产生高次谐波。
<三>、电力系统的无功负荷和无功功率损耗 reactive load and VAR losses
无功负荷 reactive load
除白炽灯等少数纯阻性用电设备外大部分用电设备都需要无功。
无功损耗 VAR losses
1。变压器
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的损耗。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％～2%;绕组漏抗中损耗，在变压器满载时,基本上等于短路电压的百分值，约为10%。
对于一台变压器或一级变压的网络而言,变压器中的无功损耗并不大,满载时约为它额定容量的百分之十几.但对多电压级网络,变压器中的无功损耗就相当可观。
2．电力线路上的无功损耗
线路上的无功损耗也分两部分，即并联电纳和串联电抗中的无功损耗。并联电纳中的这种损耗又称充电功率,与线路电压的平方成正比,呈容性。串联电抗中的这种损耗与负荷电流的平方成正比，呈感性。
35KV及以下架空线的充电功率较小，总体上是消耗无功的；
110KV及以上架空线，当输送功率较大时，电抗总消耗的无功大于电纳中产生的无功，总体上是无功负载；输送功率较小时，为无功电源。

第二节 无功功率补偿
Reactive power compensation
一、无功补偿原理 theory of reactive power compensation
可提高电力网功率因数。详见图5-5.
二、无功补偿的意义 meaning of reactive power compensation
1．提高电网输送能力,减少系统元件容量;
2．降低网络功率损耗和电能损耗；
3．改善电压质量。
三、高压电力网的无功补偿
reactive power compensation of high voltage power system
330—500kv 分层分区就地平衡 安装并联电抗器补偿线路充电功率；
220kv 变电所 最大负荷时 一次侧功率因数不低于0。95;
最小负荷时 一次侧功率因数不高于0。98.
二次侧功率因数不小于 0.95-1。
110kv及以下变电所 最小负荷时，一次侧功率因数不高于0。98.
四、中低压配电网无功功率补偿的管理办法
无功功率应就地补偿
具体管理方法：
1． 提高用户的功率因数；
2． 配电线路及变电所分散安装电力电容器；
3． 对大容量轧钢设备等冲击性的动态无功负荷,装设静止无功补偿设备或采用可控硅开关自动快速投切电容器组。
五、配电网无功补偿的配置原则
“就地补偿、分级分区平衡”
1．总体平衡和局部平衡相结合
尽量避免不同分区之间无功的远距离输送和交换。
2．电业部门补偿和用户补偿相结合
3．分散补偿和集中补偿相结合，以分散为主
集中补偿是指在变电所集中装设容量较大的补偿设备；
分散补偿是指在配电网的分散区,如配电线路、变压器和用电设备，分散进行无功补偿.
4．降损与调压相结合，以降损为主

第三节 供配电系统电压调整
Voltage adjustment of power supply and distribution system
一 、中枢点电压管理 voltage management of load—center bus
1、电压调整的目的：使用户的电压偏移在规定的范围内。
2、中枢点电压管理:选几个可代表系统电压水平的发电厂或变电所母线作为电压中枢点，因大多数负荷都在中枢点供电,故如能控制住中枢点的电压偏移，也就控制住了大部分负荷的电压偏移.
电力系统的电压调整问题转化为控制各中枢点电压的电压偏移不超出范围的问题。

例：如图所示

根据Sm对电压要求,A点(中枢点）的电压应维持为：
根据Sn对电压要求，A点（中枢点)的电压应维持为:
综合以上要求，中枢点允许电压为：
0～8时：（0.99~1。06)UN 8～16时:(1。05～1。06)UN
16～24时：(1.05～1。13）UN
由此可见：为同时满足两点负荷对电压偏移的要求，中枢点电压的允许变动范围大为缩小,有时甚至仅有1％。
若两条线路上的电压损耗的大小和变化规律相差更悬殊，完全有可能在某些时段内，无论中枢点电压取何值都不能同时满足两个负荷对电压质量的要求,此时就需要在负荷点处增设必要的调压措施.
3．电力系统正常运行时的调压方法
1） 逆调压:高峰负荷时升高中枢点电压(至105%)，低谷负荷时降低中枢点电压（至）。适用于供电线路较长，负荷变动较大的中枢点。
调压设备:调相机、静电电容器、有载调压变压器.
2） 顺调压：高峰负荷时允许中枢点电压降低（但不低于102.5％）,低谷负荷时允许中枢点电压升高（但不允许高于107.5%）。适用于供电线路不长，负荷变动不大的中枢点。不用装特殊的调压设备。
3） 常调压:任何情况下都保证中枢点电压基本不变.如（102%~105％）。通过合理选择变压器变比和并联电容器来调压。
故障时允许电压偏移较正常时大5％。

二、电力系统的调压措施 voltage adjustment methods

以图3—15为例，略去线路、变压器的对地导纳支路，
则负荷点的电压为（不计网损)：

则调整用户端电压可采取以下措施:
1)调整励磁以改变发电机端电压;
2）改变变压器分接头位置;
3）改变电力网无功功率分布；
4）改变输电线路的参数。
〈一> 利用发电机进行调压 voltage adjustment using generator
1。在各种调压手段中,应首先考虑利用发电机进行调压。
2．利用发电机进行逆调压,可使最远端负荷点电压变动范围缩小5％。

3．如果供电线路不长，电压损耗不大,仅用发电机逆调压就可满足要求；但若经多级变压向远处负荷供电，仅依靠发电机调压不能满足负荷对电压质量的要求。
<二〉改变变压器变比调压
voltage adjustment via changing transformer’s tap
1．双绕组变压器的高压侧和三绕组变压器的高、中压侧往往有若干个分接头可供选择。其中对应于的分接头成为主接头.
6000KV·A以下的变压器有三个分接头，
8000KV·A以上的变压器有五个分接头，

2．如图所示：

为升压变压器，为降压变压器.
1） 现以为例说明降压变压器分接头的选择方法
已知：最大负荷时高压侧母线电压为,变压器的电压损失为，低压侧母线要求的电压为.
求：最大负荷时应选择的的高压侧分接头电压
分析：
其中：为最大负荷时，归算至高压侧的低压母线电压；
为最大负荷时应选的变比。

,为低压侧的额定电压。
则联立上式，可得：
同理：可得最小负荷时变压器应选择的高压侧分接头电压

若为无载调压,则变压器分接头应取：
根据计算得出的选择与之最接近的分接头，然后校验所选的分接头能否使的低压侧母线电压满足调压要求。

2） 升压变压器分接头选择

以上为无载调压;若为有载调压，则可分别选择最大、最小负荷时应选择的分接头,不必取平均。
<三> 改变电力网中的无功功率分布进行调压
voltage regulation with reactive power distribution
1．
电压损耗是造成电压偏移的主要原因，当线路参数一定时，决定电压损失的因素有两个:P和Q.
1） 由于有功源只有发电机,且发电机、有功负荷不宜改动， 故不可能通过改变有功分布来调压。
2） 由于无功源除发电机外，还有调相机、电容器等，这些无功补偿装置的安装位置可动,故可通过改变无功分布来调压。
3） 并非所有场合都可用改变无功分布的方法来调压，只有当系统参数中R〈X时,才可用.
2． 改变电力网无功分布的具体做法：在输电线路末端靠近负荷处装设并联电容器或调相机.

例：如图所示

令：补偿前后不变。
分析：
未装无功补偿设备时:
， －折算至高压侧的低压电压
装无功补偿设备后:
则：
故：
近似的：
补偿后低压侧实际电压为,则：
由上式可见,若要确定,则应先确定变压器变比K，而K的确定与补偿设备的类型有关
用静电电容器,最小负荷时电容器全部退出，最大负荷时全部投入。
用调相机时，最小负荷时吸收或（50％∽60%），最大负荷时发出。
则:
1） 用静电电容器：
最小负荷确定K：

最大负荷确定：

2） 用调相机：

~
则:
～
用上式求出K，然后选择合适的分接头，用下式求

实际计算步骤：
① 计算出，
② 选择无功补偿装置类型
③ 确定K（先确定变压器高压侧分接头）
④ 计算
⑤ 验算电压偏移
〈四> 改变输电线路参数来调压
voltage regulation with changing transmission lines' parameters

高压网中X>〉R，用串联电容器的方法改变线路电抗以减少电压损耗，P、Q一定时）
低压网中，R较大，通过增大导线截面来改变电阻以减少电压损耗
未串联时，
串联后,
电压损耗减小了,则电压水平提高了.

则:
若已知，且末端要提高的电压也已经给定，则：

⑥ 以上调压方式,当负荷功率因数低时，调压效果好；相反，则不宜使用。
⑦ <五> 各种调压措施的合理应用 proper application of different methods
⑧ 解决系统的无功功率平衡的办法。
⑨ 将负荷的功率因数提高到规程规定的数值。
⑩ 挖掘系统的无功潜力，如将闲置的发电机改作调相机运行。
⑪ 增添必要的无功补偿设备，并按就地补偿的原则进行分配.
⑫ 注意事项。
⑬ 整个系统的无功供应不足时,不宜通过调整变压器变比的方式来提高电压.
⑭ 系统供应无功较充裕时可用调变压器变比的方法调压。
⑮ 10Kv及以下电力网，由于负荷分散,容量不大，按允许电压损耗来选择导线截面是解决电压质量问题的有效途径.