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第五章 供配電系統(tǒng)的無(wú)功補(bǔ)償和電壓調(diào)整VAR compensation and voltage adjustment of power supply and distribution system5-1 供配電系統(tǒng)的電壓偏移與無(wú)功平衡Voltage deviation and VAR balance of power supply and distribution system一、 電壓偏移影響 influence of voltage deviation1.電力系統(tǒng)的負(fù)荷:電動(dòng)機(jī)、照明設(shè)備、電熱器具、家用電器、沖擊性負(fù)荷(電弧爐、軋鋼機(jī)等)2.所有的用電設(shè)備都是以額定電壓為條件制造的,最理想的工作電壓是額定電壓。3.電壓偏移的影響: 對(duì)用電設(shè)備的影響a 異步電動(dòng)機(jī)(電力系統(tǒng)負(fù)荷中占較大比重,如起重機(jī)、磨煤機(jī)、碎石機(jī))轉(zhuǎn)矩與端電壓平方成正比。 端電壓降低太多,使帶額定負(fù)荷的電動(dòng)機(jī)可能停止,重載電機(jī)可能無(wú)法起動(dòng)。且?guī)ж?fù)載的電動(dòng)機(jī)電流增大,使繞組溫升,加速絕緣老化。 電壓過高,對(duì)絕緣不利。b 白熾燈端電壓低于額定電壓,會(huì)使發(fā)光效率和光通量下降。端電壓高于額定電壓5,則壽命會(huì)減少一半,但發(fā)光效率會(huì)提高。c 電熱器具 (阻抗值不隨電壓變化的負(fù)荷)電壓變化會(huì)影響其出力;d 精密儀器加工業(yè)如電子元件加工業(yè),電壓大幅波動(dòng)會(huì)產(chǎn)生大量不合格產(chǎn)品。綜上所述,電壓偏移越小越好。但由于電力系統(tǒng)節(jié)點(diǎn)多,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,負(fù)荷分布不均又經(jīng)常變動(dòng),故保證所有節(jié)點(diǎn)電壓都是額定電壓是不可能的。 對(duì)電力系統(tǒng)本身電壓降低,使網(wǎng)絡(luò)中功率損耗和電能損耗加大,可能危及電力系統(tǒng)穩(wěn)定性;電壓過高,電氣設(shè)備絕緣易受損。二、電壓偏移標(biāo)準(zhǔn)正常情況下:35Kv及以上 ; 10Kv及以下 ;低壓照明 +5,10 ; 低壓照明與動(dòng)力混合使用 +5,7事故情況下:電壓偏移允許值比正常值多5%,但電壓的正偏移不大于10。三、 負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性 static voltage characteristic of load 系統(tǒng)頻率一定時(shí),負(fù)荷功率隨電壓變化的關(guān)系。 有功負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性 static voltage characteristic of active load取決于負(fù)荷性質(zhì)及各類負(fù)荷所占的比重。1.電動(dòng)機(jī)同步電動(dòng)機(jī)的有功功率與電壓無(wú)關(guān)。異步電動(dòng)機(jī)的有功功率基本上電壓無(wú)關(guān)。2.白熾燈其電阻值隨溫度而變化,PKU1。63.阻抗不隨電壓變化的負(fù)荷如電熱、電爐、整流負(fù)荷P 無(wú)功負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性static voltage characteristic of reactive load1.異步電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁功率Qm與電壓平方成正比,電壓比較高時(shí),由于磁飽和曲線的影響,Xm有所下降,則Qm隨電壓變化曲線略高于二次曲線。電壓降低時(shí),負(fù)載不變的情況下,定子電流增大,則漏抗中損耗也增大。故:在額定電壓附近,電動(dòng)機(jī)的無(wú)功隨電壓升降而增減。當(dāng)電壓顯著低于額定電壓時(shí),漏抗損耗占主要部分,隨電壓降低而升高。2.阻抗不隨電壓變化的負(fù)荷 四、無(wú)功功率平衡 reactive balance、 基本知識(shí) basic knowledge1. 無(wú)功功率平衡:無(wú)功功率電源發(fā)出的無(wú)功功率用戶所需的無(wú)功系統(tǒng)無(wú)功損耗2. 無(wú)功功率電源: 發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)、靜電電容器、靜止補(bǔ)償器等。3. 無(wú)功負(fù)荷: 除白熾燈和純電阻性加熱設(shè)備外的其它用電設(shè)備均需要無(wú)功,其中異步電動(dòng)機(jī)占很大比重。4. 無(wú)功損耗:線路和變壓器上的無(wú)功損耗。5. 據(jù)統(tǒng)計(jì):用戶需要的無(wú)功50100用戶需要的有功。6. 由負(fù)荷無(wú)功功率電壓靜止特性可知:要維持負(fù)荷點(diǎn)電壓在額定值附近就必須提供足夠的無(wú)功,否則電壓會(huì)降低。、 電力系統(tǒng)中的無(wú)功電源 reactive power sources1、發(fā)電機(jī) generator發(fā)電機(jī)作為無(wú)功源即可發(fā)出感性無(wú)功,又可發(fā)出容性無(wú)功.在進(jìn)行無(wú)功調(diào)整時(shí),首先應(yīng)充分利用發(fā)電機(jī)的無(wú)功輸出能力.2、 調(diào)相機(jī) synchronous condenser(1)是只發(fā)無(wú)功功率的同步發(fā)電機(jī).過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí),向系統(tǒng)發(fā)出感性無(wú)功功率;欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí),從系統(tǒng)吸收感性無(wú)功。(2) 欠勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)的容量約為過勵(lì)磁運(yùn)行時(shí)容量的50。(3) 帶勵(lì)磁調(diào)節(jié)裝置的調(diào)相機(jī),可根據(jù)其所在點(diǎn)的電壓自動(dòng)平滑的改變出力;有強(qiáng)行勵(lì)磁裝置時(shí),系統(tǒng)故障情況下也可維持該機(jī)的出口電壓。(4) 特點(diǎn):a) 運(yùn)行維護(hù)復(fù)雜。b) 有功損耗大,滿載時(shí)達(dá)額定容量的1.53,容量越小,損耗占的比重越大。故容量小于5Mvar時(shí),不宜用調(diào)相機(jī)。c) 可平滑調(diào)整無(wú)功出力,系統(tǒng)故障時(shí)也可按要求輸出無(wú)功。3、靜電電容器 static capacitor(1)按三角形或星形接法并聯(lián)在線路上。(2)只能向系統(tǒng)提供感性無(wú)功,當(dāng)端口電壓下降時(shí),出力會(huì)顯著下降。(3)特點(diǎn):1)無(wú)功輸出調(diào)節(jié)能力差,輸出無(wú)功受端口電壓限制。2)單位容量成本低,且與總?cè)萘看笮o(wú)關(guān),安裝維護(hù)方便。3)有功損耗小,滿載時(shí)僅為額定容量的0.30.5%。4)可集中使用,也可分散就地供應(yīng)無(wú)功,從而減少網(wǎng)絡(luò)電能損耗。4、靜止補(bǔ)償器SVC static VAR compensator可控硅控制的電抗器與電容器并聯(lián)組成的。(1) 吸收或發(fā)出感性無(wú)功。(2)快速跟蹤負(fù)荷,響應(yīng)速度快。(3)運(yùn)行時(shí)有功損耗小,滿載時(shí)不超過額定容量的1%。(4)可靠性高,維護(hù)工作量小。(5)不增加短路電流。(6)可控硅控制電抗器時(shí),電網(wǎng)中產(chǎn)生高次諧波。、電力系統(tǒng)的無(wú)功負(fù)荷和無(wú)功功率損耗 reactive load and VAR losses無(wú)功負(fù)荷 reactive load 除白熾燈等少數(shù)純阻性用電設(shè)備外大部分用電設(shè)備都需要無(wú)功。無(wú)功損耗 VAR losses1.變壓器變壓器中的無(wú)功功率損耗分兩部分,即勵(lì)磁支路損耗和繞組漏抗中的損耗。其中,勵(lì)磁支路損耗的百分值基本上等于空載電流的百分值,約為1%2%;繞組漏抗中損耗,在變壓器滿載時(shí),基本上等于短路電壓的百分值,約為10%。對(duì)于一臺(tái)變壓器或一級(jí)變壓的網(wǎng)絡(luò)而言,變壓器中的無(wú)功損耗并不大,滿載時(shí)約為它額定容量的百分之十幾。但對(duì)多電壓級(jí)網(wǎng)絡(luò),變壓器中的無(wú)功損耗就相當(dāng)可觀。2電力線路上的無(wú)功損耗 線路上的無(wú)功損耗也分兩部分,即并聯(lián)電納和串聯(lián)電抗中的無(wú)功損耗。并聯(lián)電納中的這種損耗又稱充電功率,與線路電壓的平方成正比,呈容性。串聯(lián)電抗中的這種損耗與負(fù)荷電流的平方成正比,呈感性。 35KV及以下架空線的充電功率較小,總體上是消耗無(wú)功的; 110KV及以上架空線,當(dāng)輸送功率較大時(shí),電抗總消耗的無(wú)功大于電納中產(chǎn)生的無(wú)功,總體上是無(wú)功負(fù)載;輸送功率較小時(shí),為無(wú)功電源。第二節(jié) 無(wú)功功率補(bǔ)償Reactive power compensation一、無(wú)功補(bǔ)償原理 theory of reactive power compensation可提高電力網(wǎng)功率因數(shù)。詳見圖5-5。二、無(wú)功補(bǔ)償?shù)囊饬x meaning of reactive power compensation 1提高電網(wǎng)輸送能力,減少系統(tǒng)元件容量; 2降低網(wǎng)絡(luò)功率損耗和電能損耗; 3改善電壓質(zhì)量。三、高壓電力網(wǎng)的無(wú)功補(bǔ)償 reactive power compensation of high voltage power system 330500kv 分層分區(qū)就地平衡 安裝并聯(lián)電抗器補(bǔ)償線路充電功率; 220kv 變電所 最大負(fù)荷時(shí) 一次側(cè)功率因數(shù)不低于0.95; 最小負(fù)荷時(shí) 一次側(cè)功率因數(shù)不高于0.98. 二次側(cè)功率因數(shù)不小于 0.95-1. 110kv及以下變電所 最小負(fù)荷時(shí),一次側(cè)功率因數(shù)不高于0.98。四、中低壓配電網(wǎng)無(wú)功功率補(bǔ)償?shù)墓芾磙k法無(wú)功功率應(yīng)就地補(bǔ)償 具體管理方法: 1 提高用戶的功率因數(shù);2 配電線路及變電所分散安裝電力電容器;3 對(duì)大容量軋鋼設(shè)備等沖擊性的動(dòng)態(tài)無(wú)功負(fù)荷,裝設(shè)靜止無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備或采用可控硅開關(guān)自動(dòng)快速投切電容器組。五、配電網(wǎng)無(wú)功補(bǔ)償?shù)呐渲迷瓌t “就地補(bǔ)償、分級(jí)分區(qū)平衡” 1總體平衡和局部平衡相結(jié)合 盡量避免不同分區(qū)之間無(wú)功的遠(yuǎn)距離輸送和交換。 2電業(yè)部門補(bǔ)償和用戶補(bǔ)償相結(jié)合 3分散補(bǔ)償和集中補(bǔ)償相結(jié)合,以分散為主集中補(bǔ)償是指在變電所集中裝設(shè)容量較大的補(bǔ)償設(shè)備;分散補(bǔ)償是指在配電網(wǎng)的分散區(qū),如配電線路、變壓器和用電設(shè)備,分散進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償。 4降損與調(diào)壓相結(jié)合,以降損為主第三節(jié) 供配電系統(tǒng)電壓調(diào)整Voltage adjustment of power supply and distribution system一 、中樞點(diǎn)電壓管理 voltage management of load-center bus1、電壓調(diào)整的目的:使用戶的電壓偏移在規(guī)定的范圍內(nèi)。2、中樞點(diǎn)電壓管理:選幾個(gè)可代表系統(tǒng)電壓水平的發(fā)電廠或變電所母線作為電壓中樞點(diǎn),因大多數(shù)負(fù)荷都在中樞點(diǎn)供電,故如能控制住中樞點(diǎn)的電壓偏移,也就控制住了大部分負(fù)荷的電壓偏移。電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整問題轉(zhuǎn)化為控制各中樞點(diǎn)電壓的電壓偏移不超出范圍的問題。例:如圖所示根據(jù)Sm對(duì)電壓要求,A點(diǎn)(中樞點(diǎn))的電壓應(yīng)維持為:根據(jù)Sn對(duì)電壓要求,A點(diǎn)(中樞點(diǎn))的電壓應(yīng)維持為:綜合以上要求,中樞點(diǎn)允許電壓為:08時(shí):(0.991.06)UN 816時(shí):(1.051.06)UN1624時(shí):(1.051.13)UN 由此可見:為同時(shí)滿足兩點(diǎn)負(fù)荷對(duì)電壓偏移的要求,中樞點(diǎn)電壓的允許變動(dòng)范圍大為縮小,有時(shí)甚至僅有1%。若兩條線路上的電壓損耗的大小和變化規(guī)律相差更懸殊,完全有可能在某些時(shí)段內(nèi),無(wú)論中樞點(diǎn)電壓取何值都不能同時(shí)滿足兩個(gè)負(fù)荷對(duì)電壓質(zhì)量的要求,此時(shí)就需要在負(fù)荷點(diǎn)處增設(shè)必要的調(diào)壓措施。3電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的調(diào)壓方法1) 逆調(diào)壓:高峰負(fù)荷時(shí)升高中樞點(diǎn)電壓(至105%),低谷負(fù)荷時(shí)降低中樞點(diǎn)電壓(至)。適用于供電線路較長(zhǎng),負(fù)荷變動(dòng)較大的中樞點(diǎn)。調(diào)壓設(shè)備:調(diào)相機(jī)、靜電電容器、有載調(diào)壓變壓器。2) 順調(diào)壓:高峰負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓降低(但不低于102.5%),低谷負(fù)荷時(shí)允許中樞點(diǎn)電壓升高(但不允許高于107.5%)。適用于供電線路不長(zhǎng),負(fù)荷變動(dòng)不大的中樞點(diǎn)。不用裝特殊的調(diào)壓設(shè)備。3) 常調(diào)壓:任何情況下都保證中樞點(diǎn)電壓基本不變。如(102%105%)。通過合理選擇變壓器變比和并聯(lián)電容器來(lái)調(diào)壓。故障時(shí)允許電壓偏移較正常時(shí)大5%。二、電力系統(tǒng)的調(diào)壓措施 voltage adjustment methods以圖3-15為例,略去線路、變壓器的對(duì)地導(dǎo)納支路,則負(fù)荷點(diǎn)的電壓為(不計(jì)網(wǎng)損):則調(diào)整用戶端電壓可采取以下措施:1)調(diào)整勵(lì)磁以改變發(fā)電機(jī)端電壓;2)改變變壓器分接頭位置;3)改變電力網(wǎng)無(wú)功功率分布;4)改變輸電線路的參數(shù)。 利用發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓 voltage adjustment using generator1.在各種調(diào)壓手段中,應(yīng)首先考慮利用發(fā)電機(jī)進(jìn)行調(diào)壓。2利用發(fā)電機(jī)進(jìn)行逆調(diào)壓,可使最遠(yuǎn)端負(fù)荷點(diǎn)電壓變動(dòng)范圍縮小5%。3如果供電線路不長(zhǎng),電壓損耗不大,僅用發(fā)電機(jī)逆調(diào)壓就可滿足要求;但若經(jīng)多級(jí)變壓向遠(yuǎn)處負(fù)荷供電,僅依靠發(fā)電機(jī)調(diào)壓不能滿足負(fù)荷對(duì)電壓質(zhì)量的要求。改變變壓器變比調(diào)壓 voltage adjustment via changing transformers tap1雙繞組變壓器的高壓側(cè)和三繞組變壓器的高、中壓側(cè)往往有若干個(gè)分接頭可供選擇。其中對(duì)應(yīng)于的分接頭成為主接頭。 6000KVA以下的變壓器有三個(gè)分接頭,8000KVA以上的變壓器有五個(gè)分接頭,2如圖所示:為升壓變壓器,為降壓變壓器。1) 現(xiàn)以為例說明降壓變壓器分接頭的選擇方法已知:最大負(fù)荷時(shí)高壓側(cè)母線電壓為,變壓器的電壓損失為,低壓側(cè)母線要求的電壓為。求:最大負(fù)荷時(shí)應(yīng)選擇的的高壓側(cè)分接頭電壓分析: 其中:為最大負(fù)荷時(shí),歸算至高壓側(cè)的低壓母線電壓;為最大負(fù)荷時(shí)應(yīng)選的變比。 ,為低壓側(cè)的額定電壓。則聯(lián)立上式,可得: 同理:可得最小負(fù)荷時(shí)變壓器應(yīng)選擇的高壓側(cè)分接頭電壓若為無(wú)載調(diào)壓,則變壓器分接頭應(yīng)取: 根據(jù)計(jì)算得出的選擇與之最接近的分接頭,然后校驗(yàn)所選的分接頭能否使的低壓側(cè)母線電壓滿足調(diào)壓要求。2) 升壓變壓器分接頭選擇以上為無(wú)載調(diào)壓;若為有載調(diào)壓,則可分別選擇最大、最小負(fù)荷時(shí)應(yīng)選擇的分接頭,不必取平均。 改變電力網(wǎng)中的無(wú)功功率分布進(jìn)行調(diào)壓 voltage regulation with reactive power distribution1 電壓損耗是造成電壓偏移的主要原因,當(dāng)線路參數(shù)一定時(shí),決定電壓損失的因素有兩個(gè):P和Q。1) 由于有功源只有發(fā)電機(jī),且發(fā)電機(jī)、有功負(fù)荷不宜改動(dòng), 故不可能通過改變有功分布來(lái)調(diào)壓。2) 由于無(wú)功源除發(fā)電機(jī)外,還有調(diào)相機(jī)、電容器等,這些無(wú)功補(bǔ)償裝置的安裝位置可動(dòng),故可通過改變無(wú)功分布來(lái)調(diào)壓。3) 并非所有場(chǎng)合都可用改變無(wú)功分布的方法來(lái)調(diào)壓,只有當(dāng)系統(tǒng)參數(shù)中RX時(shí),才可用。2 改變電力網(wǎng)無(wú)功分布的具體做法:在輸電線路末端靠近負(fù)荷處裝設(shè)并聯(lián)電容器或調(diào)相機(jī)。 例:如圖所示令:補(bǔ)償前后不變。分析: 未裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備時(shí): , 折算至高壓側(cè)的低壓電壓裝無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后:則:故:近似的:補(bǔ)償后低壓側(cè)實(shí)際電壓為,則:由上式可見,若要確定,則應(yīng)先確定變壓器變比K,而K的確定與補(bǔ)償設(shè)備的類型有關(guān)用靜電電容器,最小負(fù)荷時(shí)電容器全部退出,最大負(fù)荷時(shí)全部投入。用調(diào)相機(jī)時(shí),最小負(fù)荷時(shí)吸收或(5060
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