电力工程基础-电力系统电压课件.ppt

1、鞠平 主编ELECTRIC POWER ENGINEERING ELECTRIC POWER ENGINEERING 电力工程电力工程第九章第九章 电力系统的电压电力系统的电压第九章第九章 电力系统的电压电力系统的电压9.1 电力系统电压概述9.2 电力系统中无功功率的平衡与补偿9.3 电力系统中的电压管理与调压方法9.1 电力系统电压概述电力系统电压概述电压质量：电压偏移、电压波动、电压闪变、电网 谐波、三相不对称9.1 电力系统电压概述电力系统电压概述9.1.1 无功功率负荷与电压的关系9.1.2 电压偏移的危害9.1.3 电压偏移的标准9.1.1 无功功率负荷与电压的关系无功功率负荷与电

2、压的关系无功功率平衡v 系统中的电源必须发出足够的无功功率以满足用户与网络损耗需要；v 电力系统中的无功功率平衡是指在一定节点电压下的平衡；v 无功功率平衡要满足众多节点电压的要求；v 为减少网络中的无功功率损耗，应避免长距离输送无功功率，即无功的就地平衡。9.1.1 无功功率负荷与电压的关系无功功率负荷与电压的关系网络节点电压 简单电力系统如图所示，设A点电压维持恒定，忽略电压降落的横分量，有化简得对有功、无功功率求偏导数UQxPrUUGQxPrUUUG2NGNGUxUUxQUUrUUrPU22UN为额定电压的标幺值9.1.1 无功功率负荷与电压的关系无功功率负荷与电压的关系电压大小的全微分

3、 系统的电压有功功率特性系数 系统的电压无功功率特性系数对于高压电网有故 系统节点电压的变动主要由无功功率变动所引起QPdUdUdQQUdPPUdUPUQUQPdUdUxr，QdUdU 9.1.1 无功功率负荷与电压的关系无功功率负荷与电压的关系电力系统的节点电压功率特性曲线UP特性UQ特性发电机无功输出特性9.1.1 无功功率负荷与电压的关系无功功率负荷与电压的关系无功负荷电压静态特性曲线a)b)无功负荷电压静态特性曲线a)异步电动机（为负荷系数）b)综合负荷1P*=f(U*)特性 2Q*=f(U*)特性（无电容器补偿）3 Q*=f(U*)特性（电容器补偿51%）9.1.1 无功功率负荷与电

4、压的关系无功功率负荷与电压的关系无功功率平衡a)b)无功功率平衡a)QU特性曲线相交 b)负荷增长和电源增发后的功率平衡9.1.2 电压偏移的危害电压偏移的危害 发电机和用电设备都是按额定电压下运行的条件制造的，当其端电压与额定电压不同时，发电机和用电设备的性能都要受到影响。v 电压过高将使多有电气设备绝缘受损。变压器、电动机等的铁芯饱和，铁心损耗增大，温升增加，寿命缩短。v 电压过低时:发电机定子电流增大，定子绕组温升增加；异步电动机转差率增大，温升增加，效率降低，寿命缩短；电炉冶炼时间延长，影响产量。9.1.2 电压偏移的危害电压偏移的危害异步电动机的电压特性照明负荷的电压特性白炽灯 荧光

5、灯9.1.3 电压偏移的标准电压偏移的标准我国规定电压允许偏移值：v 500（330）kV母线正常运行时，最高运行电压不得超过系统额定电压的10%；最低运行电压不应影响电力系统功角稳定、电压稳定、厂用电的正常使用以及下一级电压的调节。v 发电厂和500kV变电所的220kV母线，正常运行时，电压允许偏移为系统额定电压的0+10%；事故运行方式时为系统额定电压的-5%+10%。v 发电厂和220（330）kV变电所的11035kV母线，正常运行方式时，电压允许偏移为相应额定电压的-3%+7%；事故运行方式时为系统额定电压的10%。9.1.3 电压偏移的标准电压偏移的标准v 用户受电端的电压允许偏

6、移值如下：35kV及以上用户的电压偏移不大于10%；10kV用户为系统额定电压的7%；0.38kV用户为系统额定电压的7%；0.22kV用户为系统额定电压的-10%+5%。v 发电厂和变电所的10（6）kV母线应使用户电压符合上一条中用户电压的规定。9.2 电力系统中无功频率的平衡与补偿电力系统中无功频率的平衡与补偿9.2.1 电力系统中无功功率负荷与无功功率损耗9.2.2 电力系统中的无功电源9.2.3 电力系统的无功功率平衡与补偿9.2.1 电力系统中无功功率负荷与无功功率损耗电力系统中无功功率负荷与无功功率损耗1、无功功率负荷 系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定。异步电动机消耗的

7、无功功 励磁功率 漏抗中的无功损耗XIXUQQQmmM22mQQ异步电动机无功负荷电压静态特性综合负荷无功负荷电压静态特性2、变压器中的无功功率损耗 励磁损耗 漏抗中的损耗 S 通过变压器的视在功率 SN 变压器的额定容量 I0%变压器的空载电流百分值 Uk%变压器的短路电压百分值9.2.1 电力系统中无功功率负荷与无功功率损耗电力系统中无功功率负荷与无功功率损耗NkNTTzTyTTSSUSIXUSBUQQQ100%100%2022yTQzTQ3、输电线路的无功功率损耗电力线路的无功功率损耗分两部分：v 并联电纳的无功功率损耗，与线路电压的二次方成正比，呈容性；v 串联电抗的无功功率损耗，与负

8、荷电流的二次方成正比，呈感性。35kV及以下架空线路，一般都消耗无功功率。110kV及以上架空线路，输送功率较大时，线路消耗无功功率；当输送功率较小（小于自然功率）时，线路成为无功电源。9.2.1 电力系统中无功功率负荷与无功功率损耗电力系统中无功功率负荷与无功功率损耗9.2.2 电力系统中的无功源电力系统中的无功源1、发电机 额定情况下，发电机发出的无功功率v 发电机可能发出的无功功率一般为有功功率的40%60%。v 正常运行时以滞后功率因数为主，向系统输送无功功率。v 必要时可减小励磁电流在超前功率因数下运行（进相运行），吸收系统多余无功功率。NGNNGNGNPSQtansin9.2.2

9、电力系统中的无功源电力系统中的无功源2、调相机 调相机实质为只发无功功率的发电机。过励运行时向系统提供感性无功功率，起无功电源作用。欠励运行时从系统吸收感性无功功率，起无功负荷作用。v 能平滑的调节无功功率v 有功功率损耗较大，投资费用高，响应速度慢。3、静电电容器 并联电容器只能向系统提供感性无功功率。v 投资小、损耗小、运行灵活，便于分散安装；v 调节性能较差。9.2.2 电力系统中的无功源电力系统中的无功源4、静止无功补偿器（Static Var Compensator，SVC）由静电电容器和电抗器并联组成。TCR型TSC型SR型9.2.2 电力系统中的无功源电力系统中的无功源5、静止无

10、功发生器（Static Var Generator，SVG）主体部分为一个电源型逆变器。响应速度快，运行范围宽，谐波电流含量少，当电压较低时，仍能向系统注入加大的无功电流。9.2.3 电力系统的无功功率平衡与补偿电力系统的无功功率平衡与补偿电力系统无功功率平衡的基本要求：系统中无功源可能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之和。系统中无功功率平衡关系式：QGC 电源供应的无功功率之和，QL 无功负荷之和 网络中无功损耗之和 Qres 无功备用resLLGCQQQQCGGCQQQLQ9.2.3 电力系统的无功功率平衡与补偿电力系统的无功功率平衡与补偿电力系统的无功

11、补偿：v 电力系统需要的无功功率比有功功率大许多，发电机的无功输出不能平衡负荷所需的无功功率，需进行无功补偿。v 无功补偿的配置应按分区平衡、分层补偿原则。系统规划中注意改善电网结构、减少变压级数和避免长距离输送无功功率。9.3 电力系统中的电压管理与调压方法电力系统中的电压管理与调压方法9.3.1 中枢点电压管理9.3.2 电压调整的方法9.3.1 中枢点电压管理中枢点电压管理电压中枢点：系统中负荷点通过一些主要的供电点供应电力，通过控制这些点的电压偏移，能控制住系统中大部分负荷的电压偏移，这些主要的供电点称为中枢点。中枢点通常由如下节点担任：v 区域性水、火电厂的母线v 枢纽变电所的二次母

12、线v 有大量地方负荷的发电厂母线9.3.1 中枢点电压管理中枢点电压管理 中枢点i向负荷点j和负荷点k供电，两个负荷点对电压的要求相同，电压变化范围均为（0.951.05）UN。负荷点j对中枢点i的电压要求：08时，824时，简单网络日负荷曲线电压损耗NNNijjjiUUUUUU)09.199.0(04.0)05.195.0()(NNNijjjiUUUUUU)15.105.1(1.0)05.195.0()(9.3.1 中枢点电压管理中枢点电压管理负荷节点k对中枢点i的电压要求：016时，1624时，两个负荷对中枢点的电压要求如图。NNNikkkiUUUUUU)06.196.0(01.0)05.

13、195.0()(NNNikkkiUUUUUU)08.198.0(03.0)05.195.0()(9.3.1 中枢点电压管理中枢点电压管理 对于向多个负荷点供电的中枢点，其电压允许变化的范围可按两种极端情况确定：v 在地区负荷最大时，电压最低负荷点的允许电压下限加上到中枢点的电压损耗等于中枢点的最低电压；v 在地区负荷最小时，电压最高负荷点的允许电压上限加上到中枢点的电压损耗等于中枢点的最高电压；x、y分别为电压最低负荷点和电压最高负荷点。minminmaxmax),max(),min(maxmaxmaxminminminPiyPkjiPixPkjiUUUUUUUU9.3.1 中枢点电压管理中枢

14、点电压管理中枢点的调压方式：v 逆调压：高峰负荷时升高电压，低谷负荷时降低电压的中枢点调压方式称为逆调压。高峰时负荷中枢点电压保持105%UN，低谷负荷中枢点电压保持UN。一般适用于供电线路较长，负荷变动较大的中枢点调压。v 顺调压：在高峰负荷时允许中枢点电压低一些，但不低于102.5%UN；低谷负荷时，允许中枢点电压高一些，但不高于107.5%UN。v 常调压：在任何负荷下，中枢点电压保持一基本数值不变。一般取（102%105%)UN。9.3.2 电压调整方法电压调整方法忽略并联支路和功率损耗，负荷点电压1、发电机调压 通过调节励磁电流来改变发电机端电压。21121)()(kkUQXPRkU

15、kUkUUGGGL9.3.2 电压调整方法电压调整方法2、变压器调压 （1）变压器分接头的选择 通过选用不同分接头，改变一、二次绕组的匝数比，从而使变压器变比不同，以调整电压。v 容量为6300kVA及以下的变压器，高压侧一般有三个分接头，对应电压分别为1.05UN，UN，0.95UN。v 容量为8000kVA及以上的变压器，高压侧一般有五个分接头，对应电压分别为1.05UN，1.025UN，UN，0.975UN，0.95UN。9.3.2 电压调整方法电压调整方法降压变压器分接头选择变压器低压侧电压分接头电压 普通双绕组变压器分接头只能在停电情况下改变，正常运行时只能有一个固定的分接头。kUU

16、UT)(12NtTTTUUkUQXPRU211)(2211)(UUUUUNTt9.3.2 电压调整方法电压调整方法 工程上通常是分别求取最大负荷和最小负荷下做要求的分接头电压，取其平均值。及选择与平均值最接近的分接头。min22minmin1min1max22maxmax1max1)()(UUUUUUUUUUNTtNTt2)(min1max11tttUUU9.3.2 电压调整方法电压调整方法例：降压变压器如图所示，折算到高压侧的阻抗为ZT=（2.44+j40)。已知：最大负荷和最小负荷时流过变压器的功率分别为Smax=（28+j14）MVA和Smin=（10+j6）MVA，最大和最小负荷时高压

17、侧的电压分别为110kV和114kV。要求低压母线的电压不超过6.06.6kV的范围，试选择分接头。9.3.2 电压调整方法电压调整方法解：先计算最大负荷和最小负荷时变压器的电压损耗，忽略变压器的功率损耗设最大负荷和最小负荷时变压器低压侧的电压分别取6kV和6.6 kV kV32.2114)40644.210()(kV71.5110)401444.228()(min1minminminmax1maxmaxmaxUXQRPUUXQRPUTTTTTTkV68.1116.66.6)32.2114()(kV72.11466.6)71.5110()(min22minmin1min1max22maxmax

18、1max1UUUUUUUUUUNTtNTt9.3.2 电压调整方法电压调整方法分接头平均值电压选最接近的分接头电压按最大负荷和最小负荷校验低压母线实际电压所选分接头电压符合低压母线的调压要求。kV20.1132)(min1max11tttUUUkV75.112110%5.21101tUkV54.675.1126.6)32.2114()(kV10.675.1126.6)71.5110()(12minmin1min212maxmax1max2tNTtNTUUUUUUUUUU9.3.2 电压调整方法电压调整方法升压变压器分接头选择变压器低压侧的电压变压器分接头电压为kUUUT)(122211)(UU

19、UUUNTt9.3.2 电压调整方法电压调整方法例：已知与发电机相连的升压变压器额定容量为31.5MVA，电压比为12122.5%/6.3kV，折算到高压侧的阻抗为ZT=（3+j48），最大负荷Smax=（25+j18）MVA时高压母线电压U1max=120kV，最小负荷Smin=（10+j6）MVA时高压母线电压U1min=114kV。发电机端电压的调节范围为6.06.6kV，试选择变压器分接头。解：先计算变压器的电压损耗kV579.4114)4810314()(kV825.7120)4818325()(min1minminminmax1maxmaxmaxUXQRPUUXQRPUTTTTTT

20、9.3.2 电压调整方法电压调整方法设最大负荷和最小负荷时变压器低压侧的电压分别取6.6kV和6.0kV，则调压分接头平均值最接近的分接头电压kV508.1240.63.6)579.4114()(kV015.1226.63.6)825.7120()(min22minmin1min1max22maxmax1max1UUUUUUUUUUNTtNTtkV262.1232)(min1max11tttUUUkV025.124121%5.21211tU9.3.2 电压调整方法电压调整方法按最大负荷和最小负荷校验低压母线实际电压所选分接头符合发电机母线调压要求kV023.6025.1243.6)579.41

21、14()(kV493.6025.1243.6)825.7120()(12minmin1min212maxmax1max2tNTtNTUUUUUUUUUU9.3.2 电压调整方法电压调整方法（2）有载调压变压器 可以在带负荷条件下切换变压器分接头。v 有载调压变压器调节范围大，一般在15%以上；110kV的有载调压变压器有7个分接头，即UN32.5%220kV的有载调压变压器有9个分接头，即UN42.5%v 可根据最大负荷、最小负荷分别可选择变压器分接头；v 价格较贵，调压时要注意安全。9.3.2 电压调整方法电压调整方法3、并联补偿调压 简单电力网络，供电点电压和负荷功率给定，参数以折算到高压

22、侧，线路和变压器并联支路忽略不计，忽略电压降落的横分量。为安装并联补偿时，电压关系 折算到高压侧的负荷端的电压221)(UQXPRUU2U9.3.2 电压调整方法电压调整方法并联补偿容量QC后，电压关系为 并联补偿容量QC后，折算到高压侧的负荷端电压补偿前后，供电点电压U1保持不变可得简化为CCCUXQQPRUU221)(CU2CCCUXQQPRUUQXPRU2222)(22222)(UQXPRUQXPRUUXUQCCCC)(222UUXUQCCC9.3.2 电压调整方法电压调整方法设变压器变比为k，补偿后变电所低压母线希望保持的电压。k选择原则：既满足调压要求，又使无功补偿容量最小。)()(

23、2222222kUUXUkUkUXkUQCCCCCCQCCUUk229.3.2 电压调整方法电压调整方法（1）静电电容器补偿最小负荷时，无补偿，确定变压器的分接头 选择接近的分接头电压U1t，变压器变比按最大容量的调压要求极端电容器的补偿容量NtUUUUk2min2min2NtUUUU2min2min2)(max2max2max22kUUXUkQCCCNtUUk219.3.2 电压调整方法电压调整方法（2）调相机补偿 若最大负荷时，调相机按额定容量过励运行，在最小负荷时按倍（0.50.65）额定容量欠励运行，调相机容量将得到充分利用。最大、最小负荷时，同步调相机的容量分别为可得)()(min2

24、min2min22max2max2max22kUUXUkQkUUXUkQCCCCCC2max22min2max2max2min2min2UUUUUUkCCC9.3.2 电压调整方法电压调整方法例：如图所示简单系统及等效电路。发电机母线1折算到高压侧的电压120kV维持不变，负荷端低压母线要求常调压，电压值为10.5kV。变压器T2为SN=31.5MVA，11022.5%/11kV，不计变压器、线路的并联支路以及电压降落的横分量。试确定负荷端分别装设静电电容器、调相机时的补偿容量。9.3.2 电压调整方法电压调整方法解：（1）先按最大负荷、最小负荷，求补偿前负荷端折算到高压侧的电压。已知末端功率

25、、始端电压，按近似方法计算功率损耗和电压降落。则功率损耗为AMV)679.1258.0()13020(1105.710AMV)715.6033.1()13020(110152022222min2min22222max2maxjjZUSSjjZUSSNN9.3.2 电压调整方法电压调整方法始端功率为故负荷端折算到高压侧的电压为AMV)179.9258.10(AMV)715.21033.21(minminmin1maxmaxmax1jSSSjSSSkV346.108)120130179.920258.10120(kV970.92)120130715.2120033.21120(1min1min11

26、min21max1max11max2UXQRPUUUXQRPUU9.3.2 电压调整方法电压调整方法（2）选择静电电容器的容量。先按最小负荷无无功补偿设备确定变压器的变比，变压器分接头电压为选最近的分接头电压变压器变比电容器补偿容量kV50511351011346108min2min2.UUUUNtkV75.112110)2.5%(1101tU25.1011/75.112kMvar133.12)25.10970.925.10(1305.1025.10)(2max2max2max22kUUXUkQCCC9.3.2 电压调整方法电压调整方法取补偿容量 ，验算低压侧实际电压：最大负荷为Mvar12C

27、QAMV)349.4676.0()13020(110)1215(20222maxjjSAMV)349.7676.21(maxmaxmax1jSjQSSCkV593.108)120130349.720676.20120(1max1max11max2UQQRPUUC9.3.2 电压调整方法电压调整方法kV594.1025.10593.108max2max2kUUCC最小负荷时实际电压略高于要求的电压（10.5kV）。（3）选择调相机的容量。取0.5变压器变比kV570.1025.10346.108min2min2kUUCC831.95.105.05.10970.925.105.0346.1085.

28、10222max22min2max2max2min2min2UUUUUUkCCC9.3.2 电压调整方法电压调整方法取最接近的电压比k=9.75。计算调相机的补偿容量就进按标准选择额定容量7.5Mvar的调相机。最大负荷为Mvar406.7)75.9970.925.10(1305.1075.9)(2max2max2max22kUUXUkQCCCAMV)402.12754.0()13020(110)5.715(20222maxjjS9.3.2 电压调整方法电压调整方法最小负荷为AMV)4021275420(maxmaxmax1.j.SjQSSCkV106103)12013040212207542

29、0120(1max1max11max2.UQQRPUUCAMV)434.12374.0()13020(110)5.75.05.7(10222minjjSkV575.1075.9106.103max2max2kUUCC9.3.2 电压调整方法电压调整方法实际电压略高于要求电压（10.5kV）。AMV)6841337410(5.0maxmaxmax1.j.SQjSSCkV447103)120130684.1320374.10120(1min1min11max2.UQQRPUUCkV610.1075.9447.103min2min2kUUCC9.3.2 电压调整方法电压调整方法4、串联补偿调压 在线

30、路中串联电容器补偿线路的感抗，起到调压的作用。图中架空线路，补偿前电压损耗为补偿后（串联容抗XC）电压损耗变为111UXQRPU111)(UXXQRPUCC补偿前补偿后9.3.2 电压调整方法电压调整方法补偿前后线路末端电压提高的数值为所需容抗为 工程实际中，线路上接入的电容器由许多个电容器串联、并联组成。11UXQUUCC11)(QUUUXCC9.3.2 电压调整方法电压调整方法 设单个电容器的额定电压为UNC，额定电流为INC，额定容量为QNC=UNCINC，n，m为电容器组的串并联数 串联电容补偿适合应用在线路负荷功率因数比较低、无功功率负荷大的场合。补偿度 补偿度取1或大于1。CCNC

31、CNCCCNCCXImnQQUXInIIm2maxmaxmax33XXkC9.3.2 电压调整方法电压调整方法例：一35kV的线路阻抗为Z=（10+j10），输送的功率为（7+j6）MVA，线路始端电压为38kV。要求线路末端电压不低于36kV，试确定串联补偿容量。解：补偿前线路的电压损耗为补偿后线路要求的电压损耗为所需的补偿容抗为kV421.338106107111UXQRPUkV23638CU000.96)2421.3(38)(11QUUUXCC9.3.2 电压调整方法电压调整方法线路通过的最大负荷电流为选用额定电压为UNC=0.6kV，容量QNC=20kvar的单相油浸纸质串联电容器，其

32、额定电流为每个电容器的容抗为则需要的电容器串联个数为A081140kA140081038367322maxmaxmax.USICA33.336.020NCNCNCUQI1833.33600NCNCNCIUX101.26009081.140maxNCCCUXIn9.3.2 电压调整方法电压调整方法取n=3，并联个数为取m=5。因此串联补偿容量为实际补偿容抗校验末端实际电压基本符合要求。补偿度为202.433.33081.140maxNCCIImkvar900203533NCCmnQQ8.10518353NCCXXkV284.3638)8.1010(6107382CU08.1108.10XXkCC