電力系統的電壓調整問題及其相關技術參數研究

張克甲

(吳忠供電局，寧夏 吳忠 751100)

0 引言

電壓的質量對電網穩定、電力設備安全運行以及工農業生產具有重大影響。當電壓過高時，對電網內一次設備的絕緣以及設備的運行壽命均會帶來影響，同時也會影響用戶設備的使用壽命，甚至使其燒毀。而當電壓過低時則會對電網內機械設備輸出功率帶來影響，會使機械設備輸出電流過大而造成設備燒損。電壓嚴重過低時甚至會出現電壓崩潰，從而導致系統失去同步而瓦解的災難性事故，如1978年12月19日法國大停電，1983年12月27日瑞典大停電，2003年的“8·14”美加大停電事故。隨著電網的不斷發展，電壓已不僅僅是單純的供電質量問題，還關系到電網的安全、穩定和經濟運行，因此電壓問題對目前電網而言，已上升到舉足輕重的地位。

1 允許電壓偏移

各種用電設備都是按額定電壓來設計制造的。這些設備在額定電壓下運行將能取得最佳的效果。電壓過大地偏離額定值將對用戶產生不良的影響。

電力系統常見的用電設備是異步電動機、各種電熱設備、照明燈以及近年來日漸增多的家用電器等。異步電動機的電磁轉矩是與其端電壓的平方成正比的，當電壓降低10%時，轉矩大約要降低19%。如果電動機所拖動的機械負載的阻力矩不變，電壓降低時，電動機的轉差增大，定子電流也隨之增大，發熱增加，繞組溫度增高，加速絕緣老化，影響電動機的使用壽命。當端電壓太低時，電動機可能由于轉矩太小而失速甚至停轉。電爐等電熱設備的出力大致與電壓的平方成正比，電壓降低就會延長電爐的冶煉時間，降低生產率。電壓降低時，照明燈發光不足，影響人的視力和工作效率。電壓偏高時，照明設備的壽命將要縮短。

電壓偏移過大，除了影響用戶的正常工作以外，對電力系統本身也有不利影響。電壓降低，會使電力網絡中的功率損耗和能量損耗加大，電壓過低還可能危及電力系統運行的穩定性；而電壓過高時，各種電氣設備的絕緣可能受到損害，在超高壓網絡中還將增加電暈損耗等。

在電力系統的正常運行中，隨著用電負荷的變化和系統運行方式的改變，網絡中的電壓損耗也將發生變化。要嚴格保證所有用戶在任何時刻都有額定電壓是不可能的，因此，系統運行中各節點出現電壓偏移是不可避免的。實際上，大多數用電設備在稍許偏離額定值的電壓下運行，仍有良好的技術性能。從技術上和經濟上綜合考慮，合理地規定供電電壓的允許偏移是完全必要的。目前，我國規定在正常運行情況下供電電壓的允許偏移如下：35kV及以上供電電壓正、負偏移的絕對值之和不超過額定電壓的10%，如供電電壓上下偏移同號時，按較大的偏移絕對值作為衡量依據；10kV及以下三相供電電壓允許偏移為額定電壓的±7%。

2 改變變壓器分接頭調壓

變壓器可以通過調節分接頭的位置，改變原邊和副邊繞組變比來調整無功流向，改變電壓，使之滿足電壓質量的要求。變壓器分接頭調節可以分為有載調壓和無載調壓。無載調壓變壓器改變分接頭時需要停電，因此必須事前選好一個合適的分接頭，兼顧運行中出現的最大負荷及最小負荷，使電壓偏差不超出允許范圍。這種分接頭調節范圍有限且不適合頻繁操作，往往只做季節性調整。有載調壓變壓器又稱帶負荷調壓變壓器，它的調壓范圍大一些，且可以在運行過程中根據電壓越限情況在線動態調整，容易滿足電力用戶對電壓偏差的要求，因此在電力系統中得到廣泛應用。

在電力系統中，電網電壓的動態調節靠發電機、調相機及補償電容器等。其中補償電容器是調度運行最歡迎的。

根據有關資料統計，電網變壓器有載調壓（電壓101-765kV，電流300-3000A者)每年平均調節次數為5000次，即每天13.7次。根據有關設備廠家資料配網10kV變壓器的有載調節次數為：1）有載調壓接點壽命為20萬次；2）分接開關操作1萬次要做檢查，5萬次要處理；3）觸頭磨損4%應換新的。

為了滿足上述要求，需要對變電站電壓無功調整進行優化，在滿足電壓質量和合格率的前提下，盡量減少變壓器分接頭的調整和補償電容器的投切，以保證設備安全，延長設備使用壽命。

3 利用無功功率補償調壓

無功功率的產生基本上不消耗能源，但是無功功率沿電力網傳送卻要引起有功功率損耗和電壓損耗。合理的配置無功功率補償容量，以改變電力網的無功潮流分布，可以減少網絡中的有功功率損耗和電壓損耗，從而改善用戶處的電壓質量。本文將討論如何按調壓要求來選擇無功功率補償容量的問題。

圖1 簡單電力網的無功功率補償

圖1所示為一簡單電力網，供電點電壓V1和負荷功率P+jQ決定，線路電容和變壓器的勵磁功率略去不計。在未加補償裝置前若不計電壓降落的橫向分量，便有：

式中：V′為歸算到高壓側的變電站低壓母線電壓。

在變電所低壓側設置容量為Qc的無功補償設備后，網絡傳送到負荷點的無功功率將變為Q-Qc，這時變電所低壓母線的歸算電壓也相應變為V′，故有：

4 補償電容對功率因數的影響

通過投切低壓補償電容器，不僅可以調整變電所母線的電壓，更可以提高功率因數合格率，減少線路損耗。它主要是在確定用戶端補償和配電線路補償的基礎上，解決無功的動態補償，滿足無功負荷增長的需要。

4.1 提高功率因數

如果本變電所最大負荷月的平均有功功率為PPj，投入補償容量Qc，設補償前的功率因數為 cosφ1，補償后的功率因數為 cosφ2，則有以下關系：

其中：cosφ1應采用最大負荷日平均功率因數，cosφ2確定必須適當。

通常，將功率因數從 0.9提高到 1.0，與將功率因數從 0.72提高到0.9所需要的補償容量相當。因此，在高功率因數下進行補償其綜合效益將顯著下降。從cosφ的曲線也可以看出，在高功率因數情況下，曲線上升率變小，相比之下，此時提高功率因數所需的補償容量將要相應增加。

4.2 降低網損

線損是電網經濟運行的一項重要指標，降低網損是無功補償的主要目標之一。設補償前后線路電流分別為I1，I2，相應補償容量：

此種情況下，應適當考慮電容器的有功損耗：ΔPs=UI cosφ=Qstgδ，其中δ為電容器的介質損失角，一般取tgδ＝0.003。

5 補償電容器分組和投切時存在問題分析

由于以往對無功補償電容器投切優化問題不夠重視，很多無人值守變電站無功補償電容器的投入與退出是定時倒換的，一般是分為低谷和高峰兩個階段。一種常用的方法是先繪制無功負荷圖，確定無功補償容量，然后把輕負荷下的補償容量固定下來，其余的補償容量作為按負荷變化的調整容量，根據無功負荷階梯圖按時間順序投切。

我國制定的《力率調整電費辦法》中規定，計算用戶的功率因數采用加數平均值，以用戶在一個月內所消耗的有功電量W和無功電量Q進行計算，因此無功負荷圖可以采用無功電能表，按各個小時的讀數進行繪制。

6 結束語

總之，充分利用各種調壓手段和無功電源的補償作用，實現電壓無功的綜合控制對于提高電壓合格率和降低網損具有重要的意義。

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