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1无功负荷
异步电动机在电力系统负荷(特别是无功负荷)中占的比重很大。
系统无功负荷的电压特性主要由异步电动机决定,其等值电路如图12-2所示。
其中Xσ为定子和转子漏抗,R为转子电阻,Xm为励磁电抗,s为转差率。
电动机从电网中吸收的无功功率为:
(12-1)
图12-2第12章结构图
其中Qm为励磁无功功率损耗,与电压的平方成正比。
Qσ为漏抗Xσ上的无功功率损耗,当负载功率不变时,随电压的降低Qσ要增大。
综合这两部分无功功率的变化特点,可得图12-3所示曲线,其中β为电动机实际负荷与额定负荷之比,称为电动机的受载系数。
图12-3第12章结构图
由图12-3可见,在额定电压附近,电动机吸收的无功功率随电压的降低而明显下降,随电压的升高而明显升高;
当电压明显低于额定值时,电动机吸收的无功功率随电压的下降反而具有上升的趋势。
另外,无功功率的电压特性和电动机的受载系数β有很大关系,β高时,漏抗中的无功功率损耗Qσ在电动机总的无功功率中占的比例要高一些。
2变压器的无功损耗
变压器中的无功功率损耗包括励磁损耗ΔQ0与绕组漏抗损耗ΔQT,由等值电路图12-4,可得
图12-4第12章结构图
Mvar(12-2)
Mvar(12-3)
其中SN为变压器的额定容量;
S为变压器负载量;
I0%为变压器的空载电流;
Vs%为变压器的短路电压百分比。
可见,励磁功率大致与电压平方成正比;
当通过变压器的视在功率不变时,漏抗中损耗的无功功率与电压平方成反比。
因此变压器的无功损耗电压特性也与异步电动机的相似。
变压器的无功功率损耗在系统的无功需求中占有相当的比重。
对于单个变压器,满载时的无功功率损耗占无功负荷的11%~12%。
如果从电源到用户需要经过好几级变压,则变压器中无功功率损耗的数值相当可观,总和占无功负荷的50%~75%。
以5级变压网络(10/220,220/110,110/35,35/10,10/0.4kV)为例,统计结果如表12-1所示。
表12-15级变压网络的变压器损耗
所有变压器满载/%
所有变压器半载/%
励磁损耗
7
绕组漏抗损耗
50
12.5
总损耗
57
19.5
损耗/负荷
39.0
3输电线路的无功损耗
输电线路用II形等值电路表示如图12-5。
图12-5第12章结构图
线路串联电抗中的无功功率损耗ΔQL与所通过电流的平方成正比,即
(12-4)
线路电容的充电功率ΔQB与电压平方成正比,当作无功损耗时应取负号。
(12-5)
线路的无功总损耗为
(12-6)
35kV及以下的架空线路的充电功率甚小,一般说,这种线路都是消耗无功功率的。
110kV及以上的架空线路当传输功率较大时,电抗中消耗的无功功率将大于电纳中产生的无功功率,线路成为无功负载。
110kV及以上的架空线路当传输功率较小时,电纳中产生的无功功率,除了抵偿电抗中的损耗以外,还有多余,此时线路就为无功电源。
此外,为吸收超高压输电线路充电功率而装设的并联电抗器也属于系统的无功负荷。
二无功功率电源
电力系统中的无功电源向系统发出感性无功功率。
无功电源主要有以下三类:
a发电机;
b无功补偿电源,包括同步调相机、静电电容器、静止无功补偿器和静止无功发生器;
c110kV及以上电压线路的充电功率。
1发电机
发电机既是唯一的有功功率电源,又是最基本的无功功率电源。
通过调节发电机的励磁电流,改变发电机发出的无功功率。
增加励磁电流(电压),则可以增大无功输出;
减小励磁电流(电压),则可减小无功输出。
发电机在额定运行状态下可发出最大的无功功率为:
(12-7)
式中,SGN、PGN、φN分别为发电机的额定视在功率、额定有功功率和额定功率因数角。
发电机在非额定功率因数下运行时可能发出的有功、无功和视在功率需要运用发电机的运行极限图进行分析。
假定隐极发电机联接在恒压母线上,母线电压为VN。
发电机的等值电路和相量图示于图12-6。
图12-6发电机的等值电路和相量图
图12-6中C点为额定运行点。
电压降相量AC的长度代表XdIN,正比于定子额定全电流,也可以说,正比于发电机的额定视在功率SGN,它在纵轴上的投影AD代表PGN,在横轴上的投影AB代表QGN。
相量OC的长度代表空载电势
,它正比于发电机的额定励磁电流。
当改变功率因数时,发电机发出的有功功率P和无功功率Q要受定子电流额定值(额定视在功率)、转子电流额定值(空载电势)、原动机出力(额定有功功率)的限制。
在图12-6中,以A为圆心,以AC为半径的圆弧表示额定视在功率的限制;
以O为圆心,以OC为半径的圆弧表示额定转子电流的限制;
而水平线DC表示原动机出力的限制。
这些限制条件在图中用粗线画出,这就是发电机的运行极限图。
从图12-6中可以看到,发电机只有在额定电压、电流和功率因数(即运行点C)下运行时视在功率才能达到额定值,使其容量得到最充分的利用。
发电机降低功率因数运行时,其无功功率输出将受转子电流的限制。
当系统无功电源不足,而有功备用容量较充裕时,可利用靠近负荷中心的发电机降低功率因数,使之在低功率因数下运行,从而多发出无功功率以提高电力网的电压水平,但发电机的运行点不能跃出P-Q极限曲线的范围。
2无功补偿装置
a同步调相机
同步调相机实质上相当于专用的空载运行的大容量同步电动机。
同步调相机有三种运行状态如图12-7所示,分别为:
(1)正常:
与系统间无无功功率的交换;
(2)过励磁:
向系统供给感性无功功率,起无功电源的作用,提高系统电压,所能提供的最大无功功率取决于它的额定容量;
(3)欠励磁:
从系统吸取感性无功功率,起无功负荷的作用,降低系统电压,由于实际运行的需要和对稳定性的要求,欠励磁最大容量只有过励磁容量的50%~65%。
图12-7同步调相机的三种工作状态
装有自动励磁调节装置的同步调相机,能根据装设地点电压的数值平滑地改变输出(或吸收)的无功功率,进行电压调节。
特别是有强行励磁装置时,在系统故障情况下,还能调整系统的电压,有利于提高系统的稳定性。
但是同步调相机是旋转机械,运行维护比较复杂。
它的有功功率损耗较大,在满负荷时约为其额定容量的1.5~3%,容量越小,百分比越大。
小容量的调相机每kVA容量的投资费用也较大。
故同步调相机宜于大容量集中使用。
此外,同步调相机的响应速度较慢,难以适应动态无功控制的要求。
20世纪70年代以来以逐渐被静止无功补偿装置所取代。
b静电电容器
静电电容器是电力系统中的一种重要的无功功率电源,广泛地应用于改善负荷的功率因数。
额定电压VN=3.15~10.5kV的静电电容器均为单相式的,单台容量可达40kvar;
额定电压VN小于525V的多为三相式,单台容量可达25~30kvar。
由于单台容量有限制,静电电容器一般按三角形和星形接法连接在变电所母线上。
用于35kV电力网时,除了并联以外还要多个串联。
大容量并联电容装置一般还分为数组,各设有开关,操作开关就可分级调节输出的无功功率。
静电电容器只能向系统供给感性的无功功率,所供给的无功功率Qc值与所在节点的电压V的平方成正比,即
Qc=V2/Xc(12-8)
其中Xc为静电电容器的容抗。
在电力系统常用的无功补偿设备中,静电电容器的单位容量费用最低,有功功率损耗最小(约为额定容量的0.3%~0.5%),运行维护最简单。
它可分散安装在用户处或靠近负荷中心的地点,实现无功功率的就地补偿,获得最好的技术经济效果。
此外,改变容量方便,还可根据需要分散拆迁到其它地点。
但是,当节点电压下降时,它所供给系统的无功功率将减小。
因此,当系统发生故障或由于其他原因电压下降时,电容器无功输出的减小将导致电压继续下降,即电容器的无功功率调节性能比较差。
c静止无功补偿器
静止无功补偿器(SVC,StaticVarCompensator)属于灵活交流输电系统的一员,它由静电电容器和电抗器并联组成。
电容器可发出无功功率,电抗器可吸收无功功率,两者结合起来,再配以适当的调节装置,就既可以发出无功功率,也可以吸收无功功率,从而能够平滑地改变输出或吸收的无功功率。
各类静止无功补偿器在正常工作范围内的无功功率电压静特性如下。
图12-8静止无功补偿器在正常工作范围内的无功-电压特性
因此近似计算中可以把静止补偿器当作恒电压的无功功率电源。
电压变化时,静止补偿器能够快速、平滑地调节无功功率,以满足动态无功补偿的需要。
与同步调相机相比较,运行维护简单,功率损耗较小,能作到分相补偿以适应不平衡的负荷变化,对于冲击负荷也有较强的适应性。
d静止无功发生器
20世纪80年代以来出现了一种更为先进的静止型无功补偿装置,这就是静止无功发生器(StaticVarGenerator,SVG),也被称为静止同步补偿器(STATCOM)或静止调相机(STATCON)。
它的主体部分是一个电压源型逆变器。
与静止补偿器相比,静止无功发生器的优点是,响应速度更快,运行范围更宽,谐波电流含量更少,尤其重要的是,电压较低时仍可向系统注入较大的无功电流,它的储能元件(如电容器)的容量远比它所提供的无功容量要小。
3高压输电线路的充电功率
实际上,超高压输电网的线路分布电容产生大量的无功功率,从系统安全运行考虑,需要装设并联电抗器予以吸收。
三无功功率平衡
无功功率平衡,指电力系统内所有无功电源可能发出的无功功率应该大于或至少等于负荷无功功率与变压器、电力线路消耗的无功功率之和。
它是在一定节点电压下的平衡。
无功功率电源不足将导致节点电压下降。
因此,为了保证运行可靠性和适应无功负荷的增长,系统还必须配置一定的无功备用容量,一般取最大无功负荷的7%~8%。
令电源可供应的无功功率之和为QGC,无功负荷之和为QLD,QL为网络无功功率损耗之和,Qres为无功功率备用,我们得到系统中无功功率平衡方程式为:
QGC-QLD-QL=Qres(12-9)
Qres>
0表示系统中无功功率可以平衡且有适量的备用;
如Qres<
0表示系统中无功功率不足,应考虑加设无功补偿装置。
系统无功电源的总出力QGC包括发电机的无功功率QGΣ和各种无功补偿设备的无功功率QCΣ,即
QGC=QGΣ+QCΣ(12-10)
一般要求发电机接近于额定功率因数运行,故可按额定功率因数计算它所发出的无功功率。
此时如果系统的无功功率能够平衡,则发电机就保持有一定的无功备用,这是因为发电机的有功功率是留有备用的。
调相机和静电电容器等无功补偿装置按额定容量来计算其无功功率。
总无功负荷QLD按负荷的有功功率和功率因数计算。
为了减少输送无功功率引起的网损,我国有关技术导则规定,以35kV及以上电压等级直接供电的工业负荷,功率因数要达到0.90以上,对其它负荷,功率因数不低于0.85。
网络的总无功功率损耗QL包括变压器的无功损耗QLTΣ、线路电抗的无功损耗∆QLΣ和线路电纳的无功功率∆QBΣ(一般只计算110kV及以上电压线路的充电功率),即
QL=QLTΣ+∆QLΣ+∆QBΣ(12-11)
注意:
在进行无功功率平衡计算和对无功功率的传输进行规划时,从改善电压质量和降低网络功率损耗考虑,应该尽量避免通过电网元件大量地传送无功功率。
因此,仅从全系统的角度进行无功功率平衡是不够的,更重要的是还应该分地区分电压级地进行无功功率平衡,也就是要就地补偿。
四系统无功功率-电压特性
在电力系统运行中,电源的无功出力在任何时刻都同负荷的无功功率和网络的无功损耗之和相等。
即
QGC=QLD+QL(12-12)
那么上述的无功功率平衡是在什么样的电压水平下实现的呢?
下面以一简单的网络为例来说明。
隐极发电机经过一段线路向负荷供电,略去各元件电阻,用X表示发电机电抗与线路电抗之和,等值电路如图12-9所示。
假定发电机和负荷的有功功率为定值。
根据相量图可以确定发电机送到负荷节点的功率为
图12-9简单电力系统及相量图
(12-13)
当P为一定值时,得
(12-14)
当电势E为一定值时,Q和V的关系如图12-10所示,为一条向下开口的抛物线,在额定值附近,随着电压的升高,输出的无功功率减小。
图12-10发电机无功功率-电压特性
把电源向系统提供的无功功率与电压的关系和综合负荷的无功功率与电压的关系画在同一个坐标中,得到系统的无功-电压特性如图12-11。
对于负荷来说,由于主要成分是异步电动机,前面已经学习过,异步电动机无功-电压特性正是图12-11中曲线2。
其中曲线1表示电源的无功-电压特性,曲线2表示综合负荷的无功-电压特性。
两条曲线的交点a确定了负荷节点的电压值Va,或者说,系统在电压Va下达到了无功功率的平衡。
图12-11系统无功功率-电压特性
当负荷增加时,其无功电压特性如曲线2'
所示。
如果系统的无功电源没有相应增加,电源的无功特性仍然是曲线1。
这时曲线1和曲线2'
的交点a'
代表了新的无功平衡点,此时负荷点的电压为Va'
,可见,负荷增加后,系统的无功电源已不能满足在电压Va下的无功功率的需要,因此只有降低电压运行,以取得在较低电压下的无功功率平衡。
如果发电机具有充足的无功备用,通过调节使发电机的无功特性曲线上移到曲线1'
的位置,从而使曲线1'
和曲线2'
的交点c所确定的负荷节点电压达到或接近原来的数值Va。
可见,系统的无功电源比较充足,能满足较高的电压水平下的无功功率的需要,系统就有较高的运行电压水平;
反之,无功不足就反映为运行电压水平偏低。
12-2电压调整的基本概念
各种用电设备都是按额定电压来设计制造的。
这些设备在额定电压下运行将能取得最佳效果。
但是要严格保证所有用户在任何时刻都有额定电压是不可能的,考虑到大多数用电设备在稍许偏离额定值的电压下运行仍有良好的技术性能,合理地规定供电电压的允许偏移是完全必要的,要使网络各处的电压都达到规定的标准,必须采取各种调压措施。
一允许电压偏移
1电压偏移的影响
各种用电设备都是按照额定电压设计的,当它们在额定电压下运行时,处于最佳运行状态,即具有最佳的技术经济指标。
当运行电压偏离额定值较大时,技术经济指标就会恶化。
具体表现在:
照明负荷中的白炽灯,对电压反应灵敏。
当运行电压低于额定值的5%,光通量减少至82%;
当运行电压低于额定值的10%,光通量减少至70%,发光效率减少至80%;
当运行电压高于额定值的5%,使用寿命减少一半;
当运行电压高于额定值的10%,使用寿命减少2/3。
日光灯对电压变动的反应较不灵敏,但运行电压低于额定值时光通量也将减少,运行电压高于或低于额定值时寿命将缩短。
负荷中占有很大比重的异步电动机的电磁转矩与端电压的平方成正比。
当运行电压降低10%,转矩下降至81%。
若负荷阻力矩不变,电压降低将使电动机的转差增大,定子电流也随之增大,发热增加,效率下降,绕组温度增高,加速绝缘老化,影响电动机的使用寿命,且起动过程加长,由于温度过高,易于烧毁。
当端电压太低时,电动机可能由于转矩太小而失速甚至停转。
发电厂厂用电中由电动机驱动的辅机,其机械转矩与转速的高次方成正比,电压降低滑差增大,转速降低,输出功率迅速减少,将影响汽轮、锅炉的工作,严重情况下将造成安全问题。
变压器的运行电压偏低,若负载功率不变,会导致输出电流增加,使绕组过热。
电压偏高,励磁电流增大,铁芯损失增加,温升增高,严重情况下引起高次谐波共振。
电压偏移过大,除了影响用户的正常工作以外,对电力系统本身也有不利影响。
电压降低,会使网络中的功率损耗和能量损耗加大,由于局部地区无功不足,运行电压严重低下,一些变电所在负荷的微小扰动下会出现电压大幅度下滑,以至失压,即所谓电压崩溃。
而电压过高时,各种电气设备的绝缘可能受到损害,在超高网络中还将增加电晕损耗等。
因此,供电管理部门需规定变电所母线的允许电压偏移范围。
2允许电压偏移
在电力系统的正常运行中,随着用电负荷的变化和系统运行方式的改变,网络中的电压损耗也将发生变化。
要严格保证所有用户在任何时刻都有额定电压是不可能的,因此,系统运行中各节点出现电压偏移是不可避免的。
实际上,大多数用电设备在稍许偏离额定值的电压下运行,仍有良好的技术性能。
从技术上和经济上综合考虑,合理地规定供电电压的允许偏移是完全必要的。
目前,我国规定的在正常运行情况下供电电压的允许偏移如下:
35kV及以上供电电压正、负偏移的绝对值之和不超过额定电压的10%,如供电电压上下偏移同号时,按较大的偏移绝对值作为衡量依据;
10kV及以下三相供电电压允许偏移为额定电压的±
7%;
220V单相供电电压允许偏移为额定电压的+7%和-10%。
要使网络各处的电压都达到规定的标准,必须采取各种管理方法,以保证系统中各负荷点的电压在允许的偏移范围内。
二中枢点电压管理
1概念
中枢点:
电力系统中许多发电厂、变电所和大型用户节点,要全部监视、控制这些节点的电压是不可能的,也是不必要的。
通常在电力系统的大量节点中选择一些具有代表性的节点加以监视、控制,如果这些节点的电压满足要求,则该节点邻近的其他节点的电压基本上也满足要求,这些节点称为电压监视中枢点。
电压中枢点一般选择在
(1)区域性发电厂的高压母线;
(2)有大量地方性负荷的发电厂母线;
(3)区域变电所的二次母线。
那么中枢点母线电压和负荷点母线电压具有什么关系呢?
我们通过计算说明。
2计算方法
各个负荷点都允许电压有一定的偏移,计及由中枢点到负荷点的线路上的电压损耗,便可确定每个负荷点对中枢点电压的要求。
举例说明。
假定由中枢点i向负荷点j和k供电,两负荷点电压Vj和Vk的允许变化范围相同,都是0.95~1.05VN。
当线路参数一定时,线路上电压损耗ΔVij和ΔVik分别与j和k点的负荷有关,假定如图12-12。
图12-12中枢点系统及线路电压损耗
为了满足负荷节点j的调压要求,中枢点电压应该控制的变化范围为:
在0~8时内,Vi(j)=Vj+ΔVij=(0.95~1.05)+0.04=0.99~1.09
在8~24时内,Vi(j)=Vj+ΔVij=(0.95~1.05)+0.1=1.05~1.15
为了满足负荷节点k的调压要求,中枢点电压应该控制的变化范围为:
在0~16时内,Vi(k)=Vk+ΔVik=(0.95~1.05)+0.01=0.96~1.06
在16~24时内,Vi(k)=Vk+ΔVik=(0.95~1.05)+0.03=0.98~1.08
将上述要求在同一张图中表示如图12-13。
图中的阴影部分就是同时满足j和k两负荷点调压要求的中枢点电压的允许变化范围。
由图12-13可见,尽管j和k两负荷点的电压有10%的变化范围,但是由于两处负荷大小和变化规律不同,两段线路的电压损耗数值及变化规律亦不相同,为了同时满足两负荷点的电压质量要求,中枢点电压的允许变化范围就大大缩小了,最大时为7%,最小时仅有1%。
图12-13中枢点电压管理
实际的电力系统中,由同一中枢点母线供电的负荷很多,若中枢点到各负荷点线路上的电压损耗的数值和变化规律差别很大,完全可能出现在某些时间段内,中枢点的电压允许变动范围没有公共部分。
此时仅借控制中枢点电压已不足以控制所有负荷处电压,必须考虑在某些负荷点采取其它调压措施。
3调压方式
在进行电力系统规划设计时,由于各负荷对电压质量的要求不明确,所以难于具体确定各中枢点电压控制的范围。
为此规定了中枢点电压的三种调节方式如表12-2。
表12-2三种调压方式
方式
标幺值(VN)
解释
适用场所
高峰
低谷
逆调压
1.05
1
高峰负荷时提高中枢点母线电压,低谷负荷时降低中枢点母线电压
适用于由该中枢点供电的线路较长,负荷变化范围较大等场合
顺调压
>
1.025
<
1.075
高峰负荷时允许中枢点母线电压略低,低谷时允许中枢点母线电压略高
适用于用户对电压要求不高或线路较短、负荷变动不大的场合
恒调压
不变且略>
要求在任何负荷时中枢点电压基本保持不变且略大于VN
适用于线路长度、负荷变动情况介于上述两者间的情况
三电压调整的基本原理
以图12-14所示的简单电力系统为例,说明常用的各种调压措施所依据的基本原理。
发电机通过升压变压器、线路和降压变压器向用户供电。
要求调整负荷节点b的电压。
为了简单起见,略去线路的电容功率、变压器的励磁功率和网络的功率损耗。
变压器的参数已归算到高压侧。
b点的电压为:
图12-14简单电力系统
(12-15)
式中,k1和k2分别为升压和降压变压器的变比;
R和X分别为变压器和线路的总电阻和总电抗。
可见,为了调整用户端电压Vb,可以采取以下措施:
(1)调节励磁电流以改变发电机端电压VG;
(2)适当选择变压器的变比;
(3)改变线路的参数;
(4)改变无功功率的分布。
12-3电压调整的措施
一发电机调压
发电机不仅是有功电源,也是无功电源,所以可用调整发电机端电压的方式进行调压。
这是一种充分利用发电机设备,不需额外投资的调压手段。
现在同步发电机都装有自动励磁调节设备,可以自动调整发电机的机端电压、分配无功功率并提高电机同步运行的稳定性。
按规定,发电机运行在端电压偏离额定值不超过±
5%的范围内,能够以额定功率运行。
对于供电线路不长、线路上电压损耗不大的系统,通过改变发电机端电压就可以满足负荷点的电压质量要求,不必另外增加调压设备,是最经济合理的调压方式。
但是对于线路较长、供电范围较大、由多级变压的供电系统,从发电厂到最远处的负荷点之间,电压损耗的数值和变化幅度都比较
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