電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整問(wèn)題及其相關(guān)技術(shù)參數(shù)研究

張克甲

(吳忠供電局，寧夏 吳忠 751100)

0 引言

電壓的質(zhì)量對(duì)電網(wǎng)穩(wěn)定、電力設(shè)備安全運(yùn)行以及工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)具有重大影響。當(dāng)電壓過(guò)高時(shí)，對(duì)電網(wǎng)內(nèi)一次設(shè)備的絕緣以及設(shè)備的運(yùn)行壽命均會(huì)帶來(lái)影響，同時(shí)也會(huì)影響用戶設(shè)備的使用壽命，甚至使其燒毀。而當(dāng)電壓過(guò)低時(shí)則會(huì)對(duì)電網(wǎng)內(nèi)機(jī)械設(shè)備輸出功率帶來(lái)影響，會(huì)使機(jī)械設(shè)備輸出電流過(guò)大而造成設(shè)備燒損。電壓嚴(yán)重過(guò)低時(shí)甚至?xí)霈F(xiàn)電壓崩潰，從而導(dǎo)致系統(tǒng)失去同步而瓦解的災(zāi)難性事故，如1978年12月19日法國(guó)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(wǎng)的不斷發(fā)展，電壓已不僅僅是單純的供電質(zhì)量問(wèn)題，還關(guān)系到電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行，因此電壓?jiǎn)栴}對(duì)目前電網(wǎng)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(shè)備都是按額定電壓來(lái)設(shè)計(jì)制造的。這些設(shè)備在額定電壓下運(yùn)行將能取得最佳的效果。電壓過(guò)大地偏離額定值將對(duì)用戶產(chǎn)生不良的影響。

電力系統(tǒng)常見(jiàn)的用電設(shè)備是異步電動(dòng)機(jī)、各種電熱設(shè)備、照明燈以及近年來(lái)日漸增多的家用電器等。異步電動(dòng)機(jī)的電磁轉(zhuǎn)矩是與其端電壓的平方成正比的，當(dāng)電壓降低10%時(shí)，轉(zhuǎn)矩大約要降低19%。如果電動(dòng)機(jī)所拖動(dòng)的機(jī)械負(fù)載的阻力矩不變，電壓降低時(shí)，電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)差增大，定子電流也隨之增大，發(fā)熱增加，繞組溫度增高，加速絕緣老化，影響電動(dòng)機(jī)的使用壽命。當(dāng)端電壓太低時(shí)，電動(dòng)機(jī)可能由于轉(zhuǎn)矩太小而失速甚至停轉(zhuǎn)。電爐等電熱設(shè)備的出力大致與電壓的平方成正比，電壓降低就會(huì)延長(zhǎng)電爐的冶煉時(shí)間，降低生產(chǎn)率。電壓降低時(shí)，照明燈發(fā)光不足，影響人的視力和工作效率。電壓偏高時(shí)，照明設(shè)備的壽命將要縮短。

電壓偏移過(guò)大，除了影響用戶的正常工作以外，對(duì)電力系統(tǒng)本身也有不利影響。電壓降低，會(huì)使電力網(wǎng)絡(luò)中的功率損耗和能量損耗加大，電壓過(guò)低還可能危及電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性；而電壓過(guò)高時(shí)，各種電氣設(shè)備的絕緣可能受到損害，在超高壓網(wǎng)絡(luò)中還將增加電暈損耗等。

在電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行中，隨著用電負(fù)荷的變化和系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變，網(wǎng)絡(luò)中的電壓損耗也將發(fā)生變化。要嚴(yán)格保證所有用戶在任何時(shí)刻都有額定電壓是不可能的，因此，系統(tǒng)運(yùn)行中各節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)電壓偏移是不可避免的。實(shí)際上，大多數(shù)用電設(shè)備在稍許偏離額定值的電壓下運(yùn)行，仍有良好的技術(shù)性能。從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上綜合考慮，合理地規(guī)定供電電壓的允許偏移是完全必要的。目前，我國(guó)規(guī)定在正常運(yùn)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(fù)偏移的絕對(duì)值之和不超過(guò)額定電壓的10%，如供電電壓上下偏移同號(hào)時(shí)，按較大的偏移絕對(duì)值作為衡量依據(jù)；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(diào)壓

變壓器可以通過(guò)調(diào)節(jié)分接頭的位置，改變?cè)吅透边吚@組變比來(lái)調(diào)整無(wú)功流向，改變電壓，使之滿足電壓質(zhì)量的要求。變壓器分接頭調(diào)節(jié)可以分為有載調(diào)壓和無(wú)載調(diào)壓。無(wú)載調(diào)壓變壓器改變分接頭時(shí)需要停電，因此必須事前選好一個(gè)合適的分接頭，兼顧運(yùn)行中出現(xiàn)的最大負(fù)荷及最小負(fù)荷，使電壓偏差不超出允許范圍。這種分接頭調(diào)節(jié)范圍有限且不適合頻繁操作，往往只做季節(jié)性調(diào)整。有載調(diào)壓變壓器又稱帶負(fù)荷調(diào)壓變壓器，它的調(diào)壓范圍大一些，且可以在運(yùn)行過(guò)程中根據(jù)電壓越限情況在線動(dòng)態(tài)調(diào)整，容易滿足電力用戶對(duì)電壓偏差的要求，因此在電力系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

在電力系統(tǒng)中，電網(wǎng)電壓的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)靠發(fā)電機(jī)、調(diào)相機(jī)及補(bǔ)償電容器等。其中補(bǔ)償電容器是調(diào)度運(yùn)行最歡迎的。

根據(jù)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，電網(wǎng)變壓器有載調(diào)壓（電壓101-765kV，電流300-3000A者)每年平均調(diào)節(jié)次數(shù)為5000次，即每天13.7次。根據(jù)有關(guān)設(shè)備廠家資料配網(wǎng)10kV變壓器的有載調(diào)節(jié)次數(shù)為：1）有載調(diào)壓接點(diǎn)壽命為20萬(wàn)次；2）分接開(kāi)關(guān)操作1萬(wàn)次要做檢查，5萬(wàn)次要處理；3）觸頭磨損4%應(yīng)換新的。

為了滿足上述要求，需要對(duì)變電站電壓無(wú)功調(diào)整進(jìn)行優(yōu)化，在滿足電壓質(zhì)量和合格率的前提下，盡量減少變壓器分接頭的調(diào)整和補(bǔ)償電容器的投切，以保證設(shè)備安全，延長(zhǎng)設(shè)備使用壽命。

3 利用無(wú)功功率補(bǔ)償調(diào)壓

無(wú)功功率的產(chǎn)生基本上不消耗能源，但是無(wú)功功率沿電力網(wǎng)傳送卻要引起有功功率損耗和電壓損耗。合理的配置無(wú)功功率補(bǔ)償容量，以改變電力網(wǎng)的無(wú)功潮流分布，可以減少網(wǎng)絡(luò)中的有功功率損耗和電壓損耗，從而改善用戶處的電壓質(zhì)量。本文將討論如何按調(diào)壓要求來(lái)選擇無(wú)功功率補(bǔ)償容量的問(wèn)題。

圖1 簡(jiǎn)單電力網(wǎng)的無(wú)功功率補(bǔ)償

圖1所示為一簡(jiǎn)單電力網(wǎng)，供電點(diǎn)電壓V1和負(fù)荷功率P+jQ決定，線路電容和變壓器的勵(lì)磁功率略去不計(jì)。在未加補(bǔ)償裝置前若不計(jì)電壓降落的橫向分量，便有：

式中：V′為歸算到高壓側(cè)的變電站低壓母線電壓。

在變電所低壓側(cè)設(shè)置容量為Qc的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備后，網(wǎng)絡(luò)傳送到負(fù)荷點(diǎn)的無(wú)功功率將變?yōu)镼-Qc，這時(shí)變電所低壓母線的歸算電壓也相應(yīng)變?yōu)閂′，故有：

4 補(bǔ)償電容對(duì)功率因數(shù)的影響

通過(guò)投切低壓補(bǔ)償電容器，不僅可以調(diào)整變電所母線的電壓，更可以提高功率因數(shù)合格率，減少線路損耗。它主要是在確定用戶端補(bǔ)償和配電線路補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，解決無(wú)功的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償，滿足無(wú)功負(fù)荷增長(zhǎng)的需要。

4.1 提高功率因數(shù)

如果本變電所最大負(fù)荷月的平均有功功率為PPj，投入補(bǔ)償容量Qc，設(shè)補(bǔ)償前的功率因數(shù)為 cosφ1，補(bǔ)償后的功率因數(shù)為 cosφ2，則有以下關(guān)系：

其中：cosφ1應(yīng)采用最大負(fù)荷日平均功率因數(shù)，cosφ2確定必須適當(dāng)。

通常，將功率因數(shù)從 0.9提高到 1.0，與將功率因數(shù)從 0.72提高到0.9所需要的補(bǔ)償容量相當(dāng)。因此，在高功率因數(shù)下進(jìn)行補(bǔ)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(shù)情況下，曲線上升率變小，相比之下，此時(shí)提高功率因數(shù)所需的補(bǔ)償容量將要相應(yīng)增加。

4.2 降低網(wǎng)損

線損是電網(wǎng)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的一項(xiàng)重要指標(biāo)，降低網(wǎng)損是無(wú)功補(bǔ)償?shù)闹饕繕?biāo)之一。設(shè)補(bǔ)償前后線路電流分別為I1，I2，相應(yīng)補(bǔ)償容量：

此種情況下，應(yīng)適當(dāng)考慮電容器的有功損耗：ΔPs=UI cosφ=Qstgδ，其中δ為電容器的介質(zhì)損失角，一般取tgδ＝0.003。

5 補(bǔ)償電容器分組和投切時(shí)存在問(wèn)題分析

由于以往對(duì)無(wú)功補(bǔ)償電容器投切優(yōu)化問(wèn)題不夠重視，很多無(wú)人值守變電站無(wú)功補(bǔ)償電容器的投入與退出是定時(shí)倒換的，一般是分為低谷和高峰兩個(gè)階段。一種常用的方法是先繪制無(wú)功負(fù)荷圖，確定無(wú)功補(bǔ)償容量，然后把輕負(fù)荷下的補(bǔ)償容量固定下來(lái)，其余的補(bǔ)償容量作為按負(fù)荷變化的調(diào)整容量，根據(jù)無(wú)功負(fù)荷階梯圖按時(shí)間順序投切。

我國(guó)制定的《力率調(diào)整電費(fèi)辦法》中規(guī)定，計(jì)算用戶的功率因數(shù)采用加數(shù)平均值，以用戶在一個(gè)月內(nèi)所消耗的有功電量W和無(wú)功電量Q進(jìn)行計(jì)算，因此無(wú)功負(fù)荷圖可以采用無(wú)功電能表，按各個(gè)小時(shí)的讀數(shù)進(jìn)行繪制。

6 結(jié)束語(yǔ)

總之，充分利用各種調(diào)壓手段和無(wú)功電源的補(bǔ)償作用，實(shí)現(xiàn)電壓無(wú)功的綜合控制對(duì)于提高電壓合格率和降低網(wǎng)損具有重要的意義。

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