10KV及以下电源及供配电系统 补充资料.docx
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10KV及以下电源及供配电系统补充资料
第6章补充资料
电压偏差移对常用电气设备特性的影响
各类用电设备都是按照在额定电压下运行而设计和制造的。
这些设备在额定电压下运行时，具有最佳的技术性能和经济指标，当电压偏差额定值过大时，用电设备的性能将受影响而恶化。
端子电压偏差移对常用电气设备特性的影响
电力系统常见的用电设备是异步电动机、各种电热设备、照明电器以及日益增多的各种家用电器。
其中异步电动机的最大转矩（功率）与端电压的平方成正比，如果电压降低过多，电动机不仅可能停止转动，而且由于此时定子电流增大，将使绕组温度升高而过热，严重时将烧毁电动机；照明电器的发光效率、光通量和使用寿命均与电压有关，电压降低时，发光不足，影响人的视力和工作效率，电压偏高时，照明电器的寿命将缩短；电炉等电热设备的出力大致与电压的平方成正比，电压降低就会延长电炉的冶炼时间，从而降低生产率。
电压偏差额定值过大，除了影响用户的用电设备正常运行外，对电力系统本身运行也有不利影响。
例如电压降低，将加大网络中的功率损耗和电能损耗，甚至危及电力系统运行的稳定性，而电压过高，则可能损害各种电气设备的绝缘。
因此，电力系统正常运行时，应力求保持系统中各节点电压在额定值。
但由于系统中用电负荷的变化和系统运行方式的改变，网络中的电压损耗总要发生变化，要严格保证所有节点在任何时刻均为额定电压是不可能的，总会出现电压偏移，由于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，因此，从技术上和经济上综合考虑，合理地规定各类负荷的允许电压偏差是完全必要的。
双绕组变压器的电抗参数
1．电阻
变压器作短路试验时，将一侧绕组短接，在另一侧绕组上加以电压，使短路绕组的电流达到额定值。
由于此时外加电压较小，相应的铁损也小，可以认为短路损耗即等于变压器通过额定电流时一次、二次绕组电阻上的总损耗（称为铜损），即
，亦即
在电力系统计算中，常用变压器三相额定容量Sr和额定线电压Ur进行计算，可将上式改写，即变压器电阻RT（Ω）为
式中
—变压器三相总的短路损耗，kW；
Sr—变压器的额定容量，kVA；
Ur—变压器绕组的额定线电压，kV。
2.电抗
当变压器通过额定电流时，在电抗XT上产生的电压降的大小可以用额定电压的百分数表示，即
因此
变压器铭牌上给出的短路电压百分数Δuk％，是变压器通过额定电流时在阻抗上产生的电压降的百分数，即
所以ZT可由下式求得
XT可由下式求得
减小电压偏差措施
4）宜使三相负荷平衡，且使负荷矩相等。
L1相负荷矩
L2相负荷矩
L3相负荷矩
因负荷矩不相等，产生的电压偏差不相等。
当采用“U”形接线时可使负荷矩，如下图所示。
L1相负荷矩
L2相负荷矩
L3相负荷矩
5）抑制谐波。
接线方式
（1）双母线分段接线
（2）带旁路母线的单母线接线
当引出线断路器检修时，用旁路母线断路器代替引出线断路器，给用户继续供电。
旁路断路器一般只能代替一台出线断路器工作，旁路母线一般不能同时连接两条及两条以上回路，否则当其中任一回路故障时，会使旁路断路器跳闸。
断开多条回路。
（3）单母线分段带旁路
在正常运行时，系统以单母线分段方式运行，旁路母线不带电。
如果正常运行的某回路断路器需退出运行进行检修，闭合旁路断路器，使旁路母线带电，合上欲检修回路旁路隔离开关，则该线路断路器可退出运行，进行检修。
这种旁路母线可接至任一段母线，在容量较少的中小型发电厂和35～110kV变电所中获得广泛应用。
（4）一个半断路器接线
一个半断路器接线可归属于双母线类接线。
在两组母线之间，每三个断路器形成一串。
每串连接两条回路。
相当于每一个半断路器带一条回路，故称之为一个半断路器接线，也称为3／2接线。
在一个半接线的每串断路器中，位于中间的断路器称为联络断路器。
运行中两母线及全部断路器都投入工作，形成多重环状供电
（5）无母线接线
1）桥形接线
对于具有双电源进线、两台变压器终端式的总降压变电所，可采用桥式接线。
它实质接两个35kV～110kV线路─变压器组”的高压侧，其特点是有一条横联跨桥的“桥”。
根据跨接桥横连位置不同，分为内桥接线和外桥接线。
1.内桥形接线
（]）优点：
高压断路器数量少，四个回路只需三台断路器。
（2）缺点：
1）变压器的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，影响一回线路的暂时停运，
2）桥连断路器检修时，两个回路需解列运行。
3）出线断路器检修时，线路需较长时期停运。
为避免此缺点，可加装正常断开运行的跨条，为了轮流停电检修任何一组隔离开关，在跨条上须加装两组隔离开关。
桥连断路器检修时，也可利用此跨条。
（3）适用范围；适用较小容量的发电厂、变电所，并且变压器不经常切换或线路较长，故障率较高情况。
2.外桥形接线
（1）优点：
同内桥形接线。
（2）缺点
1）线路的切除和投入较复杂，需动作两台断路器，并有一台变压器暂时停运。
2）桥连断路器检修时，两个回路需解列运行。
3）变压器侧断路器检修时，变压器需较长时期停运。
为避免此缺点，可加装正常断开运行的跨条。
桥连断路器检修时，也可利用此跨条。
（3）适用范围：
适用于较小容量的发电厂变电所，并且变压器的切换较频繁或线路较短，故障率较少的情况。
此外，线路有穿越功率时，也宜采用外桥形接线。
2）角形接线
当母线闭合成环，断路器数等于进出线回路数，即构成了角形接线，一般应将同名回路相互交替布置。
一般不超过六角形。
这种接线不利于扩建，适用于最终建设规模比较明确的110kV及以上的发电厂升压站或变电所中。
接线方式举例
无功功率的平衡
电力系统无功功率平衡的基本要求是：
无功电源发出的无功功率应与系统的无功负荷及网络中的无功损耗相平衡。
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，无功功率平衡的关系式如下
式中QGC—系统无功电源的总出力，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；
QLD—总无功负荷，可按负荷的有功功率和功率因数计算；
ΔQΣ—网络的总无功损耗，包括变压器无功损耗ΔQTΣ、线路电抗的无功损耗ΔQLΣ和线路电纳的无功功率ΔQBΣ；
QRES—系统无功功率备用容量。
如QRES>0表示系统中无功功率可以平衡，且有一定的备用容量，如QRES<0表示系统中无功功率不足，应考虑装设无功补偿装置，电力系绕在运行中应保持一定的无功功率备用，否则负荷增大时，电压质量就将无法保证，系统的无功功率备用容量一般应为最大无功功率负荷的7％～8％。
功率因数的基本概念
1.无功功率与功率因数
工厂供配电系统中的用电设备绝大多数都是根据电磁感应原理工作的。
一部分用于作功，将电能转换为机械能，称为有功功率；另—部分用来建立交变磁场，将电能转换为磁能，再由磁能转换为电能，这样反复交换的功率，称为无功功率。
这两种功率构成视在功率。
有功功率P、无功功率Q和视在功率S之间存在下述关系
或
cos
称为功率因数。
功率因数的大小与用户负荷性质有关。
当有功功率一定时，用户所需感性无功功率越大，其功率因数越小。
2．功率因数对供电系统的影响
当有功功率需要量保持恒定，无功功率需要量增大将引起：
（1）增加供电系统的设备容量和投资，在P为常数时，当用户所需Q愈大，S也愈大。
为满足用户用电需要，供电系统中的电气设备、变压器的容量，线路导线截面积愈大，因而增加供电系统的设备投资。
（2）增大线路和设备损耗，年运行费用将增加，在传送同样有功功率情况下，无功增大，总电流增加，使供电线路及设备的铜损大大地增加，直接影响工厂的经济效益。
（3）线路和变压器电压损失增大，使调压困难，电压损失为
通常，线路的电抗X比电阻R大2~4倍，变压器的电抗X为电阻只的5~10倍，所以无功功率的增大，必然使电网电压损失增加，供电电压质量下降。
无功功率对电力系统及工厂内部的供电系统都有不良影响。
电业部门和工厂都有降低无功功率需要量的要求。
无功功率的减少就相应地提高了功率因数cos
。
功率因数是工厂电气设备使用状况和利用程度的具有代表性的重要指标。
目前，我国已制定按功率因数调整电费的办法。
功率因数的高低是供电部门征收电费的重要指标。
当cos
大于标准功率因数时给予奖励，小于标准功率因数时则给予处罚，甚至当功率因数很低时，将停止供电。
3.常用的功率因数计算方法
（1）瞬时功率因数工厂的功率因数是随设备类型、负荷情况、电压高低而变化的，其瞬时值可由功率因数表直接读取，或者根据电流表、电压表和有功功率表在同一瞬间的读数，按下式计算求得
式中P—有功功率表读数，kW；
U—电压表读数，kV；
I一电流表读数，A。
瞬时功率因数用来观察工厂无功功率的变化规律，判断无功功率的需要量是否稳定，分析影响功率因数变化的各项因素，以便采取相应的补偿措施，并为以后进行同类设计提供参考依据。
（2）平均功率因数指某一规定时间内功率因数的平均值。
它实际是加权平均值，可根据下式决定
式中WP一规定时间内有功电度表的积累数，kW•h；
WQ—规定时间内无功电度表的积累数，kvar·h。
如果规定时间为一个月，用上式计算的功率因数为月平均功率因数。
月平均功率因数是电业部门调整收费标准的依据。
平均功率因数不能描述功率因数随时间变化的特性。
比如两个平均功率因数相同的工厂，其无功功率需要量的变化差别可能很大。
（3）自然功率因数指用电设备在没有安装人工补偿装置（移相电容器，调相机等）时的功率因数。
自然功率因数有瞬时值和平均值两种。
（4）总的功率因数设置人工补偿后的功率因数称为总功率因数。
同样它也分为瞬时值和平均值。
提高功率因数的方法
提高功率因数的途径主要在于如何减少电力系统中各个线路输送的无功功率，特别是减少用电设备运行中的无功功率，使电力系统输送一定的有功功率时降低其通过的无功功率。
提高功率因数的方法主要分为两大类：
1．提高自然功率因数不添置任何无功补偿设备，采取措施减少用电设备中无功功率的需要量，使功率因数提高。
它不需要增加投资，是提高功率因数的基本措施，电动机、变压器等感性负荷是吸收无功功率最多的用电没备，选用的容量愈大，吸收无功功率愈大。
如果这些设备经常处于空负荷或轻负荷运行，功率因数和设备效率都会降低，这是不经济的。
2．采取人工补偿安装移相电容器、调相机等设备，供给用电设备所需的无功功率，以提高总功率因数的方法称为功率因数的人工补偿。
目前，广泛采用加装移相电容器的人工补偿方式。
功率因数的人工补偿
送、配电线路及变压器，由于传输无功功率也将造成电能损耗和电压损失，设备使用效率也相应降低。
为此，除了设法提高用电设备的自然功率因数、减少无功功率消耗外，还应在用户处对无功功率进行人工补偿。
电容器就是一种常用的无功补偿装置。
在工厂变电所中，主要是用电容器并联补偿来提高功率因数。
从相量图可以看出，由于增装并联电容器，使功率因数角度发生了变化，也即总电流I的相位差发生了位移，所以该并联电容器又称移相电容器。
如果电容器容量选择得当，可把
减小到0，cos
提高到l。
这就是并联补偿的工作原理。
并联补偿的主要目的是提高功率因数cos
。
在电力系统中也常采用串联补偿。
其作用与并联补偿不同。
串联补偿，主要用于送电线路，将电容器与线路串联，可以改变线路参数，从而减小线路的电压损失，提高末端电压水平和线路输送能力，并减少电网功率损耗和电能损耗，但在工厂企业内部采用较少。
1.补偿容量的选择
用电容器改善功率因数,可以获得经济效益。
但是，电容性负荷过大，会引起电压升高，带来不良影响。
所以，在用电容器进行无功功率补偿时，应适当选择电容器的安装容量。
通常电容器的补偿容量可按下式确定：
式中QC—并联电齐器补偿容量，kvar；
tan
1—补偿前平均功率固数角的正切值；
tan
2—补偿后平均功率因数角的正切值；
Pav—一年中最大负荷月份的平均有功负荷功率，kW。
当计算电容量时，应考虑实际运行电压可能与额定电压不同，电容器能补偿的实际容量也不同于额定容量。
电容器技术数据中的额定容量指额定电压下的无功容量。
当电容器实际运行电压为U时，则电容器实际容量应按下式换算：
式中QC—实际运行电压U时的容量，kvar；
QCN—电容器的额定容量，kvar。
通常把
，称为补偿率。
在选择计算时，可直接查下表。
表每千瓦有功负荷所需无功补偿容量（补偿率）kvar
电容器的补偿方式
为了提高用户补偿装置的经济效益，减少无功功率的传送，应尽量就地补偿。
在供配电系统中，通常补偿方式有：
高压集中补偿、低压集中补偿和单独就地补偿三种，如下图所示。
图移相电容器在供电系统中的装设位置和补偿效果
1．高压集中补偿接变配电所6kV～10kV高压母线上，其电容器柜一般装设在单独的高压电容器室内。
电容器组的容量需按变配电所总的无功负荷来选择。
这种补偿方式的电容器组，初投资较少，运行维护方便，利用率较高，但只能补偿高压母线以前的无功功率。
它适用于大、中型工厂变配电所作为高压无功功率的补偿。
2．低压集中补偿接变电所低压母线上，其电容器柜装没在低压配电室内。
它能补偿低压母线以前的无功功率，可使变压器的无功功率得到补偿，从而有可能减少变压器容量，且运行维护也较方便，适用于中、小型工厂或车间变电所作为低压侧基本无功功率的补偿。
3.单独就地补偿将电容器直接安装在用电设备附近，与用电设备并联。
这种补偿的优点是补偿范围大，补偿效果好，可缩小配电线路截面积，减少有色金属消耗量。
其缺点是总投资大、电容器的利用率低。
它适用于负荷相当平稳且长时间使用的大容量用电设备，及某些容量虽小但数量多而分散的用电设备。
低压补偿举例
图控制器外部接线
1.灵敏度（c/k）
灵敏度是电容器组接通时的电流的阈值，当大于此值时按控制器设定功率因数接通电容器组，当小于此值时控制器不接通电容器组。
阈值的大小按电容器组额定电流的0.62倍考虑，三相电容器组的灵敏度计算如下：
式中Q－电容器组额定容量，kVar；
k－电流互感器变比。
控制器灵敏度（c/k）值由0.050到1.00进行设置。
2.专用接触器
根据<低电压并联电容器>（GB3983.1-89）关于过渡过程电流要求，涌流最大峰值应不大于稳态均方根电流的100倍。
为了防止并联电容器投切时的涌流，一般采用串联电抗器，电抗器的感抗为并联电容器容抗的百分之一左右。
。
实际设计中也可采用专用电容器接触器，如下图左所示，辅助触头先于主触头闭合，R限流电阻线串入回路中，最后主触头将辅助触头短接而切除R限流电阻线。
下图右所示的是某公司的四极接触器，所采用的R值为1Ω，工作与前述相同。
为了防止谐波放大，仍可采用串联电抗器。
若防止5次及以上谐波，串联电抗值可选用并联电容器容抗的百分之六；若防止3次及以上谐波，串联电抗值可选用并联电容器容抗的百分之十二。
图电容器接触器图四极接触器
放电器
4．2．7据调查，工程中采用的放电器接线有4种方式：
V形、星形、星形中性点接地和放电器与电容器直接并联。
目前在工程中用得最多的是前两种。
东北电力试验研究院对放电器接线方式进行了研究，星形电容器组，在同等条件下，断路器开断1s后电容器上的剩余电压值如表2所示。
放电器不同接线方式时的剩余电压表2
序号
接线方式
对地电压
极间电压
备注
Ua
Ub
Uc
Uao
Ubo
Uco
1
2014
2977
2728
559
404
155
2
2014
2977
2728
559
404
155
3
禁止使用
4
1116
2977
5857
3688
404
3284
注：
C代表电容器；TV代表放电器。
从表2可以看出，放电器采用序号1和序号2两种接线方式效果好，虽然从剩余电压数值来看都—样，但两种接线方式有实质性的差别：
当两种接线方式的放电器，二次线圈都接成开口三角形，序号1的开口三角电压，能准确反映三相电容器的不平衡情况；序号2的开口三角电压反映的是三相母线电压不平衡，不能用于电容器组的不平衡保护。
所以，当放电器配合继电保护用时，应采用序号1接线。
序号3接线在断路器分闸时将产生过电压，可能导致断路器重击穿，东北地区某变电所投产试验中已测出了这种过电压（在断路器无重击穿的情况下，对地过电压达2．4倍），其原因是L、C回路谐振所致。
因此，序号3接线禁止采用。
序号4接线放电效果差，当放电回路断线则将造成其中一相电容器不能放电，虽然这种接线可以少用一相设备亦不宜采用。
《交流无间隙金属氧化物避雷器（GB11032-2000）》关于并联电容器避雷器额定电压选择
抑制谐波的措施
名称
内容
评价
增加换流装置的脉动数（相数）
改造换流装置或利用相互间有一定移相角的换流变压器
①可有效地减小谐波量
②换流装置容量应相等
③使装置复杂化
加装交流滤波装置
在谐波源附近安装若干单调谐及高通滤波直路，以吸收谐波电流
①可有效地减小谐波量
②应同时考虑功率因数补偿和电压调整效应
③装置运行维护简单，但需专门设计
改变谐波源的配置或工作方式
具有谐波互补性的装置应集中，否则应适当分散或交错使用，适当限制谐波量大的工作方式
①可以减小谐披的影响
②对装置的配置和工作方式有一定的要求
加装串联电抗器
在用户进线处加串联电抗器，以增大和系统的电气距离，减小谐波的相互影响
①可减小和系统的谐波相互影响
②应同时考虑功率因数补偿和电压调整效应
③运行维护简单，但应专门设计
改善三相不平衡度
从电源电压、线路阻抗、负荷特性等找出三相不平衡原因，加以消除
①可以有效地减小3次谐波的产生
②有利于设备的正常用电，减小损耗
③有时需要用平衡装置
加装静止无功补偿装置（或称动态无功补偿装置）
采用装置其容性部分设计成滤波器
①可以有效地减小波动谐波源的谐波量
②有抑制电压波动、闪变、三相不对称和补偿功率因数的功能，具有综合的技术经济效益
③一次投资较大，需专门设汁
增加系统承受谐技能力
将谐波源由较大容量的供电点或由高一组电压的电网供电
①可以减小谐胶的影响
②在规划和设计阶段考虑
避免电力电容器组对谐波的放大
改变电容器组的串联电抗器，或将电容器组的某些支路改为滤波器，或限定电容器组的投入容量
①可以有效地减小电容器组对谐波的放大并保证电容器组安全运行
②需专门设计
提高设备或装置抗谐波干扰能力，改善谐波保护性能
改进设备或装置性能，对谐波敏感设备或装置采用灵敏的谐波保护装置
①适用于对谐波（特别是暂态过程中谐波）较敏感的设备或装置
②需专门研究
采用有源滤波器等新型抑制谐波的措施
研制和逐步推广应用
目前还只用于小容量谐波源的补偿，且造价较高
脉动数p等于一个工频周期中的导通次数，也等于同一时期的换相次数。
换流装置的特征谐波次数hc等于
（1-1）
k是是任意正整数。
特征谐波电流是换流装置的主要谐波电流，其值相对较大。
hc以外的谐波次数，是非特征谐波次数。
非特征谐波电流在理论上是零值，实际上也相对较小。
图1-1图1-2
最基本的多相换流装置是三相全波整流桥，脉动数p=6。
其原理接线示于图l-1。
图中L是平波电抗器，V是整流管。
以电角度为单位时，各管的导通间隔即为360°／6=60°。
按照式（1-1），其特征谐波次数为hc=5,7,11,13,17,19,┅。
图1-3
通过换流变压器绕组的接线，使两组相同容量6脉动整流桥交流侧电压的相角错开30°，即构成一套12脉动换流装置，这是因为12脉动换流装置的各整流管的导通间隔是360°/12=30°。
图1—2表示12脉动整流装置接线。
按照式（1—1），12脉动换流装置的特征谐波次数为hc=11,13,23,25,35,37,┅。
通过换流变压器绕组的接线使三组相同容量6脉动整流桥交流侧电压的相角依次错开20°，即构成一套18脉动换流装置；它的18个整流管的导通间隔是360°/18=20°。
为此目的，一般是采取对某些整流变压器的绕组各采用前移20°和后移20°的曲折绕组接线，。
图1—3表示其原理接线。
按照式（1-1），18脉动换流装置的特征谐波次数为hc=17,19,35,37,┅。
抑制快速变化谐波的措施
快速变化的谐波源（如电弧炉、电力机车、晶闸管供电的轧机、卷扬机等）除了产生谐波外，往往还引起供电电压的波动和闪变，有的（如电气化铁道的机车，处于熔化期的电弧炉等）还造成系统电压三相不平衡，严重地影响电能质量。
抑制快速变化谐波较全面的技术措施就是在谐波源处并联装设静补装置（又称动态无功补偿装置）。
静补装置的基本结构是由快速可变的电抗或电容元件组合而成（两者均变或其中一个元件可变）。
目前技术上较成熟，而且应用较多的四种基本型式。
自饱和电抗器晶闸管控制电抗器晶闸管控制高漏抗变压器晶闸管投切电容器
SRTCRTCTTSC
静补装置除了综合改善电能质量这一直接效果外，在电力系统中已成为控制无功、电压，提高输电稳定性，限制系统过电压，增加系统阻尼的重要技术措施。
静补的应用还可以给谐波源用户带来多方面的技术经济效益。
例如炼钢电弧炉采用静补装置后还可以提高功率因数，降低损耗，缩短熔炼时间，降低单位电耗，提高钢产量等等。
静补装置的一次性投资较大，在确定工程方案时应经过充分的技术经济论证。
交流滤波装置
交流滤波装置实质是兼补偿容性无功和滤去电网谐波两种功能的并联电容器装置。
装置中电容器可选用并联电容路和交流滤波电容器。
由于并联电容器的额定电压在制造设计时未充分考虑谐波电压的影响，所以，装置中宜采用交流滤波电容器。
交流滤波装置，一般根据需要由数组单通滤波器和一组高通滤波器组成。
高通滤波器的单相原理接线与单通滤波器的本质区别就是与串联电抗器L并联一个并联电阻RB，其它附属设备的配置方式及接线分类完全相同。
（1）首先应根据电网需要滤去的谐波次数，决定滤波器的次数。
一般情况下，每次谐波用一组滤波器，一般设置3，5，7，11次单通滤波器，及专门滤去13次（13次称为截止频率次数）及以上谐波的一组高通滤波器。
（2）当单独安装交流滤波装置时，其投切方式应由电网电压波动或负荷变化的规律决定采用手动投切方式或自动投切方式，由投切方式决定装置的分组原则与并联电容器装置的相同。
（3）每次（组）滤波器的容量，除应遵循并联电容器装置分组容量应遵循的原则外，尚应满足通过大量谐波电流的要求。
（4）滤波器的串联电抗器应尽量全调谐，如做不到，则不能欠调谐。
有源电力滤波器（APF）
无源滤波器缺点：
①有效材料消耗大、体积大；②滤波要求和无功补偿、调压要求有时难以协调；③滤波效果不够理想（特别是对非特征谐波有时还会放大）；④装置损耗较大；⑤在某些条件下和系统发生谐振，引发事故。
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