試論電力系統(tǒng)的電壓調(diào)整工學(xué)論文
摘要：電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，電壓過高或過低都會對電網(wǎng)和用戶造成嚴(yán)重的危害。隨著社會的發(fā)展，用戶對電能質(zhì)量的要求越來越高。從電壓調(diào)整的必要性、電壓調(diào)整的措施、不同時段電壓調(diào)整的方法幾個方面進(jìn)行論述，以便更好地服務(wù)社會發(fā)展。
關(guān)鍵詞：電壓調(diào)整；電力系統(tǒng)；電能質(zhì)量
一、電力系統(tǒng)電壓調(diào)整的必要性
電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，電壓不合格會對電網(wǎng)造成嚴(yán)重的危害。電壓偏移過大，會影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的質(zhì)量和產(chǎn)量，損壞電力設(shè)備，甚至引起系統(tǒng)性“電壓崩潰”，造成大面積停電。
1.電網(wǎng)電壓偏低
�。�1）電網(wǎng)電壓偏低的原因。由于早期設(shè)計的供電網(wǎng)絡(luò)或配電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不合理，特別是一些線路送電距離長，供電半徑大，導(dǎo)線截面小，使線路電壓損失較大。電網(wǎng)無功功率電源不足或無功補(bǔ)償設(shè)備管理不善、長期失修、經(jīng)常停用等，使無功平衡破壞，這是電網(wǎng)電壓水平普遍降低的根本原因。變電所變壓器分接頭位置放置不合理，電網(wǎng)接線不合理，負(fù)荷過重，負(fù)荷功率因數(shù)低，電力設(shè)備檢修及線路故障等，都可使電網(wǎng)電壓下降。[1]
（2）電網(wǎng)電壓偏低的危害。對發(fā)電機(jī)的危害：發(fā)電機(jī)定子電流隨其功率角的增大而增大。假設(shè)發(fā)電機(jī)在正常電壓時定子電流為額定值，若系統(tǒng)電壓降低，發(fā)電機(jī)仍要保持其出力，功率角就要增大，必然引起定子電流增大超過額定值。所以這種情況下，必須減少發(fā)電機(jī)的出力。對異步電動機(jī)的危害：在電力系統(tǒng)的負(fù)荷中，異步電動機(jī)占很大的比例，如果電壓降低，異步電動機(jī)的轉(zhuǎn)差率將增大，從而電動機(jī)定子繞組中電流將隨之增大，導(dǎo)致電動機(jī)溫升增加，效率降低，壽命縮短。對照明負(fù)荷的危害：電網(wǎng)電壓下降，引起電燈功率下降，照明亮度降低。有關(guān)數(shù)據(jù)顯示，電壓降低10%，白熾燈的亮度降低35%；水銀燈亮度減少20%；日光燈亮度降低10%，而且壽命縮短。如果電壓降低20%，日光燈將不能啟動。對冶金等行業(yè)的危害：電路的有功功率與電壓平方成正比，電路將因?yàn)殡妷哼^低而影響冶煉時間，可能導(dǎo)致產(chǎn)品不合格，甚至報廢。電網(wǎng)電壓偏低還可能造成電網(wǎng)振蕩、系統(tǒng)解列、大面積停電，導(dǎo)致斷水、斷氣、電訊中斷，嚴(yán)重影響人民生活和社會安全。
2.電網(wǎng)電壓偏高
（1）電網(wǎng)電壓偏高的原因。隨著現(xiàn)代化電網(wǎng)的發(fā)展，大容量機(jī)組直接接入超高壓電網(wǎng)，以及500kV超高壓線路的投入運(yùn)行，其線路充電功率較大，每百公里充電功率（電容性無功功率）約10萬Kvar，使220kV～500kV超高壓電網(wǎng)內(nèi)無功過剩，使主網(wǎng)電壓過高。
（2）電網(wǎng)電壓偏高的危害。加速電氣設(shè)備絕緣老化，降低電氣設(shè)備的使用壽命。電壓過高會造成變壓器、電動機(jī)等鐵芯飽和，鐵損增大，溫度上升，壽命降低；普通燈泡電壓高出額定值10%壽命會減少到電壓額定值時壽命的30%；電子設(shè)備各種電子陰極電壓每增加5%，陰極壽命減少一半。電網(wǎng)電壓偏高還會影響產(chǎn)品質(zhì)量，使生產(chǎn)出來的產(chǎn)品不合格，造成經(jīng)濟(jì)損失；使變壓器等電氣設(shè)備空載損耗增大，增加線損。
電壓的偏移過大不但會影響工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)，而且電壓的波動也可能造成其它不良影響，例如由于電壓波動引起的燈光閃爍會導(dǎo)致人的疲勞。
二、電壓調(diào)整的方式與措施
引起電壓變動的原因有以下幾方面：由于生產(chǎn)、生活、氣象變化造成的；個別設(shè)備因故障而退出運(yùn)行造成網(wǎng)絡(luò)阻抗變化；系統(tǒng)接線方式改變引起的功率分布和網(wǎng)絡(luò)阻抗變化。以上各種原因占電網(wǎng)電壓變動總原因的20%～30%。
1.電壓調(diào)整的方式
�。�1）逆調(diào)壓方式。考慮到電網(wǎng)負(fù)荷高峰時供電線路上電壓的損耗將增大，應(yīng)將中樞點(diǎn)電壓增大來彌補(bǔ)甚至抵消電壓損耗的增大部分；電網(wǎng)低谷負(fù)荷時相應(yīng)的線路上電壓損耗小，將中樞點(diǎn)電壓降低來補(bǔ)償電壓損耗減少的部分。供電線路較長、負(fù)荷變動較大的中樞點(diǎn)宜采用這種調(diào)壓方式。采用逆調(diào)壓時，高峰負(fù)荷時可將中樞點(diǎn)電壓升高到比額定值高5%，低谷負(fù)荷時將其降為額定值。
（2）順調(diào)壓方式。所謂順調(diào)壓方式，就是高峰負(fù)荷時允許中樞點(diǎn)電壓略低，低谷負(fù)荷時允許中樞點(diǎn)電壓略高。與逆調(diào)壓相對，對供電線路不長、負(fù)荷變動不大的中樞點(diǎn)可以采用順調(diào)壓方式。一般情況，順調(diào)壓時，高峰負(fù)荷時中樞點(diǎn)電壓最低可允許比額定電壓值高2.5%，負(fù)荷低谷時電壓最高可允許比額定電壓值高7.5%。
（3）常調(diào)壓方式。介于逆調(diào)壓與順調(diào)壓兩種情況之間的中樞點(diǎn)，可采取常調(diào)壓方式，即在任何負(fù)荷下都保持中樞點(diǎn)電壓為一基本不變的數(shù)值，例如102%～105%額定電壓。
2.電壓調(diào)整的措施
�。�1）通過改變發(fā)電機(jī)端電壓調(diào)壓。在各種調(diào)壓措施中，最直接最經(jīng)濟(jì)的手段是利用發(fā)電機(jī)調(diào)壓，因?yàn)檫@是一種不需要額外投資的調(diào)壓手段，所以應(yīng)當(dāng)優(yōu)先考慮采用。發(fā)電機(jī)調(diào)整端電壓是通過調(diào)節(jié)勵磁從而改變無功功率出力來實(shí)現(xiàn)的，現(xiàn)代的同步發(fā)電機(jī)可在額定電壓的95%～105%范圍內(nèi)保持以額定功率運(yùn)行，也就是發(fā)電機(jī)保持同樣出力的情況下，可以在10%范圍內(nèi)調(diào)節(jié)電壓。在發(fā)電機(jī)不經(jīng)變壓器升壓就向用戶供電的簡單系統(tǒng)中，如果線路不是很長、線路上電壓損耗不是很大的情況下，一般只通過改變發(fā)電機(jī)勵磁，改變其母線電壓就可以將電壓調(diào)整到合格的范圍。但是在發(fā)電機(jī)經(jīng)過多級變壓器變換電壓向遠(yuǎn)方供電的情況下，末端電壓隨著負(fù)荷的.改變可能產(chǎn)生20%的電壓變化，單依靠發(fā)電機(jī)調(diào)壓顯然不能保證這部分用戶的電能質(zhì)量，可采用其他調(diào)壓方式共同調(diào)節(jié)。
（2）通過調(diào)整變壓器變比調(diào)整電壓。雙繞組變壓器的高壓繞組和三繞組變壓器的高中壓繞組一般都有若干個分接頭可供選擇，通過選擇不同的分接頭，使變壓器變壓比例發(fā)生變化，從而達(dá)到調(diào)壓目的。在無功充裕的系統(tǒng)中，運(yùn)用各種類型的有載變壓器調(diào)壓方便、有效，而且有些負(fù)荷不采用有載調(diào)壓變壓器幾乎就無法獲得負(fù)荷需要的電能質(zhì)量，中低壓配電網(wǎng)中因?yàn)檩旊娋�路電阻較大，通過無功功率調(diào)壓往往效果不夠好，經(jīng)常不得不采用具有分接頭的有載調(diào)壓變壓器。但是只有當(dāng)無功充足時，用改變變壓器變比調(diào)壓才會有效，當(dāng)系統(tǒng)無功不足時，必須先增設(shè)無功補(bǔ)償設(shè)備。若在無功不足時調(diào)節(jié)變壓器分接頭升壓，可能引起整個系統(tǒng)電壓的“崩潰”，因?yàn)楣?jié)點(diǎn)電壓平方與無功功率成正比，若該點(diǎn)電壓升上去了，則該點(diǎn)所需要的無功會更多，最終導(dǎo)致整個系統(tǒng)的電壓繼續(xù)下降，導(dǎo)致電壓“崩潰”。
�。�3）通過補(bǔ)償設(shè)備調(diào)壓。系統(tǒng)中無功功率不夠充分時，需要考慮運(yùn)用各種補(bǔ)償設(shè)備進(jìn)行調(diào)壓。這些補(bǔ)償設(shè)備可分為兩類，即串聯(lián)補(bǔ)償和并聯(lián)補(bǔ)償。所謂串聯(lián)補(bǔ)償就是指串聯(lián)電容器補(bǔ)償，但是作為調(diào)壓措施，串聯(lián)補(bǔ)償電容器由于設(shè)計、運(yùn)行等方面的原因，目前應(yīng)用比較少。并聯(lián)補(bǔ)償指并聯(lián)電容器、調(diào)相機(jī)和靜止補(bǔ)償器。并聯(lián)電容器的優(yōu)點(diǎn)：電容器可以根據(jù)需要連接成組，可以分組集中使用，又可以分散安裝，就地提供無功，從而減少線路功率損耗和電壓損耗；電容器還可以做到隨電壓波動分組投切，再加上電容器運(yùn)行損耗小，投資費(fèi)用低，因此，電容器仍是目前電網(wǎng)中應(yīng)用最普遍的無功補(bǔ)償設(shè)備。并聯(lián)電容器的缺點(diǎn)：電容器只能發(fā)出感性無功功率以提高節(jié)點(diǎn)電壓，不能吸收無功功率來降低節(jié)點(diǎn)電壓，因此，在低負(fù)荷時，應(yīng)當(dāng)切除節(jié)點(diǎn)上的部分乃至全部電容器。調(diào)相機(jī)的優(yōu)點(diǎn)：調(diào)相機(jī)的調(diào)壓方式是借改變其勵磁電流的大小來改變其供出或吸收的感性無功功率。在負(fù)荷較大時可以過勵磁運(yùn)行發(fā)出無功功率，在負(fù)荷較小時可以欠勵磁運(yùn)行吸收無功功率；可以通過調(diào)節(jié)調(diào)相機(jī)勵磁，平滑地改變其無功功率的大小和方向，因此可以平滑地調(diào)節(jié)電壓，既可以升壓也可以降壓；調(diào)相機(jī)還可以裝設(shè)自動勵磁調(diào)節(jié)裝置，在電力系統(tǒng)電壓變化時自動增減無功出力以維持系統(tǒng)電壓，這對于提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性是有益的。調(diào)相機(jī)缺點(diǎn)：調(diào)相機(jī)的有功功率損耗比較大，在滿負(fù)荷運(yùn)行的情況下，有功功率損耗可以占到其額定容量的1.5%～5%，而且調(diào)相機(jī)容量越小，有功損耗所占比重越大。此外，調(diào)相機(jī)是旋轉(zhuǎn)設(shè)備，運(yùn)行的維護(hù)量也比較大。靜止補(bǔ)償器，靜止補(bǔ)償器是一種可控的動態(tài)無功補(bǔ)償裝置，其特點(diǎn)是將可控的電抗器與電容器并聯(lián)使用，電容器發(fā)出無功，可控電抗器則可以吸收無功功率，根據(jù)無功負(fù)荷的變化情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，以保持母線電壓的穩(wěn)定。
�。�4）適當(dāng)增大導(dǎo)線半徑。部分老城網(wǎng)都因?yàn)閷?dǎo)線半徑小電阻大而導(dǎo)致電網(wǎng)電壓損耗太大。所以，加大導(dǎo)線半徑是城網(wǎng)改造的重要內(nèi)容。對于新架設(shè)線路的導(dǎo)線需要考慮一定的裕度，尤其對中低壓線路，因其承受能力小容易出現(xiàn)過負(fù)荷過大。
�。�5）組合調(diào)壓。顧名思義就是幾種調(diào)壓措施的組合。既然不同的調(diào)壓措施都各有優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)當(dāng)綜合采用各種調(diào)壓措施，取長補(bǔ)短，才能達(dá)到最好的調(diào)壓效果。
選擇調(diào)壓措施的幾個原則：首先采用發(fā)電機(jī)調(diào)壓。在無功充足的情況下，優(yōu)先采用改變變壓器分接頭調(diào)壓。在無功不足的情況下，需要采用補(bǔ)償設(shè)備。為合理選擇調(diào)壓措施，要進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。所選措施不但在技術(shù)上優(yōu)越，能夠滿足調(diào)壓的要求，而且要有最優(yōu)的經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。經(jīng)濟(jì)比較時，主要有三個經(jīng)濟(jì)指標(biāo)，即折舊維修費(fèi)、投資回收費(fèi)和電能損耗費(fèi)，對于每種參與比較的方案三項(xiàng)指標(biāo)之和最小的方案就是經(jīng)濟(jì)上的最優(yōu)方案。
三、不同時段電壓調(diào)整
1.電網(wǎng)平時的電壓調(diào)整
大多數(shù)時間電壓調(diào)整是有規(guī)律可循的。這種情況下，電壓的變化主要是由用戶負(fù)荷的變化或聯(lián)絡(luò)線上輸送功率的變化引起的，其變化趨勢一般是事先知道的，相對來說這種電壓變化是比較容易調(diào)整的。但是如果調(diào)整不當(dāng)，或者不及時（特別是在無功功率不足的電網(wǎng)中），就可能使本來沒有問題的地方出現(xiàn)問題。
需要提高電壓時，一般先將電壓最低地區(qū)的電廠及無功設(shè)備調(diào)大，其中尤其需要以從低到高的電壓順序投入電容器為原則，并由此順序從受端電網(wǎng)到主電網(wǎng)的方向逐步調(diào)整。需要降低電壓時，與提高時相反，首先降低主電網(wǎng)電廠及中樞點(diǎn)的電壓，然后再減少地區(qū)電廠的無功功率，若此時電壓仍偏高，則按從高壓到低壓等級的順序切除無功補(bǔ)償設(shè)備。
2.節(jié)假日時的電壓調(diào)整
節(jié)假日電網(wǎng)電壓的變化特點(diǎn)體現(xiàn)為整個電網(wǎng)的電壓普遍高，其中也可能有個別地區(qū)的電壓嚴(yán)重下降。電壓普遍升高的原因是全網(wǎng)的負(fù)荷普遍下降，個別地區(qū)電壓嚴(yán)重下降則可能是由于該地區(qū)發(fā)電廠發(fā)電機(jī)檢修或電網(wǎng)的聯(lián)絡(luò)線停電檢修引起的。調(diào)度人員必須事先做好有功功率和無功功率的分區(qū)平衡工作，在考慮無功平衡時，應(yīng)考慮無功電源和無功負(fù)荷的電壓靜態(tài)特性的影響，并通過計算得出電壓可能升高、降低的水平。節(jié)假日調(diào)壓工作比較復(fù)雜，需要隨時進(jìn)行。
四、結(jié)束語
電壓是電能質(zhì)量的重要指標(biāo)，合格的電壓對于社會生產(chǎn)和人民生活有著非常重要的意義。采取合理的措施保障合格的電壓是電力部門的重要任務(wù)。
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