第七章电能质量的提高与电能节约

第七章电能质量的提高与电能节约7.1电能质量概述7.2工业企业供电系统电压偏差及其调节7.3工业企业供电系统的电压波动及减少措施7.4电网高次谐波及其抑制7.5工业企业供电系统中的电能节约7.6工业企业供电的无功功率补偿7.1电能质量概述

电能质量是指电气设备正常运行所需要的电气特性，任何导致用电设备故障或不能正常工作的电压、电流或频率的偏差都属于电能质量问题。在三相电力系统中，理想的电能质量是：（1）系统频率恒为额定频率；（2）三相电压波形是三相对称的、幅值恒为额定电压的正弦波形；（3）三相电流波形是三相对称的正弦波形；供电不间断。任何与理想电能质量的偏差都属于电能质量扰动。7.1.1电能质量扰动类型

根据扰动的频谱特征、持续时间和幅值变化，通常将电能质量扰动划分为如下几个类型：

（1）暂态扰动：通常指持续时间不超过3个周波的扰动。并联电容器投切和雷击都会造成暂态扰动。暂态扰动又分为脉冲型和振荡型，脉冲型暂态扰动持续时间不超过1ms，具有陡峭的上下沿；振荡型暂态扰动持续时间一般不超过1个周波，振荡频率在5kHz以上。（2）短期电压变化：包括电压跌落、电压突升和短暂断电。此类扰动的持续时间通常为半个周波到1min。（3）长期电压变化：电压幅值长期偏离其额定值，包括电压偏差和持续断电。此类扰动通常持续1min以上。

7.1电能质量概述7.1.1电能质量扰动类型（4）电压波动：电压幅值周期性下降和上升。交流电弧炉等波动负荷是电压波动的发生源；（5）波形畸变：包括电力谐波、电压缺口、直流偏置和宽带噪音。

相控型电力电子装置（如整流、逆变等电源）是引起电力谐波和电压缺口的主要因素。（6）三相不平衡：供电电源的三相电压不对称或负荷三相电流不对称，即三相幅值不等或相角差不等于120。电力机车等单相用电设备是导致三相系统不平衡的主要因素。（7）频率变化：基波频率偏离其额定频率，包括频率偏差和频率波动，典型的频率波动周期为10s之内。7.1电能质量概述7.1.2电能质量标准

由于电能质量的各种扰动相对独立，它们对电气设备的影响也不同，因此，分析评价电能质量整体上尚没有一个统一的标准，而是针对不同的扰动进行不同的处理。目前我国已经颁布的电能质量标准有：GB12325-2003《电能质量供电电压允许偏差》；GB12326-2000《电能质量电压波动和闪变》；GB/T14549-1993《电能质量公用电网谐波》；GB/T15543-1995《电能质量三相电压允许不平衡度》；GB/T15945-1995《电能质量电力系统频率允许偏差》；GB/T18481-2001《电能质量暂时过电压和瞬态过电压》。电能质量标准是保证电网安全经济运行、保护电气环境、保障电力用户正常使用电能的基本技术规范，是实施电能质量监督管理、推广电能质量控制技术、维护供用电双方合法权益的法律依据。7.1电能质量概述7.1.3克服电能质量扰动方法

电能质量扰动是客观存在的，它严重干扰着用电设备尤其是信息处理设备的正常运行。因此，一方面应该规定电网的电能质量扰动允许值，另一方面，用电设备也应该具有一定的电能质量扰动耐受容限。以电压为例：

（1）电压容限曲线为了防止电压扰动造成计算机及其控制装置的误动和损坏，美国信息技术工业协会（ITIC）提出了电压容限曲线，如右图所示。若电压落在包络线内阴影部分，则该电压是合格的，否则电压是不合格的。该曲线主要与4种典型的电压扰动相对应，包括电压跌落、电压突升、尖峰脉冲和断电。譬如，按照该曲线，允许电压出现20ms以内的短时断电、允许出现持续1ms但幅值不超过200％的电压尖峰脉冲、允许长期电压偏差为10％等。7.1电能质量概述7.1.3克服电能质量扰动方法

（1）用电设备抗扰动措施

由于发电机发出的电压是比较理想的，所以，公用电网中的电压扰动主要是由负荷电流扰动在电网阻抗上的压降引起的。第四章给出了供电系统电压损失的计算公式：对于高压供电系统而言，系统等效电抗远大于系统等效电阻。于是，忽略电阻，上式可简化为：上式表明，影响电压质量的主要因素有：

①负荷无功功率或无功变化量越大，对电压质量的影响大；

②电网短路容量越大，则负荷变化对电网电压质量的影响越小。7.1电能质量概述7.1.3克服电能质量扰动方法克服的方法：

①并联无功补偿可以减小负荷无功功率或负荷无功变化量；

②线路串联补偿则可以降低电网感抗，提高系统短路容量。

因此，无功功率补偿既是电网节能降耗的措施，也是改善电网电能质量的措施之一。

7.1电能质量概述本节结束7.2工业企业供电系统电压偏差及其调节

电压偏差是指电网实际电压偏离电网额定电压的程度。系统运行方式的改变，或用户负荷的变化，都会使电网上某一点的实际电压偏离其额定电压。为了保证供电电压的质量，国标GB12325-2003《电能质量供电电压允许偏差》中对其有明确的规定。35kV及以上供电电压：电压正、负偏差绝对值之和为10％；10kV及以下三相供电电压：7％；220V单相供电电压：+7％，-10％。第七章电能质量的提高与电能节约7.2.1减少电压偏差的方法

第四章我们介绍了电压偏差与电压损失概念。减少电压损失就可降低电压偏差。减少的方法：

（1）通过导线和电缆截面的选择，可减少R0、X0从而减少电压损失。即限制线路的电压损失在一定范围内。但是，X0受导线截面的影响很小所以，当时，S增大，△U％的下降不大。（2）采用并联补偿电容器，以减少——目的提高功率因数，以减少X0——经济上不太合适。

7.2工业企业供电系统电压偏差及其调节（3）提高或降降低U1以保证△△U％在在允许范范围内采用分接开关关切换一次次线圈绕绕组方式式，实现现调压目目的，降降低工厂厂电网的的电压偏偏移。这就是本本节所讲讲的内容容。7.2.1减少少电压偏偏差的方方法分接开关关有载分接接开关：无励磁分分接开关关(无载载调压开开关)：：在变压器器负载回回路不断电的的情况下下，改变变压压器线圈圈有效匝数的的机械装装置；7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法切换开关关分接选择择器7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节有载分接接开关调调压变压压器组成成图CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关10193W分接变变换原理理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关切换原原理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关切换原原理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关切换原原理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关切换原原理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关切换原原理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关切换原原理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关切换原原理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关切换原原理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少电压压偏差的的方法CM型分分接开关关切换原原理图7.2工工业企业业供电系系统电压压偏差及及其调节节7.2.1减减少少电电压压偏偏差差的的方方法法7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择（1））电电力力变变压压器器的的分分接接头头及及调调节节规规律律10kV0.4kVN2N10+5％－5％图7－2变压器的分接头及电压偏差U1U27.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节一般般电电力力变变压压器器一一次次侧侧均均设设有有三三个个分分接接头头如如左左图图所所示示（（无无励励磁磁分分接接开开关关）），，设计计者者根根据据供电电系统统电电压压变变动动的的情情况况和和企企业业用电电设备备对对电电压压水水平平的的要要求求，，来来选选择择变变压压器器分分接接头头，，以以保保证证用用电电设设备备的的正正常常运运行行。。图中中+5%、、0%、、-5%分分别别表表示示分分接接头头位位置置及及电电压压偏偏差差值值。。其其物物理理意意义义有有两两种种解解释释方方法法。。7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择②一一次次侧侧接接“－－5％％””分分接接头头上，，二二次次绕绕组组的的空空载载电电压压就就变变为为110％％，，即即升升高高5％％＋＋5％％＝＝10％％∴U1N2=不不变变＝＝U2↑N1↓物理理意意义义：：因因为为一一次次线线圈圈减减少少，，空空载载损损耗耗较较少少，，二二次次电电源源电电压压升升高高。。负负号号表表示示一一次次线线圈圈减减少少。。7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节解释释方方法法1：：一一次次电电压压不不变变，，二二次次电电压压有有变变化化（（负负载载影影响响））假设设一次次侧侧输输入入电电压压不不变变为为UN1，即即100％％UN1的电电压压①一次次侧侧接接“0””分分接接头头时，，二二次次绕绕组组的的空载载电压压为为105％％UN2（UN2线路路额额定定电电压压，如如35/10.5，，10/0.4KV））目的的:抵抵偿偿变变压压器器满满载载时时，，本本身身的的电电压压损损失失。。7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择③一一次次侧侧接接“＋＋5％％””分分接接头头上根据据U1N2=不不变变＝＝U2↓N1↑二次次侧侧空空载载电电压压降降为为100％％UN2(5％％－－5％％＝＝0)物理理意意义义：：因因为为一一次次线线圈圈增增加加，，空空载载损损耗耗增增加加，，二二次次电电源源电电压压降降低低。。正正号号表表示示一一次次线线圈圈增增加加。。7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节结论论：：＋5％％————二二次次空空载载电电压压＝＝UN2（线线路路额额定定电电压压，，增增加加0％％））（线线路路末末端端电电压压比比额额定定值值高时））0————二二次次空空载载电电压压＝＝105％％UN2（增增加加5％％）（线线路路末末端端电电压压为为正正常常额额定定值值时时））－5％％————二二次次空空载载电电压压＝＝110％％UN2（增增加加10％％）（线线路路末末端端电电压压为为低于额定值时）简单规律“低低了低调，高高了高调”7.2.2变变压器分接头头的选择解释方法2：：一次电压有变变化（电源问问题），变压器二次负载不变变，即电压不不变。①“0”点点:一次次为100％％*UN1，二次为105％*UN2②－5％点点，相当于N1↓根据不不变变＝,相当当一次电压减少5％％即：95%*UN1（适合于电源源电压高时）（线圈小了了电压降低））③“＋5％％”点，相当当于N1↑根据不不变变,相相当一次电电压增加5％％即：105%%*UN1（适合于电源源电压低时）这才是我们标标为＋5％，，0，－5％％的含义在下面的计算算中，即用到到第一种说法法，又用到第第二种说明。。7.2工业企企业供电系统统电压偏差及及其调节7.2.2变变压器分接头头的选择35/6.3~10.5KV（6～10KV）(高压线路额额定电压)6~10KV/0.4KVK（380V））(低压线路额额定电压)（a点电压，，二次母线）（高压线路电电压损失）（车间变压器器电压损失）（低压线路电电压损失）（K点电压压，最远处用用电设备）图7-3系系统各点参数数表示图(2)如何何选择变压器器的分接头某企业电力系系统如下图：：7.2工业企企业供电系统统电压偏差及及其调节7.2.2变变压器分接头头的选择选择变压器的的分接头，就就是选择合理理的变压器变变比，分析如下：供电线路的等等值电路：变压器的设定定变比k：等值理想变压压器7.2工业企企业供电系统统电压偏差及及其调节7.2.2变变压器分接头头的选择（1）最大负荷时（通常为额定定负荷）———由于负载大大，最远处电电压UKmax降低，但不能能降低太多。下标max表表示最大负荷荷时，变压器器、线路等各各参数值，其中kmax为最大负荷时时变压器实际际变比。为了保证UKmax不变，选择的k≤kmax(k不应大于于kmax)（因为，如果果k>kmax,从上式看出出，其U″会会更小。））7.2工业企企业供电系统统电压偏差及及其调节7.2.2变变压器分接头头的选择（2）最小负荷时（一般为额定定负荷25％％）——由于于负载小，最最远处电压UKmin增加，但不能能增加太多。下标min标标示最小负荷荷时，变压器器、线路等各各参数值，其中kmin为最小负荷时时变压器实际际变比。为了保证UKmin不变，选择的k≥kmin（k应大于等等于kmin）（因为，如果果k<kmin,从上式看出出，其U″会会更大。））7.2工业企企业供电系统统电压偏差及及其调节7.2.2变变压器分接头头的选择结论：实际设设定的变压器器变比k应满满足下列条件件：*kmax≥k≥kmin(7-3)这样，在最大大和最小负荷荷时，用电设设备端子上的的电压偏差均均满足要求。。但从上式看看出：①kmax＞kmin，则可选取一一恰当的变比比k值，以满满足上式要求求。②kmax＜kmin，则必须采取取其它一些措措施，例如降降低线路的电电压损失和要要求电力系统统改变其所保保持的电压值值，来满足要要求。7.2工业企企业供电系统统电压偏差及及其调节7.2.2变变压器分接头头的选择最后说明：对对于无励磁分分接开关，分分接头选好后后，就固定下下来，不要随随负荷变动而而改变。（3）变压器器中电压损失失的计算从上面的公式式看出，要计计算变压器的的变比，需求求出△UL和△UT。我们在电压损损失选择导线线时，已讲过过△UL的求取方法（负荷距法））本节我们介绍绍变压器的电压压损失△UT的求取方法。。根据电压损失失选择导线一一节中推导的的电压损失计计算公式公式式，可知变压器中的电电压损失也可可表示为：7.2工业企企业供电系统统电压偏差及及其调节7.2.2变变压器分接头头的选择用百分比表示示：S—变压器的的实际负荷（（KV•A）SN—变压器的额额定负荷（KV•A）conφ—变变压器的功率率因数RT％—变压器的的电阻百分数数XT％—变压器的的电抗百分数数7.2工业企企业供电系统统电压偏差及及其调节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择其中中：：7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择式中中：：△△PK—变变压压器器的的铜铜损损（（W））uK％——变变压压器器的的短短路路电电压压百百分分数数将这这些些值值代代入入7-4，，便便得得利用用上上式式便便可可计计算算变变压压器器中中的的电电压压损损失失7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择例[3－－6]已已知知某某企企业业供供电电系系统统如如下下图图：：其最最大大负负荷荷与与最最小小负负荷荷的的电电压压水水平平如如下下表表所所示示。。其其中中最小小负负荷荷可可按按25％％确确定定，，这这时时所有有的的电压压损损失失均均降降为为最最大大负荷荷时时的的，，其其它它已已知知条条件件如如下下表表。。且要要求求：：aK选择此变压器的变比7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择电压压水水平平表表：：企业业变变电电站站二二次次母母线线上上的的电电压压偏偏差差负荷

(%)

（％）6KV线路上的电压损失(％）

变压器空载时的二次电压升高（％）变压器中的电压损失

（％）低压线路中的电压损失

（％）用电设备端子上的电压最大负荷100＋3（已知）－5（已知）？(选择变压器开关位置)

－4.5（已知）

－4.0（已知）0.95

最小负荷25－5

（已知）－1.25

?

－1.125

(4.5/4)－1.0

(4/4)1.05

由企业业变变电电站站调整整电电压压而而保保证证用电设备端子上的电压总偏差（％）?根据开关位置确定实际偏差?

7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择试选择择车间间变变压压器器的的分接接头头和计计算算用用电电设备备端端子子上的的电压压偏偏差差。解：：(1)选择择分分接接头头①计计算算最最大大负负荷荷时时•各各部部分分电电压压损损失失：：（线线路路额额定定电电压压））（二二次次额额定定电电压压））（线线路路额额定定电电压压））7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择•变变压压器器变变比比②计计算算最最小小负负荷荷时时•各各部部分分电电压压损损失失及及相相关关电电压压7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择•变变压压器器变变比比③选选择择变变压压器器分分接接头头•接接变变压压器器不不同同分分接接头头的的变变化化求求得得相相应应变变比比（利利用用第第二二种种说说法法，，即即二二次次电电压压不不变变））变压压器器分分接接头头＋＋5％％，，0，，－－5％％变压压器器一一次次电电压压6.3kV,6kV,5.7kV变压压器器二二次次电电压压0.4000.4000.400变比比k15.751514.25∵kmax≥kmin（14.9≥≥13.8））又：：kmax≥k≥≥kmin(7－－3)14.9≥≥k≥≥13.8所以以选选择择－－5％％的的分分接接头头，，k=14.25,满满足足14.9>k>13.87.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择也就就是是说说在在变变压压器器投投入入运运行行前前，，将将变变压压器器一一次次侧侧分分接接头头调到到－－5％％的的位位置置，，这样样不不论论该该企企业业在在最最大大负负荷荷还还是是最最小小负负荷，，均均能能满满足足电电压压水水平平的的要要求求。（2））计计算算在在所选选定定的的k值值下，，在在最最大大负负荷荷和和最最小小负负荷荷时时的的电压压偏偏差差值值。。方法法1：：利利用用公公式式计计算算•最最大大负负荷荷时时则7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择∴电电压压偏偏差差百百分分数数为为：：•最最小小负负荷荷时时，，同同理理∴电电压压偏偏移移百百分分数数为为：：7.2工工业业企企业业供供电电系系统统电电压压偏偏差差及及其其调调节节7.2.2变变压压器器分分接接头头的的选选择择方法法2：：填填表表直直接接计计算算∵变变压压器器分分接接头头接－－5％％点点（第第一一种种说说法法，，即即一一次次电电压压不不变变））∴在在变变压压器器一一次次电电压压为为时时，，二二次次空空载载电电压压升升高高10％％将此此值值填填入入电电压压水水平平表表的的““变变压压器器空空载载时时的的电电压压升升高高”