电压偏差与频率偏差

核心提示：电压偏差与频率偏差专题讲座现代建筑电气篇(2007№4) 程浩忠(1962),男,教授,主要从事电能质量、电力系统规划及分析、电压稳定等方 电压偏差与频率偏差
电压偏差与频率偏差 程浩忠 (上海交通大学电气工程系,上海 200240) 摘 要:电压与频率是电能质量中重要的指标。其偏差往往会对电力设备与系统造成很大的危害,严重时甚至会导致电力系统失稳、崩溃。介绍了电力系统电压与频率偏差的基本概念及产生原因,阐述了电力系统电压与频率偏差所造成的影响、危害。给出了国家对于电压与频率偏差所制定的标准以及针对电压与频率偏差超标的各种治理对策与方法。 关键词:电压偏差;频率偏差;电压调整;频率调整 根据电工学理论,两电势点之间的电势差称为电压,用U表示,单位为V(伏),分为直流电压与交流电压。电压偏差即为实际供电电压与额定供电电压之间的差值。引起电压偏差的因素有无功功率不足、无功补偿过量、传输距离过长、电力负荷过重和过轻等,其中无功功率不足是造成电压偏差的主要原因。随着负荷增长和电力市场的开放,电压偏差越来越受到电力部门的重视,我国也制定了GB12325—1990《电能质量 供电电压允许偏差》。 电工学理论中正弦量在单位时间内交变的次数称为频率,用f表示,单位为Hz(赫)。交变(含正负半波的变化)一次所需要的时间称为周期,用T表示,单位为s(秒)。频率和周期互为倒数, 即f=1/T。电力系统的电源来自各同步发电机。在稳态条件下,各发电机同步运行,整个电力系统的频率可以视为相同。频率是一个全系统一致的运行参数。电力系统的标称频率在中国及欧洲地区均采用50Hz。电力系统频率偏差是指电力系统内的实际频率与标称频率之间的偏差。运行经验表明:引起电力系统频率偏差的主要原因是负荷的波动,主要包括变化周期在10s～3min的负荷脉动和变化十分缓慢的持续变动分量且带有周期规律的负荷。频率对电力系统负荷的正常工作有广泛的影响,系统某些负荷以及发电厂厂用电负荷对频率的要求非常严格。要保证用户和发电厂的正常工作就必须严格控制系统频率,使系统频率偏差控制在允许范围之内。我国已经制定了GB/T15945—1995《电能质量 电力系统频率允许偏差》。 — 55
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现代建筑电气篇(2007№4)专题讲座
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电力系统电压与频率偏差造成的 影响 1.1
电力系统电压偏差的影响
1.1.1 对用电设备的影响 用电设备是按照额定电压进行设计、制造的。 如照明常用的白炽灯、荧光灯,其发光效率、光通量和使用寿命均与电压有关。图1中的曲线表示白炽灯和荧光灯端电压变化时,其光通量、发光效率和寿命的变化。白炽灯对电压变动很敏感。从图1中可看出,当电压较额定电压降低5%时,白炽灯的光通量减少18%;当电压降低10%时,光通量减少30%,照度显著降低。当电压较额定电压升高5%时,白炽灯的寿命减少30%;当电压升高10%时,寿命减少50%,这将使白炽灯损坏的数量显著增加。再比如许多家用电器(如洗衣机、电风扇、空调机、电冰箱、抽油烟机等)内的单相异步电动机,电压过低会影响电动机的起动,使转速降低、电流增大,甚至造成绕组烧毁的后果;电压过高,有可能损坏绝缘或由于励磁过大而发生过电流
。 (a)
白炽灯电压特性(b)荧光灯电压特性 图1 照明灯的电压特性 1.1.2 对电力系统稳定运行的影响 电力系统维持同步运行的能力与电网电压水平有很大的关系,即 P= EU X
Σ sinδ(1) 式中 P———三相功率 E———发电机电动势U———系统线电压 δ———E、U之间相位角 XΣ———线路总阻抗 各量可用标幺值,也可用有名值。式(1)称为单 机无穷大系统功角特性。 当电力系统结构确定,即XΣ已确定的情况下,提高系统电压及发电机电动势(发电机端电压也相应提高)就能大大提高系统的静态稳定极限。对于简单输电系统中无功功率与电压存在以下关系: Q= U(Ecos δ-U)X
Σ (2)式中 Q———三相无功功率 U———系统线电压E———发电机电动势 由式(2)可见,当Ecos δ>U时,在系统母线上将得到来自发电机的无功功率,E、U相差越 多,Q就越大;反之,当Ecos δ —
专题讲座现代建筑电气篇(2007№4) 内,特性也有不小的差别。为了掌握和判断这种差别,有必要对各类负荷的频率特性进行研究。 我国各地多次的系统频率特性试验综合结果为:在50Hz系统中,频率每变化0.1Hz,负荷功率变化0.02%～0.06%。负荷对低频率响应的系统试验需要限制在很短的时段内完成,因为在这个时段内,负荷自身也会发生一些变化(不是由频率变化引起的那一部分)。此外,对于一些恒温控制的负荷,例如冰箱和空调,其吸收的电功率随着频率降低的减少仅仅是暂时的。在非短暂性的低频率下,这些恒温控制的电气设备在其运转的工作周期内将增加吸收有功功率,以恢复控制恒温的需要。因此,这类负荷对低频运行的响应是:持续时间越短,功率变化越大。1.2.2 电力系统高频率运行的危害 当电力系统运行频率高于额定值,但不超出正常运行允许上限时,短期内对电力系统的安全不会造成威胁,但也和低频率运行一样,对运行设备有一定的累积损伤。从经济方面考虑,高频率运行既浪费了一次能源又减低了效率。对生产设备运转速度要求严格的用户来说,高频率运行降低了产品的质量。 当电力系统频率超出正常运行允许上限值时,旋转机组将超速运行,转子上的线圈绑线和原动机转子上的叶片在超出正常转速10%以上就可能从转子上甩出,发电机定子端部也很可能因超速过电压的冲击而受损,电动机转子也会发生类似的损伤。 2 电力系统电压与频率偏差的标准 与规定 2.1 电力系统电压偏差的标准与规定 我国国家标准《电能质量 供电电压允许偏差》由国家技术监督局于1990年4月20日发布,同年12月1日开始实施。其中规定的供电电压允许偏差为: (1)35kV及以上供电电压正、负偏差的绝对值之和不超过额定电压的10%。(注:如供电电压上、下偏差同号,即均为正或负时,按较大的 偏差绝对值作为衡量依据。 )(2)10kV及以下三相供电电压允许偏差为额定电压的±7%。 (3)220V单相供电电压允许偏差为额定电 压的+7%、-10%。(注:①用电设备额定工况的电压允许偏差仍由各自标准规定;②对电压有特殊要求的用户,供电电压允许偏差由供用电协议确定;③供电电压为供电部门与用户产权分界处的电压或由供用电协议所规定的电能计量点的 电压。)2.2 电力系统频率偏差的标准与规定2.2.1 要求供电方遵守的标准与规定 国家经委1983年批准实施的《全国供用电规则》第5.2条规定:供电局供电频率的允许偏差,电网容量在3000MW及以上者为±0.2Hz;电网容量在3000MW以下者为±0.5Hz。GB/T15945—1995《电能质量 电力系统频率允许偏 差》第3.2条规定:用户冲击负荷引起的系统频率变动一般不得超过±0.2Hz。根据冲击负荷性质和大小以及系统的条件也可适当变动限值,但应保证近区电力网、发电机组的安全、稳定运行以及正常供电。2.2.2 要求需电方用电设备遵守的标准与规定 GB1980—1980《电气设备额定频率》第3.2条规定:电力供电系统及设备,其额定频率的允许偏差值为±1%。 3 治理电压与频率偏差超标的对策 3.1 治理电压偏差超标的对策 电压偏差超标治理的主要对策是采取各种调压手段和方法,在各种不同运行方式下,使用户的电压偏差符合国家标准。主要包括以下几种电压调整方式。3.1.1 中枢点电压管理 电力系统电压的监视和调整可以通过对中枢点电压的监视和调整来实现。所谓中枢点,是指电力系统中可以反映系统电压水平的主要发电厂和变电站的母线,很多负荷都由这些母线供电。若控制了这些中枢点的电压偏差,也就控制了系统中大部分负荷的电压偏差。 根据电网运行经验,为了满足中枢点供电电力用户的电压要求,一定电压等级的线路的供电距离和供电容量是有一定范围的。对于中枢点的电压调整,也可根据电力网的不同性质,大致确定一个中枢点电压的变动范围。 — 75—
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(2007№4)专题讲座‰3.1.2 发电机调压 发电机不仅是有功电源,而且也是无功电源, 有些发电机还能通过进相运行吸收无功功率,所以可用调整发电机端电压的方式进行调压。现在的同步发电机都装有自动励磁调节设备,其主要功能是自动调整发电机的机端电压、分配无功功率,提高发电机同步运行的稳定性。按规定,发电机可以在其额定电压的95%～105%范围内保持以额定功率运行。这是一种充分利用发电机设备,不需额外投资的调压手段。3.1.3 变压器调压 双绕组电力降压变压器的高压绕组上除主分接头外,还有几个附加分接头,供需要不同电压时使用。容量在6300kVA及以下无载调压的电力变压器一般有2个附加分接头,主分接头对应变压器的额定电压为UN,2个附加分接头分别对应1.05UN和0.95UN。容量在8000kVA及以上时,一般有4个附加分接头,分别对应1.05UN、1.025UN、0.975UN、0.95UN。3.1.4 改变电网无功功率分布调压 当线路、变压器传输功率时,会产生电压损 耗。因而如果能改变线路、变压器等电网元件上的电压损耗,也就改变了电网各节点的电压大小。由电压损耗表达式ΔU=(PR+QX)/U可知,要改变电压损耗有2种办法:一种是改变网络参数,如串联电容,利用串接的电容、电感上电压相位差180°的特点,抵消部分电抗;另一种是改变电网元件中传输的功率。 3.2 治理频率偏差超标的对策 治理电力系统频率偏差超标的主要对策是通过自动或手动方式调整发电机组的调频器,调节电网中的频率达到一个新的平衡点,进而使电网中的频率偏差符合国家标准。频率调整一般包括一次调整和二次调整。3.2.1 频率的一次调整 发电机组原动机的频率特性和负荷频率特性的交点就是系统的原始运行点,如图2中点O。设在点O运行时,负荷突然增加ΔPLO,即负荷的频率特性突然向上移动ΔPLO,则由于负荷突增时发电机组功率不能及时随之变动,机组将减速,系统频率将下降。在系统频率下降的同时,发电机组的功率将因它的调速器的一次调整作用而增大,负荷的功率将因它本身的调节效应而减少。 前者沿原动机的频率特性向上增加,后者沿负荷的频率特性向下减少,经过一个衰减的振荡过程,抵达一新的平衡点,即图2中点O′。 图2 频率的一次调整 3.2.2 频率的二次调整 依靠调速器进行的一次调整只能限制周期较图3 频率的二次调整 短、幅度较小的负荷变动引起的频率偏移。当负荷变动周期更长、幅度更大时,需要借助二次调整。 频率的二次调整就是手动或自动地操作调频器使发电机组的频率特性平行地上下移动,从而使负荷变动引起的频率偏移可保持在允许范围内。频率的二次调整如图3所示。在图3中,如不进行二次调整,则在负荷增大ΔPLO后,运行点将转移到O′,即频率将下降为fO′,功率将增加为PO′ 。在一次调整的基础上进行二次调整就是在负荷变动引起的频率下降Δf′越出允许范围时,操作调频器,增加发电机组发出的功率,使频率特 — 85—

专题讲座现代建筑电气篇(2007№4) 性向上移动。设发电机组增加ΔPGO,则运行点又将从点O′转移到点O″。点O″对应的频率为fO′,功率为PO″ ,即由于进行了二次调整,频率降低由仅有一次调整时的Δf′减少为Δf″,可以供应负荷的功率则由仅有一次调整时的PO′增加为PO″。显然,由于进行了二次调整,系统的运行质量得到了改善。 4 结 语 电力系统电压与频率稳定是保持电力系统安 全稳定的重要因素。本文从电压与频率偏差的概念、产生原因、造成的影响、国家针对其制定的标准以及治理电压与频率偏差的对策几个方面进行了阐述与分析,得出了以下一些结论: (1)对于国内电网,目前造成电压偏差的主要原因是无功功率不足或无功补偿容量不匹配;而造成频率偏差的主要原因是变化周期在10s～3min的负荷脉动和变化十分缓慢的持续变动分量并带有周期规律的负荷波动。 (2)电网电压偏差过大,会造成用电设备寿命缩短、电力系统稳定极限下降以及电网运行费用增加;电网频率偏差过大,会造成负荷功率波动以及电动机超速故障等。 (3)针对电压偏差问题的治理方法包括中枢点电压调整、发电机调压、变压器调压以及改变电网无功功率分布调压,对电力用户的治理办法主要是无功补偿;针对电力系统频率偏差问题的治理方法包括一次调整以及二次调整。