1.3 电力系统的电压

1.3.1 简述

由发电厂中的电气部分、各类变电所和输电/配电线路，以及各种类型的用电设备组成的统一整体称为电力系统。电力系统中各种类型的变电所及输电/配电线路组成的统一体称为电力网。我国电力网基本上分为以下几种类型：

（1）额定电压在1kV以下的电力网称为“低压网”，主要用于低压用户的供配电，又称为低压配电网。

（2）额定电压在1～20kV的电力网称为“中压网”，中压网作为城市和农村供电的主网，同时也担负着向广大中小型工厂供电的任务。中压网又称为中压配电网，以10kV为主，3kV和6kV中压配电网已趋于淘汰，20kV的网目前仅限于局部地区使用。

（3）额定电压在35～220kV的电力网称为“高压网”，又称为高压配电网。该网目前以35～110kV 为主，许多大型工厂采用35kV 供电，66kV和110kV 主要用于城市配电网中，220kV则主要用于特大型城市的高压配电网中。

（4）额定电压在330kV 以上的电网通常称为“超高压网”，主要用于跨地区、大功率远距离输电。

电力系统中的所有电气设备都是在一定的电压和频率下工作的。电气设备在其额定电压和频率下工作时，其综合经济效益最好。频率和电压是衡量电能质量的两个基本参数。

我国采用的工业频率（简称工频）为50Hz，频率偏差范围一般规定为±0.5Hz。如果电力系统容量达3000MW及以上时，则频率偏差范围为±0.2Hz。频率的调整主要是通过发电厂调节发电机的转速来完成的。对于工厂供电系统来说，提高电能质量主要是指提高电压质量和供电可靠性的问题。电压质量不仅是指对额定电压来说电压偏高或偏低，即电压偏差的问题，而且包括电压波动及电压波形是否畸变，即是否含有过多的高次谐波成分的问题。

1.3.2 三相交流电网和电力设备的额定电压

按照GB156—93《标准电压》规定，我国三相交流电网和发电机的额定电压如表1.1所示。

（1）电网（线路）的额定电压。电网的额定电压等级是国家根据国民经济发展的需要和电力工业的水平，经全面经济分析后确定的。它是确定各类电力设备额定电压的基本依据。

（2）用电设备的额定电压。线路运行时要产生电压降，即电压损耗，所以线路上各点的电压都略有不同，如图1.7中的虚线所示。成批生产的用电设备，只能按线路的额定电压来制造，而不用考虑线路上的电压损耗，因此用电设备的额定电压规定与同级电网的额定电压相同。

（3）发电机的额定电压。由于电力线路允许的电压偏差一般为±5%，即整个线路允许有10%的电压损耗值，线路首端（电源端）的电压可较线路额定电压高5%，而线路末端则可较线路额定电压低5%，如图1.7所示。所以发电机的额定电压规定高于同级电网的额定电压5%。

（4）电力变压器的额定电压。

① 电力变压器一次绕组的额定电压。分两种情况：

● 当变压器直接与发电机相连时，如图1.8所示的变压器T1，其一次绕组的额定电压应与发电机的额定电压相同，即高于同级电网的额定电压5%。

● 当变压器不与发电机相连，而是连接在线路上时，如图1.8所示的T2，则可看做线路的用电设备，因此其一次绕组的额定电压应与同级电网的额定电压相同。

② 电力变压器二次绕组的额定电压。也分以下两种情况：

● 变压器二次侧供电线路较长（如较大的高压电网）时，如图1.8所示的T1，其二次绕组的额定电压应比相连电网的额定电压高10%，其中5%是用于补偿变压器满负荷运行时绕组内部约5%的电压损耗，这是因为变压器二次绕组的额定电压是指变压器一次绕组加上额定电压时，二次绕组开路的电压，带负载运行时其内部必有电压损耗；此外变压器满负荷运行时输出的二次电压还要高于相连电网的额定电压5%，以补偿线路上的电压降。

● 变压器二次侧供电线路不长（如低压电网或直接供电给高、低压用电设备）时，如图1.8所示的T2，其二次绕组的额定电压只需高于相连电网的额定电压5%即可，即仅考虑补偿变压器满负荷运行时绕组内部5%的电压损耗。

1.3.3 电压偏差和电压调整

1．电压偏差

用电设备端子处的电压偏差ΔU是通过用电设备的端电压 U 与设备的额定电压 UN的差值同UN的百分比值来表示的，即

ΔU % N[(U U )=−/UN]×100%

电压偏差对设备的工作性能和使用有很大影响。

对感应电动机和同步电动机来讲，由于转矩与端电压的平方成正比（M∝U2）。当端电压比额定电压低10%时，其实际转矩只有额定转矩的81%左右，而负荷电流将增大5%～10%以上，温升将增高10%～15%以上，绝缘老化程度将比规定增加1倍以上，从而明显地缩短电动机寿命；当端电压偏高时，负荷电流和温升也将增加，绝缘相应受损，对电动机不利。

电压偏差对照明灯具也有影响，端电压偏低将使发光效率降低，照度降低，影响视力；而电压偏高又缩短了灯具的寿命。

GB12325—90《供配电系统设计规范》规定：正常运行情况下，用电设备端子处电压偏差的允许值要符合下列要求。

① 电动机为±5%。

② 照明：在一般工作场所为±5%；对于远离变电所的小面积的一般工作场所，难以满足要求时，可为+5%～−10%；应急照明、道路照明和警卫照明等均为−10%～+5%。

③ 其他用电设备，当无特殊规定时为±5%。

2．电压调整

为了满足用电设备对电压偏差的要求，供电系统必须采取相应的电压调整措施。

（1）正确选择无载调压型变压器的电压分接头或采用有载调压型变压器。我国工厂供电系统中应用的6～10kV电力变压器一般为无载调压型，其高压绕组有U1N±5%的电压分接头，并装设有无载调压分接头开关，如图1.9所示。如果设备端电压偏高，则应将分接头开关换接到 U1N+5%的分接头，以降低设备端电压。如果设备端电压偏低，则应将分接头开关换接到U1N−5%的分接头，以升高设备端电压。但是换接电压分接头必须在停电时进行，因此不能频繁操作。如果用电负荷中有的设备对电压要求严格，采用无载调压型变压器满足不了要求，而单独装设调压设备在技术、经济上不合理时，可采用有载调压型变压器，使之在正常运行过程中自动调整电压，保证设备端电压的稳定。

（2）降低系统阻抗。供电系统中各元件的电压降与各元件的阻抗成正比，因此在技术、经济合理时，减少系统的变压器级数，增大线路截面，以电缆取代架空线，都能降低系统阻抗，减少电压降，从而缩小电压偏差的范围。

（3）尽量使系统的三相负荷平衡。在有中性线的低压配电系统中，如果三相负荷分布不均衡，将使中性线中的电流增大，使负荷端中性点的电位偏移，造成有的相电压升高，有的相电压降低，从而增大线路的电压偏差。为此，应使三相负荷分布尽可能均衡，以降低电压偏差。

（4）合理改变系统的运行方式。在生产为一班制或两班制的工厂中，工作班的时间内负荷重，往往电压偏低，需将变压器高压线圈的分接头调在−5%的位置上。而到夜间，负荷轻，电压则过高，此时可切除一台变压器，改用低压联络线，这样既降低了变压器的电能损耗，又因为投入低压联络线而增加了线路的电压损耗，从而降低了出现的高电压。对于两台变压器并列运行的变电所，在负荷轻时切除一台变压器，同样可起到降低过高电压的作用。另外，如果是昼夜用电量相差悬殊的工厂，可以将较大容量的电气设备安排在负荷轻的夜间运行，如用于热处理工艺的电炉，这样可以达到合理调整电压的效果。

（5）采用无功功率的补偿装置。由于系统中存在大量的感性负荷，因此系统中会出现大量相位滞后的无功功率，降低了功率因数，增大了系统的电压损耗。为了提高功率因数，降低系统的电压损耗，可采用并联电容器或同步补偿机，使之产生相位超前的无功功率，以补偿一部分相位滞后的无功功率。由于采用并联电容器补偿比采用同步补偿机更为简单、经济和便于运行维护，因此并联电容器补偿在工厂供电系统中获得了广泛应用。

*1.3.4 电压波动和闪变及其抑制

1．电压波动和闪变的有关概念

电压波动是指电网的快速变动或电压包络线的周期性变动。电压波动值用电压波动过程中相继出现的电压有效值的最大值与最小值之差与额定电压的比值的百分数来表示，即

ΔU %=max min[(U −U )/UN]×100%

按GB12326—90《电能质量，电压允许波动和闪变》规定，电压波动值应不低于0.2%/s。

电压波动是由负荷急剧变动的冲击性负荷所引起的。负荷急剧变动，使电网的电压损耗相应变动，从而使用户公共供电点的电压出现波动现象。如电动机的启动，电焊机的工作，特别是大型电弧炉和大型轧钢机等冲击性负荷的工作，均会引起电网电压的波动。

电压波动可以影响电动机的正常启动，可以使同步电动机转子振动，使电子设备特别是计算机无法正常工作，使照明灯发生明显的闪烁现象，其中电压波动对照明的影响最明显。从人眼对灯光的主观感觉上讲，称这种闪烁现象为“闪变”，引起灯光闪变的波动电压叫“闪变电压”，灯光闪变对人眼有刺激作用，甚至可以使人无法正常工作和学习。

2．电压波动和闪变的抑制

为了降低或抑制冲击性负荷引起的电压波动和电压闪变，宜采取下列措施：

（1）对负荷变动剧烈的大型电气设备，采用专用线或专用变压器单独供电。这是简便、有效的办法。

（2）设法增大供电容量，减小系统阻抗，如将单回路线路改为双回路线路，将架空线路改为电缆线路，均可使系统的电压损耗减小，从而减小负荷变动时引起的电压波动。

（3）在系统出现严重的电压波动时，减少或切除引起电压波动的负荷。

（4）大功率电弧炉的炉用变压器宜用短路容量较大的电网供电，一般是选用更高电压等级的电网供电。

（5）对大型冲击型负荷，如采取上述措施达不到要求时，可装设能“吸收”冲击无功功率的静止型无功补偿装置SVC（Static Var Compensator）。SVC是一种能吸收随机变化的冲击无功功率和动态谐波电流的无功补偿装置，其类型有多种，而以自饱和电抗器型（SR型）的效果最好，其电子元件少，可靠性高，反应速度快，维修方便经济，比较适合在我国推广应用。

*1.3.5 电网谐波及其抑制

1．电网谐波的有关概念

谐波是指对周期性非正弦量进行傅里叶级数分解所得到的大于基波频率整数倍的各次分量，通常称为高次谐波，基波频率就是工频50Hz。

向公用电网注入谐波电流或在公用电网中产生谐波电压的电气设备，称为谐波源。

就电力系统中的三相交流发电机发出的电压来说，可以认为其波形基本上是正弦量。但是由于电力系统中存在着各种各样的“谐波源”，特别是随着大型变流设备和电弧炉等负荷的广泛应用，使得高次谐波的干扰成了当前电力系统中影响电能质量的一大“公害”，亟待采取对策。

大小“谐波源”主要是指存在于电力系统中的各种非线性元件。如荧光灯和高压汞灯等气体放电灯、感应电机、电焊机、变压器和感应电炉等都要产生谐波电流或电压。大型晶闸管变流设备和大型电弧炉产生的谐波电流最为突出，它们是造成电网谐波的主要因素。

谐波对电气设备的危害很大。谐波电流通过变压器时，会使变压器的铁芯损耗明显增加，使变压器出现过热，缩短其使用寿命。谐波电流通过交流电动机时，不仅会使电动机的铁芯损耗明显增加，而且还会使电动机转子发生振动现象，严重影响机械加工的产品质量。谐波对电容的影响更为突出，谐波电压加在电容的两端时，由于电容器对谐波的阻抗很小，因此电容器很容易发生过负荷甚至烧毁。此外，谐波电流可使电力线路的电能损耗和电压损耗增加；使计量电能的感应式电度表计量不准确；使电力系统发生电压谐振，从而在线路上引起过电压，有可能击穿线路设备的绝缘；可能造成系统的继电保护和自动装置发生误动作或拒动；可对附近的通信设备和通信线路产生信号干扰。

因此，GB/T 14549—93《电能质量·公用电网谐波》规定了公用电网中对谐波电压的限制值和谐波电流的允许值。通常是用谐波总畸变率来衡量，110kV谐波总畸变率不超过2%；35～66kV不超过3%；6～10kV不超过4%；0.38/0.22kV不超过5%。

2．电网谐波的抑制

抑制电网谐波，可采取下列措施：

（1）大容量的非线性负荷用短路容量较大的电网供电，电网的短路容量越大，它承受非线性负荷的能力越强。

（2）三相整流变压器采用Y,d或D,y的接线。由于3次及3的整数倍次谐波电流在三角形联结的绕组内形成环流，而使星形联结的绕组内不可能产生3次及3的整数倍次谐波电流，因此采用Y,d或D,y接线的三相整流变压器，能使注入电网的谐波电流消除3次及3的整数倍次谐波电流。由于电力系统中的非正弦交流电压或电流通常是正负半波，对时间轴是对称的，不含直流分量和偶次谐波分量，因此采用Y,d或D,y接线的整流变压器，注入电网的谐波电流只有5,7,11,…奇次谐波。这是抑制高次谐波最基本的方法。

在选择配电变压器时，宜选用D, yn11联结组别的配电变压器，其抑制高次谐波的原理和上述情况一样。

（3）增加整流变压器二次侧的相数。整流变压器二次侧的相数越多，整流波形的脉波数越多，其次数较低的谐波被消去的也越多。例如，整流相数为6相时，出现的5次谐波电流为基波电流的18.5%，7次谐波电流为基波电流的12%。如果整流相数增加到12相，则出现的5次谐波电流降为基波电流的4.5%，7次谐波电流降为基波电流的3%，都差不多减小为原来的1/4。由此可见，增加整流相数对高次谐波的抑制效果相当显著。

（4）装设分流滤波器。分流滤波器又称调谐滤波器，由能对需要消除的各次谐波进行调谐的多组RLC串联谐振电路所组成。在大容量静止“谐波源”（如大型晶闸管整流器）与电网连接处装设分流滤波器，如图1.10所示。由于串联谐振时支路阻抗很小，因而可使有关次数的谐波电流被谐振支路分流（吸收）而不注入电网中，图1.10中所示的Q5控制的支路可吸收5次谐波电流，Q7、Q11控制的支路分别吸收7次和11次谐波电流。大型电弧炉和硅整流装备，也可装设SVC来吸收高次谐波电流，以减少这些用电设备对系统产生的谐波干扰。

1.3.6 工厂高、低压配电电压的选择

1．工厂高压配电电压的选择

工厂供电系统的高压配电电压的选择，主要取决于当地供电电源电压及工厂高压用电设备的电压、容量和数量等因素。当工厂供电电源电压为35kV以下时，工厂的高压配电电压一般采用10kV；当6kV用电设备的总容量较大，选用6kV经济合理时，宜采用6kV；如6kV设备不多，则仍应选用10kV作为工厂的高压配电电压，而对6kV设备通过专用的10/6.3kV变压器单独供电。由于3kV的用电设备很少，3kV作为高压配电电压的技术、经济指标很差，基本上不用做高压配电电压。当工厂供电电源为35kV，能减少配变电级数，简化接线，并且当技术经济合理时，可采用将35kV作为高压配电电压引入负荷中心的直配电方式，但前提是必须确保安全，且应该有一条合格的“安全走廊”。

2．工厂低压配电电压的选择

工厂低压配电电压的选择主要取决于低压用电设备的电压。一般采用220/380V，其中线电压380V接三相动力设备及380V单相设备，而相电压220V接220V照明灯具及其他220V的单相设备。但某些场合宜采用660V甚至1140V作为低压配电电压，如矿井下，其原因是负荷离变电所较远，为保证远端负荷的电压水平而采用660V或1140V的配电电压。采用较高的电压配电，不仅可减少线路的电压损耗，提高负荷端的电压水平，而且能减少线路的电能损耗，降低设备成本，增大供电半径，减少变电点，简化供配电系统，有明显的经济效益，在世界各国为已成为发展趋势。我国也充分注意到了这一点，在此领域做了一些开发研究工作，不过目前660V电压尚限于在采矿、石油和化工等少数部门应用。