负载的无功功率-电压特性介绍

电力系统中负载的无功功率Q_L与供电电压的关系比较复杂。异步电机在现代电力系统的负荷（特别是无功负荷）中占有的比重很大，电力系统中无功负荷与电压的特性主要由异步电动机决定。图1-10a给出了电源E经线路电抗X向异步电动机供电，点画线框内为异步电机忽略定子电阻时的简化等效电路。图中V为异步电动机的外加端电压，X_m为其励磁电抗，X_δ为电动机定子和转子的等效漏抗，R₂为转子的等效电阻，转差率s=（N₁-N）/N₁。N₁为异步电机的同步转速，N为转子负载时的实际转速。由图1-10a可知异步电机所消耗的无功功率Q₁由励磁功率Q_m和漏抗无功功率Q_δ组成，即

Q₁=Q_m+Q_δ=V²/X_m+I²X_δ（1-30）电动机消耗的有功功率P近似等于其电磁功率P_em。

P=I²R₂/s=P_em=T_emΩ_em=2πfT_em/N_p（1-31）

式中，N_p为异步电动机磁极对数；f为电压频率；异步电动机机械角速度Ω_em=ω/N_p=2πf/N_p。

由式（1-31）可得

I²=Ps/R2因此，由式（1-30）得到

图1-10 异步电动机无功功率与电压特性(www.xing528.com)

图1-10b画出了异步电动机在不同外加端电压时电磁转矩特性：

式中，产生最大电磁转矩T_emmax时的转差率叫临界转差率s_M，，与V2成正比。

由式（1-31）、式（1-33）可得

图1-10b中电动机在供电电压V=1.0时，若电磁转矩T_em等于负载阻转矩T₀，稳定工作点为A，这时转差率s=s₁很小。如果V=0.8，则稳定工作点为B，s=s₂>s₁。负载阻转矩T₀=T_em一定时，当电压较低时稳定工作点的转差率s急剧变大。图1-10b显示出了当V=0.6时电动机在此低压下它能产生的最大电磁转矩T_emmax已小于负载阻转矩T₀。因此，若V从0.8突然下降到0.6，由于电动机转速不可能突变，转差率s=s₂也不能突变，则工作点立即从V=0.8的B点转到V=0.6曲线的D点，这时由于T₀>T_em，电动机减速，转差率加大，工作点从D点经M点，直到F点s=1.0，转速N=0，电动机停转。对于一定的负荷（T₀，P_em），当电网供电电压小于某一临界点电压V_C时，异步电动机不能工作。

由图1-10b还可以看到，当V=0.6时，如果负载阻转矩为T₀，则电动机在N=0，s=1时，由于T₀>T_em，电动机根本不能起动。而在V=1.0时，在N=0，s=1时的G点，T₀<T_em，电动机从N=0逐步加速，经过J、K点到达A点，在A点T_em=T₀稳定运行。异步电动机只能在s<s_M区域稳定工作。图1-10c中的曲线①是在一定的有功负载P时异步电动机的无功功率Q₁与电压V的函数关系，可由式（1-34）、式（1-32）得到。图中对于一定的有功负载P，例如正常工作在V=1.0时工作点A，这时由于V较高，转差率s很小，由式（1-32）可知，电动机励磁无功功率V₂/X_m成为Q₁的主要部分，总无功功率Q₁随V的增大（或减小）而增大（或减小），如图1-10c中曲线①的BA段。当V低于B点电压V_B时，由于V较小，转差率s已经很大，图1-10a中电流I₂很大，由式（1-32）可知电抗的漏抗无功I²₂X_δ=（sPX_δ）/R₂的增大（或减小）成为Q₁增大（或减小）的主要因素，这时随着V的减小，转差率s增大，总的无功Q₁增大。异步电动机负载电压低于某一临界数值V_B时，电压V再进一步下降时，电动机负载所消耗的无功功率Q₁不仅不减小，反而增大，如图1-10c所示。这一特性非常重要，因为这时当电网负载电压严重下降时，负载所消耗的无功功率Q₁增大，流经输电线、变压器、发电机的感性（滞后）无功电流加大，又会进一步增加电压损耗而使电网负载电压进一步下降。

电力系统中除异步电动机无功负载Q₁外，还有变压器、铁心线圈非线性无功负载Q₂。Q₂随电压的升、降而单调的增大、减小，如图1-10c中曲线②所示。图1-10c中曲线③为电力系统负载节点总的综合感性负载无功功率Q_L=Q₁+Q₂。由于异步电动机负载的无功功率Q₁在低电压区V减小时Q₁反而急剧增大，故图1-10c中总的综合无功负载Q_L=Q₁+Q₂在电压小于D点电压V_D的低压区，V减小时Q_L反而增大，V增大时Q_L减小。在V>V_D的高压区，例如在图1-10c中曲线③Q_L的Y点电压V_Y运行时，如果电压V稍有扰动（例如V上升），则感性负载无功功率Q_L增大，使线路电压降随之增大，抑制V上升，会使V回降；反之当V扰动稍有下降时，负载的感性无功功率Q_L减小，线路电压降随之减小，又会使V回升，因此系统能在Y点稳定工作。但在图1-10c中的N点运行时，一旦电压V稍有扰动（例如V下降），这时负载综合感性无功功率Q_L反而增大，使线路压降更大，导致电压V进一步下降，最终导致系统电压崩溃。为了防止系统电压崩溃，如图1-10a所示可在负载处设置无功功率补偿器稳定负载节点电压。