长时间电压变动的影响及应对措施

长时间电压变动，主要指当电力系统频率不变的条件下，电压方均根值所发生的持续时间大于1min的变动。产生上述变动的根本原因是由于电力系统和用电负荷之间存在过大的线路阻抗，换句话说，相对于负荷而言，供电系统太弱，使得负荷电流会在流经的系统各元件上产生相应的电压损失（也称电压损耗）。这样，当负荷较重时，供电电压就会跌得很低，而当电力公司为了消除上述阻抗对电压的影响而提高供电电压时，又可能因为轻载而造成过电压。这可以用电压变动的等效电路图3-26加以说明。

图3-26 电压变动的等效电路与相量图

a）等效电路图 b）相量图

线路首端（即送电端）的电压与末端（即受电端）的电压之间的相量关系如图3-26b所示，电压降落为电流在线路阻抗上引起的电压降，它可以用送端电压和受端电压之间的相量差表示为

其中，在方向上的投影ΔU，即所谓电压降落的纵向分量，可以表示为

ΔU=IRcosϕ+IXsinϕ （3-8）而在垂直方向上的投影δU，也称电压降落的横向分量，为

δU=IXcosϕ-IRsinϕ （3-9）

式中，ΔU为线路的纵向电压降落；I为线路中的电流；R为线路电阻（Ω）；X为线路电抗（Ω）；ϕ为负荷端电压和负荷电流之间的夹角；cosϕ为负荷功率因数，以十进制表示；sinϕ为负荷的无功功率因数，以十进制表示。

考虑到横向电压降落时，电压降落的精确表达式为^[12]

由于通常送端电压和受端电压之间的相角差较小，故可以忽略电压降落的横向分量对电压损耗的影响，而仅用电压降落的纵向分量ΔU来表示电压损耗。上述电压损耗ΔU表示一条导线上的电压降落，通常称为相电压降。线电压降可以很容易地由相电压降乘以系数得到。线电流I通常表示线路的负荷电流传输能力。IRcosϕ是电压降的电阻性分量，而IXsinϕ则表示电压降的电抗性分量。

国标GB12325—1990《电能质量 供电电压允许偏差》^[10]中定义：在不包括瞬态的正常运行条件下，供电电压与额定电压之间的差值称为电压偏差，通常用其对额定电压的百分数来表示：

为了保证负荷的正常运行，上述电压偏移必须限制在允许的范围内（见表3-2）。比如，我国国标^[10]就规定10kV及以下系统在产权分界处的允许电压偏差为额定值的±7%。

表3-2 国家标准规定的供电电压偏差

应当注意的是，作为一个局部的量，电力系统中各点的电压是不同的，故存在一个考核点的问题，国标明确规定供电电压为供电部门和用户产权分界处的电压或由供电协议规定的电能计量点的电压。这个电压可能与用户设备处的电压有所不同。

长时间电压变动的起因通常不是由于系统故障，而是由于系统中负荷的变动或开关动作引起。它主要包括过电压和欠电压两种形式，并且用电压的方均根值随时间的变动来加以描述。

过电压定义为在系统频率保持不变时，交流电压的方均根值的上升超过额定电压10%，并且持续时间超过1min。它的起因可以是由负荷的变动（比如一个大负荷的切除）或者系统的调相设备（比如电容器组）的投入和单相对地短路故障引起的。弱系统或系统电压调节或电压控制装置工作不当也是导致过电压的原因。类似的原因如变压器分接头设置不当等也会导致系统过电压。

欠电压则是由与产生过电压的事件相反的事件所产生的，用来描述在系统频率保持不变时，交流电压的方均根值的降落超过额定电压10%，并且持续时间超过1min。电容器组的切除、大负荷的投入，如大电动机的起动过程，都可能导致系统欠电压。实践中，当电动机的容量超过供电变压器标称容量的30%时，必须对其起动造成的电压暂降进行分析，如图3-27所示。此类负荷变动所引起的电压变动过程一直持续到系统的电压调节设备将系统电压带回到容许的范围内。

图3-27 电动机起动功率与变压器二次电压之间的关系

系统发生短路故障时，短路电流流经相应的馈线所造成的电压降落是导致负荷较长时间的欠电压（或电压降落）的又一个主要原因。上述电压降落对三相系统的每一相的影响是不同的，即便是三相对称故障也是如此。利用三相电压中最低的相电压幅值，来对敏感设备对电压暂降的敏感性进行分析是一种常用的方法。

故障类型与用户电压降落之间的关系见表3-3。一次侧故障所带来的二次侧最低线电压和相电压分别为标称电压的33%和58%。

表3-3 用户电压降落与故障类型之间的关系

配电系统用户除了受到输电系统故障和配电系统故障的双重影响外，还必须考虑到由于同一变电所保护设备（如自动重合闸）切除平行线路故障所带来的瞬间中断，这些中断往往也足以导致敏感设备的停机。对此利用图3-28的例子加以说明，图中馈线1发生对地短路故障，馈线2是与其平行的一条馈线。图中a、b分别表示瞬间故障和永久性故障对用户电压的影响。

t₀时刻馈线1发生故障，馈线1和2的电压均发生电压跌落。经过一段时间自动重合闸在t₁时刻检测到故障并动作，切除发生故障的馈线1。t₂时刻如果是瞬间故障，如图3-28a所示，由于故障清除，系统恢复正常。t₁～t₂区间，馈线1由于被切除中断供电，而馈线2电压恢复正常。而如果是永久性故障，则经过几次重合闸仍不能清除故障，则馈线1中断，而馈线2电压恢复正常。所以，同是接地故障但对不同的母线会产生不同的影响。而电压跌落的幅值则是故障点位置的函数。

图3-28 中压线路故障引起的电压降落和中断

a）瞬时故障对用户电压的影响 b）永久性故障对用户电压的影响

注：U_N为标称电压。

这一点可以利用图3-29的单相对地短路故障导致相电压变化的例子加以说明。相量图表明，没有发生故障的相的基频相电压上升，其上升的数值是系统接地方式和系统阻抗的函数。比如，对于三相四线中性点多点接地系统，随接地故障发生的地点不同，相电压的升高可能达20%，如图中U_B和U_C所示。而对于三相不接地系统，过电压可能高达系统标称相电压的1.82倍。

概括起来，电压偏差对主要用电设备的影响如下：

（1）对照明设备的影响 电压偏差对白炽灯的影响最为显著，如图3-30所示的白炽灯的电源电压降低5%时，其发光效率约降低18%；电源电压降低10%时，则发光效率降低约35%。发光效率的降低导致灯光明显变暗，照度降低，严重影响人的视力健康，降低工作效率，还可能增加事故发生率。当其端电压较其额定电压升高10%时，发光效率将提高1/3左右，但其使用寿命将大大缩短，只有正常寿命的1/3。电压偏差虽然对荧光灯等气体放电灯的影响不像对白炽灯那么明显，例如采用电抗镇流器的荧光灯的照度与外加电压成正比，但端电压偏低时，灯管不易起燃。如果多次反复起燃，同样会影响到灯管的寿命。

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图3-29 单相对地短路故障及对地短路电压向量图

a）单相对地短路故障电路 b）A相发生对地短路电压相量图

Z₀—零序阻抗，I₀—为零序电流，U_N—标称电压

图3-30 白炽灯性能与外加电压的关系（平均特性）

（2）对异步电动机的影响 在发达工业国家中，用于将电能转换为机械能的电动机所消耗的电能占总发电量的50%以上^[11]，而在此类系统所用的电动机中，异步电动机又占了绝大多数，因此表3-4所示的电网电压的偏差对异步电动机运行的影响是一个不得不考虑的问题。由于异步电动机最大转矩与其外施电压的二次方成正比，因此当电动机的端电压比其额定电压低10%时，其实际转矩将只有额定转矩的81%。而如电压进一步降低到额定电压的80%时，此时转矩更跌到额定值的64%，此时由于主磁通近似降为额定磁通的80%，对于恒转矩负荷，电动机电流将增大k_i=10.8=1.25倍，温升也相应提高20%以上，从而明显地缩短电动机的使用寿命，甚至烧坏。如图3-31所示的转矩-转差率特性曲线可以看到，由于转矩减小，转差率增大，转速下降，不仅会造成起动困难，降低生产效率，减少产量，而且还会影响产品质量，比如对于造纸行业和轧钢厂，电动机转速的下降会引起纸张和钢板厚度的不均匀。当其端电压偏高时，负荷电流和温升一般也要增加，绝缘也要受损，对电动机同样带来不利的影响。

表3-4 端电压变动对异步电机性能的影响^[12]

（3）对同步电动机的影响 当同步电动机的端电压偏高或偏低时，转矩也要按电压二次方成正比变动。因此同步电动机端电压的偏差，除了不会影响其转速外，对转矩、电流和温升等的影响与异步电动机时相同的。

（4）对配电线路的影响 网络中电功率和电能损失增加。当配电系统输送功率不变时，由于电压降低，则电流增大，由于线路的有功损耗与电流的二次方成正比，使得电网的有功损耗和无功损耗相应增大。

（5）对电气设备的影响 电压降低会导致电气设备容量不能充分利用。当电压降低到额定值的80%时，线路和变压器能够输送的容量就只有其额定容量的64%。移相电容器的无功出力也降低为额定容量的64%。但电压升高同样会给电力系统带来一系列危害，比如对带铁心的电气设备（如变压器、电抗器等），因电压升高而使铁心出现磁饱和，其无功消耗和功率损耗将增大甚至引起铁磁谐振。

（6）对半导体器件和计算机等电子设备的影响 它们对长时间电压的变动的敏感性比早期的电子管要小得多，但对于瞬间（数毫秒）的中断和电压变动非常敏感。瞬间过电压，如浪涌、欠电压均可能导致元器件特性改变，造成计算机和数字控制装置的误动。持续时间到1s的短时间故障一般不会引起电子设备故障，但可能引起逻辑电路、寄存器严重错误，影响到整台设备正常运行，甚至损坏设备。

表3-5给出在正确选择避雷器和浪涌保护设备的条件下，IEEE 242-2001和美国标准给出的电力系统主要负荷与电压偏差之间的关系^[13]。

图3-31 异步电动机端电压与转矩-转差率特性曲线的关系

表3-5 主要负荷和控制设备电压允许偏差

为了应对长时间的电压变动，常规的解决方法包括：

1.减小配电变压器和线路的电抗

如前指出，供电系统中电压损耗和系统中各元件（包括变压器）和线路的阻抗成正比。选择漏抗小的变压器和截面积大的导线以减少线路阻抗，以及用电缆代替架空线是减少负荷变动引起的电压偏差的重要手段。

2.采用有载或无载调压变压器

我国工厂供电系统所用的6～10kV的电力变压器多采用无载调压型，其高压侧绕组设有+5%、0%和-5%三个电压分接头，如图3-32所示。通过分接头的调整，即可调节变压器绕组的匝数，从而改变变压器的电压比，调节低压侧的电压。分接开关就是调节分接头的转换开关。这种分接开关没有切断电弧的能力，需变压器电压中断后方可调节，称为无载调压变压器，它通过调节可动轴的位置就可调节绕组的匝数，从而改变输出电压的大小。还有一种可以带负荷调节的分接开关，为防止切换绕组匝数时产生电弧，通常采用双电阻式或组合式的结构。在调压过程中，虽然切换开关不断地换接，但其动触头始终同主静触头或过渡静触头之一接通。由于过渡电阻器装在与主电路并联的过渡电路上，可以防止相邻分接头之间的绕组短路。限制过渡电路中的循环电流，从而抑制切换开关触头的电弧烧蚀程度。由于可以不停电调压，这种变压器也称为有载调压变压器。此类调压器有许多种，如接触式、移圈式、感应式及电子式等。图3-33所示为一种自动有载调压系统的原理图。电压互感器PT得到的变压器低压侧电压与自动电压调节继电器的控制系统中的给定电压信号相比较，来控制继电器对分接头进行转换，以达到使低压侧电压维持在标称电压附近的预定范围中的目的。

图3-32 10kV级三相中性点无载调压分接开关

a）结构 b）原理图

3.利用并联电容器对无功功率进行补偿

利用并联和串联电容对受电端电压进行调节是一个得到广泛应用的实践。其中串联电容由于可以降低线路电抗，减少线路压降，从而可以提高受电端电压，非常适于变动负荷的补偿。但由于基本没有改变输电线路上的无功输送容量，所以降低网损的效果比并联电容补偿要小。同时又因为容易引发铁磁谐振等异常现象，所以在调压范围中应用较少。

企业中绝大多数的用电设备是感性负荷，不仅消耗有功功率，还要从电源取用无功功率，包括负荷的无功功率和线路、变压器的无功损耗，这导致用户的功率因数均为滞后并且较低，一般在0.8以下。实际上，电力系统需要的无功功率比有功功率大，若综合有功发电最大负荷为100%、则无功总需要120%～140%。无功功率流经配电线路在电源和设备间往返交换，不仅占用了配电网的容量，并且造成线路电压损失增大，导致用户电压降低。因此，采用并联电容补偿可以通过在负荷侧安装并联电容器来提供容性无功，以减少需通过配电网提供的感性无功功率，从而达到降低网损，调整电压的目的。比如，一台容量为60Mvar的并联电容器组并接在短路容量为1000MVA的系统母线上，容量基准值取为100MVA，电压基准值取U_ref，以标幺值表示，线路阻抗为

可以补偿的电压下降为

图3-33 有载分接头转换开关的自动控制原理图

固定的并联电容器补偿虽然可以补偿感性负荷引起的电压降落，但由于配电负荷的无功功率不断变化，因此如果重负荷时，上述电容补偿所提供的容性无功功率可以抵消负荷的感性无功分量，减少配电线路的电压损耗，将负荷侧电压维持在允许范围内；轻负荷时，由于感性无功功率的减少，就有可能出现过补，造成负荷端电压升高。所以在负荷侧将电容器分组，采用开关投切（MSC）的方式，根据负荷大小改变接入系统的电容器容量来调节电压，是一个在我国得到广泛采用的实践。

但是，并联电容器虽是常用而价廉的补偿设备，但其无功出力在电压下降时将按电压的二次方值下降，不利于支撑电压，大量装设并联电容器补偿反而有增加电网电压崩溃事故发生的可能。同时，由于动作速度慢，不能有效地补偿由于冲击负荷引起的无功功率的快速变化。采用FACTS装置快速和连续地对无功功率进行适当的调节控制，在国内外得到越来越广泛的关注和应用。

参考文献[14]指出，对于实际线路故障时所存在的一些模糊认识，比如一些教科书列举的例子中，假定发生短路故障时系统电压并不降到零，但实际系统故障时的测量结果往往为零。另外，线路自动重合闸从检测到故障到动作的时间非常短，认为配电线路中自动重合闸动作的时间比输电线路要慢的观点实际上也是错误的。

有关并联电容进行无功功率补偿的更详细的讨论将在第5章展开。