1.3 电力系统的电压与电能质量

电力系统中的所有设备，都是在一定的电压和频率下工作的。电压和频率是衡量电能质量的两个基本参数。

我国一般交流电力设备的额定频率为50Hz，此频率通称为“工频”（工业频率）。按电力工业部1996年发布施行的《供电营业规则》规定：在电力系统正常情况下，工频的频率偏差一般不得超过±0.5Hz。如果电力系统容量达到300万kW 或以上时，频率偏差则不得超过±0.2Hz。在电力系统非正常状况下，频率偏差不应超过±1Hz。但是频率的调整，主要依靠发电厂来调整发电机的转速。

对工厂供电系统来说，提高电能质量主要是提高电压质量的问题。电压质量是按照国家标准或规范对电力系统电压的偏差、波动、波形及其三相的对称性（平衡性）等的一种质量评估。电压偏差是指电气设备的端电压与其额定电压之差，通常以其对额定电压的百分值来表示。

电压波动是指电网电压有效值（方均根值）的快速变动。电压波动值以用户公共供电点在时间上相邻的最大与最小电压方均根值之差对电网额定电压的百分值来表示。电压波动的频率用单位时间内电压波动（变动）的次数来表示。

电压波形的好坏，以其对正弦波形畸变的程度来衡量。

三相电压的平衡情况，以其不平衡度来衡量。

1.3.1三相交流电网和电力设备的额定电压

按GB/T156-2007《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。表中的变压器一、二次绕组额定电压，是依据我国电力变压器标准产品规格确定的。

(一) 电网(电力线路)的额定电压

电网(电力线路)的额定电压(标称电压)等级,是国家根据国民经济发展的需要和电力工业发展的水平，经全面的技术经济分析后确定的.它是确定各类电力设备额定电压的基本依据.

(二) 用电设备的额定电压

由于电力线路运行时（有电流通过时）要产生电压降，所以线路上各点的电压略有不同，如图1-12中虚线所示。但是批量生产的用电设备，其额定电压不可能按使用处线路的实际电压来制造，而只能按线路首端与末端的平均电压即电网的额定电压UN（N为英文nominal的缩写）来制造。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。

但是在此必须指出：按GB/T11022-1999《高压开关设备和控制设备标准的共同技术要求》规定，高压开关设备和控制设备的额定电压按其允许的最高工作电压来标注，即其额定电压不得小于它所在系统可能出现的最高电压，如表1-2所示。我国现在生产的高压设备大多已按此新规定标注。

表1-1  我国三相交流电网和电力设备的额定电压

(三) 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，因此为了维持线路的平均电压在额定电压值，线路首端(电源端)的电压应较线路额定电压高5%，而线路末端电压则较线路额定电压低5%，如图1-12所示。所以发电机额定电压按规定应高于同级电网（线路）额定电压5%。

(四) 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：(1)当变压器直接与发电机相连时，如图1-13中的变压器T1，其一次绕组额定电压应与发电机额定电压相同，即高于同级电网额定电压5%。(2)当变压器不与发电机相连而是连接在线路上时，如图1-13中的变压器T2，则可将它看作是线路的用电设备，因此其一次绕组额定电压应与电网额定电压相同。

2. 电力变压器二次绕组的额定电压

亦分两种情况：(1)变压器二次侧供电线路较长，如为较大的高压电网时，如图1-13中的变压器T1，其二次绕组额定电压应比相连电网额定电压高10%，其中有5%是用于补偿变压器满负荷运行时绕组内部的约5%的电压降，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；此外，变压器满负荷时输出的二次电压还要高于电网额定电压5%，以补偿线路上的电压损耗。(2)变压器二次侧供电线路不长，如为低压电网或直接供电给高低压用电设备时，如图1-13中的变压器T2，其二次绕组额定电压只需高于电网额定电压5%，仅考虑补偿变压器满负荷时绕组内部5%的电压降。

(五) 电压高低的划分

我国现在统一以1000V（或略高，如GB1497-1985《低压电器基本标准》规定：交流50Hz、额定电压1200V及以下或直流额定电压1500V及以下的电器，属于其标准所指的低压电器）为界线来划分电压的高低，如前表1-1所示：

低压——指额定电压在1000V及以下者；

高压——指额定电压在1000V以上者。

此外，尚有细分为低压、中压、高压、超高压和特高压者：1000V及以下为低压；1000V至10kV或35kV为中压；35kV或以上至110kV或220kV为高压；220kV或330kV及以上为超高压；800kV及以上为特高压。不过这种电压高低的划分，尚无统一标准，因此划分的界线并不十分明确。

1.3.2电能质量

一.电压偏差及调整

(一) 电压偏差的有关概念

1. 电压偏差的含义

电压偏差又称电压偏移，是指给定瞬间设备的端电压Ｕ与设备额定电压ＵＮ之差对额定电压ＵＮ的百分值，即

                          (1-1)

２. 电压对设备运行的影响

 (１) 对感应电动机的影响　当感应电动机端电压较其额定电压低10％时，由于转矩Ｍ与端电压Ｕ平方成正比()，因此其实际转矩将只有额定转矩的81％，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一倍以上，从而明显地缩短电机的使用寿命。而且由于转矩减小，转速下降，不仅会降低生产效率，减少产量，而且还会影响产品质量，增加废、次品。当其端电压较其额定电压偏高时，负荷电流和温升也将增加，绝缘相应受损，对电机同样不利，也要缩短其使用寿命。

(２) 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，由于转矩也要按电压平方成正比变化，因此同步电动机的电压偏差，除了不会影响其转速外，其他如对转矩、电流和温升等的影响，均与感应电动机相同。

(３) 对电光源的影响　电压偏差对白炽灯的影响最为显著。当白炽灯的端电压降低10%时，灯泡的使用寿命将延长2～3倍，但发光效率将下降30% 以上，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。当其端电压升高10% 时，发光效率将提高1/3，但其使用寿命将大大缩短，只有原来的1/3左右。电压偏差对荧光灯及其他气体放电灯的影响不像对白炽灯那样明显，但也有一定的影响。当其端电压偏低时，灯管不易启燃。如果多次反复启燃，则灯管寿命将大受影响；而且电压降低时，照度下降，影响视力工作。当其电压偏高时，灯管寿命又要缩短。

3. 允许的电压偏差

GB50052－1995《供配电系统设计规范》规定，在系统正常运行情况下，用电设备端子处的电压偏差允许值(以额定电压的百分数表示)宜符合下列要求：

(1) 电动机为±5%；

(2) 电气照明：在一般工作场所为±5%；对于远离变电所的小面积一般工作场所，难以满足上述要求时，可为＋ 5%～ 10%；应急照明、道路照明和警卫照明等，为＋ 5% ～ 10%。

(3) 其他用电设备，当无特殊规定时为±5%。

(二) 电压调整的措施

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（一次绕组）有UN±5%的电压分接头，并装设有无载调压分接开关，如图1-14所示。如果设备端电压偏高，则应将分接开关换接到+5%的分接头，以降低设备端电压。如果设备端电压偏低，则应将分接开关换接到-5%的分接头，以升高设备端电压。但是这只能在变压器无载条件下进行调节，使设备端电压较接近于设备额定电压，而不能按负荷的变动实时地自动调节电压。如果用电负荷中有的设备对电压偏差要求严格，采用无载调压型变压器满足不了要求，而这些设备单独装设调压装置在技术经济上又不合理时，可以采用有载调压型变压器，使之在负荷情况下自动调节电压，保证设备端电压的稳定。

图1-11 电力变压器的分接开关

a) 分接开关接线      b) 分接开关结构

1-帽  2-密封垫圈  3-操动螺母  4-定位钉  5-绝缘盘   6-静触头  7-动触头

(2) 合理减小系统的阻抗    由于供电系统中的电压损耗与系统中各元件包括变压器和线路的阻抗成正比，因此可考虑减少系统的变压级数、适当增大导线电缆的截面或以电缆取代架空线等来减小系统阻抗，降低电压损耗，从而减小电压偏差，达到电压调整的目的。但是增大导线电缆的截面及以电缆取代架空线，要增加线路投资，因此应进行技术经济的分析比较，合理时才采用。

(3) 合理改变系统的运行方式    在一班制或两班制的工厂或车间中，工作班的时间内，负荷重，往往电压偏低， 因此需要将变压器高压绕组的分接头调在-5%的位置上。但这样一来，到晚上负荷轻时，电压就会过高。这时如能切除变压器，改用与相邻变电所相连的低压联络线供电，既可减少这台变压器的电能损耗，又可由于投入低压联络线而增加线路的电压损耗，从而降低所出现的高电压。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，同样可起到降低电压过高的作用。

(4) 尽量使系统的三相负荷均衡    在有中性线的低压配电系统中，如果三相负荷分布不均衡，则将使负荷端中性点电位偏移，造成有的相电压升高，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。

(5) 采用无功功率补偿装置    电力系统中由于存在大量的感性负荷，如电力变压器、感应电动机、电焊机、高频炉、气体放电灯等，因此会出现相位滞后的无功功率，导致系统的功率因数降低及电压损耗和电能损耗增大。为了提高系统的功率因数，降低电压损耗和电能损耗，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，以补偿系统中相位滞后的无功功率。这些专门用于补偿无功功率的并联电容器和同步补偿机，统称为无功补偿设备。由于并联电容器无旋转部分，具有安装简便、运行维护方便、有功损耗小、组装灵活和便于扩充等优点，因此并联电容器在工厂供电系统中获得了广泛的应用。但必须指出，采用专门的无功补偿设备，虽然电压调整的效果显著，却增加了额外投资，因此在进行电压调整时，应优先考虑前面所述各项措施，以提高供电系统的经济效果。

二.电压波动及抑制

(一) 电压波动的有关概念

1. 电压波动的含义

电压波动是指电网电压有效值（方均根值）的连续快速变动。

电压波动值，以用户公共供电点在时间上相邻的最大与最小电压有效值U max与U min之差对电网额定电压UN的百分值来表示，即

2. 电压波动的产生与危害

电压波动是由于负荷急剧变动的冲击性负荷所引起。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。例如电动机的启动、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投入运行，均会引起电网电压的波动。

电网电压波动可影响电动机的正常启动，甚至使电动机无法启动；会引起同步电动机的转子振动；可使电子设备和电子计算机无法正常工作；可使照明灯光发生明显的闪变，严重影响视觉，使人无法正常生产、工作和学习。因此GB12326－2000《电能质量·电压波动和闪变》规定了电力系统连接点的电压波动和闪变的限值。

(二) 电压波动的抑制措施

 抑制电压波动可采取下列措施：

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

(2) 设法增大供电容量，减小系统阻抗，例如将单回路线路改为双回路线路，或将架空线路改为电缆线路等，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)对大容量电弧炉的炉用变压器，宜由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) 对大型冲击性负荷，如果采取上列措施仍达不到要求时，可装设能“吸收”冲击性无功功率的静止型无功补偿装置（static  var  compensator，缩写SVC）。SVC是一种能吸收随机变化的冲击性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）的效能最好，其电子元件少，可靠性高，反应速度快，维护方便经济，且我国一般变压器厂均能制造，是最适于在我国推广应用的一种SVC。

三.电网谐波及其抑制

(一) 电网谐波的有关概念

1. 电网谐波的含义

谐波（harmonic），是指对周期性非正弦交流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，而基波是指其频率与工频（50Hz）相同的分量。

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，，可认为其波形基本上是正弦量，即电压波形中基本上无直流和谐波分量。但是由于电力系统中存在着各种各样的谐波源，特别是大型变流设备和电弧炉等的日益广泛应用，使得谐波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。

2. 谐波的产生与危害

电网谐波的产生，主要在于电力系统中存在各种非线性元件。因此，即使电力系统中电源的电压波形为正弦波，也会由于非线性元件的存在，使得电网中总有谐波电流或电压存在。产生谐波的电气元件很多，例如荧光灯和高压钠灯等气体放电灯、感应电动机、电焊机、变压器和感应电炉等，都要产生谐波电流或电压。最为严重的是大型晶闸管变流设备和大型电弧炉，它们产生的谐波电流最为突出，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，可使变压器铁心损耗明显增加，从而使变压器出现过热，缩短其使用寿命。谐波电流通过交流电动机，不仅会使电动机的铁心损耗明显增加，而且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。谐波对电容器的影响更为突出，谐波电压加在电容器两端时，由于电容器对于谐波的阻抗很小，因此电容器很容易过负荷甚至烧毁。此外，谐波电流可使电力线路的电能损耗和电压损耗增加；可使计量电能的感应式电能表计量不准确；可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；还可能造成系统的继电保护和自动装置发生误动作；并可对附近的通信设备和通信线路产生信号干扰。因此GB/T14549－1993《电能质量·公用电网谐波》对谐波电压限值和谐波电流允许值均作了规定。

(二) 电网谐波的抑制

抑制电网谐波，可采取下列措施：

(1) 三相整流变压器采用Yd或Dy联结  由于3次及3的整数倍次谐波在三角形联结的绕组内形成环流，而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Yd或Dy联结的三相整流变压器，能使注入电网的谐波电流中消除3次及3的整数倍次的谐波电流。又由于电力系统中的非正弦交流电压或电流通常是正、负两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Yd或Dy联结的整流变压器后，注入电网的谐波电流只有5、7、11…等次谐波。这是抑制高次谐波最基本的方法。

(2) 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，其次数低的谐波被消除的也越多。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相时，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%,都差不多减少了75%。由此可见，增加整流相数对高次谐波抑制的效果相当显著。

(3) 使各台整流变压器二次侧互有相角差  多台相数相同的整流装置并列运行时，使其整流变压器的二次侧互有适当的相角差，这与增加二次侧的相数效果相类似，也能大大减少注入电网的高次谐波。

(4) 装设分流滤波器  在大容量静止“谐波源”（如大型晶闸管整流器）与电网连接处，装设如图1-15所示的分流滤波器，使滤波器的各组R-L-C回路分别对需要消除的5、7、11…等次谐波进行调谐，使之发生串联谐振。由于串联谐振回路的阻抗极小，从而使这些次数的谐波电流被它分流吸收而不致注入到公用电网中去。

(5) 选用Dyn11联结组三相配电变压器  由于Dyn11联结的变压器高压绕组为三角形联结，使3次及3的整数倍次的高次谐波在绕组内形成环流而不致注入到高压电网中去，从而抑制了高次谐波。

(6) 其他抑制谐波的措施  例如限制电力系统中接入的变流设备和交流调压装置的容量，或提高对大容量非线性设备的供电电压，或者将“谐波源”与不能受干扰的负荷电路从电网的接线上分开，都能有助于谐波的抑制或消除。

图1-12装设分流滤波器吸收高次谐波

三. 三相不平衡及其改善

(一) 三相不平衡的产生及其危害

在三相供电系统中，如果三相的电压或电流幅值或有效值不等，或者三相的电压或电流相位差不为120°时，则称此三相电压或电流不平衡。

三相供电系统在正常运行方式下出现三相不平衡的主要原因，是三相负荷不平衡所引起的。

不平衡的三相电压或电流，按对称分量法，可分解为正序分量、负序分量和零序分量。由于负序分量的存在，就使三相系统中的三相感应电动机在产生正向转矩的同时，还产生一个反向转矩，从而降低电动机的输出转矩，并使电机绕组电流增大，温升增高，缩短电动机的使用寿命。对三相变压器来说，由于三相电流不平衡，当最大相电流达到变压器额定电流时，其他两相却低于额定值，从而使变压器容量不能得到充分利用。对多相整流装置来说，三相电压不对称，将严重影响多相触发脉冲的对称性，使整流装置产生较大的谐波，进一步影响电能质量。

(二) 电压不平衡度及其允许值

电压不平衡度，用电压负序分量的方均根值U 2 与电压正序分量的方均根值U1 的百分比值来表示，即

                                       （1-3）

GB/T15543-1995《电能质量·三相电压允许不平衡度》规定：

(1) 正常允许2%，电压不平衡度短时不超过4%；

(2) 接于公共连接点的每个用户电压不平衡度一般不得超过1.3%。

(三) 改善三相不平衡的措施

(1) 使三相负荷均衡分配  在供配电设计和安装中，应尽量使三相负荷均衡分配。三相系统中各相装设的单相用电设备容量之差应不超过15%。

(2) 使不平衡负荷分散连接  尽可能将不平衡负荷接到不同的供电点，以减少其集中连接造成电压不平衡度可能超过允许值的问题。

(3) 将不平衡负荷接入更高电压的电网  由于更高电压的电网具有更大的短路容量，因此接入不平衡负荷时对三相不平衡度的影响可大大减小。例如电网短路容量大于负荷容量50倍时，就能保证连接点的电压不平衡度小于2%。

(4) 采用三相平衡化装置  三相平衡化装置包括具有分相补偿功能的静止型无功补偿装置（SVC）和静止无功电源（static  var  generator，缩写SVG）。SVG基本上不用储能元件，而是充分利用三相交流电的特点，使能量在三相之间及时转移来实现补偿。与SVC相比，SVG可大大减小平衡化装置的体积和材料消耗，而且响应速度快，调节性能好，它综合了无功补偿、谐波抑制和改善三相不平衡的优点，是值得推广应用的一种先进产品。

四. 工厂供配电电压的选择

(一) 工厂供电电压的选择

工厂供电的电压，主要取决于当地电网的供电电压等级，同时也要考虑工厂用电设备的电压、容量和供电距离等因素。由于在同一输送功率和输送距离条件下，供电电压越高，则线路电流越小，从而使线路导线或电缆截面越小，可减少线路的投资和有色金属消耗量。各级电压电力线路合理的输送功率和输送距离，如表1-3所示。

表1-3  各级电压线路合理的输送功率和输送距离

《供电营业规则》规定：供电企业（指供电电网）供电的额定电压，低压有单相220V，三相380V；高压有10、35（66）、110、220kV。并规定：除发电厂直配电压可采用3kV或6kV外，其他等级的电压应逐步过渡到上述额定电压。如果用户需要的电压等级不在上列范围时，应自行采用变压措施解决。用户需要的电压等级在110kV及以上时，其受电装置应作为终端变电所设计，其方案需经省电网经营企业审批。

(二) 工厂高压配电电压的选择

工厂供电系统的高压配电电压，主要取决于工厂高压用电设备的电压和容量、数量等因素。

工厂采用的高压配电电压通常为10kV。如果工厂拥有相当数量的6kV用电设备，或者供电电源电压就是从邻近发电厂取得的6.3kV直配电压，则可考虑采用6kV作为工厂的高压配电电压。如果不是上述情况，或者6kV用电设备不多时，则应仍用10kV作高压配电电压，而少数6kV用电设备则通过专用的10/6.3kV变压器单独供电。3kV不能作为高压配电电压。如果工厂有3kV用电设备，则应通过10/3.15kV变压器单独供电。

如果当地电网供电电压为35kV，而厂区环境条件又允许采用35kV架空线路和较经济的35kV电气设备时，则可考虑采用35kV作为高压配电电压深入工厂各车间负荷中心，并经车间变电所直接降为低压用电设备所需的电压。这种高压深入负荷中心的直配方式，可以省去一级中间变压，大大简化供电系统接线，节约投资和有色金属，降低电能损耗和电压损耗，提高供电质量，因此有一定的推广价值。但必须考虑厂区要有满足35kV 架空线路深入各车间负荷中心的“安全走廊”，以确保安全。

(三) 工厂低压配电电压的选择

工厂的低压配电电压，一般采用220/380V，其中线电压380V接三相动力设备及额定电压为380V的单相用电设备，相电压220V接额定电压为220V的照明灯具和其他单相用电设备。但某些场合宜采用660V或1140V作为低压配电电压，例如在矿井下，其负荷中心往往离变电所较远，因此为保证负荷端的电压水平而采用660V甚至1140V电压配电。采用660V或1140V配电，较之采用380V配电，可以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，降低线路的投资和有色金属消耗量，增加供电半径，提高供电能力，减少变压点，简化配电系统。因此提高低压配电电压有明显的经济效益，是节电的有效措施之一，这在世界各国已成为发展趋势。但是将380V升高为660V，需电器制造部门乃至其他有关部门全面配合，我国目前尚难实现。目前660V电压只限于采矿、石油和化工等少数企业中采用，1140V电压只限于井下采用。至于220V电压，现已不作为三相配电电压，只作为单相配电电压和单相用电设备的额定电压。