5 电压选择和电能质量

5.0.1 用户需要的功率大，供电电压应相应提高，这是一般规律。
    选择供电电压和输送距离有关，也和供电线路的回路数有关。输送距离长，为降低线路电压损失，宜提高供电电压等级。供电线路的回路多，则每回路的送电容量相应减少，可以降低供电电压等级。用电设备特性，例如波动负荷大，宜由容量大的电网供电，也就是要提高供电电压的等级。还要看用户所在地点的电网提供什么电压方便和经济。所以，供电电压的选择，不易找出统一的规律，只能定原则。
5.0.2 目前我国公用电力系统除农村和一些偏远地区还有采用3kV和6kV外，已基本采用10kV,特别是城市公用配电系统，更是全部采用10kV。因此，采用10kV有利于互相支援，有利于将来的发展。故当供电电压为35kV及以上时，企业内部的配电电压宜采用10kV；并且采用10kV配电电压可以节约有色金属，减少电能损耗和电压损失等，显然是合理的。
    当企业有6kV用电设备时，如采用10kV配电，则其6kV用电设备一般经10kV/6kV中间变压器供电。例如在大、中型化工厂，6kV高压电动机负荷较大，则10kV方案中所需的中间变压器容量及损耗就较大，开关设备和投资也增多，采用10kV配电电压反而不经济，而采用6kV是合理的。
    由于各类企业的性质、规模及用电情况不一，6kV用电负荷究竟占多大比重时宜采用6kV，很难得出一个统一的规律。因此，条文中没有规定此百分数，有关部门可视各类企业的特点，根据技术经济比较，企业发展远景及积累的成熟经验确定。
    当企业有3kV电动机时，应配用10kV/3kV、6kV/3kV专用变压器，但不推荐3kV作为配电电压。
    在供电电压为220kV或110kV的大型企业内，例如重型机器厂，可采用三绕组主变压器，以35kV专供大型电热设备，以10kV作为动力和照明配电电压。
    660V电压目前在国内煤矿、钢铁等行业已有应用，国内开关、电机等配套设备制造技术也已逐渐成熟。660V电压与传统的380V电压相比绝缘水平相差不大，两者电机设备费用也大体相当。从工业生产方面看，采用660V电压，可将原采用10kV、6kV供电的部分设备改用660V供电，从而降低工程设备投资，同时，将低压供电电压由380V提高到660V，又可改善供电质量。但从安全方面讲，电压越低，使用越安全。由于目前国内大多数行业仍习惯于380V/220V电压，因此，本标准提出对工矿企业也可采用660V电压。
    在内科诊疗术室、手术室等特殊医疗场所和对电磁干扰有特殊要求的精密电子设备室等场所，为防止误触及电气系统部件而造成人身伤害，或因电磁干扰较大引起控制功能丧失或混乱从而造成重大设备损毁或人身伤亡，可采用安全电压进行配电。安全电压通常可采用42、36、24、12、6V。
5.0.3 随着经济的发展，企业的规模在不断变大，在一些特大型的化工、钢铁等企业，企业内车间用电负荷非常大，采用10kV电压已难以满足用电负荷对电压降的要求，而采用35kV或以上电压作为一级配电电压既能满足企业的用电要求，也比采用较低电压能减少配变电级数、简化接线。因此，采用35kV或以上电压作为配电电压对这类用户更为合理。对这类用户，可采用若干个35kV或相应供电电压等级的降压变电所分别设在车间旁的负荷中心位置，并以35kV或相应供电电压等级的电压线路直接在厂区配电，而不采用设置大容量总降压变电所以较低的电压配电。这样可以大大缩短低压线路，降低有色金属和电能消耗量。
    又如某些企业其负荷不大但较集中，均为低压用电负荷，因工厂位于郊区取得10、6kV电源困难，当采用35kV供电，并经35kV/0.38kV降压变压器对低压负荷配电，这样可以减少变电级数，从而可以节省电能和投资，并可以提高电能质量，此时，宜采用35kV电压作为配电电压。
    当然，35kV以上电压作为企业内直配电压，投资高、占地多，而且还受到设备、线路走廊、环境条件的影响，因此宜慎重确定。
5.0.4 电压偏差问题是普遍关系到全国工业和生活用户利益的问题，并非仅关系某一部门。从政策角度来看，则是贯彻节能方针和逐步实现技术现代化的问题。为使用电设备正常运行并具有合理的使用寿命，设计供配电系统时应验算用电设备对电压偏差的要求。
    在各用户和用户设备的受电端都存在一定的电压偏差范围。同时，由于用户和用户本身负荷的变化，此一偏差范围往往会增大。因此，在供配电系统设计中，应了解电源电压和本单位负荷变化的情况，进行本单位电动机、照明等用电设备电压偏差的计算。
    条文中的电压偏差允许值，电动机系根据现行国家标准《旋转电机定额和性能》GB 755的有关规定确定的；照明系根据现行国家标准《建筑照明设计标准》GB 50034中的有关规定确定的。
    对于其他用电设备，其允许电压偏差的要求应符合用电设备制造标准的规定；当无特殊规定时，根据一般运行经验及考虑与电动机、照明对允许电压偏差基本一致，故条文规定为±5％额定电压。
    用电设备，尤其是用的最多的异步电动机，端子电压如偏离现行国家标准《旋转电机定额和性能》GB 755规定的允许电压偏差范围，将导致它们的性能变劣，寿命降低，及在不合理运行下增加运行费用，故要求验算端电压。
    对于少数距电源较远的电动机，如电动机端电压低于额定值的95％时，仍能保证电动机温升符合现行国家标准《旋转电机定额和性能》GB 755的规定，且堵转转矩、最小转矩、最大转矩均能满足传动要求时，则电动机的端电压可低于95％，但不得低于90％，即电动机的额定功率适当选得大些，使其经常处于轻载状态，这时电动机的效率比满载时低，但要增加电网的无功负荷。
    下面列举国外这方面的数据以供比较：
    美国标准——美国电动机的标准(NEMA标准)规定电动机允许电压偏差范围为±10％，美国供电标准也为±10％，参见第5.0.6条说明。
    英国标准BS4999第31部分规定：电动机在电压为95％～105％额定电压范围内应能提供额定功率；在英国本土(UK)使用的电动机，按供电规范的要求，其范围应为94％～106％(供电规范中规定±6％)。
    澳大利亚标准与英国基本一样，为±6％。
    在我国，根据现行国家标准《电能质量供电电压允许偏差》GB/T12325，各级电压的供电电压允许偏差也有一定规定，这些数值是指供电部门电网对用户供电处的数值，也是根据我国电网目前水平所制定的标准，当然与设备制造标准有差异、有矛盾。因而在上述标准内也增加了第(4)条内容，即“对供电电压允许偏差有特殊要求的用户，由供用电双方协议确定”。
5.0.5 产生电压偏差的主要因素是系统滞后的无功负荷所引起的系统电压损失。因此，当负荷变化时，相应调整电容器的接入容量就可以改变系统中的电压损失，从而在一定程度上缩小电压偏差的范围。调整无功功率后，电压损失的变化可按下式计算：

对于线路：
对于变压器：

式中：△Q_c——增加或减少的电容器容量（kvar）；

          X₁ ——线路电抗（Ω）；

          E_k——变压器短路电压（％）；

          U_k——线路电压（kV）；

          S_T——变压器容量（kV·A）。

    并联电抗器的投入量可以看作是并联电容器的切除量。计算式同上。
    并联电抗器在35kV以上区域变电所或大型企业的变电所内有时装设，用于补偿各级电压上并联电容器过多投入和电缆电容等形成的超前电流，抑制轻负荷时电压过高效果也很好，中小型企业的变电所无此装置。
    同样，与调整电容器和电抗器容量的原理相同，如调整同步电动机的励磁电流，使同步电动机超前或滞后运行，籍以改变同步电动机产生或消耗的无功功率，也同样可以达到电压调整的目的。
    一班制、二班制或以二班制为主的工厂，白天高峰负荷时电压偏低，因此将变压器抽头调在“-5％”位置上，但到夜间负荷轻时电压就过高，这时如切断部分负载的变压器，改用低压联络线供电，增加变压器和线路中的电压损耗，就可以降低用电设备的过高电压。在调查中不乏这样的实例。他们在轻载时切断部分变压器，既降低了变压器的空载损耗，又起到电压调整的作用。
5.0.6 图2表示供电端按逆调压、稳压(顺调压)和不调压三种运行方式用电设备端电压的比较。
    图上设定逆调压和不调压时35kV母线电压变动范围为额定电压的0～+5％；各用户的重负荷和轻负荷出现的时间大体上一致；最大负荷为最小负荷的4倍，与此相应供电元件的电压损失近似地取为4倍；35kV、10kV和380V线路在重负荷时电压损失分别为4％、2％和5％；35kV/10kV及10kV/0.38kV变压器分接头各提升电压2.5％及5％。
    由图可知，用电设备上的电压偏差在逆调压方式下可控制在+3.2％～-4.9％，在稳压方式下为+3.2％～-9.9％，不调压时则为+8.2％～-9.9％。根据此分析，在电力系统合理设计和用户负荷曲线大体一致的条件下，只在110kV区域变电所实行逆调压，大部分用户的电压质量要求就可满足。因此条文规定了“大于35kV电压的变电所中的降压变压器，直接向35、10、6kV电网送电时”应采用有载调压变压器，变电所一般是公用的区域变电所，也有大企业的总变电所。反之，如果中小企业都装置有载调压变压器，不仅增加投资和维护工作量，还将影响供电可靠性，从国家整体利益看，是很不合理的。
    少数用户可能因其负荷曲线特殊，或距区域变电所过远等原因，在采用地区集中调压方式后，还不能满足电压质量要求，此时，可在35kV变电所也采用有载变压器。

图2  供电端按逆调压、稳压和不调压三种运行方式比较

    注：实线表示重负荷时的情况，虚线表示轻负荷时的情况；括号内数字为供电元件的电压损失，无括号数字为电压偏差。

    以下列出美国标准处理调压问题的资料，以供借鉴。但应注意美国电动机标准是±10％，不是±5％。从美国标准中也可以看出，他们也是从整体上考虑调压，而不是“各自为政”。
    美国电压标准(ANSI C84-1a-1980)的规定：
    1 供电系统设计要按“范围A”进行，出现“范围B”的电压偏差范围应是极少见的，出现后应即采取措施设法达到“范围A”的要求。
    2 “范围A”的要求：
        115V～120V系统：
        有照明时：用电设备处110V～125V；
        供电点114V～126V。
        无照明时：用电设备处108V～125V；
        供电点114V～126V。
        460V～480V系统(包括480V/277V三相四线制系统)：
        有照明时：用电设备处440V～500V；
        供电点456V～504V。
        无照明时：用电设备处432V～500V；
        供电点456V～504V。
        13200V系统：供电点12870V～13860V。
    3 电动机额定电压：115、230、460V等。
    照明额定电压：120、240V等。
    从美国电压标准中计算出的电压偏差百分数：
    对电动机：用电设备处(电机端子)无照明时+8.7％、-6％；
    有照明时+8.7％、-4.4％；
    供电点+9.6％、-0.9％。
    对照明：用电设备处+4.2％、-8.3％；
    供电点+5％、-5％。
    对高压电源(额定电压按13200V)：照明+5％、-2.5％；电动机+9.6％、-1.7％。
5.0.7 基于第5.0.6条所述原因，10、6kV变电所的变压器不必有载调压。条文中指出，在符合更严格的条件时，10、6kV变电所才可有载调压。
5.0.8 在区域变电所实行逆调压方式可使用电设备的受电电压偏差得到改善，详见本规范第5.0.6条说明。但只采用有载调压变压器和逆调压是不够的，同时应在有载调压后的电网中装设足够的可调整的无功电源(电力电容器、调相机等)。因为当变电所调高输送电压后，线路中原来的有功负荷和无功负荷都相应增加，尤其是因网路的电抗相当大，网路中的变压器电压损失和线路电压损失的增加量均与无功负荷增加量成正比，可以抵消变压器调高电压的效果，所以在回路中应设置无功电源以减小无功负荷，并应可调，方能达到预期的调压效果。计算电压损失变化的公式见本规范第5.0.5条说明。
    逆调压的范围规定为0～+5％，本规范第5.0.6条文说明图中证明用电设备端子上已能达到电压偏差为±5％的要求。我国现行的变压器有载调压分接头，220、110、63kV均为8×1.25％，35kV为±3×2.5％，10、6kV为±4×2.5％。
5.0.9 在供配电系统设计中，正确选择供电元件和系统结构，就可以在一定程度上减少电压偏差。
    由于电网各点的电压水平高低不一，合理选择变压器的变比和电压分接头，即可将供配电系统的电压调整在合理的水平上。
    但这只能改变电压水平而不能缩小偏差范围。
    供电元件的电压损失与其阻抗成正比，在技术经济合理时，减少变压级数，增加线路截面，采用电缆供电，或改变系统运行方式，可以减少电压损失，从而缩小电压偏差范围。
    合理补偿无功功率可以缩小电压偏差范围，见本规范5.0.5说明。若因过补偿而多支出费用，也是不合理的。
    在三相四线制中，如三相负荷分布不均(相线对中性线)，将产生零序电压，使零点移位，一相电压降低，另一相电压升高，增大了电压偏差，如图3所示。由于Y，yn0接线变压器零序阻抗较大，不对称情况较严重，因此应尽量使三相负荷分布均匀。
    同样，线间负荷不平衡，则引起线间电压不平衡，增大了电压偏差。

图3  不对称电压向量图

5.0.11 电弧炉等波动负荷引起的电压波动和闪变对其他用电设备影响甚大，如照明闪烁，显像管图像变形，电动机转速不均，电子设备、自控设备或某些仪器工作不正常，从而影响正常生产，因而应积极采取措施加以限制。
      1、2 这两款是考虑线路阻抗的作用。
      3 本款是考虑变压器阻抗的作用。波动负荷以弧焊机为例，机器制造厂焊接车间或工段的弧焊机群总容量很大时，宜由专用配电变压器供电。当然，对电压波动和闪变比较敏感的负荷也可以采用第5款的措施。
      4 有关炼钢电弧炉引起电压波动的标准，在我国，现行国家标准《电热设备电力装置设计规范》GB 50056对电弧炉工作短路引起的供电母线的电压波动值作了限制的规定。本款规定“对于大功率电弧炉的炉用变压器，由短路容量较大的电网供电”，一般就是由更高电压等级的电网供电。但在电压波动能满足限制要求时，应选用一次电压较低的变压器，有利于保证断路器的频繁操作性能。当然也可以采取其他措施，例如：
         1) 采用电抗器，限制工作短路电流不大于电炉变压器额定电流的3.5倍(将降低钢产量)。
         2) 采用静止补偿装置。静止补偿装置对大功率电弧炉或其他大功率波动性负荷引起的电压波动和闪变以及产生的谐波有很好的补偿作用，但它的价格昂贵，故在条文中不直接推荐。
      5 采用动态补偿或调节装置，直接对波动电压和电压闪变进行动态补偿或调解，以达到快速改善电压的目的。为使人们了解静止补偿装置(SVC，static var compensator)、动态无功补偿装置和动态电压调节装置，现将其使用状况作简要介绍。
    1 静止补偿装置(SVC)。
    国际上在20世纪60年代就采用SVC，近几年发展很快，在输电工程和工业上都有应用。SVC的类型有：
    PC/TCR(固定电容器/晶闸管控制电抗器)型；
    TSC(晶闸管投切电容器)型；
    TSC/TCR型；
    SR(自饱和电抗器)型。
    其中PC/TCR型是用的较多的一种。
    TCR和TSC本身产生谐波，都附有消除设施。
    自饱和电抗器型SVC的特点有：
        1) 可靠性高。第四届国际交流与直流输出会议于1985年9月在伦敦英国电机工程师学会(IEE)召开，SVC是会议的三个中心议题之一。会议上专家介绍，自饱和电抗器式与晶闸管式SVC的事故率之比为1:7。
        2) 反映速度更快。
        3) 维护方便，维护费用低。
        4) 过载能力强。会议上专家又介绍实例，容量为192Mvar的SVC，可过载到800Mvar(大于4倍)，持续0.5s而无问题。如晶闸管式SVC要达到这样大的过载能力，需大大放大阀片的尺寸，从而大幅度提高了成本。
        5) 自饱和电抗器有其独特的结构特点，例如：三相的用9个芯柱，线圈的连接也比较特殊，目的是自身平衡5次、7次等高次谐波，还采用一个小型的3柱网形电抗器(Mesh Reactor)来减少更高次谐波的影响。但其制造工艺和电力变压器是相同的，所以一般电力变压器厂的生产设备、制造工艺和试验设备都有条件制造这种自饱和电抗器。
        6) 自饱和电抗器的噪音水平约为80dB，需要装在隔音室内。
        7) 成套的SVC没有一定的标准，但组成SVC的各项部件则有各自的标准，如自饱和电抗器的标准大部分和电力变压器相同，只是饱和曲线的斜率、谐波和噪声水平等的规定有所不同。
    由于自饱和电抗器的可靠性高、电子元件少、维护方便，同时我国有一定条件的电力变压器厂都能制造，所以我国应迅速发展自饱和电抗器式的SVC。
    我国原能源部电力科学研究院研制成功的两套自饱和电抗器式SVC已用于轧机波动负荷的补偿。
    2 动态无功补偿装置。
    动态无功补偿装置是在原静止无功补偿装置的基础上，采用成熟、可靠的晶闸管控制电抗器和固定电容器组，即TCR+FC的典型结构，准确迅速地跟踪电网或负荷的动态波动，对变化的无功功率进行动态补偿。动态无功补偿装置克服了传统的静态无功补偿装置响应速度慢及机械触点经常烧损等缺点，动态响应速度小于20ms，控制灵活，能进行连续、分相和近似线性的无功功率调节，具有提高功率因数、降低损耗、稳定负载电压、增加变压器带载能力及抑制谐波等功能。
    3 动态电压调节装置。
    动态电压调节装置(DVR，dynamic voltage regulator)，也称作动态电压恢复装置(dynamic voltage restorer)，是一种基于柔性交流输电技术(Flexible AC Transmission Systern，简称FACTS)原理的新型电能质量调节装置，主要用于补偿供电电网产生的电压跌落、闪变和谐波等，有效抑制电网电压波动对敏感负载的影响，从而保证电网的供电质量。
    串联型动态电压调节器是配电网络电能质量控制调节设备中的代表。DVR装置串联在系统与敏感负荷之间，当供电电压波形发生畸变时，DVR装置迅速输出补偿电压，使合成的电压动态维持恒定，保证敏感负荷感受不到系统电压波动，确保对敏感负荷的供电质量。
    与以往的无功补偿装置如自动投切电容器组装置和SVC相比具有如下特点：
        1) 响应时间更快。以往的无功补偿装置响应时间为几百毫秒至数秒，而DVR为毫秒级。
        2) 抑制电压闪变或跌落，对畸变输入电压有很强的抑制作用。
        3) 抑制电网产生的谐波。
        4) 控制灵活简便，电压控制精准，补偿效果好。
        5) 具有自适应功能，既可以断续调节，也可以连续调节被控系统的参数，从而实现了动态补偿。
    国外对DVR技术的研究开展得较早，形成了一系列的产品并得到广泛应用。西屋(Westinghouse)公司于1996年8月为美国电科院(EPRI)研制了世界上第一台DVR装置并成功投入工业应用；随后ABB、西门子等公司也相继推出了自己的产品，由ABB公司为以色列一家半导体制造厂生产的容量为2×22.5MV·A、世界上最大的DVR于2000年投入运行。
    我国在近几年也开展了对DVR技术的研究工作，并相继推出了不少产品，但目前产品还主要集中于低压配电网络，高压供电网络中的产品还较少。
5.0.12 谐波对电力系统的危害一般有：
      1 交流发电机、变压器、电动机、线路等增加损耗；
      2 电容器、电缆绝缘损坏；
      3 电子计算机失控、电子设备误触发、电子元件测试无法进行；
      4 继电保护误动作或误动；
      5 感应型电度表计量不准确；
      6 电力系统干扰通信线路。
    关于电力系统的谐波限制，各工业化国家由于考虑问题不同，所采取的指标类型、限值有很大的差别。如谐波次数、低次一般取2次，最高次则取19、25、40、50次不等。有些国家不作限制，而德国只取5、7、11、13次。在所用指标上，有的只规定一个指标，如前苏联只规定了总的电压畸变值不大于5％，而美国就不同电压等级和供电系统分别规定了电压畸变值，英国则规定三级限制标准等。近期各国正在对谐波的限制不断制订更完善和严格的要求，但还没有国际公认的推荐标准。
    我国对谐波的限值标准已经制定。现行国家标准《电能质量公用电网谐波》GB/T 14549，对交流额定频率为50Hz，标称电压110kV及以下的公用电网谐波的允许值已给出了明确的限制要求。
    国外一些国家的谐波限值的具体规定如下：
    1 英国电气委员会工程技术导则G5/3。
    第一级规定：按表1规定，供电部门可不必考虑谐波电流的产生情况。
    第二级规定：设备容量如超过第一级规定，但满足下列规定时，允许接入电力系统。
        1) 用户全部设备在安装处任何相上所产生的谐波电流都不超过表2中所列的数值；
        2) 新负荷接入系统之前在公共点的谐波电压不超过表3值的75％；
        3) 短路容量不是太小。
    第三级规定：接上新负载后的电压畸变不应超过表3的规定。
    2 美国国家标准ANSI/IEEEStd 519静止换流器谐波控制和无功补偿导则，其电力系统电压畸变限值见表4及表5。
    3 日本电力会社的规定。其高次谐波电压限值见表6。
    4 德国VDEN标准。其电压畸变限值见表7。

表1  第一级规定中换流器和交流调压器最大容量

表2  第二级规定的用户接入系统处谐波电流允许值

表3  供电系统任何点的谐波电压最大允许值

表4  中压和高压电力系统谐波电压畸变限值
 
表5  460V低压系统的谐波电压畸变限值

    注：1 ρ为总阻抗/整流器支路的阻抗。
           2 AN为整流槽降面积。
           3 特殊场合指静止整流器从一相换到另一相时出现的槽降电压变化速度会引起误触发事故的场合。
    一般系统指静止整流器与一般用电设备合用的电力系统。
    专线系统指专供静止整流器与对电压波形畸变不敏感负荷的电力系统。

表6  高次谐波电压限值

表7  电压畸变限值

5.0.13 条文提出对降低电网电压正弦波形畸变率的措施，说明如下：
      1 由短路容量较大的电网供电，一般指由电压等级高的电网供电和由主变压器大的电网供电。电网短路容量大；则承受非线性负荷的能力高。
      2 ①整流变压器的相数多，整流脉冲数也随之增多。也可由安排整流变压器二次侧的接线方式来增加整流脉冲数。例如有一台整流变压器，二次侧有△和Y三相线圈各一组，各接三相桥式整流器，把这两个整流器的直流输出串联或并联(加平衡电抗)接到直流负荷，即可得到十二脉冲整流电路。整流脉冲数越高，次数低的谐波被削去，变压器一次谐波含量越小。②例如有两台Y/△·Y整流变压器，若将其中一台加移相线圈，使两台变压器的一次侧主线圈有15°相角差，两台的综合效应在理论上可大大改善向电力系统注入谐波。③因静止整流器的直流负荷一般不经常波动，谐波的次数和含量不经常变更，故应按谐波次数装设分流滤波器。滤波器由L-C-R电路组成，系列用串联谐振原理，各调谐在谐振频率为需要消除的谐波的次数。有的还装有一组高通滤波器，以消除更高次数的谐波。这种方法设备费用和占地面积较多，设计时应注意。
      3 参看本规范第7.0.7条说明。
5.0.15
    1 本款是一般设计原则。
    2 本款是向设计人员提供具体的准则，设计由公共电网供电的220V负荷时，在什么情况下可以单相供电。
    根据供电部门对每个民用用户分户计量的原则，每个民用用户单独作为一个进线点。随着人民物质生活水平的提高，家庭用电设备逐渐增多，引起民用用户的用电负荷逐渐增大。根据建设部民用小康住宅设计规范，推荐民用住宅每户按4kW～8kW设计(根据不同住房面积进行负荷功率配置)；根据各省市建设规划部门推荐的民用住宅电气设计要求，上海市每户约9kW，江苏省每户约8kW，陕西省每户约6kW～8kW，福建省每户约4kW～10kW，其中200㎡以上别墅类民用住宅每户甚至达到约12kW。
    随着技术的发展，配电变压器和配电终端产品的质量有了很大提高，能够承受一定程度的三相负荷不平衡。因此，作为一个前瞻性的设计规范，本规范将60A作为低压负荷单相、三相供电的分界，负荷线路电流小于等于60A时，可采用220V单相供电，负荷线路电流大于60A时，宜以220V/380V三相四线制供电。