Электроэнергетические системы и сети
Методические указания к лабораторным работам
для студентов очной и заочной форм обучения
направления 13.03.02 Электроэнергетика и электротехника
профиль «Электроснабжение»
Составители: Л.С. Араратьян, А.В. Крупнов
Корректор
Технический редактор
Подписано в печать | ||
Формат 60х84/16 | Бумага писчая | |
Физ. печ. л. 1,5 | Усл. печ. л. 1,5 | Уч.-изд. л. 1,3 |
Тираж 100 экз. | Заказ № | С – |
© Тверской государственный
технический университет, 2017
© Араратьян Л.С., Крупнов А.В.,
2017
Общие положения
Методические указания включают четыре лабораторные работы расчетно-экспериментального характера. В каждой из них изложены основные теоретические положения, даны описания лабораторной установки, задание, указания по выполнению работы, контрольные вопросы.
|
|
Перед выполнением лабораторной работы обязательна домашняя подготовка, которая предполагает ознакомление с методическими указаниями, а для ряда работ – составление схемы модели и расчет ее параметров.
Приступая к выполнению работы, необходимо уяснить принцип действия установки и порядок исследования, определить возможные пределы изменения параметров режима и выбрать пределы измерений применяемой аппаратуры.
Отчет о выполненной работе представляется каждым студентом. Отчет должен иметь титульный лист с указанием кафедры, названия лабораторной работы, фамилии студента и номера группы. Отчет должен содержать результаты предварительных расчетов, схемы, таблицы и графики, а также необходимые пояснения. К очередной лабораторной работе допускаются студенты, представившие отчет по предыдущей работе, заготовленный протокол на текущую работу и показавшие достаточные для выполнения опытов знания.
Во время пребывания в лаборатории студенты обязаны строго выполнять правила техники безопасности.
Указания по технике безопасности
1. Перед началом работы в лаборатории студенты должны получить у руководителя инструктаж по технике безопасности, подтвердив это росписью в журнале.
2. До начала работы студенты должны подробно ознакомиться с установкой, на которой предстоит работа, с ее техническим состоянием, обратив внимание на местоположение выключателя со стороны питающей сети.
|
|
3. В лаборатории запрещается:
3.1. трогать, включать и отключать без разрешения руководителя или лаборанта рубильники и другие приборы (от ошибочного включения может произойти несчастный случай);
3.2. касаться зажимов приборов в схеме под напряжением;
3.3. работать с незаземленным оборудованием;
3.4. оставлять без надзора установки и схемы под напряжением;
3.5. загромождать рабочее место предметами, не относящимися к выполняемой работе.
4. Включение и отключение установки по ходу работы должно быть поручено одному лицу.
5. Перед включением электрических схем необходимо убедиться в правильности положения ручек регуляторов напряжения.
6. После отключения электрических схем необходимо немедленно разрядить конденсаторы.
7. После окончания работы установку необходимо отключить и разобрать схему.
8. Студенты, работающие в лаборатории обязаны бережно относиться к установкам, приборам и оборудованию.
9. При несчастном случае необходимо оказать пострадавшему первую медицинскую помощь.
Методические указания по выполнению лабораторных работ
Лабораторная работа № 1
ИССЛЕДОВАНИЕ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ В РАДИАЛЬНОЙ СЕТИ
Цель работы
Изучение вопросов использования статических конденсаторов для регулирования напряжения в простейшей радиальной сети.
Краткие сведения
На рис. 1.1 представлена упрощенная схема замещения радиальной сети, состоящая из линии с сопротивлениями RW и XW. По линии передается мощность S H, равная мощности нагрузки.
Рис.1.1. Схема замещения участка радиальной сети
Значительная часть приемников электроэнергии, присоединяемых к электрической системе, потребляет как активную, так и реактивную мощность. Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели, а также трансформаторы, линии электропередачи (ЛЭП) и другие элементы сети, в работе которых необходимо создание магнитного поля.
Передача реактивной мощности вызывает дополнительные потери напряжения и активной мощности в сети, что непосредственно видно из следующих выражений:
где Pi, Qi – активная и реактивная мощности i -го участка ЛЭП, МВт и Мвар; Ri, Xi – активное и индуктивное сопротивления i -го участка ЛЭП, Ом; UНОМ – номинальное напряжение сети, кВ; Δ U – потеря напряжения в сети.
Следовательно, для снижения потерь мощности и для повышения напряжения у приемника необходимо уменьшать передаваемую по линии реактивную мощность. Это можно получить повышением коэффициента мощности электроприемников (ЭП) cosφЭП, путем компенсации реактивной мощности ЭП с помощью батарей статических конденсаторов (БК) или синхронных компенсаторов.
Для сети, показанной на рис. 1.1, потери напряжения и мощности равны
(1.1)
Поперечная компенсация реактивной мощности
Если к шинам потребителя подключить БК мощностью Q БК, то передаваемая по линии реактивная мощность уменьшится на величину Q БК. и станет равной Q Н – Q БК (рис. 1.2).
Рис.1.2. Схема замещения сети с поперечной компенсацией
При этом уменьшаются и потери напряжения, определяемые выражением
(1.2)
Изменяя величину мощности компенсирующего устройства, можно изменять величину потерь напряжения в сети и тем самым регулировать напряжение у потребителя. При заданном напряжении в начале линии, величина которого определяется режимом питающей сети, напряжение на шинах потребителя при любых изменениях нагрузки не должно выходить за допустимые пределы.
Потеря напряжения в сети может оказаться такой, что напряжение (1.3)
|
|
будет выходить за допустимые пределы. Наибольшие отклонения напряжения от номинального значения у потребителей возникает в режиме максимальных нагрузок. С целью повышения напряжения U 2в этом случае линию разгружают от потока реактивной мощности.
Для того чтобы определить необходимую мощность БК, подставим в (1.3) выражения (1.1) и (1.2),
(1.4)
(1.5)
приняв в (5) U 2 = U 2Ж и вычтя из (5) выражение (4):
(1.6)
Мощность компенсирующего устройства будет определяться выражением
На практике допустимо принять , поэтому будем считать, что первые два слагаемых в правой части (1.6) равны. Тогда мощность компенсирующего устройства можно найти приближенно:
(1.7)
Принцип встречного регулирования напряжения, по которому в начале линии в максимальном режиме допускается повышение напряжения на 5 – 10% от номинального, приводит к некоторому уменьшению потери напряжения в ЛЭП и существенно уменьшает мощность БК поперечной компенсации.
Продольная компенсация
Эффект повышения напряжения у потребителей можно получить последовательным включением БК, за счет компенсации индуктивного сопротивления линии. Такая компенсация, называемая продольной, наиболее эффективна в радиальных сетях с большим индуктивным сопротивлением и относительно низким коэффициентом мощности нагрузок. Недостатками продольной компенсации является чувствительность к резким увеличениям тока при пуске мощных двигателей, могут создавать опасные перенапряжения, нужна специальная защита от токов короткого замыкания.
Принципиальная схема включения устройства продольно-емкостной компенсации (УПК) показана на рис. 1.3.
Рис.1.3. Схема замещения сети с продольной компенсацией
Емкостное сопротивление X C компенсирует часть индуктивного сопротивления линии. При этом потеря напряжения в сети, определяемая по формуле
(1.8)
также уменьшается, а напряжение в конце линии возрастает.
Определим уменьшение потери напряжения в линии с учётом (1.1) и (1.8)
|
|
(1.9)
где Δ U и Δ U УПК – потеря напряжения без компенсации и с компенсацией индуктивного сопротивления линии.
Из (1.9) можно определить требуемую величину X C:
(1.10)
Мощность батареи конденсаторов УПК определяется по току нагрузки I H в максимальном режиме:
(1.11)
где I H – ток нагрузки в линии, кА; X C – сопротивление конденсаторных батарей, Ом; 3 – количество фаз.
Продольная компенсация приводит к повышению коэффициента мощности до места установки конденсаторов и к повышению напряжения за местом установки УПК. Чтобы повышениеcosφ и снижение потерь мощности распространилось на большую часть линии, а также во избежание чрезмерного повышения напряжения в начале линии, установку продольной компенсации располагают ближе к концу линии.
Сравним поперечную и продольную компенсации. Если мощность компенсирующего устройства условно принять равной Q БК. , для обеих схем компенсации, то емкость конденсаторной установки при схеме поперечной компенсации равна
(1.12)
а для схемы продольной компенсации
(1.13)
Отношение этих емкостей:
где α = Q БК / Q Н – степень поперечной компенсации; sinφH = Q H / S Н
Обычно, α < 1 и sinφH < 1, поэтому C 2 > C 1, т.е. при продольной компенсации емкость конденсаторов будет больше, чем при поперечной компенсации. Поэтому и стоимость устройства продольной компенсации будет выше. Однако регулирующий эффект по напряжению продольной компенсации выше, чем поперечной.
Техническое обеспечение работы и задание
Экспериментальные исследования регулирования напряжения в простейшей радиальной сети 10 или 35 кВ (см. рис. 1.1) проводятся на физической и виртуальной моделях сети. Номинальное напряжение модели U М.НОМ = 100 В. Параметры высоковольтной линии даны в табл. 1.1.
Таблица 1.1. Параметры высоковольтной линии.
Номинальное напряжение сети, U H, кВ | Материал и сечение линий | Длина, l, км | r 0, Ом/км | x 0, Ом/км | R W, Ом | X W, Ом |
35 или 10 | АС-120 | 16 | 0,27 | 0,379 | 4,32 | 6,06 |
Принципиальная схема лабораторной модели сети приведена на рис. 1.4.
Рис. 1.4. Схема лабораторной установки (физическая модель исследуемой сети)
Модель включает в себя:
1. Автотрансформатор ЛАТР, имитирующий источник питания исследуемой сети;
2. Активное R W и индуктивное X W сопротивления, моделирующие сопротивления схемы замещения высоковольтной линии;
3. Дроссель Z H, имитирующий нагрузку сети;
4. Магазины емкостей C 1 и C 2 – для набора конденсаторной батареи при осуществлении продольной и поперечной компенсации;
5. Измерительный комплекс К-50 и мультиметр.
Для связи параметров реальной сети с моделью следует использовать следующие масштабные коэффициенты подобия:
Масштаб напряжений
(1.14)
где U C – напряжение высоковольтной сети, кВ; U М1 – напряжение модели, В.
Масштаб сопротивлений
(1.15)
где Z C и Z M – сопротивление высоковольтной сети и модели, Ом.
Масштаб токов и мощностей
(1.16)
где U C – напряжение высоковольтной сети, кВ; U М1 – напряжение модели, В.