Задачи регулирования напряжения при симметричных режимах

Современные системы электроснабжения объектов характери­зуются значительной протяженностью и многоступенчатой транс­формацией напряжения. В каждой ветви системы электроснабжения (линии, трансформаторе) имеются потери напряжения. Они за­висят от параметров схемы замещения и от ее нагрузки (см. гл. 12). В режимах наибольших нагрузок потери напряжения большие, в режимах малых нагрузок потери напряжения соответственно умень­шаются. Для иллюстрации рассмотрим изменение напряжения в системе электроснабжения, принципиальная схема которой пред­ставлена на рис. 19.10, а.

От генераторов Г электростанции через трансформаторы Т1 элек­троэнергия поступает в линию Л1 питающей сети напряжением 110 кВ и далее в трансформаторы Т2 подстанции со вторичным на­пряжением 6... 10 кВ. Шины напряжением 6... 10 кВ этой подстан­ции являются источником питания ИП распределительных сетей. Для примера на схеме показана линия Л2 распределительной сети напряжением 6... 10 кВ, к которой в точках с, е, d присоединены распределительные трансформаторы РТ. От шин 1 вторичного на­пряжения РТ питаются линии распределительной сети напряжени­ем 0,38 кВ, к которым присоединяются электроприемники.

Предположим, что на шинах высшего напряжения электростан­ции (точка а) поддерживается постоянное напряжение при всех ре­жимах нагрузок Uа - const.

На рис. 19.10, б изменение напряжения вдоль линии условно изоб­ражено прямыми линиями. Напряжение всех электрических ступеней приведено к напряжению одной ступени. Сплошными линиями показаны напряжения в режимах напряжения наибольшей и наименьшей нагрузок при отсутствии в сети каких-либо средств для измене­ния напряжения. В этом случае в линиях распределительной сети воз­никают значительные отклонения от номинального напряжения (точ­ки U'_j и U'_d). Очевидно, что это затрудняет, а в ряде случаев и не позволяет обеспечить допустимые отклонения напряжения у ЭП. Изменение коэффициента трансформации трансформатора Т2 в дан­ном случае не улучшает режима напряжений в распределительной сети, так как напряжения на шинах ИП при этом увеличиваются на некоторую величину Е во всех режимах одинаково. Таким образом, разность отклонений напряжения от номинального остается прежней:

Режим напряжений в распределительной сети может быть улуч­шен, например с помощью автоматического регулирования коэффи­циента трансформации трансформатора Т2. При этом на шинах ИП будет обеспечено так называемое встречное регулирование напря­жения. Под встречным регулированием напряжения понимают по­вышение напряжения в режиме наибольших нагрузок до +5...8% номинального в режиме наибольших нагрузок (U'_BCip на рис. 19.10, в) и понижение напряжения до номинального (или ниже) в режиме наи­меньших нагрузок (С/в'СТр) при линейном изменении в зависимости от нагрузки. Регулирование напряжения (штриховые линии на рис. 19.10, в) необходимо для обеспечения требуемого режима на­пряжений у ЭП.

Следует иметь в виду, что автоматическое регулирование коэф­фициента трансформации трансформаторов (а также автотрансфор­маторов и линейных регуляторов) производится не плавно, а с опре­деленной зоной нечувствительности. Зоной нечувствительности называют некоторую полосу изменения напряжения, при которой не происходит срабатывания регулирующей аппаратуры. Ее значе­ние зависит от ступени регулирования, которой называется напря­жение между двумя соседними регулировочными ответвлениями трансформаторов с устройством РПН. Например, для трансфор­маторов напряжением 11О кВ ступень регулирования равна 1,78% напряжения среднего ответвления (115 кВ).

На трансформаторах напряжением 10/0,4 кВ нет регулирова­ния под нагрузкой, и переключение ответвлений может осуществ­ляться только при отключенном трансформаторе (без возбуждения).

_____ При наибольших нагрузках

_.__: При наименьших нагрузках

Рис. 19.10. Принципиальная схема (а) и диаграммы напряжения: б - при отсутствии регулирования напряжения на шинах ИП; в - при встречном регу­лировании напряжения на шинах ИП

При проектировании сетей используют понятие допустимой по­тери напряжения, которая при наличии встречного регулирования может достигать 10... 12% номинального значения напря­жения, и без встречного регулирования 6... 7%. В большин­стве случаев реальные потери напряжения оказываются меньше до­пустимых, за исключением протяженных воздушных сетей в сельских районах.

Под регулированием напряжения понимается автоматическое текущее изменение напряжения по желаемому закону. Необходимо подчеркнуть, что регулирование напряжения изменяет его значе­ние только в системе прямой последовательности.

Принципиально способы регулирования напряжения можно раз­делить на две основные группы:

изменение потерь напряжения в элементах сети;

регулирование напряжения на питающем и приемном конце сети - регулирование возбуждения генераторов и коэффициента трансформации трансформаторов с РПН.

Целесообразность применения того или иного способа регули­рования напряжения определяется местными условиями в зависи­мости от протяженности сети и ее схемы, резерва реактивной мощ­ности и т.п. Ниже рассмотрены наиболее часто применяемые способы регулирования напряжений, для каждого из них указаны целесообразные области использования.

Изменение потерь напряжения в сети. Потери напряжения в ли­ниях и трансформаторах зависят от номинального напряжения, нагрузки элемента сети и ее

электрического сопротивления. Номинальное напряжение сети вы­бирают на основании технико-экономических расчетов, учитываю­щих затраты на сооружение и эксплуатацию сети. Поэтому примене­ние повышенных номинальных напряжений только из соображений уменьшения потерь напряжения в сети обычно не оправдывается.

Таким образом, изменять значения потерь напряжения в сети практически возможно только путем изменения сопротивления сети или ее нагрузки.

Снижение сопротивления сети. Практически измене­ние сопротивления сети связывают с изменением режима напряже­ний только в двух случаях:

при выборе сечений проводов и жил кабелей по допустимой по­тере напряжения;

при применении последовательного включения конденсаторов с воздушной линией.

Последовательное включение конденсаторов К (продольная ем­костная компенсация) показано на рис. 19.11, где приведены схемы замещения линии и векторная диаграмма токов и напряжений. Век­тор падения напряжения на конденсаторе UK = -ДХК (отрезок ссх ) сдвинут по фазе на 180° от вектора падения напряжения на индук­тивном сопротивлении линии -jIX _n (отрезок be). Соответствен­но этому потери напряжения в линии определяются отрезком adx (вместо ad в линии без конденсаторов) и могут быть вычислены по формуле, которая выводится аналогично:

Таким образом, последовательно включенные конденсаторы компенсируют часть индуктивного сопротивления линии и создается как бы неко­торая добавка напряжения в сети, зависимая от нагрузки.

Последовательное включение конденсаторов целесообразно лишь при значительной реактивной мощности нагрузки при коэф­фициенте реактивной мощности tgφ > 0,75...1,0. Если коэффициент реактивной мощности близок к нулю, потери напряжения в линии определяются в основном активным сопротивлением и активной мощностью. В этих случаях компенсация индуктивного сопротив­ления нецелесообразна.

Последовательное включение конденсаторов очень эффективно при резких колебаниях нагрузки, так как регулирующий эффект кон­денсаторов - величина добавки напряжения - пропорционален току нагрузки и автоматически изменяется практически безынерцион­но. Поэтому последовательное включение конденсаторов следует применять в воздушных линиях напряжением 35 кВ и ниже, питаю­щих резкопеременные нагрузки с относительно низким коэффици­ентом мощности. Их используют также в промышленных сетях с резкопеременными нагрузками.

Изменение нагрузок сети. Нагрузка сети определяется мощностью, одновременно потребляемой присоединенными к ней электроприемниками и теряемой в элементах сети. Активная мощ­ность вырабатывается генераторами электростанций, что является наиболее экономичным. В связи с этим оказывается невозможным изменять активную нагрузку сети только ради изменения потерь на­пряжения в ней.

В противоположность этому реактивная мощность может выра­батываться не только генераторами электростанций, но и специ­альными источниками реактивной мощности (см. разд. 12.11; 13.10). Относительное повышение напряжения в конце линии при на­личии поперечно включенных (т. е. параллельно нагрузке) батарей конденсаторов мощностью Q_БК кВАр, приближенно равно

Отсюда может быть определена удельная мощность батареи конденсаторов (Q_БКуд ) необходимая для повышения напряжения на 1 %:

Из (19.21) видно, что удельная мощность поперечно включен­ных батарей конденсаторов, необходимая для повышения напря­жения в конце линии на 1 %, зависит от номинального напряжения и индуктивного сопротивления передачи.

Регулирование коэффициента трансформации трансформаторов, автотрансформаторов и ли­нейных регуляторов. Изменение коэффициента трансфор­мации трансформаторов, автотрансформаторов под нагрузкой про­изводят при наличии встроенного устройства для регулирования напряжения. При этом коэффициент трансформации можно менять в широких пределах.

Выбор коэффициентов трансформации двухобмоточных транс­форматоров производят в соответствии с принципиальной схемой, изображенной на рис. 19.12. Нагрузка трансформатора характери­зуется полной мощностью S₂ и коэффициентом мощности cosφ или активной и реактивной мощностью. Трансформатор характеризу­ется номинальной мощностью S_H0МT, номинальными напряжения­ми регулировочных ответвлений первичной обмотки U_H0M, номинальным напряжением вторичной обмотки и номинальным коэффициентом трансформации:

Допустим, что из расчета или на основании измерении известно напряжение U_x на стороне первичного напряжения трансформато­ра. Известно также напряжение U_2ж, которое желательно иметь, на вторичной стороне трансформатора. Требуется выбрать коэффи­циент трансформации трансформатора или, что то же, подобрать номинальное напряжение соответствующего регулировочного от­ветвления на первичной обмотке трансформатора при заданной его нагрузке.

Определяем потерю напряжения ∆U_T в трансформаторе, напри­мер, при приведении к стороне ВН трансформатора. Вычитая ∆U_Т из U_x, получаем напря5жение на вторичной стороне трансформато­ра, приведенное к первичной стороне и соответствующее режиму нагрузок:

Желаемое значение напряжения на вторичной стороне трансформатора

откуда может быть найдено расчетное значение Uрасч1 регулировоч­ного ответвления первичной обмотки: