Техническое обеспечение работы и задание

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 R_W и X_W. 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 P_i, Q_i  – активная и реактивная мощности i -го участка ЛЭП, МВт и Мвар; R_i, X_i  – активное и индуктивное сопротивления i -го участка ЛЭП, Ом; U_НОМ  – 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) cosφ_ЭП, 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; sinφ_H = Q _H / S _Н

Обычно, α < 1 и sinφ_H < 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.