Снижение отклонений напряжения

Отклонения напряжения являются «медленным» изменением напряжения и вызываются либо изменением уровня напряжения в центре питания, либо потерями напряжения в элементах сети. На рис. 3.2 показано в качестве примера, как изменяется уровень отклонения напряжения (в процентах от номинального напряжения) вдоль участка сети от центра питания (ЦП) до электроприемника (ЭП). Условно нанесены границы допустимых значений , . Из этого рисунка видно, что требования по отклонениям напряжения для последних наиболее удаленных ЭП не выполняются. Это связано со значительными потерями напряжения в кабельной линии и на шинах питания ЭП. Суммарные потери напряжения определяют по выражению

(3.1)

где P _Ки Q _К— соответственно активная и реактивная мощ­ности, протекающие по k -му участку сети; R _Ки X _К — активное и реактивное сопротивления k -гоэлемента сети.

Рис. 3.2 Изменение напряжения на участках сети при протекании по ним тока нагрузки.

Второй причиной заниженного уровня напряжения на ЭП является недостаточный уровень напряжения на вторичной обмотке трансформатора.

Анализируя эпюру напряжения на рис 3.2 и выражение (3.1) можно сделать вывод, что для обеспечения требуемых уровней напряжения на зажимах потребителей необходимо применять специальные меры. К числу таких мер следует отнести:

- регулирование напряжения на шинах электростанций;

- регулирование напряжения на шинах подстанций;

- регулирование напряжения на отходящих линиях;

- изменение сопротивление элементов и участков электрической сети;

- изменение протекающей по сети реактивной мощности;

- применение специальных регуляторов напряжения на зажимах потребителей.

Для реализации перечисленных способов регулирования и изменения напряжения применяются:

- генераторы электростанций;

- трансформаторы с ПБВ;

- трансформаторы с РПН;

- линейные регуляторы;

- установки продольной компенсации реактивной мощности;

- установки поперечной компенсации реактивной мощности;

- ограничители напряжения.

Ниже рассмотрим перечисленные устройства:

Генераторы электростанций. Изменение напряжения на выходах генераторов осуществляется изменением тока возбуждения. Но отклонения напряжения на генераторных шинах более, чем на 5% номинального приводит к необходимости снижения его полезной мощности. Поэтому, использование генераторов в качестве средств регулирования напряжения ограничено.

Трансформаторы с ПБВ. Трансформаторы без регулирования под нагрузкой (переключаемые без возбуждения – ПБВ) в настоящее время изготовляются с основным и четырьмя дополнительными ответвлениями, рис.3.3

Рис. 3.3 Схема переключающего устройства ПБВ

Коэффициент трансформации на основном ответвлении (ответвление 3) называется номинальным. Регулирование напряжения производится ступенчато в пределах номинального напряжения. Величина одной ступени 2,5%.

Чтобы переключить регулировочное ответвление в трансформаторе, требуется отключить его от сети. Поэтому устройство ПБВ не позволяет регулировать напряжение в течение суток, т.к это потребовало бы частого отключения трансформатора. Обычно ПБВ используется для сезонного изменения уровней напряжения. На промышленных предприятиях устройство ПБВ имеют, как правило, трансформаторы цеховых подстанций.

Трансформатор с РПН. В трансформаторах с регулированием под нагрузкой (РПН) изменение коэффициента трансформации (числа витков первичной обмотки) производится без отключения трансформатора от сети. РНП обеспечивает регулирование в пределах - для напряжения 35кВт и - для напряжения 110кВ и выше. С помощью РПН можно переключать ответвления под нагрузкой, а значит обеспечивать регулирование напряжения в течение суток. РПН реализуется с помощью переключающих устройств различных конструкций. На рис.3.4 в качестве примера приведена схема одного из переключающих устройств.

Рис. 3.4 Схема переключающего устройства РПН на базе сдвоенного реактора. вс – ступень грубой регулировки; de- ступени плавной регулировки.

Рассмотрим кратко работу РПН. В нормальном режиме переключатели П1 и П2 избирателя замкнуты на одну отпайку, контакты К1 и К2 замкнуты и ток протекает по обоим плечам реактора, сопротивление которого мало, т.к обмотки его включены встречно. Предположим надо переключиться с отпайки 6 на отпайку 5. Порядок переключений следующий: размыкается К1 и переключатель П1 обесточивается. Весь ток нагрузки протекает через переключатель П2. Переключатель П1 замыкается на отпайку 5. К1 замыкается, К2 размыкается, П2 замыкается на отпайку 5. Переключение закончено. В момент, когда П1 и П2 замкнуты на разные отпайки, а К1 и К2 замкнуты часть обмотки между отпайками 5 и 6 замыкается не коротко и в ней возникает ток виткового короткого замыкания.

Для ограничения этого тока и служит сдвоенной реактор. Для расширения диапазона регулирования без увеличения числа ответвлений применяют ступень грубой регулировки (ВС). С помощью предизбирателя (ПИ) происходит реверсирование обмотки (вс) и ее э.д.с, либо складывается с э.д.с основной обмотки, либо вычитается в зависимости от положения (ПИ). За счет этого удваивается предел регулирования напряжения.

На промышленных предприятиях трансформаторы с РПН устанавливаются, как правило, на главных понизительных подстанциях.

Линейные регуляторы. Схема включения линейного регулятора и его электрическая схема приведена на рис. 3.5.

Рис. 3.5 Схема включения линейного регулятора в сеть (а) и его электрическая схема (б)

Линейный регулятор состоит из двухобмоточного трансформатора, содержащего последовательную обмотку (ПО) и обмотку возбуждения (ОВ). Обмотка ОВ через устройство РПН получает питание от автотрансформатора (АТ). Конструктивно двухобмоточный трансформатор, АТ и РПН смонтированы вместе в одном баке. При изменении положения РПН изменяется напряжение на ОВ и как следствие этого – напряжение Е последовательной обмотки ПО. Напряжение E складывается (вычитается) с напряжением сети U c и изменяет напряжение на выходе линейного регулятора. Линейные регуляторы применялись на напряжения 6-35 кВ. При проходной мощности (мощность ПО)400 6300 кВ·А, диапазон регулирования напряжения составляет ±10% U _ном, а при большой проходной мощности ±15% U _ном. В силу своей сложности обслуживания и дороговизны линейные регуляторы широкого применения не нашли.

Ограничители напряжения. Применяются для регулирования напряжения в осветительных установках.

Рис. 3.6 Схема силового блока (а) и напряжение на зажимах потребителя (б)

Ограничитель напряжения представляет собой силовой блок, состоящий из тиристоров, включенных по встречно-параллельной схеме и системы автоматического регулирования (САР). САР поддерживает на входе осветительной установки заданный уровень напряжения U_ОУ путем изменения угла открывания тиристоров α. Действующее значение напряжения на зажимах осветительной установки определяется площадью заштрихованной кривой, рис. 3.6(б). Согласно своему принципу действия ограничитель напряжения может только ограничивать напряжение на зажимах потребителя, если напряжение сети будет выше заданного U_ОУ. Если напряжение сети будет ниже U_ОУ, то тиристоры будут полностью открыты (α = 0) и на зажимах потребителя будет напряжение равное напряжению сети. Т.е. ограничитель напряжения не может увеличивать напряжение выше напряжения сети.

Применяется для работы с лампами накаливания или на смешанную нагрузку (лампы накаливания совместно с люминесцентными).

Регулирование напряжения изменением сопротивления электрической сети. Продольная компенсация (ПК) индуктивного сопротивления ВЛ и шинопроводов СЭС предприятий позволяет существенно снизить потерю напряжения в линиях. Это достигается включением в рассечку линии установки продольной компенсации (УПК). На рис. 3.7 представлена схема включения УПК в рассечку линии.

Рис.3.7 Схема включения УПК для компенсации индуктивного сопротивления линии

Если нагрузка задана в виде мощности, то продольная составляющая падения напряжения с учетом влияния УПК определяется по формуле:

, (3.2)

где - соответственно активная и реактивная мощности нагрузки, МВт, Мвар; - активное и реактивное сопротивление линии, Ом; - напряжение в конце линии, кВ; - реактивное сопротивление УПК, последовательно включенной в линию, Ом. Из формулы (3.2) видно, что повышение напряжения в точке 2 (U₂) достигается за счет компенсации индуктивного сопротивления линии.

Если желаемый уровень напряжения в конце линии , то из (3.2) можно определить требуемое сопротивление установки продоль­ной компенсации:

, (3.3)

где - допустимые потери напряжения в линии.

Ток в цепи УПК равен току нагрузки:

, (3.4)

Количество параллельно включенных конденсаторов в БК на фазу:

, (3.5)

где - номинальный ток одного конденсатора УПК.

Количество последовательно включенных конденсаторов m в УПК определяется из условия:

, (3.6)

где - номинальное сопротивление одного конденсатора при основной частоте, Ом; т – количество последовательно включенных конденсаторов.

Общая мощность установки УПК:

, (3.7)

где - число фаз;

- номинальная мощность одного конденсатора.

УПК целесообразно применять при значительной реактивной мощности нагрузки ( > ). Если близок к нулю, то потери напряжения в линии определяются в основном активным сопротивлением и активной мощностью. В этих случаях компенсация индуктивного сопротивления нецелесообразна.

Компенсирующий эффект установки продольной компенсации зависит от тока нагрузки. Установку продольной компенсации можно использовать также в сетях с резкопеременной нагрузкой. Однако в этом случае следует исключить возможность субгармонического резонанса.

Регулирование напряжения компенсацией реактивной мощности потребителей. При подключении параллельно нагрузке источника реактивной мощности (ИРМ) (рис.3.8) напряжение на нагрузке возрастает за счет уменьшения продольной составляющей падения напряжения.

Рис. 3.8 Регулирование напряжения с помощью источника реактивной мощности

Если нагрузка задана в виде мощности, то без учета поперечной составляющей падения напряжения:

. (3.8)

Здесь - мощности нагрузки в конце линии, МВт, Мвар; - мощность ИРМ, Мвар; - желаемый уровень напряжения в конце линии после подключения ИРМ, кВ.

Мощность компенсирующего устройства для обеспечения желаемого уровня напряжения :

. (3.9)

Здесь - желаемый уровень напряжения в конце линии, кВ; - реактивное сопротивление линии, Ом; - мощность ИРМ, Мвар.

Выражение (3.9) служит для определения мощности любого источника реактивной мощности: батареи конденсаторов, синхронного компенсатора, синхронного двигателя.

Приложение

Словарь основных терминов

Активная мощность – среднее значение мгновенной мощности за период.

Баланс мощностей – мгновенное состояние равновесия ЭЭС под влиянием факторов, характеризующих электромеханическое и электромагнитное взаимодействие ее элементов.

Влияние (вклад) фактическое - измеренное в точке общего присоединения значение ПКЭ, характеризующее влияние рассматриваемого объекта на КЭ в этой точке, например, вклад СЭС или потребителя.

Влияние (вклад) допустимое – расчетная доля нормируемого ГОСТ 13109-97 значения ПКЭ, которую объекту разрешается вносить в точке его присоединения к системе электроснабжения на границе балансовой принадлежности.

Влияние (вклад) ожидаемое – рассчитываемое значение ПКЭ, которое теоретически может вносить вновь присоединяемый потребитель.

Доза фликера – мера восприимчивости человека к воздействию фликера.

Заземляющее устройство – совокупность заземлителя и заземляющих проводников.

Интервал наблюдения – время, в течение которого производиться непрерывный контроль КЭ в заданной точке системы электроснабжения, определяемое видом контроля.

Интервал усреднения – время, установленное ГОСТ 13109-97, в течение которого измеряется одно учитываемое среднеквадратическое значение (отчет) ПКЭ.

Источник тока – источник электроэнергии, внутреннее сопротивление которого многократно превышает внешнее сопротивление (его нагрузки), а ток задается постоянным значением, не зависящем от сопротивления внешней сети.

Источник напряжения – источник электроэнергии, внутреннее сопротивление которого многократно ниже внешнего сопротивления (его нагрузки), а напряжение задается постоянным значением.

Источник бесперебойного питания – статическое устройство, предназначенное для резервирования электроснабжения электроприемников за счет энергии, накопленной в аккумуляторной батарее, и обеспечения КЭ у защищаемых электроприемников.

Качество электроэнергии – совокупность ее свойств, определяющих воздействие на электрооборудование, приборы и аппараты и оцениваемых показателями качества электроэнергии, численно характеризующими уровни электромагнитных помех в системе электроснабжения по частоте, действующему значению напряжения, форме его кривой, симметрии и импульсам напряжения.

Колебания напряжения – быстрые, повторяющиеся изменения напряжения в диапазоне 10 % номинального, обусловленные работой резкопеременной нагрузки.

Контроль качества электроэнергии – проверка соответствия показателей КЭ установленным требованиям, например, требованиям ГОСТ 13109-97 или договора энергоснабжения.

Контроль КЭ диагностический – анализ состояния электроэнергетического объекта по электромагнитной совместимости его электрооборудования.

Контроль КЭ коммерческий – проверка соответствия показателей КЭ требованиям договора энергоснабжения, установленным на границе балансовой принадлежности, в целях определения неустойки за ухудшение качества электроэнергии.

Контроль КЭ технологический – оценка влияния электротехнологических установок на КЭ в точке их подключения.

Контроль КЭ непрерывный – контроль КЭ, проводимый без ограничения времени наблюдения и осуществляемый стационарно установленными средствами измерения.

Несинусоидальность напряжения (тока) – искажения синусоидальности формы кривой напряжения (тока).

Нессимметрия напряжения (тока) – в трехфазной системе нарушение равенства векторов напряжений (токов) по амплитуде и (или) углу между ними.

Отклонение напряжения – отличие установившегося значения напряжения в точке системы электроснабжения его номинального значения в пределах, обусловленное ее нагрузкой или работой средств регулирования напряжения.

Показатель качества электроэнергии – уровень электромагнитных кондуктивных помех в системе электроснабжения.

Помехоустойчивость – уровень ЭМС, при котором гарантируется нормальное функционирования технических средств.

Провал напряжения – внезапное понижение напряжения в точке электрической сети ниже 0,9 U_ном, за которым следует восстановление напряжения до первоначального или близкого к нему значения.

Погрешность измерения – суммарная рассчитываемая погрешность всех систем измерения, используемых при измерении, например трансформатора напряжения и систем измерения ПКЭ.

Потеря напряжения – арифметическая разность действующих значений напряжения, измеренных на входе и выходе элемента электрической сети.

Падение напряжения – разность векторов напряжений, измеренных на входе и выходе элемента электрической сети.

Реактивная мощность – мощность, обусловленная процессом обмена энергией между электрическими и магнитными полями.

Регулирование напряжение – целенаправленное, автоматическое изменение напряжения в заданной (узле) системы электроснабжения с помощью специальных технических средств.

Резонанс напряжений – явление в электрической цепи, состоящей из последовательно соединенных индуктивности и емкости, при котором напряжения на них равны по значению и противоположны по фазе.

Резонанс токов – явление в электрической цепи, состоящей из параллельно соединенных индуктивности и емкости, при котором токи в них равны по значению и противоположны по фазе.

Система электроснабжения – совокупность электроустановок, предназначенных для производства, передачи, распределения и потребления электроэнергии.

Точка общего присоединения – точка электрической сети общего назначения, электрически ближайшая к сетям рассматриваемого потребителя, к которой присоединены электрические сети других потребителей.

Уровень ЭМС – установленное значение ЭМП, при котором с наибольшей вероятностью гарантируется нормальное взаимодействие (функционирование) всех технических средств, являющихся как источниками помех, так и средствами, восприимчивыми к этим помехам.

Фликер – субъективное восприятие человеком мерцаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения.

Центр питания – распределительное устройство генераторного напряжения электростанции или распределительное устройство понизительной подстанции, к которым присоединены распределительные сети района или потребителя.

Частотная характеристика СЭС – зависимость сопротивления (R, X_L,X_С) системы электроснабжения в заданной ее точке от частоты или порядка (n) гармонических составляющих тока.

Электроэнергия – способность электромагнитного поля совершать работу под действием приложенного напряжения в технологическом процессе ее производства, передачи, распределения и потребления.

Электромагнитная совместимость (ЭМС) – способность электрооборудования, аппаратов и приборов нормально функционировать в электромагнитной среде, не создавая недопустимых электромагнитных помех для другого оборудования, функционирующего в той же среде.

Электромагнитная помеха – случайное электромагнитное воздействие, способное вызывать в электрическом устройстве нарушение функционирования, отказ, разрушение.

Электромагнитная обстановка – совокупность электромагнитных явлений, существующих в рассматриваемой среде. Описывается характеристиками источников помех, параметрами их воздействия, особенностями электротехнических средств, мероприятиями, направленными на обеспечение ЭМС, а также внешними факторами, влияющими на указанные характеристики.