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, dприсоединены 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 U_а = 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 наимень-

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

шей 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 Ud и Ud). 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:

тт" - и' = П" - U" .

d               d                  dE               dE

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 '_встр на рис. 19.10, в) и

понижение напряжения до номинального (или ниже) в режиме наименьших нагрузок ( U )

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 110 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 изменении ответвления можно получить дополнительную добавку напряже­ния Ш_отв = ±2,5 или ±5%.

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

(19.18)

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 (см. разд. 16.4);

Рис. 19.11. Последовательное включение конденсаторов в линию: а — принципиальная схема; б - схема замещения; в - векторная диаграмма

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 U_K = jIX_K (отрезок ee_i) сдвинут по фа­зе на 180° от вектора падения напряжения на индуктивном сопротивлении линии U_л = jlX_л (от­резок be). Соответственно этому потери напряжения в линии определяются отрезком adi (вме­сто ad в линии без конденсаторов) и могут быть вычислены по формуле, которая выводится аналогично:

PR л + Q (X л - Хк) DU =              u ⁼ DU_a+DUp.- (¹⁹.¹⁹)

ном

Таким образом, последовательно включенные конденсаторы компенсируют часть индук­тивного сопротивления линии, тем самым уменьшается слагающая DU , в 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 tg9 > 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_BK квар, приближенно равно

Q X _S

^^{БК S} ₂ .                                                                (19.20)

10 (Uном)²

Отсюда может быть определена удельная мощность батареи конденсаторов Q^_yd необ­ходимая для повышения напряжения на 1 %:

10 (U )²

Q = ^{U ном} .                                                          (19.21)

^^ БКуд                          "V

X S

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 возбуждения генераторов электростанций позволяет изме­нять напряжение в сети в относительно небольших пределах. Генератор выдает номинальную мощность при отклонениях напряжения на его выводах не более ± 5 % от номинального. При больших отклонениях мощность генератора должна быть снижена. Практически этот способ регулирования может обеспечить необходимый режим напряжения для близлежащих потреби­телей, питающихся от шин генераторного напряжения электростанций.

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 (см. разд. 4.1).

При помощи трансформаторов с РПН достаточно просто и экономично осуществляется встречное регулирование напряжения на шинах подстанции.

Трансформаторы с ПБВ должны отключаться от сети для изменения коэффициента трансформации. В связи с этим изменение коэффициента трансформации производят крайне редко, например, при сезонном изменении нагрузки. Для них очень важно правильно выбрать коэффициент трансформации таким образом, чтобы режим напряжений при изменениях нагру­зок был по возможности наилучшим.

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 соб ф или активной и реак­тивной мощностью. Трансформатор характеризуется номинальной мощностью S_nOM,_I, номи­нальными напряжениями регулировочных ответвлений первичной обмотки U_nOMl, номи-

с

нальным напряжением вторичной обмотки U_nOMll и номинальным коэффициентом трансформации:

U 1

k ₌ и^noM .                                                                      (19.22)

'VnOM.^TT 2 nOM

Напряжение на первичной стороне трансформатора U₁, на вторичной U₂.

Допустим, что из расчета или на основании измерений известно напряжение U₁ на сто­роне первичного напряжения трансформатора. Известно также напряжение U₂ , 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 AU_X в трансформаторе, например, при приведении к стороне ВН трансформатора. Вычитая AU_X из U₁, получаем напряжение на вторичной стороне трансформатора, приведенное к первичной стороне и соответствующее режиму нагрузок:

2 реж        1           т

Желаемое значение напряжения на вторичной стороне трансформатора

^U 2 реж yj 2ж I           '

IVuoM.m

откуда может быть найдено расчетное значение U _расч1 регулировочного ответвления пер­вичной обмотки:

^U2 реж ^UuomII

U2