ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2.

ВСТРЕЧНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ

Цель работы – исследование встречного регулирования напряжения.

ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО СТЕНДА И ВХОДЯЩИХ В ЕГО СОСТАВ ЭЛЕМЕНТОВ

Источник G1 моделирует питающую электрическую систему, присоединенную, например, к шинам 6 – 10 кВ центра питания.

Трансформатор в группе А1 моделирует понизительный трансформатор подстанции 6 – 10/0,4 кВ.

Модели А3, А4 линий электропередачи имитируют линии электропередачи 6 – 10 и 0,4 кВ соответственно распределительной сети.

Нагрузки А5 и А6 моделируют активную и индуктивную нагрузки сети 0,4 кВ.

Коммутатор А8 позволяет без переборки схемы производить измерение потоков активной и реактивной мощностей измерителем Р1 и напряжений вольтметром блока Р3 в намеченных точках электрической сети.

Описание и технические характеристики функциональных блоков

Таблица 1

Обозначение	Наименование	Тип	Параметры
G1	Трехфазный источник питания	201.2	400 В ~; 16 А
А1	Трехфазная трансформаторная группа	347.1	3 х 80 В×А; 242, 235, 230, 126, 220, 133, 127 В/ 230 В (звезда)
А3,А4	Модель линии электропередачи	313.2	400 В ~; 3 ´ 0.5 А
А5	Активная нагрузка	306.1	220/380 В; 50 Гц 3´50 Вт;
А6	Индуктивная нагрузка	324.2	220/380 В; 50 Гц 3х40 ВАр
А16	Коммутатор измерителя мощностей	349	5 положений
Р2	Измеритель мощностей	507.2	15; 60; 150; 300; 600 В,0,05; 0,1; 0,2; 0,5 А.
Р3	Блок мультиметров	508.2	3 мультиметра 0…1000 В ; 0…10 А ; 0…20 МОм

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Регулирование напряжения в электрических сетях сложно осуществлять, изменяя:

а) напряжение генераторов электростанций;

б) коэффициент трансформации трансформаторов и автотрансформаторов;

в) параметры питающей сети;

г) величину реактивной мощности, протекающей по сети.

Для того чтобы отклонения и колебания напряжения у электрических приемников не превышали допустимых пределов, применяются различные средства и способы регулирования напряжения.

Под регулированием напряжения понимают комплекс мер по ограничению отклонений напряжения у электрических приемников промышленных предприятий в установленных пределах. Регулирование напряжения улучшает режим напряжений у потребителей и тем самым повышает качество поставляемой электроэнергии. Регулирование напряжения можно осуществлять как средствами регулирования, с учетом специфических особенностей технологического процесса производства.

Напряжение на шинах низшего напряжения трансформаторной подстанции, кВ,

где напряжение на шинах высшего напряжения подстанции;  и  активное и реактивное сопротивления питающей линии и трансформатора;  и – активная и реактивная мощности, передаваемые по линии; коэффициент трансформации силового трансформатора.

На основании  можно сделать заключение, что регулировать напряжение на стороне низшего напряжения подстанции предприятиями можно следующими способами: изменением напряжения на стороне высшего напряжения, т.е. на шинах ЦП; изменением коэффициента трансформации трансформатора, что достигается установкой на обмотке высшего напряжения трансформатора регулировочных ответвлений; изменением реактивной мощности , передаваемой по сети за счет компенсирующих устройств. В настоящее время применяются различные способы и средства регулирования напряжения на шинах ЦП (ГПП, УРП) и на шинах собственной промышленной ТЭЦ; использование регулирующего эффекта КУ (КБ, СД, статические ИРМ); изменение сопротивления элементов сети (продольно-емкостная компенсация); изменение коэффициента трансформации установленных на подстанциях трансформаторов и добавление линейно-регулировочных трансформаторов.

Регулирование напряжения на шинах ЦП осуществляется в тех случаях, когда нагрузки предприятия однородные (насосные, компрессорные, электролизные цехи и т.п.) и когда распределительные сети сравнительно невелики (1–1,5 км). В этом случае используется регулирующая способность генераторов собственной промышленной ТЭЦ за счет изменения тока возбуждения генераторов станции. Генераторы электростанций имеют автоматические устройства для регулирования напряжения (АРН) в пределах  номинального. Существуют два принципиально различных метода регулирования напряжения на шинах ЦП: поддержание его на постоянном уровне – стабилизация напряжения и встречное регулирование, когда напряжение на шинах ЦП увеличивается на  при максимальных нагрузках потребителей и поддерживается на уровне  при минимальных нагрузках. Одновременно на шинах ЦП может быть использована регулирующая способность трансформаторов за счет перестановки ответвлений, которая рассматривается ниже.

Регулирующий эффект по напряжению, кВ, в определенной точке сети при включении секции КБ с мощностью , квар,

где междуфазное напряжение, кВ; реактивное сопротивление сети от данной точки подключения КБ до ИП, Ом.

Емкостная реактивная мощность КУ, квар, необходимая для повышения напряжения на заданную величину , кВ определяется из :

.

Мощность конденсаторов, квар, пропорциональна квадрату напряжения в точке подключения, поэтому

,

где фактическое напряжение сети, кВ; номинальное напряжение КБ, соответствующее номинальному напряжению сети , кВ.

Основным средством регулирования напряжения в сетях промышленных предприятий являются трансформаторы с регулированием под нагрузкой (устройство РПН) и с регулированием при отключении трансформаторов (устройство ПБВ – переключение без возбуждения), а также линейно – регулировочные трансформаторы.

Все трансформаторы общего назначения устроены таким образом, что можно с помощью регулировочных ответвлений обмотки высшего напряжения изменять в определенных пределах их коэффициент трансформации. В конструкциях трансформаторов с ПБВ имеется пять регулировочных ступеней по , средняя из которых называется основным выводом. Ступенью регулирования называется напряжение между соседними ответвлениями в процентах номинального напряжения. Переключение трансформатора с ПБВ можно производить, предварительно отключив его от сети. В это время питание потребителей прекращается, что нежелательно, поэтому такой способ регулирования осуществляется 1 – 2 раза в год перед началом зимнего или летнего сезона.

Для систематического регулирования напряжения применяют трансформаторы с РПН (регулирование под нагрузкой) со встроенным переключающим устройством, пригодным для регулирования без отключения потребителей электроэнергии. Диапазон регулирования трансформаторов с РПН от  до  ступенями по  (некоторые серии с высшим напряжением 220 кВ имеют диапазон ) или по . Трансформаторы мощностью 6,3 – 80  с высшим напряжением 110 кВ имеют диапазон регулирования .

В периоды наибольших нагрузок у трансформаторов переключаются ответвления в сторону уменьшения коэффициента трансформации и повышения напряжения на выводах вторичной обмотки. И наоборот, в часы минимальных нагрузок, увеличивая коэффициент трансформации , напряжение на выводах вторичной обмотки трансформатора снижают. При выборе , т.е. нужных ответвлений, следует по возможности добиваться того, чтобы в период максимальных нагрузок вторичное напряжение на шинах ТП было не более , так как часть ЭП бывает присоединена непосредственно к шинам НН подстанции. В то же время существенное снижение напряжения (ниже ) нежелательно с точки зрения создания необходимого уровня напряжения у наиболее удаленного ЭП.

В устройствах РПН переключение ответвлений обмотки трансформатора осуществляется без разрыва цепи, как правило, автоматически, от реле напряжения и схем контактного управления, воздействующих на привод переключающего устройства электродвигателя. Переключатели РПН помещают в отдельные кожухи, наполненные маслом, у трансформаторов средних и крупных мощностей (выше 2,5 МВА) или в общий бак над магнитопроводом трансформатора – для малых мощностей.

Для расширения диапазона регулирования применяют ступени грубой и тонкой регулировки (рис….) Наибольший коэффициент трансформации получается, если переключатель П находится в положении II (рис….а), а избиратель И – на ответвлении 6. Наименьший коэффициент трансформации будет при положении переключателя П в положении I, а избирателя И – на ответвлении 1.

На рис….б показан схема расположения элементов переключающего устройства РНТ – 13, применяемого на трансформаторах средней мощности. Переход с одного ответвления регулировочной обмотки на другое осуществляется таким образом, чтобы не разрывать ток нагрузки и не замыкать накоротко витки этой обмотки. Достигается это требование в специальных переключающих устройствах с реакторами и резисторами. Схема с резисторами (рис…) обладает рядом преимуществ по сравнению со схемой с реакторами. На рис. изображены регулировочная часть обмотки  и переключающее устройство.

Последовательность работы контакторов и избирателей показана в таблице к рис…. В исходном положении 0 трансформатор работает на ответвлении 5, ток нагрузки проходит через контакторы  и . Допустим, что необходимо уменьшить число витков в регулировочной обмотке, т.е. перейти на ответвление 4. РПН в этом случае работает следующим образом: обесточивается избиратель И2 контакторами  и , и переводится в положение 4, затем отключается  и ток нагрузки кратковременно проходит по  и , третьей операцией замыкается , при этом половина тока нагрузки проходит по  и , и половина – по  и . Кроме того, регулировочная обмотка 5 – 4 оказывается замкнутой через  и , и по ним проходит ограниченный по значению циркулирующий ток.

Следующими операциями размыкается  и замыкается , при этом ток нагрузки проходит по регулировочной обмотке на ответвление 4, избиратель И2, контакты К4 к выводу 0.

Рис. Устройство РПН трансформатора:

а – схема включения регулирующих ступеней; основная обмотка;  и соответственно ступени грубой и плавной регулировки; П – переключатель; И – избиратель; б – переключающее устройство типа РНТ – 13; 1 – переключатели; 2 – горизонтальный вал; 3 – кожух контакторов; 4 – вертикальный вал; 5 – коробка привода; 6 – бак трансформатора

Токоограничивающие сопротивления  и  служат для ограничения тока КЗ при переходе с одного ответвления на другое. Подвижные контакты переключателя РПН устанавливаются в рабочем положении на одном ответвлении регулирования.

При переключениях с одного ответвления на другое соблюдается очередность движения контактов переключателя, при которой цепь предыдущего ответвления размыкается только после предварительного замыкания цепи последующего ответвления, благодаря чему не происходит разрыва цепи тока нагрузки.

В переключателях, представленных на рис…, используются мощные пружины, обеспечивающие быстрое переключение контактов (<0,15 c), поэтому сопротивления  и  лишь кратковременно нагружаются током, что позволяет уменьшить их габариты. Контакторы размещаются в герметизированном баке с маслом. Управление РПН может осуществляться дистанционно со щита управления вручную или автоматически.

Дальнейшим совершенствованием РПН является применение тиристорных переключателей, срабатывающих в моменты переходов тока нагрузки через нуль и последовательно включающих необходимую комбинацию вторичных обмоток.

Следует отметить, что стоимость трансформаторов с РПН значительно выше стоимости трансформаторов с ПБВ (1,5 – 2,5 раза), причем удорожание тем больше, чем меньше номинальная мощность трансформатора, поскольку стоимость РПН мало зависит от номинальной мощности трансформатора.

Для подробного рассмотрения встречного регулирования напряжения используем схему замещения, показанную на рис…. где трансформатор представлен как два элемента – сопротивление трансформатора и идеальный трансформатор. На рис….. приняты следующие обозначения: напряжение на шинах центра питания; напряжение на шинах первичного напряжения (ВН) районной подстанции; напряжение на шинах вторичного напряжения (НН) районной подстанции; напряжение у потребителей.

Напряжение на шинах ВН районной подстанции:

Напряжения на шинах ВН и НН отличаются на величину потерь напряжения в трансформаторе , и, кроме того, в идеальном трансформаторе напряжение понижается в соответствии с коэффициентом трансформации, что необходимо учитывать при выборе регулировочного ответвления.

Рис. Встречное регулирование напряжения:

схема замещения и эпюры напряжения

На рис… представлены графики изменения напряжения для двух режимов: наименьших и наибольших нагрузок. При этом по оси ординат отложены значения отклонений напряжения в процентах номинального. Процентные отклонения имеются в виду для всех  и  на поле этого рисунка.

Из рис…. (штриховые линии) видно, что если , то в режиме наименьших нагрузок напряжения у потребителей будут выше, а в режиме наибольших нагрузок – ниже допустимого значения (т.е. отклонения  больше допустимых). При этом приемники электроэнергии, присоединенные к сети НН (например, в точках А и В), будут работать в недопустимых условиях. Меняя коэффициент трансформации районной подстанции , изменяем , т.е. регулируем напряжение (сплошная линия на рис….).

В режиме наименьших нагрузок уменьшают напряжение  до величины, наиболее близкой к . В этом режиме выбирают такое наибольшее стандартное значение , чтобы выполнялось следующее условие:

.

В режиме наибольших нагрузок увеличивают напряжение  до величины, наиболее близкой к . В этом режиме выбирают такое наибольшее стандартное значение , чтобы выполнялось следующее условие:

Таким образом, напряжение на зажимах потребителей, как удаленных от центра питания – в точке В, так и близлежащих – в точке А, вводится в допустимые пределы. При таком регулировании в режимах наибольших и наименьших нагрузок напряжение соответственно повышается и понижается. Поэтому такое регулирование называют встречным.