1

Лекция №9

9.1. Задача регулирования напряжения в электрических сетях

Современные отечественные электрические системы характеризуются многоступенчатой трансформацией и все увеличивающейся длиной линий различных напряжений. Суммарная величина потерь напряжения на пути передачи электроэнергии от ее источников до приемников получается весьма большой. При изменении значений нагрузок от наименьших до наибольших суммарные потери напряжения также изменяются. В результате на зажимах электроприемников имеет место изменение напряжения в весьма значительных пределах, существенно превышающих допустимые. В этих условиях нельзя обеспечить требуемое качество напряжения без применения специальных регулирующих устройств, например, только регулированием возбуждения генераторов станции.

Для иллюстрации рассмотрим принципиальную упрощенную схему электрической системы, в которой передача электроэнергии от электрической станции ЭС к электроприемникам ЭП производится через электрические сети напряжением 220, 110, 35, 10 кВ и 380/220 В (рис. 16.1). Предположим, что в

ЭС

V

ЭП

Рис. 9.1. Схема электрической сети

каждой из сетей I - IV потеря напряжения составляет 10%, в каждом из связывающих эти сети трансформаторов - 5%, в сети V - 5%. Тогда величина суммарной потери напряжения на пути электроэнергии от ЭС к ЭП в режиме наибольших нагрузок равна примерно 70%. Условно примем, что наименьшая нагрузка сети составляет 30% от наибольшей нагрузки. В этом случае при неизменной схеме суммарная величина потери напряжения в режиме наименьших нагрузок равна приблизительно 20%. И, следовательно, отклонения от номинального напряжения электроприемников достигают 20 - 30%, то есть. значительно превышают допустимые значения. Очевидно, что регулирование только на шинах генераторного напряжения (которое может быть осуществлено лишь в относительно небольших пределах) не сможет обеспечить допустимого режима напряжения. Необходимо применять специальные устройства для регулирования напряжения в электрических сетях.

Задачей регулирования напряжения является намеренное изменение режима напряжений в отдельных пунктах сети по заранее заданным законам. Более надежным и экономичным является автоматическое регулирование

2

напряжения. Законы регулирования напряжения должны устанавливаться из условий обеспечения наиболее экономичной совместной работы источников реактивной мощности, электрических сетей и присоединенных к ним электроприемников.

Во вновь сооружаемых и реконструируемых электрических системах обычно предусматриваются все необходимые устройства для обеспечения соответствующих режимов напряжений в распределительных сетях. В этих условиях регулирование напряжения в сетях более высокого напряжения, питающих распределительные сети, производится независимо от регулирования в распределительных сетях. Основной его задачей является улучшение техни- ко-экономических показателей работы питающих сетей прежде всего путем снижения потерь мощности и энергии

Задачи регулирования напряжения по-разному решаются в условиях проектирования и эксплуатации электрических сетей.

В процессе проектирования электрических сетей выбираются средства регулирования, регулировочные диапазоны, ступени регулирования, места установки соответствующих устройств, системы автоматического регулирования. При этом рассматриваются вопросы как обеспечения технических требований в соответствии с действующими нормами, так и повышения экономичности режимов.

Задачи регулирования напряжения в процессе эксплуатации электрических сетей связаны с наиболее полным и экономичным использованием имеющихся средств. В связи с текущим изменением условий работы электрической сети (изменением нагрузок, оборудования сети, ее параметров и схемы соединений) требуется проводить соответствующие мероприятия, улучшающие режим напряжений. К числу их относятся: изменение коэффициентов трансформации у нерегулируемых под нагрузкой трансформаторов, дополнительная автоматизация уже имеющихся устройств, изменение уставок автоматических регуляторов напряжения и применяемых систем автоматического регулирования напряжения и т. п. С течением времени может потребоваться и реконструкция сети - изменение ее схемы, параметров, применение дополнительных компенсирующих устройств и т. д. Для осуществления этих мероприятий должны составляться специальные проекты реконструкции сети.

9.2. Методы регулирования напряжения

Напряжение сети постоянно меняется вместе с изменением нагрузки, режима работы источника питания, сопротивлений цепи. Отклонения напряжения не всегда находятся в интервалах допустимых значений. Причинами этого являются:

3

-потери напряжения, вызываемые токами нагрузки, протекающими по элементам сети;

-неправильный выбор сечений токоведущих элементов и мощности силовых трансформаторов;

-неправильно построенные схемы сетей.

Контроль за отклонениями напряжения проводится тремя способами: -по уровню - ведется путем сравнения реальных отклонений напряжения с

допустимыми значениями;

-по месту в электрической системе - ведется в определенных точках сети, например в начале или конце линии, на районной подстанции;

-по длительности существования отклонения напряжения.

Локальное регулирование напряжения может быть централизованным, то есть проводиться в центре питания (ЦП), и местным, то есть проводиться непосредственно у потребителей.

Местное регулирование напряжения можно подразделить на групповое и индивидуальное. Групповое регулирование осуществляется для группы потребителей, а индивидуальное - в основном в специальных целях.

В зависимости от характера изменения нагрузки в каждом из указанных типов регулирования напряжения можно выделить несколько подтипов. Так, например, в централизованном регулировании напряжения можно выделить три подтипа: стабилизация напряжения; двухступенчатое регулирование напряжения; встречное регулирование напряжения.

Стабилизация применяется для потребителей с практически неизменной нагрузкой, например для трехсменных предприятий, где уровень напряжения необходимо поддерживать постоянным. Суточный график нагрузки таких потребителей приведен на рис.16.2,а. Для потребителей с ярко

S S S

Рис. 9.2. Графики нагрузки:

а – неизменный; б – двухступенчатый; в - многоступенчатый

выраженной двухступенчатостью графика нагрузки (рис.9.2,б) например для односменных предприятий, применяют двухступенчатое регулирование напряжения. При этом поддерживаются два уровня напряжения в течение суток в соответствии с графиком нагрузки. В случае переменной в течение суток нагрузки (рис.9.2,в) осуществляется так называемое встречное регулирование. Для каждого значения нагрузки будут иметь свое значение и потери напряже-

4

ния, следовательно, и само напряжение будет изменяться с изменением нагрузки. Чтобы отклонения напряжения не выходили за рамки допустимых значений, надо регулировать напряжение, например в зависимости от тока нагрузки.

Нагрузка меняется не только в течение суток, но и в течение всего года. Например, наибольшая в течение года нагрузка бывает в период осеннезимнего максимума, наименьшая - в летний период. Встречное регулирование состоит в изменении напряжения в зависимости не только от суточных, но также и от сезонных изменений нагрузки в течение года. Оно предполагает поддержание повышенного напряжения на шинах электрических станций и подстанций в период наибольшей нагрузки и его снижение до номинального в период наименьшей нагрузки.

9.3. Способы изменения и регулирования напряжения в сети

Рассмотрим на примере распределительной сети, присоединенной к шинам ЦП, какие способы изменения и регулирования напряжения могут быть применены для обеспечения технически допустимых отклонений напряжения у электроприемников. Величина этих отклонений зависит от многих факторов: режима напряжений в ЦП, потерь напряжения в элементах сети, по которым осуществляется электроснабжение данных электроприемников от ЦП, наличия в этой сети дополнительных регулирующих устройств.

Для схемы, показанной на рис.9.3, может быть записано следующее

Рис.16.3. Схема распределительной сети

выражение, связывающее в рассматриваемом режиме нагрузки отклонения

5

x m

где E X - сумма добавок напряжения, получаемых за счет выбора различ-

x 1

ных коэффициентов трансформации у m включенных последовательно на участке ЦП - ЭП нерегулируемых и регулируемых трансформаторов или автотрансформаторов.

В выражении (9.1) VЭП и VЦП - текущие значения отклонения от номинально-

го напряжения в процентах или в относительных единицах (в этих же единицах должны выражаться и остальные слагаемые, входящие в (9.1));

VЦП ЭП - сумма значений потерь напряжения в n элементах сети (ли-

ниях, трансформаторах, реакторах и т. п.), включенных последовательно между ЦП и рассматриваемым ЭП (или группой ЭП):

где Pk и Qk - соответственно активная и реактивная мощности нагрузки на участке k сети;

rk и x k - активное и индуктивное сопротивления k-го элемента сети.

Формула (9.1) справедлива для любого режима нагрузки и, в частности, для режимов наибольших и наименьших нагрузок:

x 1

Вычитая (16.4) из (16.3), получим выражение для возможного диапазона отклонений напряжения на шинах некоторого ЭП в рассматриваемых исходных условиях:

Из анализа приведенных формул видно, что для обеспечения некоторых заранее заданных значений отклонений напряжения у ЭП могут быть использованы следующие способы:

-изменение режима напряжений или регулирование напряжения на шинах ЦП;

6

-изменение значения потери напряжения в отдельных элементах сети (линиях, трансформаторах) или на нескольких участках сети одновременно;

-изменение коэффициента трансформации нерегулируемых и регулируемых под нагрузкой трансформаторов и автотрансформаторов (линейных регуляторов ЛР), включенных на участке сети ЦП - ЭП. При этом изменяются величины соответствующих добавок напряжения.

Регулирование напряжения на ЦП обычно приводит к изменению режима напряжений во всей присоединенной к ЦП сети. Поэтому данный способ регулирования называют централизованным регулированием напряжения. Все остальные способы относятся к так называемому местному регулированию напряжения, приводящему к изменению режима напряжений в ограниченной части распределительной сети.

Анализ формулы (9.5) показывает, что наличие неизменной величины добавки напряжения во всех режимах нагрузки (например, в случае

Eнбk Eнмk const ) не уменьшает величины диапазона изменения отклонений

напряжения у электроприемников. Однако при этом изменяются абсолютные значения отклонений напряжения во всех режимах.

В дальнейшем под изменением напряжения понимается его корректировка с помощью единовременного мероприятия, проводимого на длительный период времени. К числу таких мероприятий относятся:

-изменение рабочего положения регулировочного ответвления нерегулируемого трансформатора;

-включение установки продольно-емкостной компенсации; -включение дополнительной линии; -замена сечения проводов и т. п.

При этом режим напряжений может быть существенно улучшен. Однако закон изменения напряжений остается вынужденным, обусловленным изменением нагрузок.

Под регулированием понимается текущее изменение параметров системы (напряжения, коэффициента трансформации, потери напряжения), применяемое в целях обеспечения желательного режима напряжений. Регулирование может проводиться автоматически. Закон регулирования должен специально подбираться.

Среди способов регулирования напряжения следует особо выделить применение автоматизированных источников реактивной мощности (компенсирующих устройств). Использование компенсирующих устройств очень важно в связи с тем, что регулирование напряжения в электрической сети практически возможно только в том случае, когда имеется достаточный резерв реактивной мощности. Это объясняется тем, что повышение уровня напряжения в сети, возможное в процессе регулирования напряжения, обычно

7

связано с заметным ростом потребляемой реактивной мощности. Дополнительно требуемая реактивная мощность при этом должна быть покрыта за счет имеющегося резерва. Опыт показывает, что, как правило, применение регулирующих устройств должно сопровождаться одновременной установкой и компенсирующих устройств соответствующей мощности.

9.4. Встречное регулирование напряжения

Для подробного рассмотрения встречного регулирования напряжения используем схему замещения, показанную на рис.9.4,а где трансформатор

8

представлен как два элемента - сопротивление трансформатора и идеальный трансформатор. На рис.9.4,а приняты следующие обозначения: U1 - напряже-

Напряжения на шинах ВН и НН отличаются на величину потерь напряжения в трансформаторе UT , и, кроме того, в идеальном трансформа-

торе напряжение понижается в соответствии с коэффициентом трансформации, что необходимо учитывать при выборе регулировочного ответвления.

На рис.9.4,б 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 V и U на поле этого рисунка.

Из рис.9.4,б (штриховые линии) видно, что если n T 1, то в режиме

наименьших нагрузок напряжения у потребителей будут выше, а в режиме наибольших нагрузок - ниже допустимого значения (то есть отклонения U больше допустимых). При этом приемники электроэнергии, присоединенные к сети НН (например, в точках А и В), будут работать в недопустимых условиях. Меняя коэффициент трансформации трансформатора районной подстанции n T , изменяем U2H , то есть регулируем напряжение (сплошная линия

на рис.9.4,б).

В режиме наименьших нагрузок уменьшают напряжение U2H до величины, как можно более близкой к UHOM . В этом режиме выбирают такое наибольшее стандартное значение n T , чтобы выполнялось следующее условие:

величины, наиболее близкой к 1,05—1,1 UHOM . В этом режиме выбирают такое наибольшее стандартное значение n T , чтобы выполнялось следующее условие:

9

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.

9.5. Регулирование напряжения на электростанциях

Изменение напряжения генераторов возможно за счет регулирования тока возбуждения. Не меняя активную мощность генератора, можно изменять

кВ и диапазон регулирования 6 - 6,6 кВ. При UHOM.C = 10 кВ напряжение генератора UHOM.Г =10,5 кВ и диапазон регулирования 10 - 11 кВ.

Отклонение напряжения на выводах генератора более чем на ±5% номинального приводит к необходимости снижения его мощности. Этот диапазон регулирования напряжения (±5%) явно недостаточен. Поясним это подробнее.

На каждой ступени трансформации потери напряжения в относительных единицах равны

UT 0,1ST ,

где ST ST / SHOM - мощность трансформатора и относительных единицах.

*

При трех-четырех трансформациях потери напряжения в сети состав-

ляют 0,3 - 0,4 ST . Если принять PНБ 1, a РНМ 0,4 , то при этих условиях по-

тери напряжения в процентах UHOM в режимах наибольших и наименьших нагрузок составляют соответственно

UНБ % 30 40%, UHM % 12 16%.

Отсюда видно, что диапазон изменения напряжения у потребителя составляет

UНБ % UHM % 18 24% .

Поэтому диапазон изменения напряжения у генератора, составляющий только 10%, явно недостаточен.

Генераторы электростанций являются только вспомогательным средством регулирования по двум причинам:

10

-недостаточен диапазон регулирования напряжения генераторами;

-трудно согласовать требования по напряжению удаленных и близких потребителей.

Как единственное средство регулирования генераторы применяются только в случае системы простейшего вида - станция - нераспределенная нагрузка. В этом случае на шинах изолированно работающих электростанций промышленных предприятий осуществляется встречное регулирование напряжения. Изменением тока возбуждения генераторов повышают напряжение в часы максимума нагрузок и снижают в часы минимума.

Повышающие трансформаторы на электростанциях ТДЦ/110 с номи-

нальным напряжением обмотки ВН UB.HOM = 110 кВ и часть из ТДЦ/220 с UB.HOM = 220 кВ, как и генераторы, являются вспомогательным средством регулирования напряжения, потому что также имеют предел регулирования ±2×2,5 % UB.HOM и с их помощью нельзя согласовать требования по напряжению близких и удаленных потребителей. Повышающие трансформаторы ТЦ и ТДЦ с UB.HOM =150, 330 - 750 кВ выпускаются без устройств для регулирования напряжения. Поэтому основным средством регулирования напряжения являются трансформаторы и автотрансформаторы районных подстанций.

9.6. Регулирование напряжения на понижающих подстанциях

По конструктивному выполнению различают два типа трансформаторов понижающих подстанций:

-с переключением регулировочных ответвлений без возбуждения, то есть с отключением от сети (сокращенно «трансформаторы с ПБВ»);

-с переключением регулировочных ответвлений под нагрузкой (сокращенно «трансформаторы с РПН»). Обычно регулировочные ответвления выполняются на стороне высшего напряжения трансформатора, которая имеет меньший рабочий ток. При этом облегчается работа переключающего устройства.

Напряжение на шинах ВН подстанции будет отличаться от напряже-

ния генераторов электростанции U1 на величину потерь в линии UC , а напряжение на шинах НН подстанции, приведенное к ВН UB2H , будет отличаться еще и на величину потерь напряжения в сопротивлении трансформатора UT :

Действительное напряжение на шинах НН подстанций определяется как

где nT UOTB / UH.HOM - коэффициент трансформации трансформатора; UOTB - напряжение регулировочного ответвления обмотки ВН;

UH.HOM - номинальное напряжение обмотки НН.

Меняя коэффициент трансформации, можно изменять напряжение на стороне НН подстанции U2H . Именно на этом принципе и работают все сред-

ства регулирования напряжения на подстанциях.

По условиям встречного регулирования (9.7) и (9.8)

VНБЖЕЛ % 5%; VНМЖЕЛ % 0,

напряжение на стороне НН в режиме наименьших нагрузок, приведенное к ВН. По значениям U и U определяются желаемые ответвления регу-

лируемой обмотки высшего напряжения трансформатора в режимах наибольших и наименьших нагрузок:

Желаемые ответвления, определенные по (9.12) округляются до ближайших стандартных значений.

12

5

2,5

0

2,5

5

Рис.9.5. Схема обмоток трансформатора с ПБВ

9.6.1. Трансформаторы без регулирования под нагрузкой (ПБВ)

Трансформаторы без регулирования под нагрузкой (ПБВ) в настоящее время изготовляют с основным и четырьмя дополнительными ответвлениями. Схема обмотки такого трансформатора приведена на рис.9.5. Основное ответвление имеет напряжение, равное номинальному напряжению первичной обмотки трансформатора UB.HOM Для понижающих трансформаторов UB.HOM

равно номинальному напряжению сети UHOM.C к которой присоединяется дан-

ный трансформатор. При основном ответвлении коэффициент трансформации трансформатора называют номинальным. При использовании четырех дополнительных ответвлений коэффициент трансформации отличается от номинального на +5, +2,5, -2,5 и -5 %. Вторичная обмотка трансформатора является центром питания сети, подключенной к этой обмотке. Поэтому номинальное напряжение вторичной обмотки трансформаторов выше номинального напряжения сети: на 5 % - для трансформаторов небольшой мощности, на 10% - для остальных трансформаторов.

Чтобы переключить регулировочное ответвление в трансформаторе с ПБВ, требуется отключить его от сети. Такие переключения производятся редко, при сезонном изменении нагрузок. Поэтому в режиме наибольших и наименьших нагрузок в течение суток (например, днем и ночью) трансформатор с ПБВ работает на одном регулировочном ответвлении и соответственно с одним и тем же коэффициентом трансформации.

9.6.2. Трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой

13

Трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, со встроенным устройством РПН (рис.9.6,а) отличаются от трансформаторов с ПБВ наличием специального переключающего устройства, а также увеличенным числом ступеней регулировочных ответвлений и диапазоном регулирования. Например, для трансформаторов с номинальным напряжением основного ответвления обмотки ВН, равным 115 кВ, предусматриваются диапазоны регулирования +16 % при 18 ступенях регулирования по 1,78 % каждая.

На рис.9.6,б изображена схема обмоток трансформатора с РПН. Обмотка ВН этого трансформатора состоит из двух частей: нерегулируемой а и регулируемой б. На регулируемой части имеется ряд ответвлений к неподвижным контактам 1, 4. Ответвления 1, 2 соответствуют части витков, включенных согласно с витками основной обмотки (направление тока указано на рис.9.5.4,б стрелками). При включении ответвлений 1, 2 коэффициент трансформации трансформатора увеличивается. Ответвления 3, 4 соответствуют части витков, соединенных встречно по отношению к виткам основной обмотки. Их включение уменьшает коэффициент трансформации, так как компенсирует действие части витков основной обмотки. Основным выводом обмотки ВН трансформатора является точка О. Число витков, действующих согласно и встречно с витками основной обмотки, может быть неодинаковым. На регулируемой части обмотки имеется переключающее устройство, состоящее из подвижных контактов в и г, контактов К1 и К2 и реактора Р. Середина обмотки реактора соединена с нерегулируемой частью обмотки а трансформатора. Нормально ток нагрузки обмотки ВН распределяется поровну между половинами обмотки реактора. Поэтому магнитный поток мал и потеря напряжения в реакторе также мала.

Рис.9.6. Трансформатор с РПН:

а – условное обозначение; б – схема обмоток трансформатора с РПН; в,г – переключение ответвлений

Допустим, что требуется переключить устройство с ответвления 2 на ответвление 1. При этом отключают контактор К1 (рис.9.6,в), переводят подвижный контакт в на контакт ответвления 1 и вновь включают контактор К1 (рис.9.6,г). Таким образом, секция 1, 2 обмотки оказывается замкнутой на обмотку реактора Р. Значительная индуктивность реактора ограничивает уравнительный ток, который возникает вследствие наличия напряжения на секции 1, 2 обмотки. После этого отключают контактор К2, переводят подвижный контакт г на контакт ответвления 1 и включают контактор К2.

С помощью РПН можно менять ответвления и коэффициент трансформации под нагрузкой в течение суток.

Автотрансформаторы 220 - 330 кВ сейчас выпускаются с РПН, встроенным на линейном конце обмотки среднего напряжения. Ранее для автотрансформаторов устройство РПН выполнялось встроенным в нейтраль, при этом изменение коэффициентов трансформации между обмотками ВН и СН и обмотками ВН и НН нельзя было производить независимо друг от друга и нельзя было осуществлять встречное регулирование одновременно на среднем и низшем напряжениях. В настоящее время с помощью РПН, встроенного на линейном конце обмотки СН, можно изменять под нагрузкой коэффициент трансформации только для обмоток ВН – СН. Если требуется одновременно изменить под нагрузкой коэффициент трансформации между обмотками ВН и НН, то необходимо установить дополнительно линейный регулятор последовательно с обмоткой НН автотрансформатора. С экономической точки зрения такое решение оказывается более целесообразным, чем изготовление автотрансформаторов с двумя встроенными устройствами РПН.

15

16.6.3. Линейные регулировочные трансформаторы (ЛР)

Линейные регулировочные трансформаторы (ЛР) и последовательные регулировочные трансформаторы применяются для регулирования напряжения в отдельных линиях или в группе линий. Так, они применяются при реконструкции уже существующих сетей, в которых используются трансформаторы без регулировки под нагрузкой. В этом случае для регулирования напряжения на шинах подстанции ЛР включаются последовательно с нерегулируемым трансформатором (рис.9.7,а). Для регулирования напряжения на отходящих линиях линейные регуляторы включаются непосредственно в линии (рис.9.7,б).

Линейный регулировочный трансформатор - статический электрический аппарат, который состоит из последовательного 2 и питающего 1 трансформаторов (рис.9.7,в). Первичная обмотка питающего трансформатора 3 может получать питание от фазы А или от фаз В, С. Вторичная обмотка 4 питающего трансформатора содержит такое же устройство переключения контактов под нагрузкой 5, как и в РПН. Один конец первичной обмотки 6 последовательного трансформатора 6 подключен к средней точке вторичной обмотки 4 питающего трансформатора, другой - к переключающему устройству 5. Вторичная обмотка 7 последовательного трансформатора соединена последовательно с обмоткой ВН силового трансформатора, и добавочная ЭДС E в обмотке 7 складывается с ЭДС в обмотке ВН.

Если на первичную обмотку 3 питающего трансформатора подается напряжение фазы А (сплошные линии на рис.9.7,в), то ЭДС обмотки ВН силового трансформатора с помощью устройства РПН, описанного выше, регулируется по модулю (рис.9.7,г). При этом E - модуль результирующей ЭДС

обмотки ВН силового трансформатора и обмотки 7 линейного регулятора,

где EA - модуль ЭДС в фазе A обмотки ВН силового трансформатора.

Если обмотка 3 подключается к двум фазам B и C (штриховые линии на рис.9.7,в), то результирующая ЭДС обмоток ВН и 7 изменяется по фазе

(рис.9.7,д):

Регулирование напряжения по модулю, когда E и EA совпадают по фазе (рис.9.7,г), называется продольным. При таком регулировании коэффициент трансформации n T - действительная величина. Регулирование напряжения по фазе, когда E и EA сдвинуты на 90° (рис.9.7,д), называется поперечным.