Регулирования напряжения измнением параметров сети.

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. Применением перечисленных способов обеспечивается централизованное регулирование напряжения, однако последние три из них могут быть применены и для местного регулирования. Рассмотрим, подробнее способы регулирования напряжения, применяемые в электрических сетях. Регулирование напряжений в сетях генераторами эл. станций. Генераторы электростанций энергетических систем работают на общую электрическую сеть и поэтому режим их работы подчинен общим требованиям, предъявляемым к электрическим системам. Так, например, исходя из условия обеспечения расчетного уровня напряжения в узловых точках электрических сетей, электростанциям наряду с заданием по выработке активной мощности задаются также графики генерации реактивной мощности: максимальной — в утренний и вечерний максимумы активной нагрузки и минимальной—в ночное время.Генераторы, работающие в блоках с повышающими трансформаторами, не имеют непосредственной связи с распределительными сетями генераторного напряжения, а нагрузка собственных нужд, как правило, питается через трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой. Поэтому широкое изменение генерации реактивной мощности ими и связанное с этим значительное изменение напряжения на зажимах генераторов не вызывают особых затруднений. Обычно на блочных генераторах используют полный возможный предел изменения напряжения в соответствии с ПТЭ:от —5% до +10% U_Н. На генераторах, работающих на шины генераторного напряжения с присоединенной к ним распределительной сетью, напряжение регулируется в меньших пределах, так как глубокое изменение напряжения оказалось бы неприемлемым для потребителей. При регулировании реактивной мощности на этих генераторах по заданному графику нагрузки системы уровень напряжения на шинах, необходимый для нормальной работы потребителей, достигается изменением коэффициента трансформации трансформаторов с РПН, связывающих генераторы с сетью ВН. В тех случаях, когда трансформаторы связи генераторов с сетью ВН не имеют РПН, регулирование напряжения на шинах генераторного напряжения производится изменением возбуждения генераторов, с одновременным (автоматическим) изменением их реактивной мощности. Регулирование — встречное и осуществляется по суточному графику напряжения, задаваемому диспетчером электрических сетей. Регулирование напряжения изменением коэффициента трансформации трансформаторов, изменением параметров сети, изменением величины реактивной мощности.

Рис. 10-1. Схема регулирования напряжения трансформатора с РПН (для одной фазы)

Городские и сельские распределительные сети напряжением б—10 кВ, как правило, оборудованы трансформаторами небольшой мощности (до 400—630 кВ А), у которых коэффициент трансформации в пределах ±5% изменяется переключением ответвлений обмотки ВН при отключенном от сети трансформаторе, т. е. без возбуждения трансформатора (ПБВ). Поэтому коэффициент трансформации этих трансформаторов изменяют только либо при изменении схемы электроснабжения, либо при переходе от сезонных максимальных нагрузок к минимальным и наоборот, т. е. осуществляется сезонное регулирование. Суточное регулирование напряжения в этих сетях возлагается на ЦП. Надлежащий коэффициент трансформации на длительный сезонный период выбирают, исходя из уровня напряжения на шинах ЦП и потери напряжения в распределительной сети. Для обеспечения централизованного суточного регулирования напряжения на подстанциях, питающих распределительные сети, устанавливают трансформаторы с РПН, переключение ответвлений у которых производится без перерыва электроснабжения потребителей. Трансформаторы снабжаются аппаратурой автоматического регулирования — регуляторами напряжения, которые входят в комплектную поставку. Встроенные регулировочные устройства в трансформаторах напряжением 35—330 кВ размещаются в нейтрали обмоток ВН. Диапазон регулирования напряжения ± 12% или ±16% номинального напряжения, ступенями по 1,5 или 1,78%. Трехобмоточные трансформаторы 110 и 220 кВ изготовляются с РПН только на обмотке ВН, а обмотка СН имеет ответвления для изменения коэффициента трансформации ±2 - 2,5%, переключаемые без возбуждения трансформатора. В качестве примера на рис. 10-1 приведена схема регулирования напряжения для трансформатора 110 кВ с диапазоном регулирования ±16% номинального напряжения. Обмотка ВН трансформатора состоит из нерегулируемой части обмотки Аb, ступени грубой регулировки bс и регулировочной обмотки de из 9 ступеней. Каждая ступень регулировочной обмотки содержит 1,78% витков общего числа витков обмотки Ас. Ступень грубого регулирования по числу витков равноценна регулировочной обмотке. В положении, изображенном на схеме (рис. 10-1), трансформатор работает на втором ответвлении, т е. с высоким коэффициентом трансформации: кроме нерегулируемой части обмотки, включены ступень грубой регулировки и 8 ступеней регулировочной обмотки. Избиратель нечетных ступеней находится в положении 1, током не обтекается и готов к переходу на новую ступень. При получении команды снизить коэффициент трансформации (движение избирателей по стрелкам) избиратель начинает переход со ступени 1 на ступень 3. Одновременно контактор получает импульс на подготовку к переключению с К₂ на К₁, аккумулируя энергию в пружине. После перехода избирателя в положение 3 пружина почти мгновенно (?0,15 с) перебрасывает контактор с К₂ на К₁. Ток нагрузки в процессе переключения контактора проходит через активное сопротивлениеR₂, а витки 2—3 регулируемой обмотки замыкаются через R₂ + R₁. В новом положении избиратель четных ступеней без тока и готов к переходу на другую ступень, а контактор к переходу на К₂. При дальнейшем снижении коэффициента трансформации процесс протекает аналогично описанному, пока избиратели не достигнут положений 9 и 10. В этом состоянии трансформатор будет работать с основным коэффициентом трансформации (т.е. на ответвлении ± 0%). Затем в процессе дальнейшего снижения коэффициента трансформации избиратель нечетных ступеней с 9 перейдет в положение 1, контактор в положение К₁, а переключатель замкнет контакты 11—12. Ступень грубого регулирования из работы будет исключена, а вся регулировочная обмотка de будет подключена непосредственно к нерегулируемой части Аb. После этого следует новое прохождение каждого избирателя в означенном на рисунке направлении до полного исключения из работы витков регулировочной обмотки (ответвление —16%). При увеличении коэффициента трансформации переключения будут идти в обратном порядке.Трехобмоточные автотрансформаторы 220—330 кВ выпускаются со встроенными устройствами РПН для регулирования напряжения на стороне СН в линии. Диапазон регулирования ±12% ступенями не более 2% U_Н. На рис. 10-2 приведена схема регулирования для одной фазы трехфазного автотрансформатора 330/110 кВ. Переключение ответвлений происходит в следующем порядке. При переходе со ступени а на ступень b сначала размыкается рабочий контакт 1, затем вспомогательный контакт 2 (ток нагрузки протекает через левое сопротивление R), далее замыкается дугогасительный контакт 3?, образуя мост (уравнительный ток протекает через оба сопротивления R и R'), и вслед за этим размыкается дугогасительный контакт 3, переводя ток нагрузки на правое плечо; после замыкаются последовательно контакты 2' и /', чем и создается новое рабочее положение. Переход с ответвления b на ответвление а происходит в аналогичном порядке.

Рис. 10-2. Схемы регулирования напряжения автотрансформаторов 220— 330/110 кВ
ПА —переключатель ответвлений с активными сопротивлениями R, R'; И₁, И₂ — избиратели ступеней.

Изменение коэффициента трансформации между ВН и СН переключением ответвлений в линии СН не изменяет соотношения напряжений между обмотками ВН и НН. Поэтому автотрансформаторы такой конструкции имеют большие эксплуатационные преимущества перед автотрансформаторами с регулированием напряжения в нейтрали общей обмотки. В последнем случае, как известно, при переключении ответвлений происходит одновременное изменение числа витков обмоток ВН и СН, что приводит к изменению соотношения напряжений между обмотками ВН и НН: при увеличении напряжения на обмотке СН напряжение на обмотке НН уменьшается и, наоборот, при снижении напряжения обмотки СН напряжение обмотки НН увеличивается. Это приводит к невозможности присоединения нагрузки к обмотке НН без установки последовательно с ней линейного регулировочного автотрансформатора даже при совпадении графиков нагрузок на обмотках СН и НН. Линейные регулировочные автотрансформаторы мощностью 16—100 MB -А напряжением 6—35 кВ, а также 63—125 MB-A 110 кВ предназначаются для установки последовательно с нерегулируемыми обмотками трансформаторов, а также непосредственно в линиях электропередачи. На рис. 10-3 дана схема одной фазы линейного трехфазного регулировочного автотрансформатора 10—35 кВ типа ЛТДН с реверсированием регулировочной обмотки. Диапазон регулирования линейных автотрансформаторов ±15% U_Н. От регулировочной автотрансформаторной обмотки AT через Избиратели ступеней И₁ и И₂ питается обмотка возбуждения В последовательного трансформатора ПТр. В последовательной обмотке этого трансформатора, включенной в рассечку линии, наводится добавочная э д с, величина которой зависит от положения избирателей на регулировочной обмотке, а направление —от положения переключателя ее реверсирования ПР. В положении, данном на рис. 10-3, отрегулированное напряжение выше подведенного. Ток, питающий обмотку возбуждения последовательного трансформатора, проходит через ветви реактора Р в противоположных направлениях, вследствие чего результирующий магнитный потока реакторе очень мал и его сопротивление незначительно.

Рис. 10-3. Схема одной фазы линейного регулировочного автотрансформатора типа ЛТДН

При снижении напряжения в линии контактор К₁ кратковременно прерывает цепь избирателя И₁ и последний переходит на одну ступень в направлении контакта 9. Вслед за этим аналогично происходит переход избирателя И₂ на тот же контакт. В процессе перехода избирателей обмотка возбуждения питается через одну ветвь реактора Р, а витки между соседними ступенями регулировочной обмотки замыкаются через последовательно включенные обе ветви реактора Р. После достижения последней ступени 9 (что соответствует регулированию ± 0% U_Н) переключатель реверса ПР переходит в положение 3, а избиратели, вращаясь по кругу, в положение 1. Направление э. д. с. в последовательной обмотке изменится на обратное, и процесс дальнейшего снижения напряжения будет протекать, как описано выше, с переходом избирателей от контакта 1 к контакту 9. Л₁ — линия регулируемого напряжения, Л₂ — линия отрегулированного напряжения Повышение напряжения в линии идет обратным порядком. Установка линейных регулировочных автотрансформаторов (РТ) 35—110 кВ непосредственно в линиях передачи позволяет обеспечить дополнительно к местному централизованное регулирование напряжения для групп потребителей, присоединенных к этим линиям. Установка РТ целесообразна в начале линий, так как в этих случаях будет обеспечена передача энергии при более высоком уровне напряжения.Регулирование напряжения в сетях изменением параметров сети.

В некоторых пределах напряжение можно регулировать, изменяя сопротивление питающей сети. Так, если питающая сеть или ее участок состоит из нескольких параллельных линий, то, отключая в часы минимальных нагрузок одну из таких линий, можно увеличить потерю напряжения в питающей сети и тем понизить напряжение у потребителя. Снижения реактивного сопротивления цепи и, следовательно, увеличения напряжения при максимальных нагрузках можно добиться, применяя продольную компенсацию индуктивности линии. Напряжение на приемном конце звена линии при наличии продольной компенсации с сопротивлением Хс выражается формулой:

Из формулы видно, что изменением величины Хс (например, шунтированием конденсаторов при сниженных нагрузках) можно осуществлять ступенчатое регулирование напряжения сети. В линиях дальних передач продольную компенсацию используют для повышения их пропускной способности. Число конденсаторов в батарее для продольной компенсации определяется требуемым уровнем напряжения на приемной подстанции и максимальной нагрузкой линии. В электропередачах высокого напряжения обычно компенсируют не свыше 40—50% индуктивности линии, так как большая степень компенсации может привести к ложным действиям релейной защиты, а при известных условиях и к колебательному режиму (самораскачиванию) синхронных генераторов. Регулирование напряжения в сетях изменением величины реактивной мощности в них.

Рис 10-4. Векторная диаграмма изменения напряжения в конце линии в зависимости от изменения передаваемой реактивной мощности.

Эффективно регулировать напряжение путем изменения реактивной мощности в сети можно с помощью синхронных компенсаторов или батарей конденсаторов при включении их параллельно нагрузке. Синхронный компенсатор (СК) устанавливают на приемной подстанции и присоединяют к шинам НН подстанции или к обмотке НН автотрансформатора. Такой компенсатор представляет собой синхронный электродвигатель и при перевозбуждении является емкостной нагрузкой для сети или, что все равно, генератором реактивной индуктивной мощности, а при недовозбуждении становится потребителем реактивной мощности. Таким образом, изменяя возбуждение синхронного компенсатора, непосредственно влияют на величину реактивной мощности, протекающей по сети, и следовательно, на напряжение у потребителя. Покажем это на простом примере передачи мощности по радиальной линии с нагрузкой на конце и с синхронным компенсатором СК, включенным параллельно нагрузке (рис. 10-4). Положим, для простоты, что электропередачу, изображенную на рис. 10-4,а, можно представить одним звеном с сопротивлением R+jX. Тогда напряжения в конце ее при передаче мощности Р+jQ будет:

Построенная по этой формуле векторная диаграмма (рис. 13-7, б) с разделением падения напряжения в сопротивлениях звена от активной мощности (треугольник аbс) и реактивной (cde) показывает изменение U₂ в зависимости от изменения реактивной мощности в линии при постоянной активной нагрузке. Как видно из диаграммы, при передаче по линии максимальной реактивной мощности jQ напряжение на приемном конце U₂ будет минимальным (точка е). При генерировании реактивной мощности СК на месте ее потребления и соответствующем уменьшении передаваемой реактивной мощности по линии напряжение в конце передачи будет увеличиваться (конец вектора U₂скользит по прямой еc). При Q = 0, т. е. при передаче только активной мощности (точка с), имеем: U₂' > U_2. Наконец, если генерируемая на месте мощность будет больше потребляемой и ее избыток будет поступать в линию, то напряжение в конце электропередачи окажется еще больше (точка е'). Регулирование напряжения при помощи СК происходит плавно. Диапазон регулирования зависит от мощности СК и величины реактивной нагрузки линии. Номинальной мощностью синхронного компенсатора считается мощность при генерировании им реактивной (индуктивной) мощности, т. е. при работе с перевозбуждением. При работе компенсатора с недовозбуждением или без возбуждения, т. е. в режиме потребления реактивной мощности (что требуется при минимальных нагрузках), его максимальная мощность составляет 40—60% от номинальной. Это объясняется тем, что ток возбуждения СК уменьшается, приближаясь по мере увеличения потребления реактивной мощности к нулю. Для увеличения мощности СК в режиме потребления реактивной мощности прибегают к применению на нем отрицательного возбуждения. В этом случае его мощность гарантируется не ниже 0,65 номинальной. Синхронные компенсаторы изготовляются на мощность 10 и 16 MB А напряжением 6,3—10,5 кВ и 25—100 MB А напряжением 10,5 кВ. СК мощностью свыше 25 MB А изготовляются с водородным охлаждением. Крупные СК обычно используются по графику генерации реактивной мощности в системе и поэтому служат для централизованного регулирования напряжения. В тех случаях, когда расчетная мощность компенсирующей установки меньше минимальной мощности СК или когда не требуется ее работа в режиме потребления реактивной мощности, устанавливают управляемые батареи конденсаторов (УБК), разделенные на ряд секций. Наибольшая мощность секций определяется допустимой величиной отклонения напряжения на вторичных шинах приемной подстанции. УБК обладают большей экономичностью, чем СК, и поэтому получают распространение.

УБК большой мощности (100 и более MBА) устанавливают также и на крупных районных подстанциях энергосистем, имеющих достаточное количество СК для работы в режиме потребления реактивной мощности в ночное время. УБК большой мощности включаются непосредственно на шины высокого напряжения — 110 кВ. Для местного регулирования напряжения на крупных промышленных предприятиях, особенно в тех случаях, когда их электроснабжение производится по линиям с большим реактивным сопротивлением, эффективно используются синхронные электродвигатели мощностью 1000—10 000 кВА. При обычном коэффициенте загрузки двигателей (0,7Р_Н) располагаемая реактивная мощность их при напряжении на зажимах 0,9 — 1,0 U_Н составляет от 1,3 до 1,5 Q_Н. Регулирование, как и синхронными компенсаторами, происходит плавно, и этот процесс может быть автоматизирован. На тех промышленных предприятиях, где имеются УБК, установленные для компенсации реактивной мощности, они могут использоваться и как средства для регулирования напряжения, не вступая при этом в противоречие с их основным назначением. Выбор мощности синхронных компенсаторов, по условиям регулирования напряжения.

Рис. 10-8. Электропередача с синхронным компенсатором на шинах НН и ее схемы замещения. Мощность СК и конденсаторов подсчитывают по одним и тем же формулам, но с учетом того обстоятельства, что формулы, определяющие мощность компенсирующей установки в режиме потребления реактивной мощности, для конденсаторов не имеют смысла. Расчет ведут для максимального и минимального режимов нагрузки электропередачи, причем в преобладающем числе случаев заданным является напряжение на шинах питающей подстанции. Искомым напряжением обычно является напряжение на шинах вторичного напряжения приемной подстанции, желательная величина которого и определяет мощность СК. Для электропередачи, изображенной на рис. 10-8, а и представленной в виде одного звена с суммарным сопротивлением RS + jXS, отнесенным к расчетному напряжению (рис. 10-8, б), связь между напряжениями в начале и в конце ее при нагрузке Р₂ + jQ₂ напишется в виде:

где U₂ж — желательное напряжение на шинах вторичного напряжения подстанции, приведенное к расчетному напряжению; Q_СК— искомая мощность синхронного компенсатора. Решая это уравнение относительно Q_СК, можно определить мощность СК, необходимую для поддержания на шинах напряжения U₂ж при заданной нагрузке. Однако, учитывая, что шкала мощностей СК по ГОСТ дана с очень большими промежутками, можно пользоваться более простыми формулами, например, не учитывающими поперечной составляющей падения напряжения. Получающаяся при этом погрешность ликвидируется выбором стандартной мощности СК. Пренебрегая поперечной составляющей падения напряжения, для электропередачи, представленной в виде одного звена, будем иметь:

При отсутствии СК и неизменном напряжении U₁ в начале линии напряжение на приемном конце электропередачи U₂ при той же нагрузке должно удовлетворять равенству:

Приравнивая правые части уравнений (13-1) и (13-2), получаем

Разность последних двух членов в правой части этого равенства представляет собой очень небольшую величину (на порядок меньше разности первых двух членов) и при расчетах ею можно пренебречь. Принимая это упрощение, получаем выражение для мощности компенсатора:

Если U₂ж и U₂,— кВ, XS — Ом, то мощность компенсатора Q_СК — Мвар.

Разность (U₂ж — U₂) в выражении (13-3) представляет собой величину, на которую необходимо изменить напряжение на шинах вторичного напряжения подстанции. В режиме максимальных нагрузок эта разность положительна (U₂ж > U₂), что соответствует работе СК с перевозбуждением. В режиме минимальных нагрузок эта разность может быть отрицательна (U₂ж < U₂). что будет соответствовать работе СК с недовозбуждением. Сопротивление XS (представляющее собой сумму индуктивных сопротивлений линий и трансформатора) и напряжения U₂ж и U₂ в формуле (13-3), приведены к расчетному напряжению. Если при определении мощности СК по формуле (13-3). пользоваться не приведенными, а полученными в результате расчета электропередачи действительными величинами напряжений на шинах НН, к которым присоединен СК, то и сопротивление XS, входящее в эту формулу, должно быть пересчитано на эти условия. В соответствии с формулами (12-10) получим:

Или

где X? S — сопротивление электропередачи, отнесенное к действительному вторичному напряжению U_2Д.; U_Б — расчетное (базисное) напряжение электропередачи; k_ТР — коэффициент трансформации трансформатора приемной подстанции. При определении мощности СК по формуле (13-3) предполагается, что расчет электропередачи был произведен с учетом емкости линии (рис. 13-8, б). В том случае, если емкость не была учтена, то мощность СК, подсчитанная по формуле (13-3) для максимального режима нагрузок, можно уменьшить на величину

где D Q представляет собой часть емкости приемного конца линии, перенесенной на шины вторичного напряжения трансформатора по правилу переноса нагрузок.