Мета роботи

Дослідити властивості та особливості однофазної лінії передачі енергії змінного струму, в якій регулювання напруги здійснюється змінюванням напруги живлення та реактивного опору лінії.

Теоретичні положення

Одним з основних показників якості електроенергії є значення можливих відхилень напруги U на споживачах електроенергії від номінальних значень U_н під час їх роботи. Визначають ці відхилення напруги U у вольтах: U = U – U_н або у відсотках:

Допустимими вважаються такі значення відхилень напруги:

• від -5% до +10% – на затискачах електродвигунів та апаратів для їх пуску і керування;

• від -2,5% до +5% – на затискачах світлових приладів робочого освітлення, встановлених у виробничих приміщеннях і громадських будівлях, де необхідна значна зорова напруга, а також на затискачах прожекторів зовнішнього освітлення;

• 5% – на затискачах інших споживачів електроенергії.

У післяаварійних режимах роботи лінії передачі і споживачів електроенергії допускається додаткове зниження напруги на 5% .

Отже, лінія передачі повинна бути побудована так, щоб відхилення напруги на різних її ділянках, зумовлені падіннями напруги в елементах лінії, знаходилися у певних допустимих межах.

Для підтримування напруги на споживачах електроенергії у допустимих межах використовуються різні способи і засоби регулювання напруги в певних місцях лінії передачі. Зокрема, напруга на шинах генераторів і підстанцій (на виводах вторинних обмоток трансформаторів) регулюється таким чином, щоб під час найбільших навантажень лінії вона у межах допустимих значень була вищою за номінальне значення (рис.2.1). З віддаленням споживачів електроенергії від генераторів і підстанцій напруга поступово знижується через її падіння в лінії. Цей спосіб регулювання напруги в лінії передачі електроенергії має назву зустрічного (згідного) регулювання напруги.

Рис. 2.1. Зміна відносних значень напруги U/U_н уздовж лінії передачі електроенергії у разі застосування зустрічного регулювання напруги

На рис. 2.1 точка х = 0 відповідає місцю підключення шин генератора, а точки х₁ , х₂ – вторинних шин трансформаторних підстанцій.

Напруга синхронного генератора у разі регулювання напруги вздовж лінії згідним способом регулюється змінюванням струму збудження генератора, а напруга на вихідних шинах трансформаторів підстанцій – змінюванням коефіцієнта трансформації, для чого обмотка вищої напруги трансформаторів має певну кількість додаткових виводів, перемикання яких під навантаженням здійснюється автоматично спеціальним пристроєм без відключення трансформатора від лінії передачі.

У загальному випадку повний опір лінії передачі енер­гії змінного струму

,

де R_л – активний опір проводів лінії; – її реактив­ний опір; , – індуктивний і ємнісний опори проводів лінії (зазвичай );  = 2f – кутова частота; f – циклічна частота; L_л і C_л – індуктивність і ємність проводів лінії.

Падіння напруги (утрати напруги) у повітряних лініях з нез­начною площею перерізу проводів в основному є падінням напруги на активному опорі проводів лінії R_лI_л , де I_л – струм у проводах лінії. У повітряних лініях з досить значною площею перерізу проводів її повний опір Z_л і відповідно падіння напруги Z_лI_л уже суттєво залежать від індуктивного опору проводів лінії, оскільки зі збільшенням площі перерізу проводів їх активний опір суттєво зменшується, а індуктивний – залишається майже тим самим. Тому одним з ефективних способів регулювання падіння напруги в лініях з досить значною площею перерізу проводів також є змінювання реактивного опору лінії , яке досягається послідовним вмиканням у цю лінію ємнісних елементів (конденсаторів) ємністю і опором (рис. 2.2).

Тоді падіння напруги в лінії передачі електроенергії

може змінюватися залежно від значень ємності елементів . Оскільки напруга на споживачах електроенергії (навантаженні) , то вона може також регулюватися змінюванням опору в лінії передачі.

Рис. 2.2. Схема енергосистеми змінного струму з ємнісним регулювальним елементом

Теоретичною основою цього способу регулювання напруги в лінії передачі електроенергії є властивості нерозгалуженого кола синусоїдного змінного струму, яке має активний, індуктивний і ємнісний опори.

Напруги на елементах лінії передачі електроенергії і струм у ній і_л змінюються у часі за законами:

; ; ; ,

де , , – відповідно амплітудні значення напруг на активному, індуктивному і ємнісному опорах лінії; – амплітудне значення струму у лінії.

Залежно від ємності конденсатора і коли перемикач S замкнений у лінії передачі електроенергії можливі наступні випад­ки:

1) , тоді лінія має активно-індуктивний характер, тобто > 0 , де – кут зсуву фаз струму і напруги на вході лінії , коли перемикач S замкнений (див. рис. 2.2), а напруга випереджає струм за фазою;

2) , тоді лінія має активно-ємнісний характер, тобто < 0 , а напруга відстає за фазою від струму;

3) , тоді , Z_л = R_л і лінія має активний характер, тобто = 0 , а напруга співпадає за фазою зі струмом. Отже в лінії виникає резонанс напруг.

Оскільки резонанс напруг у лінії передачі електроенергії, коли перемикач S замкнений (див. рис. 2.2), виникає за умови , то він може бути досягнутий зміною ємності конденсатора С_дод. У разі резонансу напруг повний опір лінії є мінімальним , а струм у ній відповідно найбільшим . Коли на реактивних опорах виникають напруги, що значно перевищують падіння напруги на за­гальному опорі лінії передачі електроенергії I_лZ_л, тобто .

Послідовне вмикання конденсаторів в лінію передачі елек­троенергії зазвичай застосовується в лініях з напругою до 400 кВ включно. У разі порівняно невеликих значень ємності конденсаторів і відносно невисоких значень напруги лінії вони встановлюються безпосередньо на її опорах.

Рівняння електричної рівноваги енергосистеми, коли перемикач S розімкнений (див. рис. 2.2), згідно з другим законом Кірхгофа має вигляд:

.

Векторна діаграма напруг і струму енергосистеми за умови показана на рис. 2.3.

Рис. 2.3. Векторна діаграма напруг і струму енергосистеми

Падіння напруги на загальному опорі лінії передачі електроенергії визначається як різниця векторів напруг на вході Ū_вх та споживачі Ū_нв : = Ū_вх – Ū_нв . Ці вектори утворюють трикутник напруг 0АВ (рис. 2.3) енергосистеми, для якого:

.

Повна S , активна Р і реактивна Q потужності енергосистеми, схема якої подана на рис. 2.2:

; ;

,

де – втрати активної потужності у лінії передачі електроенергії; – активна потужність споживача електроенергії; , , – реактивні потужності відповідно власне лінії, споживача і конденсатора ; – кут зсуву фаз струму і напруги на вході лінії , коли перемикач S розім­кнений (див. рис. 2.2).