1

Лекция №10

10.1. Регулирование напряжения изменением сопротивления сети

Напряжение у потребителя зависит от величины потерь напряжения в сети, которые в свою очередь зависят от сопротивления сетей. Например, продольная составляющая падения напряжения в линии на рис.10.1,а равна:

r1 2 , x1 2 - ее активное и реактивное сопротивления.

Рис.10.1. Регулирование напряжения изменением параметров сети:

а – схемы замещения; б – зависимость сопротивления от сечения проводов

На рис.10.1,б показан характер зависимости сопротивления сети от сечения проводов. Из графика видно, что соотношение активного и реактивного сопротивлений для распределительных и питающих сетей различно.

В распределительных сетях активное сопротивление больше реактивного, то есть r0 x0 . В (10.1) основную роль играет первое слагаемое

числителя P1K2 r1 2 . При изменении сечения линий в распределительных сетях существенно меняются r0 и r1 2 изменяются U12 и напряжение потребителя.

2

Поэтому в этих сетях сечение иногда выбирается по допустимой потере напряжения.

В питающих сетях, наоборот, x0 r0 поэтому U12 в значительной

степени определяется реактивным сопротивлением линий, которое мало зависит от сечения. Продольная составляющая падения напряжения в линии до установки конденсаторов определяется выражением (10.1). Предположим, что напряжение в конце линии ниже допустимого:

Включим последовательно в линию конденсаторы так, чтобы повысить напряжение до допустимого U2ДОП .

Предыдущее выражение запишем в следующем виде:

где x K - сопротивление конденсатора.

Последовательное включение конденсаторов в линии называют продольной компенсацией. Установка продольной компенсации (УПК) дает возможность компенсировать индуктивное сопротивление и потерю напряжения в линии (рис.10.2,а).

a)

j

3I1 2r1 2

б)

Величину 3I12 x K можно рассматривать как отрицательное падение напряжения или как дополнительную ЭДС, вводимую в цепь.

Зная U1 , U2ДОП , r1 2 , x1 2 , P1K2 , Q1K2 , можно найти x K из (10.3) и выбрать нужное количество последовательных и параллельных конденсаторов. При этом напряжение на конденсаторах UK и ток в них IK равны:

UK.HOM UK / 3 , то ставят последовательно несколько конденсаторов в одной фазе. Число подключенных конденсаторов определяют по выражению

Для УПК отношение емкостного сопротивления конденсаторов к индуктивному сопротивлению линии, выраженное в процентах, называется процентом компенсации:

На практике применяют лишь частичную компенсацию (с<100 %) реактивного сопротивления линии. Полная или избыточная компенсация (с≥100%) в распределительных сетях, непосредственно питающих нагрузку, обычно не применяется, так как это связано с возможностью появления в сети перенапряжений.

4

10.2. Регулирование напряжения изменением потоков реактивной мощности

ления сети.

Из последнего выражения видно, что падение напряжения зависит от потоков реактивной и активной мощностей сети. По линии должна передаваться такая активная мощность, какая нужна потребителю. Активную мощность линий нельзя изменять для регулирования напряжения. В питающих сетях активное сопротивление меньше реактивного сопротивления линии. Следовательно, именно произведение QH xC оказывает решающее влияние на

падение напряжения в сетях при регулировании U за счет изменения потоков мощности.

Для изменения потоков реактивной мощности применяют компенсирующие устройства — батареи конденсаторов (БК), синхронные компенсаторы (СК), а также статические источники реактивной мощности (ИРМ).

10.2.1. Использование в качестве компенсирующего устройства синхронных компенсаторов

Использование в качестве компенсирующего устройства синхронных компенсаторов иллюстрируется на рис.10.3.a. Напряжение в конце линии до установки компенсатора определяется выражением :

Пусть U2 ниже допустимого. После включения СК в конце линии U2 определяется следующим образом:

5

Определим мощность СК, необходимую для того, чтобы напряжение стало допустимым. Для этого положим в (10.13) U2 U2ДОП и вычтем из

(10.12) выражение (10.13):

U2 ДОП

3IC.K rC

Рис.10.3. Режимы работы компенсирующих устройств: а – включение синхронного ком-

пенсатора; б, в – векторные диаграммы синхронного компенсатора при перевозбуждении и недовозбуждении; г – включение батареи конденсаторов

гаемых в правой части (10.14) равны. При этом допущении мощность СК определяется простым выражением, вытекающим из (10.15):

(10.16).

Синхронные компенсаторы могут работать в режимах перевозбуждения и недовозбуждения.

При перевозбуждении они генерируют реактивную мощность QCПЕРЕВ.K QC.K.HOM . При недовозбуждении они потребляют реактивную мощ-

ность QCНЕДОВ.K 0,5QC.K.HOM , что приводит к увеличению потерь напряжения в сети и к уменьшению напряжения у потребителей. Недовозбуждение синхронных компенсаторов можно использовать, когда надо снизить напряжение, например в режиме наименьших нагрузок. На рис.10.3,б и в представлены векторные диаграммы в режимах перевозбуждения и недовозбуждения.

До включения синхронного компенсатора:

недовозбуждения ток и реактивная мощность СК изменяют свои знаки на противоположные. Ток IC.K , текущий из сети, отстает на 90° от напряжения

8

U 2 . Из векторной диаграммы (рис.10.3,в) видно, что в этом режиме модуль напряжения понижается с U 2 до U2ДОП.НМ .

10.2.2. Включение в качестве компенсирующего устройства батарей конденсаторов

Включение в качестве компенсирующего устройства батарей конденсаторов позволяет только повышать напряжение, так как конденсаторы могут лишь вырабатывать реактивную мощность. Конденсаторы, подключенные параллельно к сети (рис.10.3,г), обеспечивают поперечную компенсацию. В этом случае БК, генерируя реактивную мощность, повышает коэффициент мощности сети и одновременно регулирует напряжение, поскольку уменьшаются потери напряжения в сети. В период малых нагрузок, когда напряжение в сети повышено, должно быть предусмотрено отключение части БК, чтобы уровни напряжений не превышали допустимых значений.

Векторная диаграмма при поперечной компенсации с помощью БК та же, что и для СК в режиме перевозбуждения (рис.10.3,б), где вместо тока

IC.K следует говорить о токе IK . В этом случае, как и при использовании СК,

уменьшается потеря напряжения в сети и увеличивается напряжение U 2 , а также угол сдвига между напряжениями в конце и в начале линии.

Реактивная мощность QK , генерируемая БК, определяется по выражению (10.16), которое преобразуется к виду

В последнем выражении относительное повышение напряжения U 2 при регулировании, то есть при поперечной компенсации, равно

10.2.3. Реакторы

Реакторы служат для потребления излишней реактивной мощности и относятся к шунтирующим (в отличие от токоограничивающих и заземляющих, здесь не рассматриваемых). Шунтирующие реакторы выполняются в виде трехфазных и однофазных катушек без ответвлений с ненасыщенным

9

магнитопроводом. Номинальные мощности реакторов SHOM , которые в силу малых потерь активной мощности (< 1%) можно принять равными QHOM ,

задаются для номинального напряжения.

Изменяя баланс реактивной мощности, реакторы стабилизируют напряжение. Стабилизации последнего способствует и положительный регулирующий эффект реактора. При увеличении напряжения увеличиваются потребляемая реактором мощность и падение напряжения в сети, а напряжение в точке установки реактора имеет тенденцию к снижению, то есть к стабилизации. При уменьшении напряжения картина обратная. Статические характеристики узла нагрузки с показаны на рис.10.4 (кривая 1 - без реактора, кривая 2 - с реактором, который при снижении UP отключается в точке а).

Нерегулируемый шунтирующий реактор можно включать в режиме минимальных нагрузок и отключать в режиме максимума - в этом смысле он является регулирующим устройством. Включая и отключая реактор, удается выдержать допустимые отклонения напряжения в большем диапазоне суточного графика нагрузки ( QЭ1 на рис.10.4 соответствует характеристике без ре-

актора и меньше QЭ 2 при включении и отключении реактора). Однако такое регулирование является ступенчатым и достаточно грубым.

QЭ1

QЭ 2

а

QЭ

Рис.10.4. Статические характеристики узла нагрузки с шунтирующим реактором

Шунтирующие нерегулируемые реакторы применяются в основном на конечных и промежуточных подстанциях мощных электропередач, их включение и отключение производится эксплуатационным персоналом по распоряжению диспетчера ЭЭС.

Прогресс в области реакторостроения привел к созданию управляемых средств потребления реактивной мощности, однако их применение пока еще ограничено. Это, в частности, реакторно – тиристорные блоки, которые представляют комбинацию неуправляемых реакторов и тиристоров, управляемых по определенному закону с помощью устройства управления. Тиристоры могут работать в ключевом режиме, осуществляя ступенчатое изменение мощности группы реакторов либо в режиме плавного регулирования.

10

10.2.4. Статические компенсаторы

Статические компенсаторы (СТК) — комплексные устройства, не содержащие движущихся частей и пригодные как для потребления, так и для выработки реактивной мощности. Схемы СТК отличаются большим разнообразием, однако обязательно наличие накопительных элементов (индуктивности, емкости) и регулирующих элементов на основе тиристорных преобразователей. В ряде случаев основу СТК составляют упомянутые выше реактор- но-тиристорные и конденсаторно-тиристорные блоки.

Устройство управления тиристорами совместно с локальной CAP СТК могут обеспечить изменение реактивной мощности от потребления до выработки (в пределах диапазона регулирования) при практически неизменном напряжении СТК, которое может изменяться в допустимых пределах от UМИН до UМАКС , поэтому статические характеристики узла нагрузки с СТК

(рис.10.5) аналогичны приведенным ранее для генератора.

QCTK UМИН

Потребле Выработка Q

ние Q

Рис.10.5. Статические характеристики узла нагрузки со статическим тиристорным компенсатором

Регулирование СТК от минимума до максимума может быть осуществлено очень быстро – за 1 – 2 периода промышленной частоты. Поэтому СТК могут быть использованы для стабилизации переходных процессов в ЭЭС аналогично синхронным компенсаторам. Как и СК, СТК устанавливаются на промежуточных и конечных подстанциях мощных электропередач. Разработаны СТК для установки в узлах нагрузки для стабилизации режима сети при резкопеременном потреблении.

10.2.5. Установки продольной компенсации

Установки продольной компенсации (УПК) как средство изменения суммарного реактивного сопротивления линии и, следовательно, напряжения

циентом трансформации РТ nT :

График изменения напряжения в линии 23 и РТ, изображен на рис.10.7,б в виде ломаной абвг. Автоматический регулятор, управляющий работой РПН в ЦП, имеет определенную зону нечувствительности ε. Отклонения напряжения в линии 23 находятся внутри заштрихованной полосы между прямыми аб и еж. Обычно на графиках напряжений изображают только верхнюю границу указанной полосы (см. рис.10.7,в).

14

Допустим, что в режиме наибольших нагрузок U2НБ = 1,05 UHOM ;

U23НБ 2,5 ; UР.Т.НБ 2,5 % и E 5 %. В этом случае напряжение на вторичных шинах РТ равно:

U4НБ (1,05 0,025 0,025 0,05)UHOM 1,05UHOM,

что соответствует точке г на рис.17.7,б, то есть V4НБ 5 %.

Линия 46 напряжением 0,38 кВ питает три ЭП (4,5,6) Предположим, что нагрузки этой линии одинаковы и длины участков 45 и 56 равны. Тогда график напряжений в линии 46 изобразится прямой линией. Наименьшее значение напряжения на ЭП 6 равно:

Напряжение на вторичных шинах РТ U4 - самое высокое в линии 46, а напряжение наиболее удаленного ЭП 6 - самое низкое. Отклонение напряжения V4 должно быть не больше предельного положительного отклонения V , a V6 - не меньше предельного отрицательного отклонения V .

Ограничения для возможных отклонений напряжения в ЦП, потерь напряжения в сети и добавки напряжения в РТ:

Предположим, что предельные положительные и отрицательные отклонения напряжения V и V равны +5% и -5%. На рис.10.7,б эти предель-

ные значения показаны штриховыми прямыми.

На рис.10.7 иллюстрировался график напряжения на районной подстанции при встречном регулировании. Добавки напряжения в трансформаторе с РПН имели разные знаки в режимах наибольших и наименьших нагрузок. В распределительном трансформаторе с ПБВ нельзя изменять коэффициент трансформации n T при изменении режима в течение суток, но можно

переключать ответвление 1 раз в сезон (осуществлять сезонное регулирова-

15

ние напряжения). В течение сезона в РТ не меняется n T и соответственно добавка напряжения E . Предположим, что в режиме наименьших нагрузок напряжение ЦП равно UHOM ,то есть V2 0 , и все нагрузки равны 0,4 их значения в режиме наибольших нагрузок. Соответственно потери напряжения в сети в режиме наименьших нагрузок равны 0,4 потерь напряжения в режиме

График напряжения в линии 23 и РТ в режиме наименьших нагрузок изображен на рис.10.7 в ломаной линией абвг.

На рис.10.7,в приведен график напряжения в линии 46 в режиме наименьших нагрузок, когда отклонение равно наименьшему отрицательному предельному значению: V6HM V 5 %. Этот график напряжений

изображен линией гдк. Допустимую потерю напряжения в линии 46 в режиме наименьших нагрузок можно определить при V6HM V 5% :

U46ДОП.НМ V4HM V 3 ( 5) 2,5 5,5 %. Значения допустимой потери напряжения в линии 46 различны в режимах наибольших и наименьших нагрузок, и на нее оказывает влияние диапазон напряжений в ЦП при встречном регулировании U2НБ U2НМ .

Даже в наиболее благоприятных условиях, например в рассмотренном выше случае, допустимая потеря напряжения в сети 0,4 кВ получается не очень большой: 7,5 - 5,5 % UHOM . Иногда эта величина еще меньше. При этом необходимо принимать специальные меры для снижения UНБ в рас-

пределительных сетях 0,4 кВ и в частности увеличивать сечения проводов для снижения UНБ . В последнем случае повышается стоимость сети. В рас-

пределительных сетях 6 - 10 кВ значение UДОП оказывается больше и при

встречном регулировании в ЦП может достигать 10 - 12 %. Как правило, такое значение UДОП достаточно. Увеличивать сечения проводов иногда при-

ходится лишь в очень протяженных сетях, например сетях сельскохозяйственного назначения.

10.4. Сравнение способов регулирования напряжения

Основным, наиболее важным и эффективным среди рассмотренных выше способов является регулирование напряжения трансформаторами и автотрансформаторами под нагрузкой. Все остальные способы регулирова-

16

ния напряжения (трансформаторами с ПБВ, генераторами станций, изменением сопротивления сети и потоков реактивной мощности) имеют меньшее значение и являются вспомогательными.

Трансформаторы с ПБВ применяются в сетях напряжением до 35 кВ. С их помощью невозможно осуществить встречное регулирование напряжения, так как их коэффициенты трансформации при изменении режима в течение суток неизменны. Регулирование трансформаторами с ПБВ используется только как сезонное. Более частые переключения оказываются дорогим мероприятием, поскольку требуют отключения - включения оборудования, усложняют эксплуатацию и связаны с резким увеличением количества обслуживающего персонала.

С помощью трансформаторов с РПН на районной подстанции можно осуществить встречное регулирование, так как в трансформаторах с РПН коэффициенты трансформации и ответвления можно изменять под нагрузкой:

n НБ n HM , UОТВ.НБ UОТВ.НМ .

Трансформаторы с РПН дороже, чем с ПБВ. Это объясняется необходимостью применения специального переключающего устройства. Стоимость переключающего устройства РПН сравнительно мало зависит от мощности трансформатора. Поэтому относительное удорожание трансформаторов с РПН по сравнению с трансформаторами с ПБВ значительно больше сказываются на трансформаторах меньшей мощности. Это удорожание составляет 20 - 25 % стоимости трансформатора, а для трансформаторов малой мощности может достигать 70 - 80 %. Трансформаторы с РПН применяют па напряжение 35 кВ и выше.

Линейные регуляторы малой мощности применяются в промышленных и сельских сетях, ЛР большой мощности - в питающих сетях.

В большинстве случаев синхронные компенсаторы применяются на мощных подстанциях, батареи конденсаторов - на менее мощных подстанциях в промышленных, сельских и городских сетях. Компенсирующие устройства играют важную роль не только в регулировании напряжения, но в первую очередь в обеспечении баланса реактивной мощности и уменьшении потерь мощности и электроэнергии.