5. Регулирование напряжения в электрической сети

Задачей проработки этого раздела проекта является обеспечение нормативных отклонений напряжения на шинах 10 кВ подстанций проектируемой сети [3,4,5].

Согласно ПУЭ [3 п.1.2.22] для электрических сетей следует предусматривать технические мероприятия по обеспечению качества электрической энергии в соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97.

Согласно [3 п.1.2.23] устройства регулирования напряжения должны обеспечивать поддержание напряжения на шинах напряжением 3-20 кВ электростанций и подстанций, к которым присоединены распределительные сети, в пределах не ниже 105 % номинального в период наибольших нагрузок и не выше 100% номинального в период наименьших нагрузок этих сетей. Отклонения от указанных уровней напряжения должны быть обоснованы.

Основным экономически целесообразным средством регулирования напряжения в проектируемой сети являются трансформаторы с регулированием коэффициента трансформации под нагрузкой (РПН). Изменением коэффициента трансформации поддерживается напряжение у потребителей при изменении режима их работы.

Согласно [3] на шинах 10 кВ подстанций должен осуществляться закон встречного регулирования напряжения в пределах отклонения напряжения от + 5 (или более) до 0 % при изменениях нагрузки подстанций от наибольшей до наименьшей. Обычно при наибольших нагрузках достаточны отклонения напряжения на этих шинах в пределах + 5 - 6 %. Встречное регулирование состоит в изменении напряжения в зависимости от изменения нагрузки в течение суток или сезонных изменений в течение года. Встречное регулирование предполагает поддержание повышенного напряжения на шинах НН подстанций в периоды наибольших нагрузок и его снижение до номинального в периоды наименьших нагрузок. Согласно схеме замещения трансформатора напряжения на шинах ВН и НН отличаются на величину потерь напряжения в трансформаторе ΔU и, кроме того, в идеальном трансформаторе напряжение понижается в соответствии с коэффициентом трансформации (к ), что необходимо учитывать при выборе регулировочного ответвления. Меняя коэффициент трансформации трансформатора к , изменяем, напряжение на низшей стороне U , т.е. регулируем напряжение. По конструктивному выполнению на проектируемых подстанциях применяют трансформаторы с переключением регулировочных ответвлений под нагрузкой. Обычно регулировочные ответвления выполняются на стороне высшего напряжения трансформатора, которая имеет меньший рабочий ток. При этом облегчается работа переключающего устройства. Трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, со встроенным устройством РПН имеют специальное переключающее устройство, достаточно большое число ступеней регулировочных ответвлений и немалый диапазон регулирования. Например, для трансформаторов с номинальным напряжением основного ответвления обмотки ВН, равным 115 кВ предусматриваются диапазон регулирования ± 16% (±9х1,78%) при 18 ступенях регулирования (9 ступеней в сторону увеличения и 9 ступеней в сторону уменьшения) по 1,78% каждая. Обмотка ВН трансформатора состоит из двух частей: нерегулируемой и регулируемой. На регулируемой части имеются дополнительные регулировочные ответвления, позволяющие изменять количество витков обмотки ВН. Изменение коэффициента трансформации производится переключением ответвлений с помощью РПН.

Определение желаемых отклонений напряжения на шинах производится линейной интерполяцией.

Аварийные отключения линий и трансформаторов рассматриваются, как правило, при наибольших нагрузках подстанций. Поэтому желаемые отклонения напряжения на шинах 10 кВ в таких режимах должны соответствовать отклонениям напряжения, требуемым в режиме наибольших нагрузок.

В этом разделе проекта должны быть выбраны рабочие ответвления понижающих трансформаторов, обеспечивающие поддержание требуемых отклонений напряжения на шинах 10 кВ подстанций во всех рассмотренных режимах работы. Выполняется это следующим образом. После расчета установившегося режима сети становятся известными напряжения на шинах высшего напряжения каждой из подстанций UВ. Проще всего напряжение на шинах низшего напряжения (U ), приведенное к стороне высшего напряжения (то есть без учета коэффициента трансформации трансформаторов), определить по выражению

U = U - ΔU , где

ΔU - падение напряжения в трансформаторе.

Выразим ΔU через мощности, проходящие через трансформатор, напряжение U и сопротивления трансформатора

ΔU = - где

Р′_н, Q′_н – активная и реактивная мощности нагрузки в (мощности проходящие через трансформатор на стороне ВН, после потерь холостого хода) в рассматриваемом режиме; R_т , Х_т – активное и реактивное сопротивление трансформатора (в данном случае двухобмоточного трансфоматора).

Тогда U можно выразить как:

U = U -

После умножения данного выражения на U и преобразования получим квадратное уравнение (ах - bх + с = 0)

(U ) - U U + ( ) = 0

где а=1, b = U , х= U , с = ( ).

После решения этого уравнения получим

,? (5.1)

Для трансформаторов с расщепленной обмоткой низшего напряжения падение напряжения на трансформаторе можно определить:

ΔU = , где

Р′_н, Q′_н – активная и реактивная мощности нагрузки поступающие на обмотку ВН трансформатора (после потерь холостого хода) в рассматриваемом режиме, - мощности нагрузки, но поступающие на каждую обмотку НН трансформатора. Так можно считать если не учитывать потери мощности в активном и реактивном сопротивлениях обмотки ВН из-за их малости; , , – активные и реактивные сопротивления соответственно для обмоток ВН и НН1 (или НН2) трансформаторов.

Для трансформаторов с расщепленной обмоткой формула (5.1) примет вид:

(5.1.1)

Понижающие трансформаторы имеют РПН в нейтрали обмотки высшего напряжения.

Имея значение U (напряжение на шинах низшего напряжения приведенное к стороне высшего напряжения) и значение желаемого напряжения на шинах НН можно вычислить значение расчетное напряжения регулировочного ответвления

, где

- номинальное напряжение трансформатора на стороне НН,

- желаемое напряжение на стороне НН в зависимости от расчетного режима. В период наибольших нагрузок оно должно быть не менее 105 % от номинального напряжения, а в период наименьших нагрузок - не более 100 % номинального.

То же значение расчетного напряжения регулировочного ответвления

можно вычислить по другой формуле

= , где

- номинальное напряжение трансформатора на стороне ВН,

- номера расчетных ответвлений регулируемой обмотки ВН,

- ступень регулирования напряжения в %.

Приравняв правые части последних двух формул, и преобразовав их, можно вычислить номера расчетных ответвлений ,т.е. можно определить расчетное ответвление регулируемой части обмотки ВН, обеспечивающее желаемое напряжение на шинах низшего напряжения U_{н жел.}, по выражению

, (5.2)

Вычисленное значение округляется до ближайшего целого числа n_отв с учетом максимального количества ответвлений. Значение n_отв по модулю не должно превышать максимального количества ответвлений имеющихся у трансформатора. Для трансформаторов типов ТДН, ТРДН с высшим напряжением 115 кВ количество ответвлений составляет ± 9х1,78 % (± 9 ответвлений, т.е. 9 ответвлений в сторону увеличения и 9 - в сторону уменьшения по 1,78 процентов на каждое ответвление). После этого по принятому значению n_отв следует определить действительное напряжение на шинах низшего напряжения подстанций

, (5.4)

и отклонение напряжения на этих шинах от номинального напряжения (U_ном= 10 кВ), %

. (5.5)

Отдельно решается вопрос регулирования напряжения на шинах низшего напряжения подстанций с автотрансформаторами. Так как в автотрансформаторах устройство РПН осуществляется на стороне среднего напряжения, то здесь отсутствует возможность регулирования напряжения на стороне низшего напряжения. На крупных подстанциях требуемое напряжение непосредственно на шинах низшего напряжения может быть обеспечено с помощью синхронных компенсаторов. Другим способом регулирования напряжения является использование линейных регулировочных трансформаторов, позволяющих регулировать напряжение в пределах 101.5% номинального напряжения.

Если в результате расчета регулировочных ответвлений трансформаторов выясняется, что необходимо произвести корректировку напряжения на шинах источника питания, то новые значения напряжений на подстанциях допускается оценивать приближенно, ориентировочно считая, что во всех точках сети напряжения изменяются на столько же процентов (%), на сколько было изменено напряжение на шинах источника питания.

Результаты расчетов ответвлений трансформаторов, обеспечивающих желаемые напряжения на шинах низшего напряжения подстанций в режиме наименьших нагрузок и послеаварийном режиме, сводятся в таблицы. В таблицах указываются напряжения низшей стороны трансформатора, приведенные к стороне высшего напряжения, расчетный номер ответвления обмотки, округленное значение номера ответвления с учетом возможного диапазона регулирования напряжения, действительное напряжение на шинах низшего напряжения подстанции и отклонение этого напряжения от номинального напряжения.