Способы регулирования напряжения в электрических сетях

     МИНИСТЕРСТВО  ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

     РОССИЙСКОЙ  ФЕДЕРАЦИИ 

     ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ 

     Государственное образовательное учреждение

     Высшего профессионального образования

     «КАЗАНСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

     ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» 
 
 
 

     КОНТРОЛЬНАЯ РАБОТА

     на  тему: «Способы регулирования напряжения в электрических сетях» 
 
 
 
 
 
 

     Казань

     2011

      СОДЕРЖАНИЕ 

      ВВЕДЕНИЕ

     Вопросы регулирования напряжения в распределительных  сетях в связи с введением  ГОСТ 13109-67 «Нормы качества электрической  энергии у ее приемников, присоединенных к электрическим сетям общего назначения», занимают сейчас важное место в комплексе вопросов технической эксплуатации энергосистем и сетей потребителей. Многочисленные исследования подтверждают, что поддержание напряжения на уровне номинального или в пределах допустимых отклонений его от номинального имеет большое народнохозяйственное значение. При некачественном чрезмерно низком или высоком напряжении потребители и энергосистемы несут прямые убытки от порчи продукции, недоиспользования мощностей, замедления технологического процесса, преждевременного износа изоляции и потерь энергии. Учет экономических факторов особенно важен в условиях экономического стимулирования труда, автоматизации технологических процессов и интенсификации производства. Исходя из этого вопрос о мерах и средствах регулирования напряжения должен решаться на основе экономического сравнения стоимости потерь производства от некачественного напряжения со стоимостью затрат на средства регулирования напряжения. Для регулирования напряжения в производственных условиях существует много способов и средств, часть из которых доступна и наиболее эффективна в энергосистемах, а часть наиболее приемлема для распределительных сетей потребителей. Очевидным является то, что поддержание качества напряжения может быть осуществлено только на основе согласованных действий и взаимной ответственности за качество электрической энергии как энергосистемы, так и самого потребителя. Непрерывное в течение суток изменение режима работы энергосистемы и потребителей с дневными пиками нагрузки и с ночными провалами ее делает задачу удержания напряжения в заданных пределах практически осуществимой только при наличии автоматически действующих средств регулирования напряжения и при наличии постоянного резерва источников реактивной мощности, как у потребителя, так и в питающих узлах энергосистемы. Отвечая требованиям потребителей в части обеспечения их техническими средствами регулирования напряжения, промышленность в настоящее время до 75% общего числа выпускаемых силовых трансформаторов снабжает встроенными переключающими устройствами для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) с расширенным до ± 16% диапазоном и увеличенным числом ступеней регулирования. В сочетании с блоком автоматического управления (БАУРПН) такие трансформаторы в большинстве случаев оказываются достаточными для регулирования напряжения в узлах нагрузки. Для регулирования напряжения у удаленных от питающего центра потребителей сельских сетей и потребителей со значительной составляющей реактивной мощности и соответственно низким коэффициентом мощности важным средством относительно плавного регулирования напряжения или ступенчатого его изменения являются конденсаторные установки. Последние могут быть включены в сеть по схеме как продольного, так и поперечного включения с автоматическим или полуавтоматическим поддержанием режима, заданного по коэффициенту мощности, напряжению или по времени суток. Проблема регулирования напряжения у отдельных потребителей или приемников, как правило, связана с проблемой общего регулирования напряжения в энергосистеме, что, в свою очередь, может быть успешно осуществлено только при наличии резерва реактивной мощности в системе. Как показывает зарубежный опыт, с проблемой регулирования напряжения успешно справляется только та система, у которой мощность конденсаторных батарей близка к суммарной мощности генераторов. 
 
 

1. ВЕЛИЧИНЫ  НАПРЯЖЕНИЯ, ПАРАМЕТРЫ СЕТИ И ХАРАКТЕР НАГРУЗКИ ПОТРЕБИТЕЛЯ

     Номинальным напряжением приёмников электрической  энергии (электродвигателей, ламп, трансформаторов) называется напряжение, при котором они предназначены для нормальной работы. Каждая электрическая сеть характеризуется номинальным напряжением приёмников электрической энергии, в том числе и трансформаторов, которые от неё питаются. Отличие действительного напряжения на выводах приёмника электрической энергии от номинального напряжения является одним из основных показателей качества электрической энергии. Напряжение у потребителя (подстанция завода, трансформаторный пункт цеха) или у отдельного приёмника (электродвигатель, лампа накаливания) никогда не остаётся постоянным в течение суток. В процессе нормальной эксплуатации электрической сети наблюдаются плавные, закономерные отклонения напряжения от среднего уровня или резкие кратковременные колебания напряжения, вызванные внезапным изменением режимов работы приёмников. Поддержать напряжение у потребителя неизменным и равным номинальному практически невозможно. Исходя из характеристик отдельных приёмников, ГОСТ 13109-67 устанавливает пределы допустимых отклонений напряжения, которые удобно выражать в процентах от номинального напряжения (ϭU), пользуясь формулой

      (1) 

     Очевидно, что отклонение напряжения положительно, когда напряжение у приёмника  U_П выше номинального U_н и отрицательно- в противоположном случае. Ответить на вопрос, какое из отклонений, положительное или отрицательное, лучше, в ряде случаев весьма трудно. Для этого каждый приёмник рассматривают с точки зрения его назначения, места установки и режима работы, т.к. совсем не безразлично, применена ли лампа накаливания в светильнике наружного (уличного) освещения или над рабочим местом в цехе. Во всех случаях следует руководствоваться нормами предельно допустимых отклонений напряжения у приёмников, установленными ГОСТ 13109-67.

     Таблица 1

     Предельно допустимые отклонения напряжения на зажимах у приёмников (ϭU_ДОП)

     Примечание. В послеаварийных режимах допускается  дополнительное отклонение напряжения на –5,0 %.

     Из  табл. 1 видно, для одних и тех же приёмников, например ламп накаливания, в условиях жилых помещений можно допустить отклонения в пределах ±5%, т.к. это практически не отразится на жителях, в то время как снижение напряжения больше чем на 2,5% у ламп рабочего освещения недопустимо из-за возможного брака. При снижении напряжения на 5% номинального световой поток лампы накаливания снижается до 82,5%, а люминесцентные лампы перестают работать устойчиво. При повышении напряжения, например, на 5% срок службы лампы снижается до 350 ч. вместо нормальных 1000 ч. Мощность нагревательных приборов, вращающий момент асинхронных двигателей и мощность конденсаторов изменяются пропорционально квадрату, т.е. второй степени напряжения. Поэтому даже незначительные изменения напряжения резко ухудшают основные характеристики этих приёмников.

      Параметры электрической сети включают в себя параметры линейных элементов, т.е. активные и реактивные (индуктивные) сопротивления проводов и кабелей, и те же параметры трансформаторов. При решении вопросов, связанных с регулированием напряжения сети, составляется расчётная схема замещения, в простейшем случае представляющая собой последовательное соединение всех активных и индуктивных сопротивлений. Для превращения схемы сети в схему замещения необходимо определить параметры линейных элементов, для чего необходимо знать протяжённость линий, марку и сечение проводов или кабелей, а также расстояние между проводами. К параметрам линейных элементов сети, оказывающим влияние на величину напряжения у приёмников, относятся величины: r₀ – активное сопротивление на каждый км. в омах и x₀ – индуктивное (реактивное) сопротивление на каждый км. линии в омах. Индуктивное сопротивление x₀ для трёхфазной линии тем больше, чем больше расстояние между проводами. Это объясняется тем, что соседние провода своим магнитным потоком уменьшают э. д. с. самоиндукции в проводах  и тем большей степени, чем они ближе друг к другу. Для кабельных линий или проводов, расположенных в одной трубе, расстояние между отдельными жилами незначительно и поэтому x₀ близко к 0,08 ом/км. В линиях постоянного тока индуктивное сопротивление отсутствует, т.к. там нет переменного магнитного поля. Для заводских сетей, проложенных на изоляторах или роликах, при расстояниях между проводами 50 – 150 мм. индуктивное сопротивление составляет примерно 0,3 ом/км, а для воздушных сетей близко к 0,4 ом/км. Сопротивления линии могут быть легко получены по формулам:

где l – протяжённость линии, км.

      В заводских сетях схема замещения  силового трансформатора, связывающего сеть высокого и низкого напряжений, принимается состоящей только из последовательно соединённых активного R_т  и индуктивного X_т сопротивлений.

      Распределительная сеть высокого напряжения (ВН) через  трансформаторы связана  с сетью  низкого напряжения (НН). Параметры сети ВН, НН и самого трансформатора можно только тогда связывать электрической схемой замещения, когда все они предварительно будут рассчитаны или, как говорят, приведены к одному напряжению, принятому за базисное. После приведения сопротивлений к одному напряжению сеть, имеющую одну ступень трансформации, можно рассматривать как сеть одного базисного напряжения. Схема замещения для сети с одной ступенью трансформации изображена на рис. 1.

     Рис. 1. Схема замещения для трансформатора и участков сети двух различных напряжений.

     Приёмники электрической энергии могут быть разделены на две группы. К первой из них следует отнести приёмники, в которых электрическая энергия целиком переходит в тепло, например лампы накаливания, дуговые печи, нагревательные приборы обычного типа. Ко второй группе относятся приёмники, действие которых невозможно без наличия переменного магнитного поля. К ним относятся все электродвигатели переменного тока, индукционные печи, трансформаторы и т.д. В этих приёмниках энергия в течение четверти периода накапливается в магнитном поле, в течение следующей четверти уходит из магнитного поля обратно к источнику. Эти чередующиеся перемещения энергии в линии вызывают протекание по линии дополнительного тока, называемого намагничивающим или реактивным I_р. Ток этот отстаёт по времени от напряжения на четверть периода (0,005 сек). Для пояснения процессов, происходящих в цепях переменного тока, принято пользоваться тригонометрическими соотношениями между сторонами прямоугольного треугольника ОАВ (рис. 2).

     При этом ток I рассматривается как вектор, совпадающий с гипотенузой треугольника, а катеты рассматриваются как составляющие тока – активная I_а и реактивная I_р. Амперметр, включенный в рассечку линии, показывает величину тока I, проходящего по цепи, из которого только часть I_а обеспечивает развитие активной мощности. Реактивная слагающая тока I_р есть следствие процесса перетока энергии магнитного поля, которая загружает сеть, создавая в ней дополнительные потери энергии и напряжения. Чтобы судить об экономичности использования сети и оборудования по величине тока и напряжения при наличии реактивной составляющей тока, используется так называемый «коэффициент мощности», который из векторной диаграммы (рис. 2) определяется как

     Подобные  соотношения справедливы и для  мощности одной фазы трёхфазной системы. Активная слагающая тока I_а = Icosφ входит в выражение активной мощности, определяя её при заданном напряжении U:

     Реактивная  слагающая тока I_р = Isinφ входит в выражение реактивной мощности, определяя её при заданном напряжении U:

     Q = UI_р = UIsinφ

     Из  треугольника OAB имеем:

      Коэффициент мощности (косинус фи) для осветительной  или, как говорят, чисто активной нагрузки близок к единице. Для остальной  производственной (двигательной) нагрузки он существенно меньше единицы. При выборе способа и средств регулирования напряжения на зажимах трёхфазного приёмника с симметричной нагрузкой фаз необходимо, кроме параметров питающей линии, установить характер самой нагрузки, т.е. активную и реактивную составляющие тока (мощности). Проще всего это можно осуществить с помощью имеющихся практически у каждого потребителя электросчётчиков «активной» и «реактивной» энергии. С достаточной для расчётов степенью точности можно при определении тока (мощности) потребителя пользоваться не мгновенными, а усреднёнными значениями этих величин, за период в 15 или 30 мин.

     Усреднённые за получасовой период составляющие нагрузки хотя и являются важными  данными, характеризующими потребителя, но сами по себе ещё не достаточны для полной его характеристики. Для выбора и расчёта средств регулирования напряжения необходимо знать не только нагрузку за данные полчаса, но и пределы возможных изменений нагрузки от получасового максимума до получасового минимума за сутки. Этим требованиям отвечает суточный график нагрузки (рис. 4).

     Рис. 4. Суточный график электрической нагрузки предприятия машиностроительной промышленности.

     Таких графиков необходимо иметь минимум  два для наиболее характерных дней января и июня. График электрической нагрузки позволяет наиболее правильно подойти к вопросу регулирования напряжения. Если такого графика нет, то следует его получить, записывая круглосуточно через каждые 30 мин в специально заготовленную табл. показания вольтметра и счетчиков «активной» и «реактивной» энергии. Из приведённого на рис. 4 графика можно установить целый ряд характерных особенностей потребителя и получить исходные данные для проектирования регулирующих средств. На рассматриваемом графике отчётливо зафиксированы два максимума нагрузки – между 9 и 11 ч. утра между 15 и 16 ч, а с 23 до 1 ч. имеет место глубокиё «провал» нагрузки. Максимумы и минимумы активной мощности не совпадают по времени с соответствующими значениями реактивной мощности, о чём также свидетельствует суточное изменение коэффициента мощности. Графики нагрузки потребителя, дополненные графиками суточного изменения напряжения, наряду с данными о параметрах питающих сетей дают возможность выбора наиболее рациональных средств регулирования напряжения.

      2. ПОДХОД К ВОПРОСУ УЛУЧШЕНИЯ  НАПРЯЖЕНИЯ НА ПРЕДПРИЯТИИ

     Современные схемы питания потребителей, как  правило, предусматривают наличие  нескольких ступеней трансформации  напряжения, а сами электрические сети редко бывают радиальными. Наличие многочисленных потребителей, питающихся от одной и той же сети, приводит иногда к тому, что качество электрической энергии по напряжению зависит как от самого потребителя, так и от режима работы смежных предприятий, питающихся от той же линии. Ставя перед собой задачу регулирования напряжения или его ступенчатого изменения в ту или иную сторону, не следует упускать из виду, что в сетях, связанных через трансформаторы задачу поддержания напряжения в сети низкого напряжения (НН) можно, а иногда и более целесообразно осуществить регулировочными мероприятиями на стороне более высокого напряжения. В некоторых случаях регулировочные мероприятия могут быть перенесены на ещё более высокую степень напряжения и т.д. Следует, однако, иметь в виду, что по мере удаления от точки, в которой непосредственно должно быть отрегулировано напряжение, эффективность регулирующих средств ослабевает, а также возникают трудности одновременного удовлетворения  требований различных потребителей или приёмников, питающихся от данной сети. Кроме того, чем на более высокой ступени напряжения осуществляется регулирование напряжения, тем в меньшей степени на них может оказывать влияние (административное) сам потребитель, т.к. сети высших напряжений, как правило, принадлежат энергосистемам, в свою очередь подчиняющимся требованиям объединённых диспетчерских управлений (ОДУ). Рассмотрим несколько наиболее простых примеров.

     Пример 1. Потребитель питается от энергосистемы  по линии ВН через трансформатор, принадлежащий потребителю. Суточная запись величин напряжения и нагрузки показывает, что днём напряжение мало, а ночью настолько велико, что имеет частый выход из строя ламп накаливания, питающихся от шинной сборки силового трансформатора.

     Рекомендации: перевести все энергоёмкие приёмники (насосы, зарядные устройства, компрессоры холодильных камер и вспомогательные цехи) на ночную работу; перевести осветительную сеть на питание от отдельного трансформатора, установив на нём наиболее приемлемый коэффициент трансформации; изменить коэффициент трансформации силового трансформатора.

     Пример  2. От шин электростанции по радиальным линиям питаются два потребителя – удалённый, с трёхсменным режимом работы А, и расположенный близко, с односменным режимом работы Б. По условиям обеспечения должной величины напряжения у удалённого потребителя напряжение на шинах станции поддерживается на наибольшем допустимом уровне. В ночное время у приёмников потребителя Б напряжение чрезмерно велико.

     Рекомендации: проложить резервную линию между  потребителями А и Б для питания освещения и неотключаемой нагрузки потребителя Б, отключая ночью его основные линии связи со станцией.

     Из  рассмотренных примеров, к сожалению, весьма распространённых, следует, что качество напряжения «портит» нагрузка. Это не исключает, конечно, случая, когда некачественное напряжение имеет место из-за прямых нарушений Правил устройства электроустановок (ПУЭ), когда, например, неправильно выбрано сечение проводов или потребитель оказывается слишком удалённым от питающего центра.

     Строго  говоря, рекомендации по примерам 1 и 2 даже не затрагивали вопросов регулирования  напряжения, а в лучшем случае подсказывали пути возможного ступенчатого изменения напряжения без применения каких-либо средств регулирования. В тех случаях, когда приёмник имеет технологические броски тока (сварочные агрегаты, печи), или когда при постоянной нагрузки изменяется напряжение со стороны источника питания или, наконец, когда напряжение у приёмника должно изменяться по заданной программе для целей регулировании напряжения, должны использоваться специальные средства. Влияние организационных мероприятий и технических средств на величину напряжения у приёмника (U₂) можно схематически проиллюстрировать рис. 8, показывающим, на какие составляющие  основной расчётной формулы напряжения могут повлиять те или иные средства.

     На  рисунке под различными номерами указаны все возможные мероприятия  и средства ступенчатого изменения  и регулирования напряжения. На схеме рис. 8 показано, что величина (U₁) может быть изменена регулированием напряжения генератора в допустимых по заводским данным пределах снижения или форсировки возбуждения (средство 1) или изменением коэффициента трансформации (средство 2). Современные трансформаторы, имеющие встроенные переключающие устройства для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), имеют диапазон изменения напряжения ±16% номинального напряжения; применение таких трансформаторов, главным образом, решает задачу централизованного регулирования напряжения. Вольтодобавочные средства 3, 4 и 5, создающие добавочную э.д.с. в линии, являются вспомогательным средством централизованного и основным средством местного регулирования напряжения. Средства 6, 7 (перевозбуждённые синхронные двигатели и конденсаторы), подключаемые параллельно к сети, являются генераторами реактивной мощности. С точки зрения электромагнитного процесса они представляют собой своеобразные резервуары для потока реактивной мощности, которая освобождается из магнитного поля приёмника и стремится к источнику, загружая сеть реактивным током. Включенный параллельно конденсатор заставляет поток преобразовываться в электрическое поле, которое в следующую четверть периода снова преобразовывается в магнитное поле приёмника. Таким образом, протяжённость участка, по которому перемещается реактивная мощность, будет ограничена зоной потребитель – конденсатор, а вся оставшаяся часть сети, освобождённая частично или  или полностью от реактивного тока, будет иметь соответственно меньшую потерю напряжения. Средство 8 уменьшает (компенсирует) индуктивное сопротивление (X) сети за счёт того, что последовательно с ним включается ёмкостное сопротивление (X_с) конденсаторов. Этим достигается ступенчатое увеличение напряжения. Включение и отключение параллельно работающих трансформаторов или линий (средство 9) в общем случае является нежелательным мероприятием, с помощью которого можно несколько изменить напряжение за счёт изменения потерь напряжения и мощности в элементах сети. При включении трансформатора снижается, а при отключении – увеличивается активное и реактивное сопротивление звена сети, соответственно увеличивая или уменьшая напряжение.

     Причиной  некачественного напряжения на зажимах  приёмников в большинстве случаев  является чрезмерно большое или  малое напряжение в питающем центре. Питающим центром являются шины подстанции энергосистем напряжением 35 кв и выше. Согласно § 1-2-43 Правил устройства электроустановок (ПУЭ) при нормальном режиме энергосистемы на шинах вторичного напряжения питающих центров должно обеспечиваться «встречное регулирование напряжения» в пределах от 1,0 до 1,05 номинального вторичного напряжения трансформаторов.

     Поясним сущность встречного регулирования  напряжения на примере. Предположим, что  в утренние часы, когда предприятия  еще не работают на полную мощность, напряжение на шинах питающего центра держится на уровне номинального. С ростом нагрузки и приближением её к утреннему максимуму из-за возрастающих потерь напряжения напряжение в питающем центре также снижается. За счёт этого напряжение на шинах подстанций начинает возрастать. Согласно § 1-2-44 ПУЭ при снижении суммарной нагрузки до 30% и ниже  максимального её значения напряжение на шинах подстанций должно быть снижено до номинального. Такие операции по централизованному изменению напряжения не всегда могут быть обеспечены без помощи самих потребителей. Местные средства регулирования напряжения, находящиеся в распоряжении предприятия, должны дополнить централизованное регулирование напряжения.

      3. СПОСОБЫ И СРЕДСТВА РЕГУЛИРОВАНИЯ  НАПРЯЖЕНИЯ

     Регулированием  напряжения называются операции воздействия на элементы электрических аппаратов и машин с целью поддержания напряжения на заданном уровне или в пределах его допустимых отклонений от номинального значения. Регулирование напряжения в распределительных сетях энергосистем и в сетях предприятий может ручным, полуавтомат. или автомат. способом. В 1-ом случае регулирование напряжения возлагается на оператора, во 2-ом – на полуавтомат. устройства и в третьем – на автомат. устройства типа БАУРПН и АРКОН и устройства форсирования возбуждения синхронных генераторов и двигателей. Регулирование напряжения может осуществляться по специальной программе, сигналам релейных устройств, времени суток или по фактическому значению напряжения в точке замера. Для осуществления регулирования напряжения необходимо иметь датчик-измеритель исходного параметра, блок, преобразующий показания датчика в команды для коммутирующих устройств, коммутирующие устройства и аппарат, изменяющий напряжение.

     Регулирование напряжения производится с помощью  следующих технических средств: силовых трансформаторов, снабжённых встроенным переключающим устройством для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Указанное устройство позволяет плавно изменять коэффициент трансформации силовых автотрансформаторов (АТ), снабжённых РПН, встроенных в нейтрали или на линейном конце; специальных регулировочных – вольтодобавочных трансформаторов типа ВРТДНУ, включаемых в нейтрали обычных нерегулируемых АТ; специальных линейных регулировочных трансформаторов, регулирующих напряжение на стороне НН трансформаторов, независимо от величины напряжения на стороне ВН; вольтодобавочных трансформаторов (бустеров), включаемых в рассечку линии и питаемых от регулировочной обмотки дополнительного вольтодобавочного трансформатора или АТ; батарей конденсаторов регулируемой мощности, подключаемых параллельно сети регулируемого напряжения (продольная компенсация). Такие комплектные конденсаторные установки (ККУ) снабжаются регуляторами типа АРКОН или УРН, обеспечивающими многоступенчатое регулирование напряжения.