Способы и средства регулирования напряжения у электроприемников

Регулирование напряжения у электроприемников необходимо для обеспечения стабильности и качества электроэнергии, что является критически важным для эффективной и безопасной работы электрических устройств. Основные цели регулирования напряжения заключаются в обеспечении качества электроэнергии.

Поддержание напряжения в допустимых пределах необходимо для правильной работы электроприемников и предотвращения их повреждения из-за недопустимых отклонений. Этот процесс также способствует экономичности работы сетей. Уменьшение потерь мощности в электрических сетях повышает экономичность их эксплуатации.

Для обеспечения некоторых заранее заданных значений отклонений напряжений у электроприемников применяются следующие способы:

1. Регулирование напряжения на шинах центра питания;

2. Изменение величины потери напряжения в элементах сети;

3. Изменение величины передаваемой реактивной мощности.

4. Изменение коэффициента трансформации трансформаторов.

Регулирование напряжения на шинах центра питания

Регулирование напряжения на центре питания (ЦП) приводит к изменениям напряжения во всей присоединенной к ЦП сети и называется централизованным, остальные способы регулирования изменяют напряжение на определенном участке и называются местными способами регулирования напряжения.

В качестве ЦП городских сетей могут рассматриваться шины генераторного напряжения ТЭЦ или шины низшего напряжения районных подстанций или подстанций глубокого ввода. Отсюда вытекают и способы регулирования напряжения.

На генераторном напряжении оно производится автоматически изменением тока возбуждения генераторов. Отклонения от номинального напряжения допускаются в пределах ±5%. На стороне низшего напряжения районных подстанций регулирование осуществляется при помощи трансформаторов с регулированием под нагрузкой (РПН), линейных регуляторов (ЛР) и синхронных компенсаторов (СК).

При различных требованиях, предъявляемых потребителями, устройства для регулирования могут применяться совместно. Такие системы носят название централизованно-группового регулирования напряжения.

На шинах ЦП, как правило, осуществляется встречное регулирование, т. е. такое регулирование, при котором в часы наибольших нагрузок, когда потери напряжения в сети тоже наибольшие, напряжение повышается, а в часы минимальных нагрузок — понижается.

Трансформаторы с РПН позволяют осуществить довольно большой диапазон регулирования до ±10 - 12%, а в некоторых случаях (трансформаторы типа ТДН с высшим напряжением 110 кВ до 16% при 9 ступенях регулирования. Существуют конструкции для плавного регулирования под нагрузкой, но они пока дороги и применяются в исключительных случаях, при особенно повышенных требованиях.

Изменение величины потери напряжения в элементах сети

Изменение потери напряжения в элементах сети может осуществляться изменением сопротивлений цепи например, изменением сечении проводов и кабелей, отключением или включением числа параллельно включенных линий и трансформаторов (смотрите - Параллельная работа трансформаторов).

Выбор сечений проводов, как известно, производится из условий нагрева, экономической плотности тока и по допустимой потере напряжения, а также по условиям механической прочности. Однако расчет сети, особенно высокого напряжения по допустимой потере напряжения, не всегда обеспечивает нормируемые отклонения напряжения у электроприемников. Поэтому в ПУЭ нормируются не потери, а отклонения напряжения.

Реактивное сопротивление сети можно изменять при последовательном включении конденсаторов (продольная емкостная компенсация).

Продольной емкостной компенсацией называется, способ регулирования напряжения, при котором последовательно в рассечку каждой фазы линии включаются статические конденсаторы для получения надбавок напряжения.

Известно, что суммарное реактивное сопротивление электрической цепи определяется разностью между индуктивным и емкостным сопротивлениями.

Изменяя величину емкости включаемых конденсаторов, а следовательно, и величину емкостного сопротивления, можно получить различные величины потери напряжения в линии, что равнозначно соответствующей надбавке напряжения на зажимах электроприемников.

Последовательное включение конденсаторов в сеть целесообразно при невысоких коэффициентах мощности в воздушных сетях, в которых потеря напряжения в основном определяется ее реактивной составляющей.

Продольная компенсация особенно эффективна в сетях с резкими колебаниями нагрузки, так как ее действие совершенно автоматическое и зависит от величины протекающего тока.

Следует также учитывать, что продольная емкостная компенсация приводит к увеличению токов короткого замыкания в сети и может быть причиной резонансных перенапряжений, что требует специальной проверки.

Для целей продольной компенсации нет необходимости устанавливать конденсаторы, рассчитанные на полное рабочее напряжение сети, однако они должны иметь надежную изоляцию от земли.

Смотрите также по этой теме: Продольная компенсация - физический смысл и техническая реализация

Изменение величины передаваемой реактивной мощности

Реактивная мощность может вырабатываться не только генераторами электростанций, но и синхронными компенсаторами и перевозбужденными синхронными электродвигателями, а также статическими конденсаторами, включаемыми в сеть параллельно (поперечная компенсация).

Мощность компенсационных устройств, которые должны быть установлены в сети, определяется балансом реактивной мощности в данном узле энергосистемы на основе технико-экономических расчетов.

Синхронные двигатели и батареи конденсаторов, являясь источниками реактивной мощности, могут оказать существенное влияние на режим напряжения в электрической сети. При этом автоматическое регулирование напряжения и сети синхронными двигателями может осуществляться плавно.

В качестве источников реактивной мощности на крупных районных подстанциях часто применяются специальные синхронные двигатели облегченной конструкции, работающие в режиме холостого хода. Такие двигатели называются синхронными компенсаторами.

Наибольшее распространение и промышленности имеет серия электродвигателей СК, изготовляемых на номинальное напряжение 380 - 660 В, рассчитанных на нормальную работу при опережающем коэффициенте мощности, равном 0,8.

Мощные синхронные компенсаторы устанавливаются, как правило, на районных подстанциях, а синхронные двигатели чаще применяются для различных приводов в промышленности (мощные насосы, компрессоры).

Наличие относительно больших потерь энергии в синхронных двигателях затрудняет их применение в сетях с небольшими нагрузками. Как показывают расчеты, в этом случае более целесообразны батареи статических конденсаторов. Принципиально влияние конденсаторов поперечной компенсации на уровни напряжения в сети аналогично влиянию перевозбужденных синхронных двигателей.

Более подробно о конденсаторах сказано в статье Статические конденсаторы для компенсации реактивной мощности, где они рассматриваются с точки зрения повышения коэффициента мощности.

Существует ряд схем автоматизации компенсационных батарей. Такие устройства выпускаются промышленностью в комплекте с конденсаторами. Одна из таких схем показана здесь: Схемы включения конденсаторных батарей

Для сетей с переменными нагрузками альтернативой могут стать синхронные двигатели с постоянными магнитами (СДПМ), чей КПД достигает 95% благодаря отсутствию потерь в роторе. Однако их высокая стоимость и зависимость от редкоземельных материалов ограничивают применение. 

Изменение коэффициентов трансформации трансформаторов

Выпускаемые в настоящее время силовые трансформаторы напряжением до 35 кВ для установки в распределительных сетях снабжены переключателями ПБВ для переключения регулировочных ответвлений в первичной обмотке. Таких ответвлений обычно 4, кроме основного, что позволяет получить пять коэффициентов трансформации (надбавки напряжения от 0 до +10%, на основном ответвлении - +5%).

Перестановка ответвлений — наиболее дешевый способ регулирования, но он требует отключения трансформатора от сети, а это вызывает перерыв, хотя и кратковременный, в питании потребителей, поэтому он применяется только для сезонного регулировании напряжения, т. е. 1 - 2 раза в год перед летним и зимним сезонами.

Для выбора наивыгоднейшего коэффициента трансформации существует несколько расчетных и графических методов.

Рассмотрим здесь лишь один наиболее простой и наглядный. Порядок расчета следующий:

1. По ПУЭ принимают допустимые отклонения напряжения дли данного потребителя (или группы потребителей).

2. Приводят все сопротивления рассматриваемого участка цепи к одному (чаще к высокому) напряжению.

3. Зная напряжения в начале сети высшего напряжения, вычитают из него суммарную приведенную потерю напряжения до потребителя для требуемых режимов нагрузки.

В электрических сетях для централизованного и местного регулирований применяются силовые трансформаторы, снабженные устройством для регулирования напряжения под нагрузкой (РПН). Их преимущество заключается в том, что регулирование осуществляется без отключения трансформатора от сети. Существует большое количество схем с автоматическим и без автоматического управления.

Переход с одной ступени на другую осуществляется при дистанционном управлении при помощи электропривода без разрыва рабочего тока в цепи обмотки высшего напряжения. Это достигается закорачиванием на короткое время регулируемой секции токоограничивающим сопротивлением (дросселем).

Автоматические регуляторы весьма удобны и допускают до 30 переключений в сутки. Регуляторы отстраиваются таким образом, чтобы они имели так называемую зону нечувствительности, которая должна быть больше ступени регулирования на 20 - 40%. При этом они не должны реагировать на кратковременные изменения напряжения, вызванные удаленными короткими замыканиями, пусками крупных электродвигателей и т. д.

Схему подстанции целесообразно строить так, чтобы на один регулируемый трансформатор но возможности присоединялись потребители с однородными графиками нагрузок и примерно одинаковыми требованиями к качеству напряжения.

Для повышения надёжности в конструкцию РПН встраиваются блокировки, ограничивающие переключение только на одну ступень за цикл, а также визуальные индикаторы (например, сигнальные лампы), отображающие текущее состояние системы.

Сравнение централизованных и местных способов регулирования напряжения в электрических сетях:

Презентация на тему "Регулирование напряжения у электроприемников": cкачать в PDF, cкачать в PPTX

Андрей Повный