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