Способы регулирования напряжения в электрических сетях

     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.