Способы регулирования напряжения в электрических сетях

      4. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРАМИ, СНАБЖЁННЫМИ УСТРОЙСТВОМ РПН

     Для уяснения принципа регулирования напряжения с помощью трансформатора, снабжённого устройством РПН, следует вспомнить, что при заданном напряжении на выводах обмотки ВН напряжение на вторичной обмотке зависит от соотношения числа активных витков указанных обмоток. Регулировочные ответвления трансформаторов, снабжённых РПН, отходят от обмотки ВН на переключатель со стороны нейтрали. Переключение ответвлений может осуществляться с помощью ручного, дистанционного или автоматизированного управления. Переход с одной ступени на другую осуществляется при дистанционном управлении специальным электродвигательным механизмом, без разрыва рабочего тока, что достигается кратковременным закорачиванием регулируемой секции на токоограничивающее сопротивление.

     Существенной  особенностью регуляторов напряжения является их способность реагировать  не только на изменение напряжения в точке их установки, но и на изменяющуюся в зависимости от нагрузки потерю напряжения в линиях от питающей подстанции до потребителя. Образно выражаясь, эти трансформаторы обеспечивают регулирование напряжения с «опережением», исходя из требований удалённых потребителей, поддерживая в пределах чувствительности постоянным напряжение в некоторой точке сети, падение напряжения до которой пропорционально напряжению, снимаемому со специального элемента схемы управления. Такая система называется системой, работающей с учётом токовой компенсации, обеспечивающей «встречное» регулирование. Автоматический регулятор напряжения значительно увеличивает число переключений по сравнению с ручным(дистанционным) управлением у РНТ. В среднем количество переключений может быть допущено в пределах 20-30 переключений в сутки или 6000-9000 переключений в год. Число переключений зависит от характера нагрузки подстанций и от характеристики самого регулятора. Регулятор не должен реагировать на кратковременные изменения напряжения, вызванные удалёнными замыканиями, пусками энергоёмких электроприёмников. Регулятор должен иметь некоторую зону нечувствительности, которая должна быть несколько больше ступени регулирования напряжения. Обычно приемлемой считается нечувствительность, превышающая ступень регулирования на 10-20%. Для обеспечения качественного регулирования напряжения во всех случаях, когда это возможно, желательна при наличии нескольких разноудалённых потребителей их группировка на один трансформатор по однородности графиков нагрузки, удалённости от питающего трансформатора, требованиям к качеству напряжения.

     Требования  к регуляторам напряжения и общий  метод выбора их параметров (уставок). Современные регуляторы напряжения состоят из блоков, работа которых  обеспечивает быстродействующее согласованное регулирование напряжения: питающего регулятор трансформатора, снабжённого регулировочными ответвлениями для изменения постоянной составляющей регулируемого напряжения; датчика токовой компенсации, состоящего из активного или реактивного сопротивления, на котором воспроизводится падение напряжения в сети до потребителя с изменяющейся нагрузкой: датчика отклонения напряжения в сети; блока усиления сигналов «больше» и «меньше»; блока выдержки времени, обеспечивающего нечувствительность схемы управления к кратковременным (до 3 мин) изменениям напряжения; блока питания сервомоторов на переключателе РНТ.

     К регулируемым уставкам регуляторов  относятся следующие величины: номинальное  напряжение, пропорциональное уровню регулируемого напряжения распределительной сети, в; регулируемая выдержка времени, устанавливаемая с учётом характера нагрузки, мин; токовая компенсация или коррекция, %; зона нечувствительности (разница между верхним и нижним напряжениями срабатывания),%.

      5. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ И КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ СИНХРОННЫМИ ДВИГАТЕЛЯМИ И КОНДЕНСАТОРАМИ РЕГУЛИРУЕМОЙ МОЩНОСТИ

     Синхронные  двигатели. К синхронным машинам относятся генераторы электростанции, синхронные двигатели, устанавливаемые на промышленных предприятиях, и специальные синхронные двигатели, работающие в режиме холостого хода и используемые как источники или потребители реактивной мощности (синхронные компенсаторы). Способность синхронных машин к регулированию напряжения основана главным образом на том, что плавное изменение режима возбуждения синхронной машины сопровождается изменением её реактивной мощности и соответствующим перераспределением потоков реактивной мощности в сети. Обычно в сетях предприятий в величине протекающего тока присутствует значительная доля индуктивного (реактивного) тока. Чем больше его доля, тем ниже коэффициент мощности, меньше пропускная способность питающих линий, больше потери напряжения в сети. Использование в таких сетях вблизи потребителя синхронных двигателей или компенсаторов, работающих в режиме генерации реактивного тока (мощности), освобождает сеть от перетока реактивной мощности и может существенно улучшить режим напряжения у потребителя и повысить экономичность систем электроснабжения. Аналогичные действия могут оказать  и батареи статических (косинусных) конденсаторов, оборудованных автоматическим регулятором мощности типа АРКОН.

     При работе синхронного двигателя в режиме перевозбуждения реактивная мощность его создаёт отрицательную величину потери напряжения в питающей сети, определяемую зависимостью:

      , В; где Q – реактивная мощность синхронного двигателя при опережающем коэффициенте мощности, квар; ∑x – суммарное приведённое реактивное сопротивление тех участков цепи, на которых в результате работы двигателя снижается величина перетока реактивной мощности, Ом.

      Эффект  от такого режима тем больший, чем больше величина реактивного сопротивления внешней сети. Способность синхронных двигателей регулировать напряжение основана на перераспределении или ограничении участка, на котором происходит периодическое перемещение реактивной мощности между приёмником электрической энергии и синхронным двигателем так, что вся оставшаяся часть сети частично или полностью освобождается от реактивной мощности. В том случае, если синхронный двигатель устанавливается для целей регулирования напряжения, возможна его работа не только в режиме перевозбуждения, но и в режиме недовозбуждения. Работа в указанных режимах должна быть обоснована технико-экономическим расчётом. Недовозбуждённый синхронный двигатель является своеобразным поглотителем избыточной «реактивной мощности». При регулировании напряжения в энергосистеме существенное значение имеют режимы работы генераторов электростанции. На электростанциях, работающих в режиме покрытия пиковой нагрузки энергосистемы, работа всех агрегатов необходима только в часы максимальной нагрузки. В остальное время часть генераторов может быть остановлена или переведена в режим синхронного компенсатора (СК). Синхронные генераторы в режиме СК могут работать как без отсоединения генератора от турбины – при закрытии доступ пара (или воды) в турбину, так и при полном отсоединении турбины. Перевод гидроагрегатов в компенсаторный режим широко распространён и производится сравнительно быстро и просто. Выполнение аналогичных операций с турбогенераторами затруднено из-за возможных перегревов паровой турбины. Перевод генераторов в режим СК обусловлен тем, что расход энергии, потребляемый из сети генератором, меньше расхода при вращении генератора турбиной на холостом ходу. Перевод части генераторов в компенсаторный режим целесообразен в тех случаях, когда: электростанция должна нести небольшую активную и значительную реактивную нагрузку; генераторы нельзя останавливать по условиям защиты или нежелательности коммутационных операций; работа генераторов данной станции в режиме активной нагрузки неэкономична по сравнению с другими станциями.

      Конденсаторы  регулируемой мощности. Между статическими конденсаторами и синхронными двигателями как средствами компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения и коэффициента мощности много общего. Батарея конденсаторов поперечного (параллельного) включения в сеть по схеме звезда или треугольник является генератором реактивной мощности, которая при установке батареи вблизи приёмника полностью или частично освобождает внешнюю сеть от перетоков  реактивной мощности, улучшая на этих участках коэффициент мощности, снижая потери активной мощности и увеличивая этим напряжение во всех звеньях сети. Простота обслуживания, малая величина потерь энергии в конденсаторах, высокая надёжность конструкции и общее развитие конденсаторостроения в основных промышленно развитых странах привели к тому, что для целей регулирования напряжения однозначно предпочтения отдаётся конденсаторам при одновременном сокращении применения синхронных компенсаторов.

      Регулирование напряжения в сторону его повышения  с помощью конденсаторов может проводиться только ступенями. Необходимость изменения количества включенных конденсаторов или, иными словами, необходимость ступенчатого изменения мощности установки, иногда значительное число раз в сутки, приводит к необходимости создания довольно сложных схем соединения, насыщенных коммутирующими аппаратами и управляемых средствами ручного или автоматического управления. Конденсаторные установки выпускаются в виде комплектных устройств наружной или внутренней установки. Комплектные конденсаторные установки (ККУ) при их применении для регулирования напряжения должны снабжаться регулятором, действующим по временной программе, по напряжению или по коэффициенту мощности. Регулятор АРКОН осуществляет регулирование мощности конденсаторной батареи по напряжению либо по напряжению с коррекцией по току нагрузки и углу между ними. Он может управлять батареями как низкого, так и высокого напряжения, а также может быть использован в действующих установках промышленных предприятий. Регулятор работает с большой степенью точности и обеспечивает форсированное включение секций без выдержки времени при глубоких посадках напряжения до 60—80 % номинального.

      Реактивная  мощность отдельного конденсатора при  прочих равных условиях зависит от квадрата подведенного напряжения, что  является существенным недостатком  конденсаторов: , квар

где U – рабочее напряжение, кВ; j— частота, Гц; C – емкость, мкФ.

      6. ВОЛЬТОДОБАВОЧНЫЕ УСТРОЙСТВА И  ИХ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ В СЕТЯХ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ

     К вольтодобавочным устройствам регулируемого напряжения могут быть отнесены индукционные регуляторы, автотрансформаторы плавно регулируемого напряжения, вольтодобавочные трансформаторы и линейные регуляторы, являющиеся наиболее приемлемыми аппаратами для регулирования напряжения в распределительных сетях потребителей.

     Индукционный  регулятор, или потенциалрегулятор, является механически заторможенным асинхронным двигателем с фазным ротором. Торможение осуществляется червячной передачей, позволяющей производить плавный поворот обмотки ротора относительно обмотки статора. Трёхфазная обмотка статора расчленяется на отдельные фазы и включается в сеть последовательно с потребителем. Обмотка фазного ротора замыкается наглухо на кольцо, а началами подключается параллельно обмотке статора в сеть. При такой схеме обмотка ротора оказывается первичной, и трёхфазный намагничивающий ток создаёт в ней вращающееся магнитное поле. Обмотка статора через воздушный зазор оказывается магнитосвязанной с вращающимся полем, и в обеих обмотках наводятся э.д.с. E₁ и E₂, совпадающие по фазе. Одна из этих э.д.с. E₁ всегда направлена встречно фазному напряжению сети, а вторая E₂, наводимая в обмотке статора, складывается с напряжением потребителя. Если предположить, что питающее напряжение и частота сети остаются постоянными, то при повороте ротора на некоторый угол относительно обмотки статора соответственно будет меняться и пространственный угол, под которым э.д.с. E₂ накладывается на напряжение U₁, образуя напряжение U₂. Управление индукционным регулятором осуществляется вручную или дистанционно от вспомогательного электродвигателя. Таким образом, результирующее напряжение у потребителя можно плавно регулировать. Величина фазного напряжения у потребителя может меняться в пределах U₂₌ U₁ ± E₂, где E₂ соответствует добавочному напряжению. Индукционные регуляторы могут быть применены в линиях напряжением 0,38—6 кВ, питающих отдельный приёмник или группу приёмников, требующих по режиму своей работы стабилизированного или меняющегося в широких пределах напряжения. К основным недостаткам индукционных регуляторов следует отнести возможность их эксплуатации только в кратковременных или повторно-кратковременных режимах, большие потери мощности 3,5—4%, низкий коэффициент мощности 0,55—0,65.

     Регулируемые  автотрансформаторы. Принцип действия основан на изменении относительного положения обмоток или перемещении  подвижной короткозамкнутой катушки, благодаря чему изменяется степень индуктивной связи между обмотками. Перемещение обмоток или катушки производится ручным или моторным приводом. Регулирование напряжения производится в широких пределах в разных вариантах, например от 10 до 100% или от 280ьдо 50% и др. и под нагрузкой. Относительно небольшая мощность, от 16 до 400 ква, а также широкие пределы регулирования затрудняют применение автотрансформаторов в распределительных сетях. Наибольшее применение они могут найти там, где регулирование напряжения производится не с целью поддержания его на заданном уровне, а обусловлено режимом работы самого потребителя, например в испытательных установках, в пусковых устройствах и т.д. Исключение составляют автотрансформаторы, относящиеся к стабилизаторам: например, при напряжении на первичной стороне 380±15% они поддерживают на вторичной стороне 400В.