Регулирование напряжения на понижающих подстанциях

Одним из основных средств регулирования напряжения в электриче­ских сетях является изменение коэффициентов трансформации трансформа­торов (автотрансформаторов) на понижающих подстанциях электрических сетей.

Трансформаторы (автотрансформаторы) имеют специальные ответвле­ния от обмоток, позволяющие изменять коэффи­циент трансформации и, следовательно, регули­ровать напряжение. Переключение ответвлений может осуществляться устройством переключе­ния без возбуждения (ПБВ) при отключении трансформатора от сети или устройством регули­рования под нагрузкой (РПН) без отключения трансформатора от сети.

Также, для регулирования напряжения используются специальные ли­нейные регулировочные трансформаторы, устанавливаемые или на подстан­циях, или непосредственно в уходящие от подстанции распределительные линии электропередачи.

Регулировочные ответвления двух и трехобмоточных трансформаторов выполняются в обмотке высшего напряжения. Ток в обмотке высшего на­пряжения меньше, чем в других обмотках, при этом облегчается работа уст­ройства РПН и уменьшаются его массогабаритные показатели.

С целью, упрощения рассмотрения основных принципов регулирования коэффициентов трансформации, будем в дальнейшем рассматривать схемы трансформаторов и устройств регулирования, в однолинейном исполнении, т.е. для одной фазы симметричных трехфазных устройств.

На рис. 8.1 приведена принципиальная схема трансформатора с уст­ройством ПБВ. Первичная обмотка, (обмотка высшего напряжения), имеет нулевое ответвление и четыре регулировочных: 2,5% и 5%. Вторичная обмотка, (обмотка низшего напряжения), имеет неизменное количество витков. Нулевое ответвление ПБВ соответствует но­минальному коэффициенту трансформа­ции . Другие ответвления соответст­вуют изменению коэффициента трансфор­мации в диапазоне 5%, (от 0,95 до 1,05 ). Для переключения регулировочных ответвлений необходимо отключать трансформатор от сети. Эти переключения производятся редко, например при сезон­ном изменении нагрузки. Такие трансфор­маторы не могут использоваться для регу­лирования напряжения при нагрузки в те­чении суток.

Принципиальная схема трансформатора с РПН приведена на рис. 8.2. Первичная обмотка имеет нерегулируемую (а) и регулируемую (b) части.

Количество ответвлений на регулируемой части первичной обмотки таких трансформаторов больше, чем у трансформаторов с ПБВ. Например, для трансформатора с номинальным высшим напряжением 115кВ диапазон регу­лирования напряжения составляет 9 1,78% . Эти трансформаторы имеют, кроме нулевого, еще 18 ответвлений. Из рис. 8.2 видно, что для от­ветвлений +1,+2,…. витки регулируемой обмотки включены согласно с не­регулируемой обмоткой. При работе на этих ответвлениях коэффициент транс­формации увеличивается. Для ответвлений -1, -2,… витки регулируемой об­мотки включены встречно с нерегулируемой обмоткой. При работе на этих ответвлениях коэффициент трансформации уменьшается.

На регулируемой части обмотки имеется переключающее устройство, состоящее из подвижных контактов К3 и К4, контакторов К1 и К2 и токоо­граничивающего реактора LR, в среднюю точку которого включен вывод не­регулируемой обмотки. При работе трансформатора на любом ответвлении ток нагрузки первичной обмотки распределяется поровну между двумя час­тями реактора. Токи в разных частях реактора направлены встречно, по­этому результирующий магнитный поток реактора и его индуктивное сопро­тивление практически равны нулю.

Пусть по условиям регулирования напряжения требуется переклю­читься с ответвления +2 на ответвление +1. Для этого отключается контактор К1, а подвижный контакт К3 переключается на ответвление +1. Контактор К1 включается. Секция обмотки между ответвлениями +1 и +2 оказывается замкнутой на реактор LR. Значительная индуктивность реактора ограничи­вает уравнительный ток, который возникает вследствие наличия напряжении на замкнутой секции. После этого отключают контактор К2, переводят под­вижный контакт К4 на положение +1 и включают контактор К2.

Трансформаторы с устройствами РПН позволяют регулировать напряже­ние при изменении нагрузки в течение суток. Такие трансформаторы снабжаются автоматическими регуляторами напряжения (АРН), которые реа­гируют на изменение напряжения на вторичной обмотки трансформатора, выдавая команду на переключение ответвлений устройства РПН.

Для повышения надежности работы устройства РПН следует исклю­чить его срабатывание при незначительных отклонениях напряжения, а также при значительных, но кратковременных отклонениях напряжения. Для этого АРН имеет зону нечувствительности, несколько большую половины одной ступени регулирования. В этом случае АРН выдает сигнал на пере­ключение ответвлений, если напряжение ближе к следующей ступени регу­лирования, чем к той, на которой в данный момент работает трансформатор.

Для отстройки устройства РПН от срабатывания при кратковременных значительных отклонениях напряжения в АРН предусматривается выдержка по времени от 1 до 3 минут.

Устройства РПН автотрансформаторов работают аналогично.

Линейные регулировочные трансформаторы TLприменяются для регу­лирования напряжения в отдельных линиях или группе линий и применяются в следующих случаях:

- при реконструкции уже существующих сетей, в которых использу­ются трансформаторы без регулирования под нагрузкой. В этом случае для регулирования напряжения на шинах подстанции TLвключается последова­тельно с нерегулируемым трансформатором , рис. 8.3а;

- для регулирования напряжения на отходящих линиях. В этом случае TL включаются непосредственно в линии, рис. 8.3б.;

Рис. 8.3

- для регулирования напряжения на подстанциях с трансформаторами с устройствами РПН, от которых питаются потребители с разным характером нагрузки, рис. 8.3в. Характер нагрузки потребителя 3 значительно отличается от характера нагрузки остальных потребителей;

- для регулирования низшего напряжения на подстанции с автотранс­форматорами, снабженными устройствами РПН в обмотке среднего напря­жения, рис. 8.3г.

Линейный регулировочный трансформатор — статиче­ский электриче­ский аппарат, который состоит из последо­вательного 2 и питающего1 транс­форматоров (рис.8.4). Первичная обмотка питающего трансформатора 3 мо­жет получать питание от фазы или от фаз . Вторичная обмотка 4 питаю­щего трансформатора содержит такое же устройство переключения

контактов под нагрузкой 5, как и в устройстве РПН силового трансформа­тора. Один конец первичной обмотки 6 последователь­ного трансформатора 2 подключен к средней точке вторич­ной обмотки 4 питающего трансформа­тора, другой — к пе­реключающему устройству 5. Вторичная обмотка 7 по­следовательного трансформатора соединена последовательно с обмоткой высшего напряжения (ВН) силового трансформатора, и добавочная ЭДС обмотки 7 складывается с ЭДС обмотки ВН.

Если на первичную обмотку3 питающего трансформатора подается на­пряжение фазы , то ЭДС обмотки ВН силового трансформатора с помощью устройства РПН, описанного выше, регулиру­ется по модулю (рис.8.5а).

Рис.8.5

При этом - модуль ре­зультирующей ЭДС обмотки ВН силового трансформатора и обмотки 7 линейного регулировочного трансформатора (ЛР) равен: ,

где модуль ЭДС в фазе обмотки ВН силового трансформатора.

Если обмотка 3 подключается к двум фазам и , то результирующая ЭДС обмоток ВН и 7 изменяется по фазе (рис. 8.5б): .

Регулирование напряжения по модулю, когда и совпадают по фазе (рис. 8.5а), называется продольным. При таком регулировании коэффи­циент трансформации - действительная величина. Регулирование напряже­ния по фазе, когда и сдвинуты на 90° (рис. 8.5б), называется попереч­ным. Регулирование напряжения по модулю и фазе называется про­дольно-поперечным (рис. 8.5в). В этом случае обмотка 3 подключена к фазам и . При продольно-поперечном регулировании коэффициент трансформа­ции - комплексная величина.

Аналогичны схемы включения и принцип работы линейного регуля­тора включенного в низшую обмотку автотрансформатора или в отходящие из ЦП линии электропередачи.

§6 Регулирование напряжения изменением сопротивления сети. (14В)

Напряжение у потребителя зависит от величины потерь напряжения в сети, которые в свою очередь зависят от сопротивления сетей. Например,

продольная составляющая падения напряжения в линии равна:

где - потоки мощности и напряжение в конце линии; , - ее активное и реактивное сопротивления, рис.8.6.

Рис.8.6

На рис.8.7 показан характер зависимости сопротивлений сети от сече­ния провода. Из графика видно, что соотношение активного и реактивного сопротивлений для распределительных и питающих сетей различно.

Рис. 8.7

В распределительных сетях активное сопротивление больше реактив­ного, т. е. . При изменении сечения линии в распределительных сетях существенно меняются , и изменяются и напряжение потреби­теля.

Поэтому в этих сетях сечение часто выбирается по допустимой потере напряжения.

В питающих сетях, наоборот, , поэтому в значительной сте­пени определяется реактивным сопротивлением линий, которое мало за­висит от сечения. Изменение реактивного сопротивления применяют для ре­гулирования напряжения. Чтобы изменить реактивное сопротивление, необ­ходимо включить в линию конденсатор.

Предположим, что напряжение в конце линии до установки конденса­тора ниже допустимого:

Включим последовательно в линию конденсаторы так, чтобы повысить напряжение до допустимого :

где - сопротивление конденса­тора.

Последовательное включение конденсаторов в линии называют про­дольной компенсацией. Установка продольной компенсации (УПК), рис. 8.8, дает воз­можность компенсировать индуктивное сопротивление и потерю на­пряжения в линии.

Рис.8.8

Рис.8.9

Векторная диаграмма такого регулирования представлена на рис.8.9, из которой следует:

Зная можно найти и выбрать нужное коли­чество последовательных и параллельных конденсаторов. При этом на­пряжение на конденсаторах и ток в них будут:

Если номинальное напряжение одного конденсатора то ставят последовательно несколько конденсаторов в одной фазе. Число под­ключенных конденсаторов определяют по выражению:

.

В паспорте конденсатора указывается его мощность . Зная эту вели­чину, можно определить номинальный ток конденсатора :

.

Если , то ставят параллельно конденсаторов, причем

Для УПК отношение емкостного реактивного сопротивления конденса­тора к индуктивному сопротивлению линии, выраженное в процентах, назы­вается процентом компенсации:

На практике применяется лишь частичная компенсация, , реак­тивного сопротивления сети. Полная или избыточная компенсация в распределительной сети, непосредственно питающей нагрузку, обычно не применяется, так как это связано с возможностью появления перенапряжения в сети.

Применение УПК позволяет улучшить режимы напряжения в сетях. Од­нако следует учитывать, что повышение напряжения, создаваемое такими конденсаторами, зависит от значения и фазы тока, проходящего через УПК. Поэтому возможности регулирования последовательными конденсаторами ограничены. Наиболее эффективно применение УПК для снижения отклоне­ний напряжения на перегруженных радиальных линиях.

В питающих сетях УПК - сложные в эксплуатации и дорогие установки. Необходимо применять специальные меры для их защиты от перенапряже­ний во время коротких замыканий.