Методы, способы и средства регулирования напряжения в электрических сетях промышленных предприятий

В связи с тем, что электрические нагрузки как отдельных ЭП, так и потребителей электроэнергии непрерывно меняются, даже при поддержании постоянного напряжения у источника питания (ИП) напряжение в различных узлах электрической сети и на зажимах ЭП будет непрерывно изменяться. В целях задержания ПКЭ на ГБП электрических сетей и на зажимах ЭП в установленных нормами пределах необходимо осуществлять регулирование напряжения в электрической сети предприятия.

Существуют два метода обеспечения ПКЭ:

1) правильный выбор параметров отдельных элементов и схемы СЭС при ее проектировании;

2) применение специальных технических средств.

К основным мероприятиям первого метода по поддержанию отклонений напряжения в установленном нормами диапазоне могут быть отнесены:

1) разукрупнение ПГВ (ГПП) и приближение их к центру электрических нагрузок (ЦЭН). Это приводит к снижению протяженности электрических сетей среднего напряжения 6 - 20 кВ, уменьшает неоднородность нагрузки, подключенной к одному трансформатору ПГВ (ГПП). Такое мероприятие особенно эффектно при применении токопроводов 6 - 10 кВ;

2) параллельная работа трансформаторов на ГПП и ПГВ. Она применяется редко, обычно обоснование ее необходимости производится на основании потребности поддержания таких ПКЭ, как коэффициенты обратной последовательности и несинусоидальности напряжения. Применение этого мероприятия ограничивается также недопустимыми уровнями токов КЗ;

3) устройство кабельных перемычек напряжением 0,4 - 0,66 кВ между шинами низкого напряжения комплектной трансформаторной подстанции (КТП). Это позволяет отключать в периоды минимальных нагрузок часть трансформаторов цеховых подстанций.

Второй метод по поддержанию отклонения напряжения в установленном нормами диапазоне предполагает применение специальных технических средств. Наиболее широкое распространение получили следующие средства регулирования напряжения в электрических сетях промышленных предприятий: генераторы с автоматическими регуляторами возбуждения (АРВ), трансформаторы с РПН, вольтодобавочные трансформаторы и автотрансформаторы с ПБВ, СД и ССК, БСК поперечного и продольного включения.

Напряжение на шинах низкого напряжения понижающих трансформаторов (рисунке 4.1) в общем случае можно определить из выражения

где U_сн - напряжение сети 6 - 20 кВ; U_доб - добавка напряжения в ППЭ (за счет АРВ генератора, если для питания применяется генераторное напряжение, или за счет работы РПН понижающего трансформатора);

Рисунок 4.1 – Возможные способы регулирования напряжения в промышленных электрических сетях

Р_р, Q_р - расчетные значения активной и реактивной мощности на участке сети; Q_k - РМ, вырабатываемая источников РМ в узле нагрузки; Х_к - сопротивление БСК продольного включения.

Способы регулирования напряжения:

1) изменение напряжения в центре питания (ЦП);

2) изменение потоков РМ по электрической сети;

3) изменение сопротивления элементов сети;

4) изменение коэффициентов трансформации трансформаторов с РПН и ПБВ, автотрансформаторов и линейных разрядников (ЛР).

Указанные способы хорошо иллюстрируются рисунке 4.1 и вышеприведенной формулой.

Для промышленных электрических сетей в настоящее время изготавливаются ЛР на напряжение 6 - 10 кВ типа ЛГМ с пределами регулирования ±8·1,2 % мощностью 1600 - 6800 кВ·А и на напряжение 6,6 - 38,5 кВ типа ЛТМН с пределами регулирования ±10*1,5 % мощностью 100 МВ·А (рисунке 4.2).

Рисунок 4.2 – Схема включения ЛР в электрическую сеть: ВДТ - вольтодобавочный трансформатор; AT - регули­руемый под нагрузкой автотрансформатор; П - переклю­чатель режима работы автотрансформатора; U ₁ - напряже­ние электрической сети до точки подключения ЛР.

Изменение сопротивления сети с целью регулирования напряжения достигается включением последовательно в сеть БСК, а также изменением схемы сети (в эксплуатации). Регулируемые реакторы применяются только в сетях сверхвысоких напряжений 500 кВ и выше. На рисунке 4.3 представлена, схема последовательного включения БСК в сеть и векторная диаграмма тока и напряжений до и после подключения БСК.

Рисунок 4.3 – Схема последовательного включения БСК в элек­трическую сеть: R и X_L - соответственно активное и индуктивное сопротивления линии; Х_с - реактивное сопро­тивление БСК продольного включения; Р - разрядник

Если принять, что напряжение в начале линии до и после подключения осталось одинаковым (U ₁ = U ₁^') и ток нагрузки не изменился, то диаграммы видно, что напряжение в конце стало выше, то есть U ₂^' > U ₂.

Основные достоинства БСК при продольном (последовательном) включении в сеть:

- производится регулирование не только отклонений напряжения (Δ U), но и размахов колебаний напряжений (δU);

- при одинаковом регулирующем эффекте мощность БСК для установки продольной компенсации (УПК) необходима в 4 - 6 раз меньше, чем при включении БСК параллельно с индуктивной нагрузкой;

- БСК в УПК рассчитываются на напряжение, равное U_b = I_pX_k, а не на полное напряжение сети.

Недостатки УПК:

- могут возникать субгармоники при пуске АД на промежуточных частотах вращения и ферромагнитные резонансные явления при включении трансформаторов на холостой ход (субгармоники напряжения могут вызывать качания машин, мигание ламп ОУ, ненормальное гудение трансформаторов);

- при протекании токов КЗ в УПК могут возникать недопустимые высокие напряжения (для уменьшения токов КЗ в сети и предотвращения перенапряжения в УПК параллельно БСК подключают быстродействующий разрядник, шунтирующий УПК при возникновении КЗ в электрической сети).

4.6 Определение необходимых диапазонов регулирования напряжения в пунктах приема электроэнергии и допустимых потерь напряжения в распределительных электрических се­тях

Регулирование напряжения на шинах среднего напряжения 6 - 20 кВ ППЭ приводит к изменению напряжения во всей электрической сети. Такое регулирование называется централизованным. Если применение технического средства вызывает изменение напряжения только в отдельных частях электрической сети, то такое регулирование называется местным. Централизованное регулирование, как правило, встречное или согласованное, потому что в часы максимальных нагрузок напряжение на шинах ППЭ повышается, а в часы минимальных нагрузок снижается. Автоматическое регулирование РПН при этом ведется по одному току нагрузки. Централизованное регулирование напряжения в ППЭ может обеспечить требуемое качество электроэнергии у ЭП при установке ПБВ распределительных трансформаторов (РТ) на соответствующее регулировочное ответвление, если ЭП однородные графики изменения их электрических нагрузок практически однотипны). Если же к шинам ППЭ подключены разнородные ЭП, то приходится применять либо средства местного регулирования напряжения, либо так называемые схемы группового (дифференцированного) регулирования, при этом ЭП разделяются на группы в соответствии с характером их нагрузки и разнотипные группы подключаются к различным секциям шин трансформаторам) ППЭ. Иногда на ППЭ нельзя или затруднительно разделить линии среднего напряжения на такие группы по условиям надежности электроснабжения или когда неоднородные потребители рассредоточены вдоль линии. В этих случаях на шинах ППЭ урегулирование напряжения ведется в соответствии с условиями, которые определяются той группой однородных потребителей, которая имеет наибольшую долю в общей электрической нагрузке. Для обеспечения необходимых уровней напряжения у остальных ЭП, питающихся с данного ППЭ, должны быть использованы средства местного регулирования напряжения (ЛР, СД, БСК, трансформаторы с ПБВ). Необходимо отметить, что применение централизованного регулирования напряжения в ППЭ значительно затрудняет применение трансформаторов с расщепленными обмотками сдвоенных реакторов, так как эффективное использование РПН в этом случае возможно только при условии поддержания на секциях шин ГПП ПГВ одинаковой нагрузки. В то же время применение трансформаторов с расщепленными обмотками и сдвоенных реакторов очень эффективно с точки зрения ограничения токов КЗ и улучшения качества электроэнергии для питания с различным характером изменения нагрузки.

Для анализа режимов напряжения необходимо применять методы теории вероятности и математической статистики. Однако для упрощения практического представления о возможных режимах на шинах ППЭ и во всей распределительной электрической сети, а также допустимых потерь напряжения в электрических сетях среднего и низкого напряжения целесообразно использовать графические представления с учетом крайних наиболее характерных режимов работы потребителей: с наибольшими и наименьшими электрическими нагрузками. В качестве критерия правильности решения вопросов регулирования напряжения принимается условно для всех ЭП, присоединенных к рассматриваемой электрической сети, с отклонение напряжения (V) от номинального (U_H) не должно выходить пределы допустимых значений, то есть

V ₊ ≥ V ≥ V _,

где V ₊ и V _ - пределы технически допустимых значений отклонений напряжений от номинального положительного и отрицательного.

Для режима наибольших нагрузок в соответствующих точках сети потери и отклонения напряжения обозначаются Δ U_i ^' и V_i ^' а для режима наименьших нагрузок – Δ U " и V ". Разность между отклонениями напряжения в данной точке сети в максимальном и минимальном режимах называется диапазоном отклонения напряжения, который определяется из выражения

α = V_i ^' - V_i ^''.

Анализ режимов напряжения в электрических сетях предприятий показывает, что для обеспечения необходимого режима напряжения у ЭП нужно выполнять следующие требования:

- со стороны питающей сети к входным зажимам понижающих трансформаторов должно быть подведено напряжение, находящееся в

допустимых пределах;

- автоматический регулятор устройства РПН понижающих трансформаторов должен иметь специально выбранные уставки применительно к условиям рассматриваемой сети;

- в распределительной сети среднего напряжения потери напряжения не должны быть больше допустимого значения;

- РТ должны быть включены на специально подобранные рабочие регулировочные ответвления;

- в распределительных сетях низкого напряжения потери напря­жения не должны быть больше допустимого значения.

В настоящее время трансформаторы с высшим напряжением 110 кВ имеют диапазоны регулирования ±16 % (9·1,78 %), с высшим напряжением 220 кВ - диапазон ±12 % (8·1,5 %). Для обеспечения устойчивости регулирования напряжения зона нечувствительности регулятора устройства РПН должна быть больше ступени регулирования трансформатора ППЭ и принимается обычно равной 2,5 – 3 %. Выбор закона регулирования должен производиться для предельных режимов работы потребителей совместно с выбором регулировочных ответвлений РТ.

Соотношения между потерями и отклонениями напряжения в различных точках электрической сети рассмотрим на примере (рисунке 4.4).

Рисунок 4.4 – Схема и графики напряжений для распределительной сети сред­него и низкого напряжения

На рисунке 4.4, а представлена схема электрической сети и ее элементы: шины среднего напряжения ППЭ, ЛЭП СН, РТ и распределительная сеть низкого напряжения с указанием расположения ближайшего к шинам НН РТ ЭП в точке А и самого удаленного - в точке В.

На рисунке 4.4, б показаны потери и отклонения напряжения в электрической сети при максимальных нагрузках ЭП и зоны допустимых отклонений у ЭП (заштрихованная часть). Все ЭП приняты однородными для ЭП в точке В в максимальном режиме отклонение напряжения при установке регулировочной отпайки в положении 1 выходит за установленные пределы (штриховая линия).

В целях исправления режима напряжения необходимо выбрать регулировочное ответвление у РТ с добавкой Е. Тогда отклонение напряжения для всех ЭП низкого напряжения будет в допустимых пределах (сплошная линия). Для трансформаторов с ПБВ, имеющих коэффициент трансформации

6-20 ± 2·2,5 %/0,4 кВ, значения добавок напряжения приведены в таблице 4.1.

Таблица 4.1

Добавки напряжения трансформаторов с ПБВ с коэффициентом трансформации 6 - 20/0,4 кВ

Регулировочное ответвление обмотки первичного напряжения	Величина добавки напряжения трансформатора	Ширина зоны регулировочного ответвления ЕК +1 - ЕК, %
порядковый №	%	обозначение	%
точное	округленное
	+5	Е1	0.25		2.45
	+2.5	Е2	2.7	2.5	2.56
		Е3	5.26		2.7
	-2.5	Е4	7.96	7.5	2.84
	-5.0	Е5	10.80		2.84

В режиме наименьших нагрузок потери напряжения в электрической сети (U_c ", U_т ", U_на ") будут значительно меньше, чем аналогичные потери напряжения в максимальном режиме. Если отклонение напряжения в шинах ППЭ останется таким же, как при максимальном режиме V_n ' = V_n " (показано штриховой линией на рисунке 4.4, в), то при установленной добавке напряжение на РТ, равной Е, отклонение напряжения в распределительной сети НН для ближайшего ЭП, подключенного в точке А, превысит допустимые пределы (показано штриховой линией). Чтобы этого избежать, в режиме наименьших нагрузок напряжение на шинах СН должно быть снижено (V_n " < V_n '), то есть в ППЭ должно осуществляться встречное (согласованное) регулирование. Если обозначить сумму потерь напряжения ППЭ до ближайшего ЭП через Δ U_δ, а от ППЭ до самого удаленного ЭП через Δ U_y, то исходя из диаграммы (рисунке 4.4, б, в) можно записать ограничения для возможных отклонений напряжения в ППЭ, потерь напряжения в сети и регулировочных ответвлений обмоток РТ:

V_n - Δ U_δ + Е ≤ V ₊, V_n - Δ U_y + Е - К_e ≥ V _,

К_е - коэффициент, учитывающий влияние зоны нечувствительности регулятора трансформатора с РПН на ППЭ. В практических расчетах К_е принимается равным около 40 % от величины зоны нечувствительности 2,5 - 3 %, то есть 1 %.

Верхняя граница диапазона регулирования на шинах ППЭ определяется в режиме наибольших нагрузок для ближайшего ЭП НН РТ:

V_nв ' ≤ V ₊ - Е ₁ + Δ U_δ ^'

К сети среднего напряжения подключено обычно значительное число РТ, которые удалены от ППЭ на различное расстояние, то есть имеют различные значения Δ U_сi. Поэтому приходится по мере удаления РТ от ППЭ и снижения напряжения соответственно изменять коэффициент трансформации, а следовательно, и регулировочные ответвления РТ, то есть добавки напряжения Е. Обычно всю сеть среднего напряжения разбивают на зоны с шагом 2,5 %, каждая из которых соответствует одному из регулировочных ответвлений обмотки РТ.

На рисунке 4.5 для упрощения сеть среднего напряжения представлена одной линией и разбита на пять зон. В каждой зоне показаны ближайшие и наиболее удаленные РТ с соответствующими ближайшими ЭП - А1, А2…А5 и с наиболее удаленными ЭП - Bl, B2...B5. Нагрузки приняты однородными. В режиме наибольших нагрузок верхний предел регулирования в ППЭ определяется условиями работы ЭП А1, то есть

V_nв ' ≤ V ⁺ - Е ₁ + Δ U_δ1 ^'.

На рисунке 4.5, б) представлены графики отклонений напряжения в режиме наибольших нагрузок: верхний график соответствует режиму напряжений ЭП, наиболее близко расположенных к РТ, нижний - ЭП, наиболее удаленных от РТ.

На рисунке 4.5, в) представлены графики изменения отклонений напряжения в режиме наименьших нагрузок: верхний график соответствует режиму напряжений у ЭП, наиболее близко расположенных к РТ, нижний - ЭП, наиболее удаленных от РТ.

Рисунок 4.5 – Принципиальная схема распределительной се­ти среднего напряжения и предельные графики измене­ния напряжений в ней

В режиме наибольших нагрузок отклонения напряжения для всех соответствуют нормам, а в режиме наименьших нагрузок для данных условий необходимо изменить положение ответвлений у РТ пятой зоны, так как отклонение напряжения в этом режиме для ЭП, близко расположенных к РТ, не удовлетворяет требованиям норм.

Величина допустимой потери напряжения в сети низкого напряжения ΔU_нд определяется при соблюдении условия V ₊ ≥ V ≥ V _ для наиболее удаленных ЭП Bl, B2...B5 и может быть записана в виде

U_нд ^' ≤ V ₊ - V _- - (Е_{К +1} - Е_К) - К_е + U_нА ^'

где U_нА ^' - потеря напряжения от шин РТ к-й зоны до ближайшего ЭП А в режиме наибольших нагрузок, которая может быть принята во многих случаях приближенно равной нулю.

Учитывая, что разность прибавок по зонам составляет 2,5%, можно окончательно записать

Δ U_нд ≤ V ₊+ V _- - 2,5 - К_е.

Если от сети низкого напряжения питаются только силовые ЭП то принимая

К_е = 1%, получаем, что

U_нд = 10 - (-5) - 2,5 - 1 - 12,5 %.

Если от сети низкого напряжения питаются силовые ЭП и ОУ с лампами накаливания, то U_нд = 5 - (-2,5) - 2,5 -1 = 4 %.

Если ЭП и ОУ с газоразрядными лампами, то

U_нд = 5 - (-5) - 2,5 - 1 = 6,5 %.

Нижний предел диапазона регулирования напряжения на шинах ППЭ определяется режимом наименьших нагрузок. В наиболее неблагоприятных условиях будут находиться наиболее удаленные ЭП, питающиеся от ближайших РТ (точка В₁^' на рисунке 4.5, в), для которых может быть записано ограничение по допустимым отклонениям напряжения в следующем виде:

V ''_nн ≥ V _-+ Δ U " _yl – Е ₁ + К_е = V _-+Δ U " _yl + 1.

Верхняя граница отклонения напряжения на шинах ППЭ в режиме наименьших потерь напряжения определяется так же, как и для верхней границы в режиме наибольших нагрузок для ЭП в самой удаленной от ППЭ зоне:

V '' _nв ≤ V ₊ - E_x + Δ U " _δx,

где x - индекс, указывающий номер последнего допустимого ответвления;

Δ U " _δx - наименьшее значение потери напряжения от шин ЦП до ближайшего ЭП в зоне ответвления х. Таким образом, величина допустимых отклонений напряжений на шинах ППЭ в режиме наименьших нагрузок должна удовлетворять условию

V '' _nв ≥ V '' _n ≥ V '' _nн,

В связи с тем, что на промышленных предприятиях сети среднего напряжения непротяженные, как правило, выполнены кабелем, допустимая величина потерь напряжения в этих сетях не является ограничивающей по режиму напряжений или параметрам сети. Величина допустимых потерь напряжения в промышленных электрических сетях среднего напряжения принимается равной 10 %.

Дата добавления: 2014-01-05