Файл: Актуальность и основные понятия дисциплины.pdf

f




2
– угловая частота питающего напряжения, Гц;
f
– частота питающего напряжения, Гц;
ak
U

– активные потери напряжения, возникающие при передаче активной мощности через k-й элемент распределительной сети, %;
pk
U

– реактивные потери напряжения, возникающие при передаче реактивной мощности через k-й элемент распределительной сети, %.
Процент активных и реактивных потерь напряжения определяется соответственно выражениями (49) и (50):
nom
k
k
ak
U
r
P
U
100



;
(49)
nom
k
k
pk
U
x
Q
U
100



(50)
Обычно для элемента сети заданными являются номинальное напряжение
nom
U
и активная мощность
k
P
в рассматриваемом режиме нагрузки. Поскольку номинальное напряжение
nom
U
зависит от класса напряжения сети электроснабжения, а активная мощность определяется мощностью электроприемников, подключаемых к рассматриваемой сети, поэтому в формуле (48) параметры
nom
U
и
k
P
являются исходными и регулировать их невозможно. Отсюда следует, что воздействовать на величину потерь напряжения в произвольном k-м элементе сети можно путем изменения:

активного сопротивления k-го элемента сети –
k
r
;

индуктивного сопротивления k-го элемента сети –
k
x
;

реактивной мощности, передаваемой через k-й элемент сети –
k
Q
Значение передаваемой реактивной мощности
k
Q
, влияет на величину потерь напряжения на соответствующем k-м элементе и изменяет уровни напряжений в узлах сети.
Реактивная мощность может вырабатываться не только генераторами станций, но и другими источниками реактивной мощности, называемыми

компенсирующими устройствами (КУ). Таким образом, регулируя долю выработки реактивной мощности разными источниками, можно изменять нагрузку на произвольно взятом участке сети, следовательно, величину потерь напряжения на этом участке и уровень напряжения в соответствующем узле сети.
Уровень напряжения в сети также зависит от активных
k
r
и индуктивных
k
x
сопротивлений отдельных элементов, что позволяет регулировать напряжение путем изменения параметров сети.
Выводы:
1. Нормально допустимый диапазон отклонений напряжения в узлах сети обеспечивается за счет регулирования напряжения.
2. Регулировать напряжение можно местным и централизованным способом. В первом случае регулирование ведется непосредственно на шинах потребителя, в последнем – в узле, к которому подключено несколько потребителей.
3. В зависимости от вида суточного графика изменения нагрузки напряжение в сети либо стабилизируется на одном или на двух уровнях, либо изменяется согласованно с нагрузкой (при встречном регулировании).
4. При встречном регулировании по мере увеличения нагрузки в сети напряжение в центре питания увеличивается, при снижении – уменьшается.
5. Регулировать напряжение в сети можно с помощью генераторов и трансформаторов, а также с помощью специальных регулировочных средств путем компенсации потерь напряжения на отдельных участках сети.

5.3. Регулирование напряжения с помощью трансформатора
Цель лекции: получить представление о регулировании напряжения в сети электроснабжения с помощью трансформаторов.
Задачи лекции:

понять принципы регулирования напряжения с помощью трансформаторов;

ознакомиться со способами выполнения регулировочных ответвлений;

ознакомиться с проблемой выбора рациональных регулировочных ответвлений.
Силовые трансформаторы и автотрансформаторы устанавливаются в различных пунктах электрических сетей и выполняют функции повышения или понижения класса напряжения. Понижающие трансформаторы и автотрансформаторы выполняются с возможностью регулировать напряжение.
5.3.1. Принципиальные основы регулирования напряжения
Регулирование напряжения трансформатора достигается путем изменения его коэффициента трансформации, т. е. путем варьирования электродвижущих сил (ЭДС) или напряжений обмоток.
Электродвижущая сила первичной обмотки трансформатора определяется выражением:












1 1
1 1
44
,
4 2
w
f
w
f
U
E

,
(51) где U
1
–напряжения первичной обмотки, В; f – частота, Гц ; w
1
– число витков первичной обмотки; Ф – величина магнитного потока, Вб.
Из формулы (51) следует, что регулировать напряжение обмотки трансформатора можно путем изменения числа витков или величины магнитного потока. Менять величину магнитного потока Ф нецелесообразно, так как при его значении, отличном от номинального, технико- экономические характеристики трансформатора будут другими. В частности изменятся магнитные потери, намагничивающий ток и коэффициент

полезного действия, что нежелательно. Поэтому при регулировании напряжения стремятся, чтобы поток оставался постоянным:
const
w
U



1 1
. В связи с этим регулирование напряжения осуществляют изменением числа витков.
Понижающие трансформаторы и автотрансформаторы изготавливаются с возможностью изменения коэффициента трансформации в пределах 10…20 %, что позволяет регулировать напряжение в сети в требуемом диапазоне. С этой целью обмотки, кроме основных выводов, снабжаются дополнительными регулировочными ответвлениями, каждое из которых соответствует определенному числу последовательно включенных витков. Ответвления со знаком «+» позволяют увеличить число витков соответствующей обмотки, а со знаком «–» – уменьшить.
Теоретически ответвления могут выполняться как в первичной, так и во вторичной обмотке. По конструктивным соображениям отпайки обычно выполняются на стороне высшего напряжения (ВН). В этом случае переключатели напряжения рассчитываются на меньший ток, так как число витков и сопротивление обмотки ВН больше.
Для переключения регулировочных ответвлений применяются специальные устройства.
Они бывают следующих двух видов, различающихся конструктивно.
1. Один принято называть ПБВ, что означает «переключение без возбуждения».Трансформаторы с ПБВ необходимо отключать от сети для переключения регулировочных ответвлений.
2. Второй вид обозначается как РПН, что значит «регулирование напряжения под нагрузкой». Трансформаторам с РПН не требуется отключения от сети для переключения регулировочных ответвлений.
Регулирование напряжения характеризуется:

диапазоном,

ступенью.

Диапазон регулирования – это разность максимального и минимального значений напряжений, получаемых при изменении числа витков обмотки.
Номинальное напряжение является средним арифметическим от наибольшего и наименьшего значений напряжений обмотки. Диапазон отсчитывается в обе стороны от номинального напряжения и выражается в процентах от него: ±10 %; ±5 % и т. д.
Ступень регулирования – это минимальное изменение напряжения обмотки при переключении ответвлений двух ближайших ступеней. Ступень регулирования также выражается в процентах.
В настоящее время трансформаторы с ПБВ выполняются с пятью отпайками (–5 %; –2,5 %; 0 %; +2,5 %; +5 %): с одним основным и двумя дополнительными ответвлениями n = 2в сторону уменьшения и увеличения количества витков. На действующих распределительных подстанциях встречаются изготовляемые ранее трансформаторы ПБВ только с тремя отпайками (–5 %; 0 %; +5 %), т. е. с одним дополнительным ответвлением обмотки по обе стороны от номинального количества витков.
Таким образом, используемые диапазоны и ступени в системах с ПБВ:

±5 %;

±5 % (2 × ±2,5%).
Трансформаторы с
РПН имеют большее число ступеней регулировочных ответвлений, чем трансформаторы с ПБВ. Например, трансформаторы с высшим номинальным напряжением 115 кВ имеют 18 дополнительных регулировочных ответвлений (n = 9) по 1,78 %, что соответствует диапазону регулирования ±16 % от номинального коэффициента трансформации.
В системах с РПН используются следующие диапазоны и ступени:

для трансформаторов 220 кВ –

12 % (8 ∙
1,5);

для трансформаторов 110 кВ –

16 % (9 ∙
1,78);

для трансформаторов 35 кВ –

9 % (6 ∙
1,5) …

12 % (8 ∙
1,5).

Регулирование напряжения изменением числа витков в обмотке ведется дискретно, с шагом, зависящим от величины напряжения отдельной ступени регулирования.
При переключении регулировочных ответвлений коэффициент трансформации изменяется в соответствии с выражением (51):
HH
BH
T
U
k
n
U
k



(52).
Здесь
BH
U
и
НH
U
– номинальное напряжение обмотки высшего (ВН) и низшего (НН) напряжения соответственно; n – количество дополнительных отпаек обмотки или ступеней регулирования относительного от номинального количества витков; k – ступень регулирования напряжения, выраженная в процентах от номинального напряжения обмотки ВН
BH
U

Возможны разные схемы включения регулировочных обмоток.
Назовем их.
1. Схема с глухим присоединением регулировочной обмотки (рис. 71).
Номинальное положение переключающего устройства находится в середине регулировочной обмотки (рис. 71). Максимальное положение – при полностью включенной обмотке РО, которому соответствует максимальное значение напряжения трансформатора; минимальное – при полностью отключенной обмотке РО, при котором напряжение трансформатора – минимальное. При такой схеме включения обмотки РО переключающее устройство имеет
1


п
п
полож
рабочих положений.
Рис. 71. Схема с глухим присоединением обмотки ВН и РО
2. Схема с реверсом регулировочной обмотки
Номинальное напряжение в данной схеме создается двумя способами.
Во-первых, при нахождении переключающего устройства в верхней части обмотки РО и замыкании реверсором (Р) контакта «+» (рис. 72). Во-вторых, при нахождении переключающего устройства в нижней части обмотки РО и замыкании реверсором (Р) контакта «–».
Максимальное напряжение создается при нахождении переключающего устройства в крайней нижней части обмотки РО и замыкании реверсором (Р) контакта со знаком «+». В полученной схеме напряжение обмотки РО суммируется с напряжением обмотки ВН.
ВН
РО
min
max
Конец обмотки
Начало обмотки

Минимальное напряжение обеспечивается при перемещении переключающего устройства в крайнюю верхнюю часть регулировочной обмотки и нахождении реверсора на контакте со знаком «–». В полученной схеме напряжение обмотки РО вычитается из напряжения обмотки ВН.
Рис. 72. Схема с реверсом обмотки РО
Число положений переключающего устройства в схеме с реверсом почти в два раза меньше по сравнению с предыдущим вариантом и равно
1 2
1



п
п
полож
. Кроме того, в данном случае напряжение обмотки РО равно половине напряжения всего диапазона регулирования. Это дает возможность снизить расход меди на изготовление регулировочной обмотки и уменьшить электрические потери.
3. Схема с грубой и тонкой частями регулировочной обмотки
Схема с грубой и тонкой частями обмотки РО (рис. 73) позволяет регулировать напряжение с шагом или в одну, или в несколько ступеней сразу.
При регулировании напряжения вниз от номинального уровня часть обмотки РО, посредством которой реализуется грубая регулировка напряжения (РО
ГР
), отключается, что позволяет уменьшить электрические потери при эксплуатации трансформатора. Эта схема по требованиям заказчика используется чаще двух предыдущих вариантов.
Начало обмотки
Конец обмотки
ВН
РО
Р
ном/min
ном/mах
+
–

Рис. 73. Схема с грубой и тонкой частями обмотки РО
На рис. 74 показан общий вид переключающего устройства типа РПН, где видны основные его конструктивные части – контактные элементы и электропривод.
Рис. 74. Общий вид переключающего устройства типа РПН
5.3.3. Выбор регулировочных ответвлений
Если в трансформаторах с РПН переключение регулировочных ответвлений осуществляется без отключения нагрузки от сети, то в трансформаторах с
ПБВ это невозможно.
При использовании
ВН
РО
ТОН
Р
Конец обмотки
ном/min
ном/mах
РО
ГР

переключающего устройства типа ПБВ требуется сначала отключить трансформатор от сети, после чего можно перевести регулировочное устройство в нужное положение, и только после выполнения переключения вновь включить трансформатор.
Поскольку для осуществления переключений в трансформаторах с ПБВ электропотребители отключаются от сети, то переключения ответвлений производят редко, только при сезонных изменениях нагрузки. При суточных колебаниях нагрузки осуществляется работа с постоянным коэффициентом трансформации. В режиме наибольшей нагрузки это чревато снижением напряжения на шинах потребителей сверх допустимого предела. В режиме наименьшей нагрузки, наоборот, напряжение может повыситься выше нормированного уровня.
Указанное обстоятельство ограничивает использование трансформаторов с ПБВ. Понижающие трансформаторы с ПБВ устанавливаются на распределительных подстанциях, пределы изменений нагрузки которых таковы, что удается поддерживать допустимые ГОСТом уровни напряжений с помощью централизованного регулирования напряжения в центрах питания электрической сети.
С целью обеспечения требуемого качества электроэнергии регулировочные ответвления должны выбираться рационально с учетом падений напряжений в сети и в зависимости от пределов изменения нагрузки.
На трансформаторах с ПБВ рациональные ответвления подбираются на длительный период времени, например, на полгода.
На трансформаторах с РПН задается закон суточного регулирования напряжения с учетом суточных графиков нагрузок потребителей. При этом определяются уровни требуемого напряжения на шинах низшего напряжения
(НН) понижающего трансформатора.
Потребители электроэнергии могут быть удалены (потребитель 2 на рис. 75) или находиться непосредственно на шинах низшего напряжения
(НН) подстанции (потребитель 1 на рис. 75).