Лекции по "Электрическим сетям"

Увеличение U на зажимах асинхронных двигателей неблагоприятно сказывается на условиях их работы. Существенно увеличивается их ток, что вызывает перегрузку обмотки статора. Может заметно возрасти потребление реактивной мощности двигателями.

Изменение напряжений на зажимах электроприемников технологических установок промышленных предприятий также является неблагоприятным фактором, который приводит к снижению технико-экономических показателей работы этих установок, т.е. при снижении U уменьшается производительность установок, удорожается выпускаемая продукция, увеличивается расход электроэнергии на единицу продукции.

Анализируя влияние изменения  U у потребителей в качестве потребителей должны рассматриваться и трансформаторы (автотрансформаторы), устанавливаемые на подстанции. Снижение U у трансформаторов при неизменной мощности приводит к увеличению тока в обмотках. Во многих случаях это не представляет опасности для трансформаторов, т.к. их S_НОМ часто превышает нагрузку, и конструкция трансформаторов позволяет допускать некоторую перегрузку. Однако при оценке возможности перегрузки необходимо правильно определять ожидаемый максимальный ток, на величину которого может оказать влияние снижение напряжения на зажимах трансформатора.

Более опасным для трансформатора может  оказаться повышение подводимого к нему напряжения. Связано это с существенным увеличением намагничивающего тока, которое у трансформаторов более заметно вследствие резкого увеличения реактивного сопротивления намагничивания. Это характерно при  превышении номинального напряжения регулировочного ответвления обмотки. Значительный рост тока намагничивания (I_m) при увеличении напряжения на ответвлении объясняется работой трансформаторов в области нелинейной характеристики намагничивания, а это приводит к искажению кривой тока намагничивания (I_m) и появлению высших гармоник, которые обуславливают увеличение потерь активной мощности (Р) в магнитопроводе и его дополнительный нагрев.

Существенное  изменение характеристик нагрузки при отклонениях напряжения от номинального на ее зажимах приводит к необходимости ограничивать эти отклонения  предельно допустимыми  значениями. Опыт показывает, что допустимые отклонения от номинального напряжения должны быть относительно малыми. Поэтому  электросеть должна быть построена таким образом, чтобы напряжения в ее отдельных пунктах (узлах) существенно не отличались друг от друга и от напряжения источника питания. При этом часто приходится применять специальные устройства для регулирования напряжения.

Показатели  качества электрической энергии

Основные показатели качества электрической энергии нормируются ГОСТ 13109-99. Этот ГОСТ устанавливает 11 основных показателей качества электроэнергии (ПКЭ):

1. Отклонение частоты df;
2. Установившееся отклонение напряжения dU_у;
3. Размах изменения напряжения dU_t;
4. Дозу фликера (мерцания или колебания) P_t;
5. Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения К_U;
6. Коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения К_U(n);
7. Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности К_2U;
8. Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности К_0U;
9. Глубину и длительность провала напряжения dU_П, Dt_П;
10. Импульсное напряжение U_ИМП;
11. Коэффициент временного перенапряжения К_ПЕРU.

Одним из основных является частота трехфазного  переменного тока. Обычно частота  в электрических системах изменяется в относительно небольших пределах. Поэтому пользуются не полными значениями частоты, а значениями отклонений частоты от номинального значения. Отклонением частоты в электрической системе, Гц, характеризует разность между действительным f и номинальным значениями частоты f_ном переменного тока в системе электроснабжения и определяется по выражению:   Df=f – f_ном

В автоматически регулируемых энергосистемах России нормальное отклонение от номинальной частоты (Df) допускается в пределах ± 0,2 Гц, а предельное отклонение допускается в пределах ± 0,4 Гц по ГОСТ 13109-99. Небольшие пределы допускаемых отклонений от номинального значения объясняются существенным влиянием изменения частоты на экономические показатели работы электрических приемников. Кроме того, частота f регулируется одновременно во всей энергосистеме, а современные автоматические устройства позволяют обеспечить изменение частоты в требуемых пределах.

Вторым  из важнейших показателей качества электроэнергии является действующее значение напряжения. В зависимости от схемы включения электрических приемников определяющим является фазное или междуфазное значение напряжения. В пределах одной ступени трансформации электрической сети напряжения изменяются в относительно небольших пределах, поэтому показательными являются не полные значения напряжений, а значения отклонений напряжения (DU), обычно выражающиеся в % от номинального значения.

  Отклонением напряжения DU_i для узла i называется разность между фактическим, действующим напряжением (U_i) и номинальным U_ном значениями, отнесенная к номинальному напряжению (U_ном) данной сети.     DU_i =

ГОСТом 13109-99 регламентируются отклонения напряжения нормальное и предельное. Значения отклонений в нормальном режиме работы электрической сети должны не выходить за пределы максимальных значений, при этом в течение не менее 95 % времени каждых суток значения должны не выходить за пределы нормальных значений.      

Из  ГОСТа:

отклонение U электрической сети напряжением	нормальное	предельное
до 1 кВ	5%	10%
6-20 кВ	---	10%
35 кВ и выше	---	---

В послеаварийных режимах отклонения напряжения не должны выходить за пределы  максимальных значений.

По условиям работы электрической  изоляции допускается повышение  напряжения (относительно номинального) на зажимах электрических аппаратов с номинальным напряжением:  

до 20 кВ включительно – не более  чем на 20%

при 35-220 кВ – на 15%

при 330 кВ – на 10%

при 500 кВ и выше – на 5%

Остальные показатели качества не рассматриваем, т.к. они не влияют на расчет режимов электрической сети.

Методы регулирования  напряжения

Напряжение сети постоянно  меняется вместе с изменением нагрузки, режима работы источника питания, сопротивлений  цепи. Отклонения напряжения не всегда находятся в интервалах допустимых значений. Причинами этого являются:

а) потери напряжения, вызываемые токами нагрузки, протекающими по элементам  сети;

б) неправильный выбор  сечений токоведущих элементов  и мощности силовых трансформаторов;

в) неправильно построенные  схемы сети.

Контроль за отклонениями напряжения проводится тремя способами:

1) по уровню – ведется путем  сравнения реальных отклонений  напряжения с допустимыми значениями;

2) по месту в электрической  системе – ведется в определенных  точках сети, например в начале  или конце линии, на районной подстанции;

3) по длительности существования  отклонения напряжения.

Регулированием напряжения называют процесс изменения уровней напряжения в характерных точках электрической  системы с помощью специальных  технических средств. Исторически развитие методов и способов регулирования напряжения и реактивной мощности происходило от низших иерархических уровней управления энергосистемами к высшим. В частности, вначале использовалось регулирование напряжения в центрах питания распределительных сетей – на районных подстанциях, где изменением коэффициента трансформации поддерживалось напряжением у потребителей при изменении режима их работы. Регулирование напряжения вначале применялось также непосредственно у потребителей и на энергетических объектах (электростанциях, подстанциях).

Эти способы регулирования напряжения сохранились и до настоящего времени  и применяются на низших иерархических  уровнях автоматизированной системы  диспетчерского управления (АСДУ). С  точки зрения высших уровней АСДУ это локальные способы регулирования. Автоматизированная система диспетчерского управления высших уровней осуществляет координацию работы локальных систем регулирования и оптимизацию режима энергосистемы в целом.

Локальное регулирование напряжений может быть централизованным, т.е. проводиться в центре питания (ЦП), и местным, т.е. проводиться непосредственно у потребителя.

Местное регулирование напряжения можно подразделить на групповое  и индивидуальное. Групповое регулирование осуществляется для группы потребителей, а индивидуальное – в основном в специальных цехах

В зависимости от характера изменения  нагрузки в каждом из указанных типов  регулирование напряжения можно  выделить насколько подтипов. Так , например, в централизованном регулировании напряжения можно выделить три подтипа: стабилизация напряжения; двухступенчатое регулирование напряжения; встречное регулирование напряжения.

Стабилизация применяется для потребителей с практически неизменной нагрузкой, например для трехсменных предприятий, где уровень напряжения необходимо поддерживать постоянным. Суточный график нагрузки таких потребителей приведен на рис1,а).

Для потребителей с ярко выраженной двухступенчатостью графика нагрузки (рис.1,б), например для односменных  предприятий, применяют двухступенчатое регулирование напряжения. При этом поддерживаются два уровня напряжения в течении суток нагрузки (рис.1, в), осуществляется так называемое встречное ркгулирование. Для каждого значения нагрузки будут иметь свое значение и потери напряжения, следовательно, и само напряжение будет изменяться с изменением нагрузки. Чтобы отклонения напряжения не выходили за рамки допустимых значений, надо регулировать напряжение, например от тока нагрузки.

Нагрузка меняется не только в течении  суток, но и в течении всего года. Например, наибольшая в течении года нагрузка бывает в период осенне – зимнего максимума, наименьшая – в летний период. Встречное регулирование состоит в изменении напряжения в зависимости не только от суточных, но также и от сезонных изменений нагрузки в течении года. Оно предполагает поддержание повышенного напряжения на шинах электрических станций и подстанций в период наибольшей нагрузки и его снижение до номинального в период наименьшей нагрузки.

Встречное регулирование  напряжения

Для подробного рассмотрения встречного регулирования напряжения используем схему замещения, показанную на рис.2,а, где трансформатор представлен как два элемента – сопротивление трансформатора и идеальный трансформатор. На рис.2,а, приняты следующие обозначения:

U₁ – напряжение на шинах центра питания;

U_2в – напряжение на шинах первичного напряжения (ВН) районной пс;

U_2н – напряжение на шинах вторичного напряжения (НН) районной пс;

U₃ – напряжение у потребителей.   

Напряжение на шинах ВН районной пс     U_2в=U₁-DU₁₂

Напряжения на шинах ВН и НН отличаются на величину потерь напряжения в трансформаторе DU_т, и, кроме того, в идеальном тр-ре напряжение понижается в соответствии с коэффициентом трансформации, что необходимо учитывать при выборе регулировочного ответвления.

На рис 2,б представлены графики изменения напряжения для двух режимов: наименьших и наибольших нагрузок. При этом по оси ординат отложены значения отклонений напряжения в % номинального. Процентные отклонения имеются в виду для всех V и DU на поле этого рисунка.

Из рис.2,б (штриховые линии) видно, что если n_Т=1, то в режиме наименьших нагрузок напряжения у потребителей будут выше, а в режиме наибольших нагрузок – ниже допустимого значения (т.е. отклонения U больше допустимых). При этом приемники электроэнергии, присоединенные к сети НН (например, в точках А и В), будут работать в недоступных условиях. Меняя коэффициент тр-ра районной пс n_Т, изменяем U_2н, т.е. регулируем напряжение (сплошная линия на рис.2,б).

В режиме наименьших нагрузок уменьшают  напряжение U_2н до величины, как можно более близкой к U_ном. В этом режиме выбирают такое наибольшее стандартное значение n_Т. чтобы выполнялось следующее условие:     U_2н.нм³U_ном.

В режиме наибольших нагрузок увеличивают  напряжение U_2н до величины, наиболее близкой к 1,05 – 1,1U_ном. В этом режиме выбирают такое наибольшее стандартное значение n_Т, чтобы выполнялось следующее условие:    U_2н.нб³(1,05¸1,1)U_ном.