Рабочие режимы электроэнергетических систем. Методы и средства регулирования рабочих режимов
 Скачать 1.72 Mb.
|
|
§3 Общая характеристика режима электрической сети по напряжению Непрерывное изменение электрических нагрузок приводит к непрерывному изменению падений напряжения в элементах сети и, следовательно, к непрерывному изменению отклонений напряжения от его номинального значения в различных узлах электрической сети. Причинами этого являются: - потери напряжения, вызываемые токами нагрузки, протекающими по элементам сети; - неправильный выбор сечений токоведущих элементов и мощности силовых трансформаторов; - неправильно построенные схемы сетей. В любых нормальных, аварийных и послеаварийных режимах напряжения в любых точках электрической сети не должны превышать или быть ниже определенного допустимого значения. В ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения», указано, что «положительные и отрицательные отклонения напряжения в точке передачи электрической энергии не должны превышать 10% номинального или согласованного значения напряжения в течение 100% времени интервала в одну неделю». Наибольшее рабочее напряжение электрической сети, определяемые надежностью работы изоляции, нормируются ГОСТом. Наименьшие рабочие напряжения электрических сетей 110кВ и выше, определяемые, главным образом, устойчивостью параллельной работы генераторов и узлов нагрузки, ограничиваются на уровне  .Экономичность режима напряжений электрической сети обусловлена величиной потерь активной мощности и энергии в ее элементах. Эти потери в продольных активных сопротивлениях линий и трансформаторов обратно пропорциональны квадрату напряжения. Поэтому повышение уровня напряжения является одним из основных средств уменьшения потерь мощности и энергии в электрических сетях напряжением до 220кВ включительно. Следовательно, для обеспечения требуемых технико-экономических показателей режимов работы электрических сетей необходимо регулировать напряжение. Для различных электрических сетей цели регулирования напряжения различаются между собой. Основной целью регулирования напряжения в местных распределительных сетях, находящихся в непосредственной электрической близости от потребителей, является поддержание отклонений напряжения в пределах, установленных ГОСТом. Основной целью регулирования напряжения в районных распределительных сетях является обеспечения экономичного режима их работы за счет уменьшения потерь мощности и энергии. Основной целью регулирования напряжения в системообразующих сетях является ограничение внутренних перенапряжений для обеспечения надежной работы изоляции оборудования таких сетей, предельное рабочее напряжение которых составляет  .Регулирование напряжение осуществляется: - на шинах генераторов и повышающих трансформаторов электростанций; - на шинах высшего и среднего напряжения крупных узловых подстанций в системообразующих сетях; - на шинах центров питания распределительных районных и местных электрических сетей; - в линиях, питающих крупных потребителей электрической энергии; - в местах подключения мощных приемников. §4 Средства и режимы регулирования напряжения Регулированием напряжения называют процесс изменения уровней напряжения в характерных точках электрической системы с помощью специальных технических устройств. Эти устройства, или средства, регулирования условно можно разделить на два типа: узловые и линейные. Узловые устройства изменяют параметры режима сети – напряжение и реактивную мощность в точке подключения к сети. К ним относят: - генераторы электростанций; - синхронные компенсаторы; - синхронные двигатели; - батареи конденсаторов; - нерегулируемые и регулируемые реакторы; - статические источники реактивной мощности. Линейные устройства изменяют параметры сети – реактивное сопротивление и коэффициенты трансформации. Это: - устройства продольной компенсации; - трансформаторы и автотрансформаторы; - линейные регулировочные трансформаторы. Регулирование напряжения может быть централизованным, т.е. производиться в центре питания (ЦП), и местным, - непосредственно у потребителей. При этом, в независимости от места регулирования (ЦП или потребитель), режимы регулирования - аналогичны. Выбор рационального режима регулирования напряжения в ЦП зависит от характера графика нагрузки потребителей, подключенных к распределительной сети. Можно выделить следующие наиболее характерные режимы регулирования напряжения: 1) режим стабилизации напряжения; 2) режим регулирования по времени суток; 3) режим встречного регулирования. 1) Нагрузка в течение суток не изменяется или мало изменяется. В этом случае потери напряжения, зависящие от нагрузки сети, от шин ЦП до потребителей в течение суток не изменяются (или мало изменяются). Следовательно, для поддержания напряжения у потребителей, близкого к номинальному (или какому-то другому желаемому напряжению) в течение суток на шинах ЦП необходимо обеспечить неизменное напряжение. Такой режим регулирования называется режимом стабилизации напряженияв ЦП. Практически, однако, выбранное напряжение в ЦП поддерживать не удается. Это связано с тем, что устройства РПН трансформаторов имеют дискретные ступени регулирования, а при переключении ответвления трансформатора с одного положения на другое изменение напряжения происходит не плавно, ступенчато. Следовательно, ступень (шаг) регулирования непосредственно влияет на точность поддержания заданного в ЦП напряжения. Кроме того, на трансформаторах с РПН, как правило, устройства переключения ответвлений выполняют автоматическими, которым придают какую-то зону нечувствительности. При малой зоне нечувствительности будут происходить частые переключения, что, в свою очередь, приведет к быстрому износу контактов переключателя. Поэтому точность регулирования напряжения определяется также зоной нечувствительности, характеризующейся некоторой полосой изменения напряжения на шинах ЦП, при которой не происходит срабатывания регулирующей аппаратуры. 2) Нагрузка в течение суток изменяется вполне определенным, заранее известным образом. Такая ситуация возникает, например, в случае подключения к распределительной сети промышленных предприятий, учреждений и т. п. с вполне определенным суточным режимом работы. При этом потери напряжения от ЦП на каждой ступени суточного графика нагрузки до конкретного потребителя могут быть определены заранее. Поскольку конечная цель регулирования напряжения остается прежней и заключается в обеспечении напряжения у потребителей в любом режиме, близкого к номинальному, то для каждой ступени суточного графика нагрузки в ЦП может быть определено требуемое напряжение. Таким образом, в данном случае регулирование напряжения на шинах ЦП можно осуществлять по времени суток. Естественно, точность поддержания заданного напряжения, как и раньше, будет зависеть от зоны нечувствительности регулятора напряжения, связанной с настройкой регулятора и ступенью регулирования трансформатора. 3) Нагрузка в течение суток изменяется случайным образом. Данная ситуация на практике встречается наиболее часто, когда нагрузка ЦП имеет смешанный характер со значительной долей коммунально-бытовой нагрузки. При этом потери напряжения от ЦП до какого-то потребителя, зависящие от нагрузки по элементам сети, также носят случайный характер. В таких случаях на шинах ЦП используют принцип встречного (согласного) регулирования напряжения. Его сущность заключается в том, что с увеличением нагрузки для компенсации возникающих при этом дополнительных потерь напряжения в ЦП напряжение повышают, а при уменьшении нагрузки — снижают. При таком подходе вопрос заключается в выборе соответствующего напряжения в режиме наименьших нагрузок и наибольших нагрузок. Нижний предел выбираемого напряжения в каждом режиме нагрузки ограничивается допустимой потерей напряжения от ЦП до наиболее удаленного потребителя, а верхний предел — высшим допустимым напряжением у ближайшего потребителя. §5 Регулирование напряжения на электростанциях и подстанциях Основное назначение генераторов электростанций – выдача в электрическую сеть заданного значения активной мощности. Кроме этого, генераторы являются источниками реактивной мощности в электроэнергетической системе. Изменение выдаваемой генератором реактивной мощности и изменение напряжения на его выходе осуществляется за счет регулирования тока возбуждения генератора. Не меняя активную мощность генератора, можно изменять напряжение только в пределах  .Увеличение регулировочного диапазона по напряжению потребует увеличения тока возбуждения и, следовательно, увеличения выдаваемой генератором реактивной мощности. При номинальной загрузке генератора полной мощностью и увеличении выдаваемой генератором реактивной мощности его активную мощность необходимо снизить во избежание перегрузки генератора. Последнее условие противоречит основному назначению генераторов – выдавать заданную активную мощность. Повышающие трансформаторы на электростанциях или вообще не имеют регулировочного диапазона по напряжению (при высшем номинальном напряжении более 220кВ), или этот диапазон ограничен пределами .Реальные потери напряжения в электрических сетях значительно больше диапазона регулирования напряжения генераторам и повышающими трансформаторами электростанций. Потери напряжения в линиях электропередач зависят от их протяженности, нагрузки и номинального напряжения и могут достигать 10% в сети одного напряжения. Такой же порядок имеют потери напряжения при каждой трансформации. От электростанции до потребителей электроэнергия проходит от трех до пяти ступеней трансформации напряжения. Нетрудно оценить суммарную потерю напряжения, которая может превысить 50%. Следовательно, регулирование напряжения за счет генераторов и повышающих трансформаторов подстанций явно недостаточно для покрытия потерь напряжения в электрической сети. Поэтому генераторы электростанций и повышающие трансформаторы подстанций являются лишь вспомогательном средством регулирования напряжения в электрической сети. Генераторы могут служить основным средством регулирования напряжения лишь для потребителей, получающих питание непосредственно с шин генераторного напряжения. В этом случае на шинах изолированно работающих электростанций промышленных предприятий осуществляется встречное регулирование напряжения. Изменением тока возбуждения генераторов повышают напряжение в часы максимума нагрузок и снижают в часы минимума. §6 Регулирование напряжения на понижающих подстанциях Одним из основных средств регулирования напряжения в электрических сетях является изменение коэффициентов трансформации трансформаторов и автотрансформаторов на понижающих подстанциях электрических сетей. Также, для регулирования напряжения используются специальные линейные регулировочные трансформаторы, устанавливаемые или на подстанциях, или непосредственно в уходящие от подстанции распределительные линии электропередачи. Изменение коэффициента трансформации достигается изменением числа витков одной из обмоток трансформатора, снабженной дополнительными регулировочными ответвлениями, рис.8.1.  Рис. 8 .1 Н  а рисунке 8.1 ответвления со знаком «+» позволяют увеличить число витков обмотки высшего напряжения (ВН), а со знаком «-» уменьшить. Основное регулировочное ответвление двухобмоточного трансформатора, соответствующее номинальному коэффициенту трансформации, обозначено как «0»;  – номинальное напряжение первичной обмотки (положение переключателя «0»);  – напряжение, возникающее при холостом ходе между выводами обмотки, присоединенной к данному ответвлению, при приложении номинального напряжения к обмотке без ответвлений;  и  – число витков первичной и вторичной обмоток соответственно;  – ступень регулирования напряжения: разность напряжений двух смежных ответвлений;  – номинальное напряжение вторичной обмотки (обмотки низшего напряжения (НН)).Для коммутации регулировочных ответвлений служат переключающие устройства. По конструктивному выполнению переключающих устройств различают трансформаторы с устройствами переключения без возбуждения (ПБВ) и с устройствами регулирования под нагрузкой (РПН). Регулировочные ответвления двух и трехобмоточных трансформаторов устанавливаются на обмотке высшего напряжения трансформатора. Это связано с тем, что ток в первичной обмотке меньше, чем в ток во вторичной обмотке, что облегчает работу переключающего устройства РПН и как следствие позволяет изготавливать устройства РПН с меньшими массогабаритными показателями. 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. При регулировании напряжения трансформатора устройством ПБВ переключение осуществляется не просто при отсутствии тока в коммутируемой цепи, но и при полном отсутствии напряжения на всех обмотках трансформатора, вследствие чего этот способ и называется переключением без возбуждения. Устройства ПБВ трансформаторов общего назначения выполняются с ручным приводом, выполненным в виде рукоятки выведенной, как правило, на крышку трансформатора. Этот привод снабжается приспособлением, надежно фиксирующим устройство ПБВ в каждом его рабочем положении, соответствующем выбранному ответвлению обмотки. Устройство ПБВ состоит из избирателя (переключателя ответвлений) и привода. Переключающее устройство ПБВ выполняется обычно в виде кругового реле, принципиальная схема обмоток и переключателя трансформатора с ПБВ в однофазном исполнении приведена на рис.8.2.  Рис.8.2 Современные трансформаторы с устройством ПБВ выполняются с основным (0) и несколькими дополнительными ответвлениями (  , ). На действующих понижающих подстанциях встречаются изготавливаемые ранее трансформаторы с устройством ПБВ всего с двумя дополнительными регулировочными ответвлениями +5 и -5 %.В связи с необходимостью отключения трансформатора, а значит и нагрузки, от сети переключения ответвлений производятся редко, только при сезонных изменениях нагрузки. Поэтому при изменениях нагрузки в течение суток приходится работать с неизменным коэффициентом трансформации, что может привести к снижению напряжения на шинах потребителей в режимах максимальных нагрузок и к их повышению в минимальных режимах и соответственно к нарушению требований ГОСТ на качество электроэнергии. Устройство ПБВ применяется в распределительных трансформаторах малой и средней мощности для переключения обмоток ВН (6, 10, реже 20 и 35 кВ), а также для переключения на стороне низшего напряжения мощных высоковольтных трансформаторов, у которых обмотки высшего напряжения переключаются под нагрузкой. Если кратковременное отключение питания является допустимым условием технологического процесса, применение устройства ПБВ является предпочтительнее применения более сложных и дорогостоящих устройств РПН. Устройство РПН позволяет переключать ответвления и соответственно изменять коэффициент трансформации трансформатора под нагрузкой. В зависимости от типа токоограничивающего элемента различают реакторные и резисторные устройства регулирования под нагрузкой (УРПН). Принципиальная схема трансформатора с реакторным УРПН приведена на рис. 8.3. 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. 3 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.  Рис. 8.3 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.   Рис. 8.4 На рисунке 8.4, приведена наиболее распространённая симметричная схема резисторного УРПН. В схеме имеется два токоограничивающих резистора с равными сопротивлениями. Данная схема имеет два важных отличия от реакторной схемы. Первое из них это то, что один из подвижных контактов избирателя (И1) коммутирует только нечётные, а другой (И2) только чётные ответвления регулировочной обмотки. А второе то, что резисторы не рассчитаны на длительное протекание рабочего тока по ним, поэтому в нормальных положениях они зашунтированы, а переключение контактора должно осуществляться достаточно быстро (обычно с помощью пружинного механизма). Поэтому РПН с резисторами относятся к быстродействующим устройствам. Сопротивление резисторов выбирается таким, чтобы циркулирующий ток был равен половине номинального рабочего тока. Переключение РПН с одной ступени на другую происходит в такой же последовательности, что и в РПН с реакторами. Процесс переключения в схеме устройства РПН с реактором происходит относительно медленно, и все его элементы рассчитаны на протекание нагрузочных токов в течение длительного времени. Избиратель и токоограничивающий реактор размещены в баке трансформатора, а контактор помещают в отдельном масляном баке, чтобы предотвратить разложение масла в трансформаторе, а так же обеспечить доступ к контактной системе, требующей постоянной проверки. Реактор имеет заземленный стальной сердечник, а изоляция обмотки реактора соответствует рабочему напряжению обмотки трансформатора. Чем больше напряжение, тем больше размеры реактора, что и ограничивает область применения данной схемы. В варианте устройства РПН с резисторами: в нормальном рабочем режиме ток через токоограничивающие сопротивления не проходит. Переключение контактора происходит в течение сотых долей секунды. Эти особенности связаны с тем, что токоограничивающие активные сопротивления рассчитаны только на кратковременное прохождение тока. Иначе при переключении выделялось бы большое количество тепла, и габаритные размеры сопротивлений получились бы очень большими. Поэтому переключение контактора происходит под действием мощных пружин, что так же исключает возможность остановки контактора в промежуточном положении даже при отключении питания. Таким образом, конструкция переключающих устройств с активными токоограничивающими резисторами получается, как правило, значительно сложнее, чем для переключающих устройств с реакторами. Помимо выше сказанного, переключающим устройствам с активными токоограничивающими сопротивлениями свойственны более легкие условия для гашения дуги при размыкании ветвей с током. Применяют контакторы в масле, а также с вакуумными камерами, обладающими значительными преимуществами. Реакторные устройства РПН применяются для регулирования напряжения сравнительно небольших трансформаторов напряжения 10-35 кВ. Резисторные устройства РПН в которых коммутацию рабочего тока выполняет избиратель, а контактор как отдельный узел отсутствует, изготавливаются на номинальный ток не более 330-500 А и напряжение до 110 кВ. Резисторные устройства РПН в которых коммутацию рабочего тока выполняет контактор, а избиратель переключается со ступени на ступень при отсутствии тока, изготавливаются на номинальный ток до 4000 А и напряжение до 330 кВ. Трансформаторы с РПН имеют большее число ступеней регулировочных ответвлений, чем трансформаторы с ПБВ. Диапазоны регулирования напряжения на трансформаторах с РПН, выпускаемых отечественной промышленностью, в зависимости от номинального напряжения и мощности трансформатора составляют от 18 до 32%. 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. |