Идельчик В.И. Электрические системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

220

Качество

электрической энергии

и его

обеспечение

Гл. 5

5.8. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМОЙ ПОТЕРИ НАПРЯЖЕНИЯ

В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

Отклонение напряжения определяется (см. § 5.1) как

V=U—i/ном. Будем обозначать предел технически до-

пустимых положительных отклонении напряжения

V+,

а от-

рицательных — V-. Отклонения напряжения V от номи-

нального значения не должны выходить за пределы техни-

чески допустимых значений:

V <V^V

+•

(5.12)

Регулировать напряжение, и в частности выбирать до-

пустимую потерю напряжения в распределительной сети,

надо так, чтобы выполнялись технические ограничения

(5.12).

Рассмотрим простейшую схему распределительной сети

двух напряжений, приведенную на рис. 5.9, а. Линия 23

напряжением 6—10 кВ

ЦП

РТ

г-

15?

питается от шин центра

питания (ЦП), т.е. от

шин низкого напряжения

районной подстанции (на

рис.

5.2, а эти шины обо-

значались 2Н). К линии 23

в конце присоединены

один распределительный

трансформатор (РТ) 6—

10/0,4 кВ и линия 46 на-

пряжением 0,38 кВ. Для

упрощения предположим,

что к сети 6—10 кВ ЭП не

присоединяются (в узлах

2 н 3 нет ЭП напряжени-

ем 6—10 кВ). Это пред-

положение соответствует

обычным условиям рабо-

ты городской сети.

Напряжение U\ на ши-

Рис. 5.9.

График напряжения

в распределительной сети:

Чш а

—

схема сети; б, в —режимы

наибольших и наименьших нагрузок

§ 5.8

Определение допустимой

потери

напряжения

221

нах низкого напряжения РТ определяется напряжением ЦП

£/

, потерями напряжения в линии 23 А£/

и в РТ А£/

а также добавкой напряжения А£, которая определяется

выбранным коэффициентом трансформации РТ п

(см.

§5.5):

= U

—

- Д£/

+ АЕ. (5.13)

В § 5.5 приведены значения добавки напряжения АЕ % при

разных ответвлениях РТ.

Если вычесть из левой и правой частей (5.13)

U„

то

можно записать следующее выражение для отклонении на-

пряжения на низкой стороне 0,4 кВ РТ:

= V

~ Д£/

+ АЕ, (5.14)

где У

. V

— отклонения напряжения в узлах 4 и 2.

График изменения напряжения в линии 23 и РТ, соот-

ветствующий (5.14), изображен на рнс. 5.9,6 в виде лома-

ной ибо.'. По оси ординат отложены значения отклонений

напряжении н процентах номинального. Точки а, 6, г на

рис.

5.9,6 и в примерно соответствуют V

, V

, V*. Дело

в том, что автоматический регулятор, управляющий рабо-

той РПН в ЦП, имеет определенную зону нечувствительно-

сти е. Поэтому значение отклонений напряжения на шинах

низкого напряжения ЦП не может быть точно определено.

С учетом е нельзя утверждать, что отклонение напряжения

строго соответствует, например, точке а, можно говорить

лишь, что V

находится внутри отрезка ае. Соответственно

отклонения напряжения в линии 23 находятся внутри за-

штрихованной полосы между прямыми аб и еж. Обычно

на графиках напряжений изображают только верхнюю гра-

ницу указанной полосы (см. рис. 5.9, в и рис. 5.2), подразу-

мевая при этом имеющуюся зону нечувствительности.

Для простоты обозначений на рис. 5.9, б и б и в тексте

этого параграфа для всех параметров V, AU, АЕ, е оп"у1дено

обозначение %. Отметим, что уравнение (5.14) и аналогич-

ные ему ниже в этом параграфе справедливы при записи

как в абсолютных величинах, так и в процентах.

Допустим, что в режиме наибольших нагрузок U

H&=

1,05U

HOM

;

Д£/

23нб

=2,5 %; Л£/

.„

2,5

% и АЕ=5 %.

В этом случае напряжение на вторичных шинах РТ равно

в соответствии с (5.13)

^4вв =

(1,05

- 0,025 - 0,025 + 0,05) £/

ном

1,05£/

ном

222

Качество электрической энергии

его обеспечение

Гл.

что соответствует точке

на

рис.

5.9,6,

т. е.

У4нб=+5

С учетом зоны нечувствительности

отклонение напряже-

ния

на

вторичных шинах

РТ при

наибольших нагрузках

на-

ходится внутри отрезка

ги.

Линия

напряжением 0,38 кВ питает

три ЭП (4, 5,

6).

Предположим,

что

нагрузки этой линии одинаковы

дли-

ны участков

45 и 56

равны. Тогда график напряжений

ли-

нии

изобразится прямой линией. Наименьшее значение

напряжения

на ЭП 6

равно

£/

_Д£/

4в

-е. (5.15)

Аналогично тому,

как из

(5.13) было получено выра-

жение

для

отклонения напряжения (5.14),

из

(5.15) можно

получить следующие выражения

для

отклонения напряже-

ния

на ЭП 6:

-Д£/

-е, (5.16)

или

учетом (5.14)

— AU

AE— AU

—

е. (5.17)

Напряжение

на

вторичных шинах

РТ

£/

— самое высо-

кое

линии

46,

напряжение наиболее удаленного

ЭП 6

—

самое низкое. Поэтому

соответствии

(5.12) отклонение

напряжения

должно быть

не

больше предельного поло-

жительного отклонения

V+,

—

не

меньше предельного

отрицательного отклонения

V-. Из

(5.12), (5.16)

(5.17)

вытекают следующие ограничения

для

возможных откло-

нений напряжения

ЦП,

потерь напряжения

сети

до-

бавки напряжения

в РТ:

-AU

AEKV+;

(5.18)

—

Ai/

—

Ai/

AE — AU

—

V_. (5.19)

Допустимую потерю напряжения

линии

можно

оп-

ределить

из

(5.19)

при

заданных значениях напряжения

ЦП,

потерь напряжения

сети,

также зоны нечувстви-

тельности

е и

добавки напряжения

АЕ.

Из (5.16) можно определить допустимую потерю напря-

жения

режиме наибольших нагрузок

линии

46,

если

за-

менить

на

V+,

—

на

V-:

mimM

-V

-V_-*.

(5.20)

Предположим,

что

предельные положительные

отри-

цательные отклонения напряжения

V+

V-

равны

§ 5.8

Определение допустимой потери напряжения

223

и —5%. На рис. 5.9,6 эти предельные значения показаны

штриховыми прямыми. Это означает, что точка к должна

соответствовать отклонению напряжения не меньше чем на

—5%,

а точка д — отклонению —5%-f-e. При 6=2,5%

допустимая потеря напряжения в режиме наибольших на-

грузок в линии 46 на основании (5.20) А£/4бдоп.нб=5—

—

(—5)—2,5=7,5 %• Именно эта наибольшая величина до-

пустимой потери напряжения в линии 46 приведена на рис.

5.9, б.

На рис. 5.2 иллюстрировался график напряжения на рай-

онной подстанции при встречном регулировании. Добавки

Шшрижения в трансформаторе с РПН имели разные знаки

в режимах наибольших и наименьших нагрузок. В распре-

делительном трансформаторе с ПБВ на рис. 5.9 нельзя

изменять коэффициент трансформации п

при изменении

режима в течение суток, но можно переключать ответвление

1 рая в сезон (осуществлять сезонное регулирование на-

пряжения). В течение сезона в РТ не меняется п

и соот-

веreiпенно добапка напряжения Л/?. Предположим, что

в режиме наименьших нагрузок напряжение ЦП равно

i/иом, т. е. V

и все нагрузки равны 0,4 их значения в ре-

жиме наибольших нагрузок. Соответственно потери напря-

жения в сети в режиме наименьших нагрузок равны 0,4 по-

терь напряжения в режиме наибольших нагрузок, т. е.

А(/

зн

=0,4-2,5=1 %, Д£/

нм

=0,4.2,5=1 %. Тогда из

(5.13)

^« = 0-1- 1+5 =+ 3%

условие (5.18) выполняется и F

в режиме наименьших на-

грузок не выходит за допустимые пределы. График напря-

жения в линии 23 и РТ в режиме наименьших нагрузок

изображен на рис. 5.9, в ломаной линией абвг.

Отметим, что добавка напряжения Л£=+5 % не может

быть увеличена в рассматриваемом случае. Действительно,

при Д£ = 7,5 %

4нм

5,5%>1/

= 5%

и не выполняется условие (5.18).

На рис. 5.9, в приведен график напряжения в линии 46

в режиме наименьших нагрузок, когда отклонение равно

наименьшему отрицательному предельному значению:

6HM

V_=—5 %. Этот график напряжений, соответствую-

224

Качество электрической энергии

его обеспечение

Гл. 5

щий (5.16), изображен линией гдк. Допустимую потерю на-

пряжения в линии 46 в режиме наименьших нагрузок можно

определить из (5.16) при F

„„=F_=—5 %: Аи

ШО

п.«м=

= V

— V-—е=3—(—5)—2,5=5,5%. Значения допусти-

мой потери напряжения в линии 46 различны в режимах

наибольших и наименьших нагрузок, и на нее оказывает

влияние диапазон напряжений в ЦП при встречном регу-

лировании

H6—U

HM-

Даже в наиболее благоприятных условиях, например

в рассмотренном выше случае, допустимая потеря напря-

жения в сети 0,4 кВ получается не очень большой: 7,5—

5,5 % ^ном- Иногда эта величина еще меньше. При этом

необходимо принимать специальные меры для снижения

Д£/нб в распределительных сетях 0,4 кВ и в частности уве-

личивать сечения проводов для снижения AU„G (см. § 6.7).

В последнем случае повышается стоимость сети. В распре-

делительных сетях 6—10 кВ значение Д£/

ДО

п оказывается

больше и при встречном регулировании в ЦП может дости-

гать 10—12 %. Как правило, такое значение Л£/д

п доста-

точно. Увеличивать сечения проводов иногда приходится

лишь в очень протяженных сетях, например сетях сельско-

хозяйственного назначения.

5.9.

СРАВНЕНИЕ СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ

Основным, наиболее важным и эффективным среди рас-

смотренных выше способов является регулирование напря-

жения трансформаторами и автотрансформаторами под на-

грузкой. Все остальные способы регулирования напряжения

(трансформаторами с ПБВ, генераторами станций, измене-

нием сопротивления сети и потоков реактивной мощности)

имеют меньшее значение и являются вспомогательными.

Трансформаторы с ПБВ применяются в сетях напряже-

нием до 35 кВ. С их помощью невозможно осуществить

встречное регулирование напряжения, так как их коэффи-

циенты трансформации при изменении режима в течение

суток неизменны. Регулирование трансформаторами с ПБВ

используется только как сезонное. Более частые переклю-

чения оказываются дорогим мероприятием, поскольку тре-

буют отключения — включения оборудования, усложняют

эксплуатацию и связаны с резким увеличением количества

обслуживающего персонала.

§ 5.9 Сравнение способов регулирования напряжения 225

С помощью трансформаторов с РПН на районной под-

станции можно осуществить встречное регулирование, так

как в трансформаторах с РПН коэффициенты трансформа-

ции и ответвления можно изменять под нагрузкой:

^нб ^ ^нм> ^отв.нб Т

'-'отв.нм'

Трансформаторы с РПН дороже, чем с ПБВ. Это объяс-

няется необходимостью применения специального переклю-

чающего устройства. Стоимость переключающего устройст-

ва РПН сравнительно мало зависит от мощности транс-

форматора. Поэтому относительное удорожание

трансформаторов с РПН по сравнению с трансформаторами

с ПБВ значительно больше сказываются на трансформато-

Таблица 5.1. Регулирование напряжения иа подстанциях

Средств рггулиро-

ПЛННП

Напряже-

ние,

кВ

Мощ-

ность,

Место включения

устройства регулиро-

Диапазон

регулиро-

вания

MB-А вания

Трансформато-

6,10(20)

0,4—

В нейтрали или

±2х

ры с ПБВ 0,63

в середине обмот-

ки ВН

Х2,5%

Трансформато- 35 и 10—63 В нейтрали об-

±8х

ры с РПН более мотки ВН

XI.5%

6,10(20),

1-6,3 То же ±8х

Xl.25%

±6Х

XI,5%

ЛР большой

6—35

16—100 Последователь- ±

мощности

но с нерегулируе-

мыми обмотками

трансформатора с

ПБВ,

непосредст-

венно в линию

Последователь-

35,

150

240,

92 Последователь- ±24,2кВ

ные регулировоч- но с автотрансфор- и др.

ные трансформато- маторами 220, 330

ры н 750 кВ

Автотрансфор- 330

125—

РПН в обмотке ±6x2 %

маторы, трехобмо- 400 СН

точные трансфор- 220 25—250 РПН в нейтрали

±8х

маторы ВН

РПН в обмотке

СН

Xl.5%}

±12х

Х1%

±6x2 %

15—237

226

Качество электрической энергии и его обеспечение

Гл. 5

pax меньшей мощности. Это удорожание составляет 20—

25 % стоимости трансформатора, а для трансформаторов

малой мощности может достигать 70—80 % [1]. Трансфор-

маторы с РПН применяют на напряжение 35 кВ и выше.

Линейные регуляторы малой мощности применяются

в промышленных и сельских сетях, ЛР большой мощно-

сти — в питающих сетях.

Сравнительные данные по регулированию напряжения

с помощью трансформаторов, автотрансформаторов и ЛР

приведены в табл. 5.1.

В большинстве случаев синхронные компенсаторы при-

меняются на мощных подстанциях, батареи конденсато-

ров — на менее мощных подстанциях в промышленных,

сельских и городских сетях. Компенсирующие устройства

играют важную роль не только в регулировании напряже-

ния, но в первую очередь в обеспечении баланса реактивной

мощности и уменьшении потерь мощности и электроэнергии.

5.10. НЕСИММЕТРИЯ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

И МЕРОПРИЯТИЯ ПО ЕЕ СНИЖЕНИЮ

Причины возникновения несимметричных режимов.

Симметричная трехфазная система напряжений характери-

зуется одинаковыми по модулю и фазе напряжениями во

всех трех фазах. При несимметричных режимах напряжения

в разных фазах не равны. Несимметричные режимы в элек-

трических сетях возникают по следующим причинам: 1) не-

одинаковые нагрузки в различных фазах; 2) неполнофазная

работа линий или других элементов в сети; 3) различные

параметры линий в разных фазах.

Наиболее часто несимметрия напряжений возникает из-

за неравенства нагрузок фаз. В городских и сельских сетях

0,38 кВ несимметрия напряжений вызывается в основном

подключением однофазных осветительных и бытовых элек-

троприемников (ЭП) малой мощности. Количество таких

однофазных ЭП велико, и их нужно равномерно распреде-

лять по фазам для уменьшения несимметрии.

В сетях высокого напряжения несимметрия вызывается,

как правило, наличием мощных однофазных ЭП, а в ряде

случаев и трехфазных ЭП с неодинаковым потреблением

в фазах. К последним относятся дуговые сталеплавильные

печи. Основные источники несимметрии в промышленных

SAO

Несимметрия в электрических сетях 227

сетях 0,38—10 кВ—это однофазные термические установ-

ки,

руднотермические печи, индукционные плавильные пе-

чи,

печи сопротивления и различные нагревательные уста-

новки. Кроме того, несимметричные ЭП — это сварочные

аппараты различной мощности. Тяговые подстанции элек-

трифицированного на переменном токе железнодорожного

транспорта являются мощным источником несимметрии, так

как электровозы — однофазные ЭП. Мощность отдельных

однофазных ЭП в настоящее время достигает нескольких

мегаватт.

Различают два вида несимметрии: систематическую

и пером

моггпую, или случайную. Систематическая несим-

мсфии обусловлена неравномерной постоянной перегруз-

кой одной из фаз, вероятностная несимметрия соответствует

непостоянным нагрузкам, при которых в разное время пе-

регружаются разные фазы в зависимости от случайных

факторов (перемежающаяся несимметрия) [15].

Пеполпофа шаи работа элементов сети вызывается крат-

ковременным отключением одной или двух фаз при корот-

ких замыканиях (КЗ) либо более длительным отключением

при пофазных ремонтах. Одиночную линию можно обору-

довать устройствами пофазного управления, которые отклю-

чают поврежденную фазу линии в тех случаях, когда дей-

ствие АПВ оказывается неуспешным из-за устойчивого КЗ.

В подавляющем большинстве устойчивые КЗ однофазные.

При этом отключение поврежденной фазы приводит к со-

хранению двух других фаз линии в работе. В сети с за-

земленной нейтралью электроснабжение по неполнофазной

линии может оказаться допустимым и позволяет отказаться

от строительства второй цепи линии. Неполнофазные режи-

мы могут быть эффективными в мало освоенных районах

Сибири и Дальнего Востока, хотя их применение требует

специальных расчетов и обоснований. Неполнофазные ре-

жимы могут возникать и при отключении трансформаторов.

В некоторых случаях для группы, составленной из одно-

фазных трансформаторов, при аварийном отключении од-

ной фазы может оказаться допустимым электроснабжение

по двум фазам. В этом случае не требуется установка ре-

зервной фазы, особенно при наличии двух групп однофаз-

ных трансформаторов на подстанции.

Неравенство параметров линий по фазам имеет место,

например, при отсутствии транспозиции на линиях или уд-

16*

228 Качество электрической энергии и его обеспечение Гл. 5

линейных ее циклах. Транспозиционные опоры ненадежны

и являются источниками аварий. Уменьшение числа транс-

позиционных опор на линии уменьшает ее повреждаемость

и повышает надежность. В этом случае ухудшается вырав-

нивание параметров фаз линии, для которого обычно и при-

меняется транспозиция (см. § 1.3, рис. 1.5).

Влияние несимметрии напряжений и токов. Появление

напряжений и токов обратной и нулевой последовательно-

сти U

Uo,

, /о приводит к дополнительным потерям мощ-

ности и энергии, а также потерям напряжения в сети, что

ухудшает режимы и технико-экономические показатели ее

работы. Токи обратной и нулевой последовательностей /г, /о

увеличивают потери в продольных ветвях сети, а напряже-

ния и токи этих же последовательностей — в поперечных

ветвях.

Наложение U

и Uo приводит к разным дополнительным

отклонениям напряжения в различных фазах. В результа-

те напряжения могут выйти за допустимые пределы. Нало-

жение /

и /

приводит к увеличению суммарных токов в от-

дельных фазах элементов сети. При этом ухудшаются ус-

ловия их иагрева и уменьшается пропускная способность.

Несимметрия отрицательно сказывается на рабочих

и технико-экономических характеристик вращающихся

электрических машин. Ток прямой последовательности

в статоре создает магнитное поле, вращающееся с синхрон-

ной частотой в направлении вращения ротора. Токи обрат-

ной последовательности в статоре создают магнитное поле,

вращающееся относительно ротора с двойной синхронной

частотой в направлении, противоположном вращению. Из-

за этих токов двойной частоты в электрической машине воз-

никают тормозной электромагнитный момент и дополни-

тельный нагрев, главным образом ротора, приводящие

к сокращению срока службы изоляции.

В асинхронных двигателях возникают дополнительные

потери в статоре. В ряде случаев приходится при проекти-

ровании увеличивать номинальную мощность электродвига-

телей, если не принимать специальные меры по симметри-

рованию напряжения. В синхронных машинах кроме допол-

нительных потерь и нагрева статора и ротора могут начаться

опасные вибрации. Из-за несимметрии сокращается срок

службы изоляции трансформаторов, синхронные двигатели

и БК уменьшают выработку реактивной мощности.

§5.10

Несимметрия в электрических

сетях

229

Суммарный ущерб, обусловленный несимметрией в про-

мышленных сетях, включает стоимость дополнительных по-

терь электроэнергии, увеличение отчислений на реновацию

от капитальных затрат (см. § 6.2), технологический ущерб,

ущерб, обусловленный снижением светового потока ламп,

установленных в фазах с пониженным напряжением, и со-

кращением срока службы ламп, установленных в фазах

с повышенным напряжением, ущерб из-за уменьшения ре-

активной мощности, генерируемой БК и синхронными дви-

гателями.

Несимметрия напряжений характеризуется коэффициен-

том обратной последовательности напряжений

К2и=-

?)>

100

^ном

и коэффициентом нулевой последовательности напряжений

ои

——^-

100, нормальное и максимальное допустимые

^ном

значения которых по ГОСТ 13109—87 составляют 2 и 4 %.

Симметрирование напряжений в сети сводится к компен-

глции мжа н напряжения обратной последовательности.

При стабильном графике нагрузок снижение систематиче-

ской несимметрии напряжений в сети может быть достиг-

нуто выравниванием нагрузок фаз путем переключения

части нагрузок с перегруженной фазы на ненагруженную.

Рациональное перераспределение нагрузок не всегда позво-

ляет снизить коэффициент несимметрии напряжений до до-

пустимого значения (например когда часть мощных одно-

фазных ЭП работает по условиям технологии не все время,

а также при профилактических и капитальных ремонтах).

В этих случаях необходимо применять специальные симмет-

рирующие устройства. Известно большое число схем сим-

метрирующих устройств, часть из них выполняется управ-

ляемыми в зависимости от характера графика нагрузки.

Для симметрирования однофазных нагрузок применяет-

ся схема, состоящая из индуктивности и емкости. Нагрузка

и включенная параллельно ей емкость включаются на ли-

нейное напряжение. На два других линейных напряжения

включаются индуктивность и еще одна емкость.

Для симметрирования двух- и трехфазных несимметрич-

ных нагрузок применяется схема с неодинаковыми мощно-

стями БК, включенными в треугольник. Анализ работы этой

схемы приведен в § 11.4. Иногда применяют симметрирую-

щие устройства со специальными трансформаторами и ав-