Качество электроэнергии на промышленных предприятиях - Централизованное регулирование напряжения

Централизованное регулирование напряжения (ЦРН).

Для  осуществления ЦРН в центрах питания должны предусматриваться технические средства, позволяющие изменять коэффициент трансформации или генерировать реактивную мощность. При этом ЦРН возможно при условии достаточного резерва реактивной мощности в узле нагрузки. Средствами ЦРН должно обеспечиваться встречное регулирование напряжения, когда согласно ПУЭ напряжение на шинах 6—20 кВ электростанций и подстанций, к которым подключены распределительные сети, должно быть в пределах не ниже 105% номинального в период наибольших нагрузок и не выше 100% номинального в период наименьших нагрузок.
Эффективным средством является регулирование напряжения под нагрузкой с помощью РПН, которыми оснащаются силовые трансформаторы. РПН обеспечивает регулирование в пределах =£ 12% (±8 х 1,5%) для напряжения 35 кВ и ± 16% (±9 X X 1,78%)—для напряжения 110 кВ и выше. Оснащение трансформаторов РПН рекомендуется в работе [9] и не подлежит технико-экономическому обоснованию, так как является наиболее дешевым средством.
Регулирование напряжения под нагрузкой, т. е. изменение коэффициента трансформации силовых трансформаторов реализуется с помощью переключающих устройств: РНТА-35/320(1000) с приводом ПДП-4У производства СССР; РС-3-110/400(630) с приводом МЗ-2 производства НРБ; БДУ — 35/630(1250) с приводом ЕМ-1 производства ГДР.
Устройство РНТА-35 разработано вместо реакторного переключающего устройства РНТ-13. Оно имеет следующие преимущества: при классе напряжения 35 кВ является трехфазным и может работать на линейном конце обмотки; в качестве разрывных контакторов применены вакуумные дугогасительные камеры (ВДК)
для гашения электрической дуги в момент переключения; отсутствует необходимость помещать контактор в отдельный бак и не требуется смена масла в процессе эксплуатации; обладает высокой степенью надежности и большим ресурсом работы.

Рие. 21. Электрические схемы регулирования (одна фаза):
а — с грубой ступенью; б  — с реверсированием регулировочной обмотки
Принципиальные электрические схемы устройства переключения показаны на рис. 21. Предызбиратель (контакты /, II, III) служит либо для реверсирования регулировочной обмотки, либо для переключения грубой ступени регулирования. С помощью предызбирателя увеличивается (удваивается) предел регулирования. В случае реверсирования обмотки регулирования происходит сложение или вычитание ее ЭДСиЭДС основной обмотки трансформатора. Во втором случае включается или выключается обмотка грубой ступени, которая по числу витков одинакова с обмоткой регулирования. Избиратель служит для выбора очередного ответвления регулировочной обмотки, на которое переводится нагрузка в результате переключения. Контактор выполнен по симметричной схеме с одним активным токоограничивающим сопротивлением. Его главные контакты 1 и 5 (замыкатели) служат для длительного пропускания тока трансформатора в промежутках между переключениями, разрывные контакты 2, 3 и 4 (контакты вакуумных дугогасительных камер) служат для коммуникации и разрыва тока во время переключения. Вспомогательные контакты 6 и 7 служат для подготовки схемы к очередному переключению. Токоограничивающее сопротивление ограничивает ток ступени обмотки во время переключения. Конденсатор С служит для защиты от импульсных перенапряжений. Ревизия избирателя и предызбирателя устройства осуществляется через 500 000 переключений, а контактора — в сроки смены вакуумных дугогасительных камер, но не более чем через три года эксплуатации. Переключающие устройства РС-3 и БДУ имеют аналогичные конструктивные решения.
Опыт Латвэнерго показывает, что современные трансформаторы с РПН достаточно надежны для использования в целях автоматического регулирования напряжения. Завод-изготовитель для новой конструкции переключающего устройства РНТА-35 рекомендует производить не менее 100 переключений под нагрузкой в течение трех месяцев для улучшения вакуума в камерах, так как дуга, возникающая при разрыве тока, обладает генерирующим свойством. Для улучшения быстродействия РПН и повышения их надежности в СССР и за рубежом ведутся разработки для замены контактных РПН на статистические на базе полупроводниковой электроники.
Централизованное регулирование напряжения под нагрузкой обусловливает необходимость подключения к трансформатору потребителей с однородным графиком нагрузки. В этом плане полезными являются схемы электроснабжения с разукрупненными подстанциями глубокого ввода. На подстанциях с трансформаторами с расщепленными обмотками НН или со сдвоенными реакторами на вводах, где уровни напряжения на секциях, как было показано выше, зависят от загрузки ветвей, работа РПН обеспечивает необходимое регулирование напряжения только для одной ветви. Поэтому необходимо дифференцировать потребителей, подключая к секции с вынужденным режимом напряжения потребителей менее требовательных к его качеству (сварочные аппараты, электродвигатели, дуговые печи и т. п.).
Автоматическое управление регулятором напряжения осуществляется устройством АРТ-1Н производства Рижского завода Латвэнерго. На базе этого регулятора институт Энергосетьпроект разработал комплексную систему автоматического регулирования коэффициента трансформации трансформаторов под нагрузкой (СРКТ).
Схемы СРКТ обеспечивают: автоматическое регулирование напряжения по заданному закону; дистанционное и местное управления; автоматическое регулирование двух параллельно работающих трансформаторов с обеспечением их синхронного переключения и автоматической блокировки регулирования при рассогласовании приводов на одно положение; автоматическую блокировку очередного переключения в случае недопустимых токовых перегрузок РПН и недопустимых снижений температуры масла в контакторах РПН.
Принципиальная схема включения устройства APT-1Н показана на рис. 22. Устройство АРТ-1Н управляет переключателями ответвлений трансформаторов с РПН по напряжению на шинах с компенсацией падения напряжения в распределительной сети от тока нагрузки. При этом обеспечивается режим встречного регулирования. В режиме стабилизации напряжения на шинах управление осуществляется по среднему напряжению (без токовой компенсации). Поддержание заданного уровня напряжения на одной секции шин подстанции с трансформаторами с расщепленной обмоткой НН или со сдвоенными реакторами на вводе может привести к недопустимым отклонениям напряжения на другой секции.

Рис. 22. Схема включения устройства АРТ-1Н:
БАР — блок автоматического регулирования; ДТ — датчик тока; ПМ — приводной механизм
Поэтому схемой СРКТ предусматривается постоянный контроль уровня напряжения на нерегулируемых шинах.
При выходе значений напряжения на контролируемых шинах за допустимые пределы регулирование коэффициента трансформации блокируется. Обычно в качестве регулируемых выбираются секции, к которым подключены потребители с повышенным требованием к качеству напряжения.
Для группового автоматического и дистанционного регулирования (параллельная работа двух трансформаторов) в схеме СРКТ синхронность управления достигается тем, что в схему управления каждого трансформатора, параллельно с контактами выходных реле АРТТН и ключа управления включаются контакты реле повторителей второго трансформатора. Схема выполнена таким образом, что АРТ-1Н ведущего трансформатора получает информацию о начале цикла переключения только после того, как переключения начнут оба трансформатора, а информация о завершении цикла переключения подается только после завершения его обоими трансформаторами.

Рис. 24. Схема линейного регулировочного автотрансформатора типа ЛТДН:
0/7 — обмотка последовательная; ОВ — обмотка возбуждения; ОР — обмотка регулировочная

Рис. 23. Принципиальная схема централизованного регулирования с ЛР
Условия централизованного регулирования напряжения усложняются в случае, когда к шинам подстанции подключаются потребители с разнохарактерными графиками нагрузки, т. е. потребители, графики нагрузки которых неодинаково изменяются во времени. В этом случае для одних потребителей требуется для компенсации потери напряжения в питающих их линиях повышение напряжения в центре питания (ЦП), а для других — понижение напряжения.
Целесообразно группировать линии с приблизительно одинаковыми графиками нагрузки, предусматривая для каждой группы автономное регулирование. Система ЦРН в этом случае с помощью РПН силового трансформатора обеспечивает стабилизацию напряжения на шинах ЦП, а на линиях с однородными нагрузками устанавливают линейные регуляторы (ЛР). Принципиальная схема такого регулирования показана на рис. 23. Кроме того, линейный регулятор можно использовать для расширения диапазона регулирования при реконструкции подстанций, на которых установлены трансформаторы с переключателями ответвлений без возбуждения (ПБВ). Следует иметь в виду, что трансформаторы со встроенным регулированием дешевле, чем агрегаты из трансформаторов и ЛР. Поэтому для новых установок применение трансформаторов с РПН предпочтительнее.
Технические данные линейных регулировочных автотрансформаторов напряжением 6—35 кВ приведены в табл. 17 и 18, а их схемы — на рис. 24 и 25. Пределы регулирования ЛР: для ЛТМ 6—10 кВ составляет ±8 X 1,2%; для JITMH и ЛТДН напряжением 6,6—38,5 кВ составляет =t 10 X 1,5%.
На рис. 26 показано включение ЛР в рассечку электрической линии, что позволяет создать в сети дополнительную ЭДС. Его можно присоединить также и ко вторичной обмотке силового трансформатора. С помощью ЛР можно получить добавочную ЭДС, сдвинутую по фазе относительно основного напряжения сети. Угол сдвига зависит от схемы включения первичной обмотки ЛР. Получение сдвигов 0° (180°), 30°(210о), 60°(240°), 90°(270°),

в случае присоединения первичной обмотки ЛР к регулируемой линии, показано на рис. 27.
Особенно эффективны ЛР в сетях большой длины с проводами небольших сечений, а также в сетях с высоким значением коэффициента мощности. В таких случаях компенсация реактивных параметров сети мало влияет на значение напряжения и регулирование трансформации является основным средством.
В работе [48] приведена методика расчетов, связанных с установкой ЛР: выбор места установки; определение параметров и пределов регулирования; выбор ответвлений трансформаторов с ПБВ, попадающих в зону действия ЛР.

Рис. 25. Схема линейного регулировочного автотрансформатора типа ЛТМ:
а — с согласным включением регулировочных обмоток;                                          с встречным
включением регулировочных обмоток

В последние годы в СССР и за рубежом для регулирования напряжения широко применяют конденсаторные установки, которым отдается предпочтение перед синхронными компенсаторами (СК). Батарея конденсаторов (БК) включается по поперечной либо продольной схеме. В частности, в США и Японии чаще применяют установки продольного включения. В СССР одна из первых установок продольной компенсации мощностью 500 Мвар реализована на линии электропередачи 500 кВ Куйбышев—Москва. За счет БК поперечного включения можно получить добавку напряжения в процентах от номинального
где Xl — сопротивление питающей сети, Ом; U — напряжение в месте установки БК, кВ; QBк — мощность БК, кВАр.
При продольном включении БК, добавка напряжения в процентах

РТ — регулировочный трансформатор; ВДТ — вольтодобавочный трансформатор

Рис. 26. Принципиальная схема включения вольтодобавочного трансформатора в рассечку:
где Хс — сопротивление БК, Ом; Q—реактивная мощность нагрузки, кВАр.

Рис. 27. Схемы получения добавочной ЭДС, смещенной на 0, 30, 60 и 90° относительно основного напряжения

Для определения Xt в табл. 19 приведены максимальные значения мощности КЗ на шинах подстанций, исходя из разрывной мощности выключателей.
Преимущества и недостатки БК продольного включения были изложены выше. Что касается БК поперечного включения, то в настоящее время возможно только ступенчатое регулирование посредством включения или отключения всей или части батареи. Разбиение БК на секции с подключением их к общим шинам снижает надежность установки в целом из-за трудностей коммутации. В этом случае имеет место параллельное подключение секции БК к уже работающей, и возникающие при этом пусковые токи включения с высокой частотой значительно превосходят токи включения обособленной батареи. Происходит разряд находящейся под напряжением секции БК на вновь подключаемую через небольшое сопротивление соединительных шин.
Таблица 19

Примечания: 1. В знаменателе указана разрывная мощность выключателей ВМПЭ-10.
2. Приведенное в таблице сопротивление сети является минимальным.
Этот недостаток отсутствует в схеме, где регулирование мощности БК осуществляется посредством изменения подведенного напряжения. Как известно, мощность БК пропорциональна квадрату напряжения. В работе [3] предлагается для БК напряжением 35 кВ большой мощности использовать, в частности, автотрансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой мощностью 50 MB - к, разработанный для питания ДСП емкостью 100 т (рис. 28). Глубина регулирования напряжения составляет от 38,5 кВ до 14,2 кВ. Это позволяет изменять мощность БК ДО 20% QH0M.

В СССР разработаны и проходят опытно-промышленную эксплуатацию статические источники реактивной мощности (ИРМ), где для управления БК используются тиристоры. С помощью ИРМ возможно плавное регулирование напряжения.
Мощность БК параллельного включения по типовым проектам ВГПИ и НИИ «Энергосетьпроект» достигает на напряжении:
6 кВ — 5 Мвар; 10 кВ — 8 Мвар; 35 кВ — 30 Мвар; 110 кВ — 46 Мвар.
Приведенные мощности БК соразмеримы с единичной мощностью синхронных компенсаторов.

Рис. 28. Устройство для регулирования мощности батареи конденсаторов:
1 — автотрансформатор; 2 — выключатель; 3 — батарея конденсаторов
Технические данные СК приведены в табл. 20.
Номинальная мощность СК — это наибольшая мощность в режиме перевозбуждения. В режиме недовозбуждения СК является потребителем реактивной мощности.
Технико-экономические расчеты показывают, что конденсаторы практически всегда экономичнее СК. В настоящее время СК находят применение в основном на крупных районных подстанциях 220 кВ и выше, так как при мощности более 50 Мвар их экономические показатели улучшаются. Максимальное значение реактивной мощности QC.K, отдаваемой в сеть в режиме перевозбуждения, обычно в 1,5—2 раза больше максимальной реактивной мощности, потребляемой им из сети в режиме недовозбуждения.

При автоматическом воздействии на возбудитель СК можно плавно регулировать напряжение в центре питания. Влияние СК на уровень напряжения определяется следующими выражениями в вольтах:
при перевозбуждении СК ΔU — [PR+(Q—Qc. k)Xl]/U',
при недовозбуждении СК ΔU = [PR + (Q + Qc. к) Xl]/U,
где Р и Q—активная и реактивная нагрузка сети, кВт и кВАр; R и X — активное и реактивное сопротивления сети, Ом; U — напряжение сети, кВ; QC K и Q" к — реактивная мощность компенсатора при перевозбуждении и недовозбуждении, кВАр.