Качество электроэнергии на промышленных предприятиях - Рациональное решение схем электроснабжения

В гл. 2 было показано, что колебания напряжения прямо пропорциональны сопротивлению сети, т. е. обратно пропорциональны мощности КЗ, в точке присоединения резкопеременной нагрузки. Отсюда вытекает целесообразность такого схемного решения, когда агрегаты, обусловливающие колебания напряжения, подключаются в месте, где мощность КЗ имеет большие значения. Мощность КЗ можно повысить: увеличением единичных мощностей силовых трансформаторов, параллельным включением трансформаторов или их расщепленных обмоток.
Таблица 22

Повышение значения мощности КЗ на шинах 6—10 кВ подстанции вызывает необходимость применения усиленного коммутационного оборудования. Для этой цели используют серийно выпускаемые комплектные распределительные устройства (КРУ) КР- 10/500 с масляным выключателем серии ВМПЭ, а также КЭ-10/31 с электромагнитными выключателями ВЭ-10 с амплитудным значением предельно отключаемого тока 31,5 кА (500 MB* А). Такие выключатели 10 кВ устанавливают для трансформаторов мощностью ДО 40 MB * А без расщепления обмоток (или с параллельным включением расщепленных обмоток) и до 80 MB-А с расщепленными обмотками.

Для больших мощностей трансформаторов могут применяться комплектные распределительные устройства КР10-Д10 с амплитудным значением предельно отключаемого тока 58 кА (1000 MB * А) в сочетании с реактированными линиями. КРУ
этого типа состоят из шкафов с выключателями, с разъемными контактными соединениями (разъединителями), трансформаторами напряжения, разрядниками и шинных кожухов (токопроводов) в пределах здания распределительного устройства. Токоограничивающие реакторы устанавливают в строительных камерах вне КРУ. Предельные мощности КЗ за трансформаторами разных мощностей на напряжение 6—10 кВ приведены в табл. 22, а в сетях 35—220 кВ по условиям разрывной мощности коммутационной аппаратуры в табл. 23. Для ориентировочных оценок при проектировании в этих же таблицах даны предельные значения мощности резкопеременной нагрузки, подключение которой не вызывает недопустимых колебаний напряжения. Эти величины получены из условия, что максимально допустимое значение колебания напряжения при частоте 10 Гц составляет 1%.

Таблица 23

Для схемы с параллельной работой трансформаторов перспективным является применение бесконтактных коммутирующих и токоограничивающих аппаратов (БКТА), описанных в работе [7]. Благодаря БКТА можно достичь в нормальном режиме мощности КЗ на шинах 6—-10 кВ до 1000 MB * А и на шинах 0,4 кВ — до 100 MB * А. При этом можно использовать коммутационное оборудование с амплитудными значениями предельно отключаемых токов, рассчитанными из условия раздельной работы трансформаторов. Для шиносоединительных аппаратов БКТА разработаны в виде реакторно-тиристорного устройства, имеющего в нормальных условиях независящее от частоты и практически равное нулю сопротивление. Эти устройства совмещают функции быстродействующего выключателя и регулятора тока. На рис. 34 показана одна фаза БКТА, объединяющего на параллельную работу четыре секции (1—4) сборных шин 6—10 кВ. В нормальном режиме в контуре реактор—выпрямитель—диод появляется постоянный ток, значение которого должно быть больше расчетной амплитуды переменного тока в любом из присоединений БКТА. Тогда диод Д будет непрерывно находиться в проводящем состоянии, закорачивая аноды и катоды тиристорных групп на присоединениях. При подаче на эти тиристоры импульсов управления одноименные фазы линии связи секций соединяются в звезду и резко уменьшается эквивалентное сопротивление цепи питания. При КЗ на одном из присоединений, например, на секции 1, под влиянием резко возросшего напряжения на БКТА часть тиристоров запирается и между аварийной и неповрежденными секциями включается реактор Р, ограничивающий ударную полуволну тока КЗ от неповрежденных секций. Благодаря быстрой блокировке импульсов управления на тиристорах, присоединенных к поврежденной секции, ток подпитки КЗ прекращается за время порядка 0,01 с. На неповрежденных секциях при этом нет понижения напряжения. Повторное включение с восстановлением параллельной работы всех секций осуществляется БКТА немедленно после отключения аварийного присоединения.
1 —4 — параллельная работа четырех секций; Р — трехфазный реактор; а — маломощный выпрямитель; Д — цепь реактор — выпрямитель, зашунтированный диодом

Рис. 34. Принципиальная схема БКТА на пять присоединений:
В настоящее время выполнены все необходимые исследования для расчета параметров силовых элементов БКТА, их систем управления, защиты и контроля. Проведены иепытания макета БКТА на напряжение 6 кВ. Минэлектротехпрому выданы технические требования к БКТА на напряжение 6—10 кВ с номинальной проходной мощностью 5—15 MB * А и на напряжение 0,4 кВ с проходной мощностью до 2МВ * А. Удельная стоимость БКТА напряжением 10 кВ составит 5 руб./(кВ * А).
Выделение резкопеременной нагрузки на отдельный питающий трансформатор позволяет вынести общую точку подключения резкопеременной и прочей нагрузок на шины 35—220 кВ с большей величиной мощности КЗ.

Рис. 35. Схема электроснабжения ДСП от отдельных трансформаторов (а) и от силового трансформатора с расщепленными обмотками (б)

Пример такого схемного решения показан на рис. 35, а. Рассмотрим возможность использования трехобмоточных трансформаторов 150/35/6 кВ, где резкопеременная нагрузка (ДСП) питается от шин 35 кВ, а спокойная нагрузка—6 кВ. В этой схеме общей точкой подключения резкопеременной 35 кВ и другой нагрузкой является точка К, отмеченная на схеме замещения (рис. 36). Обычно напряжение КЗ трехобмоточных трансформаторов имеет следующие значения: UK. 3 вн—сн = 10,5%, UK. з вн—нн= 17%,

Рис. 36. Схема замещения трехобмоточного трансформатора
UK- зСН—нн = 6% .
Мощность КЗ в точке К для возможных значений UK определяется индуктивным сопротивлением обмоток В.Н. трансформатора, равным 10,5%. Предельная мощность резкопеременной нагрузки, которую можно подключить на стороне 35 кВ трансформатора, по условиям соблюдения колебания напряжения на шинах 6—10 кВ в пределах нормы, относительно невелика. Поэтому этот вариант схемы не является предпочтительным по отношению к схеме с выделением резкопеременной нагрузки на отдельные трансформаторы [36].
«Развязка» резкопеременной и спокойной нагрузок может быть достигнута также с помощью силовых автотрансформаторов, рис. 37. Здесь «общая точка» выносится в место вывода обмотки среднего напряжения 110 кВ с большой величиной мощности КЗ. Для электроснабжения спокойной нагрузки в схеме на рис. 37

Рис 37 Схема электроснабжения резкопеременной (ДСП) нагрузки от автотрансформаторов
используют трансформаторы 110/6 кВ. Такая схема реализована на одном из машиностроительных заводов Украины.
Применение сдвоенных реакторов. Значение колебаний напряжения на шинах, подключенных к одной ветви реактора при работе резкопеременной нагрузки, подключенной к другой ветви, определяется выражением
(50)
где— коэффициент загрузки силового трансформатора; /пик—толчок тока; /ном. р — номинальный ток ветви реактора; Ксв — коэффициент связи; Хв.р — сопротивление ветви реактора, %.
Выражая в формуле (50) /пик через мощность и сопротивление ветви реактора в Ом, после преобразования получим мощность резкопеременной нагрузки, которую можно подключить к одно» ветви реактора, при условии соблюдения на выводах другой ветви нормируемого значения напряжения:

Рис. 38. Схема питания ДСП от сдвоенного реактора

где Хв — сопротивление ветви реактора, Ом.
На рис. 38 показана схема питания ДСП с использованием! сдвоенного реактора.
Применение силовых трансформаторов с расщепленными обмотками. Изменение тока в одной ветви обмотки незначительно влияет на изменение напряжения на выводах другой ветви обмотки, благодаря слабой магнитной связи между ветвями (коэффициент расщепления КР = 3,5). Остаточное напряжение на зажимах одной ветви обмотки при резкопеременной нагрузке в другой ветви можно определить спомощью выражения (47). Подставляя в это выражениеи бета2мин = 0, получим максимальную
и минимальную величину иг. Тогда колебания напряжения, в процентах на шинах без резкопеременной нагрузки
(51)
откуда
1— нагрузка тиристорных электроприводов или ДСП; 2 — управляемые реакторы; 3 — тиристоры; 4— фильтры высших гармонических токов; 5 — конденсаторная батарея поперечной компенсации; 6 — трансформаторы тока; 7 — трансформаторы напряжения; 8 — система фазоимпульсного управления тиристорами


Рис. 39. Принципиальная схема статического источника реактивной мощности:
Толчки нагрузки, вызывающие наибольшие колебания напряжения, характеризуются низким коэффициентом мощности, т. е. можно принять sin ф2 = 1. Подставляя в выражение (51) sin <р2 » й 1 И Uк. з == 10,5, получим. «Sрн == 0,8 5V<Sном. гр»
Схема применения трансформатора с расщепленными обмотками для питания резкопеременной нагрузки показана на рис. 35, б.
Если мощность резкопеременной нагрузки недостаточна для оптимальной загрузки ветви обмотки трансформатора, то можно применить схему, где последовательно с расщепленной ветвью обмотки подключается сдвоенный реактор.