13. ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ РЕГУЛИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВ НА ПОКАЗАТЕЛИ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ
а) Число ступеней регулирования
Регулирующая способность трансформаторов с переключением ответвлений под нагрузкой зависит от количества ступеней регулирования. Различают конструкции регуляторов с одноступенчатым, двухступенчатым и многоступенчатым регулированием напряжения. При одно- или двухступенчатом регулировании режимы напряжения, создаваемые регуляторами, будут соответствовать требованиям нагрузки лишь незначительную часть времени. Такое регулирование применяется на малых трансформаторах с достаточно простым и недорогим переключающим устройством, например контакторного типа. Установки одноступенчатого или двухступенчатого типа могут быть оправданы в тех случаях, когда отклонения напряжения у потребителей выходят за пределы норм в каком-либо одном режиме нагрузок и когда выбором ответвлений нерегулируемых трансформаторов нельзя создать удовлетворительных режимов напряжения. В этих случаях за счет переключения под нагрузкой можно улучшить режимы напряжения в сети. Следует, однако, иметь в виду, что такой способ регулирования не всегда достигает цели, поэтому область применения одноступенчатых регуляторов весьма ограничена. Более положительные результаты могут быть достигнуты в случае применения одноступенчатых регуляторов в трансформаторах с дополнительными нерегулируемыми под нагрузкой ответвлениями в пределах, например, ±2,5%. При соответствующих сочетаниях регулируемой и нерегулируемой надбавок напряжения такие регуляторы могут вполне заменить двухступенчатые. Возможности применения двухступенчатых регулируемых трансформаторов ограничены вследствие резкого удорожания переключающего устройства по сравнению с одноступенчатым и относительно низкого регулирующего эффекта, получаемого при этом.
Многоступенчатое регулирование напряжения позволяет почти во всех случаях обеспечить уровни напряжения, отвечающие требованиям потребителей, и поэтому оно является наиболее эффективным. Имея достаточное количество ступеней регулирования, можно легче, чем в предыдущих случаях, обеспечить необходимые уровни напряжения в сети. Естественно, что при более мелких ступенях регулирования напряжение на выходе регулятора будет наиболее полно отвечать графику изменения нагрузок.
Так как изменения напряжения в сетях, не имеющих регулирования, в нормальных условиях не выходят за пределы 10—15%, то в общем случае для многоступенчатых регуляторов напряжения достаточными будут пределы до 20% (учитывая покрытие потерь напряжения в самом устройстве). Размеры и количество ступеней регулирования отдельно для повышения и снижения напряжения при этом могут быть различными. Так, симметричные пределы регулирования в пределах ±10% с одинаковым количеством повышающих и. понижающих ступеней регулирования будут применимы в сетях с большими положительными отклонениями напряжения. Очевидно, более выгодными для использования в существующих распределительных сетях будут несимметричные пределы с большим количеством ступеней регулирования, повышающих напряжение (так как в этих сетях преобладают отрицательные отклонения напряжения).
Повышение эффективности многоступенчатого регулирования напряжения может быть получено устройством дополнительных нерегулируемых под нагрузкой ответвлений. Выбор этих ответвлений в зависимости от удаленности места включения трансформатора обеспечивает получение напряжения, более близкого к номинальному, и дает возможность использовать регулировочное устройство в основном для компенсации изменений напряжения, вызванных колебаниями нагрузки.
б) Использование пределов регулирования трансформаторов
В зависимости от существующих уровней напряжения в сети, колебаний нагрузки и роста числа новых потребителей имеющиеся пределы регулирования будут использоваться по-разному. При этом, как указывалось выше, за счет регулировочных пределов будут не только компенсироваться изменения, вызванные нагрузкой, но и компенсироваться потери напряжения в протяженных питающих сетях. В этих случаях при наличии симметричных пределов регулирования часть ответвлений, снижающих напряжение, будет использована неполностью. На рис. 47 приведены графики использования регулировочных ответвлений трех трансформаторов типа ТМН одинаковой мощности, установленных на различных подстанциях. Несмотря на различный характер нагрузки самих трансформаторов, общим для них являются значительные потери напряжения в питающих сетях и отсутствие регулирования напряжения в центре питания. Для компенсации напряжения в отходящих распределительных сетях трансформаторами поддерживается завышенное против номинального вторичное напряжение (на уровне 10,3—10,5 кВ), поэтому характерным для всех трансформаторов является несимметричное использование имеющихся пределов регулирования. Из рис. 47 видно, что для поддержания заданных уровней напряжения использовались в основном повышающие напряжение ответвления регулирования. К тому же из полного периода работы на крайних повышающих ответвлениях (—10%) около 10% времени имеющиеся пределы регулирования не обеспечивали требуемых уровней вторичного напряжения.
Рис. 47. График, характеризующий использование пределов регулирования трансформаторов типа ТМН [при автоматической работе от реле напряжения. По вертикальной оси — время использования ответвлений регулируемых трансформаторов в процентах от полного периода наблюдений.
1 — для подстанции со смешанной нагрузкой и числом часов наблюдений 3,5 тыс.; 2 — для проходной подстанции со смешанной нагрузкой и числом часов наблюдений 5,0 тыс.; 3 — для тупиковой сельскохозяйственной подстанции и 3,0 тыс. часов наблюдений.
Отсюда можно заключить, что при отсутствии дополнительных нерегулируемых ответвлений, у трансформаторов (устанавливаемых для компенсации потерь напряжения в питающих сетях) следует иметь несимметричные пределы регулирования с большим количеством ступеней, повышающих напряжение, например от —12,5 до +7,5%. В отдельных случаях могут быть оправданы также пределы от —15 до +5%. При наличии запаса в повышающих напряжение ступенях последние следует использовать для встречного регулирования напряжения на подстанциях, питающих распределительные сети. Повышение напряжения за счет этих ступеней в часы максимальных нагрузок поможет улучшить качество напряжения и снизить затраты на дополнительное регулирование,
в) Влияние величины ступени на показатели регулирования напряжения
При работе регулируемых трансформаторов в любых точках подключенной к ним сети и у токоприемников будут иметь место скачкообразные колебания напряжения, обусловленные ступенчатостью регулирования. Так как в общем случае при переключениях напряжение будет изменяться на величину ступени регулирования, то эти колебания будут тем заметнее, чем больше величина ступени. Соответственно будет изменяться и качество напряжения; при больших ступенях ухудшается работа таких распространенных потребителей электроэнергии, как ламп накаливания, телевизоров, радиоприемников, киноаппаратуры и др.
Кроме того, в промежутки времени между двумя срабатываниями имеет место плавное изменение напряжения в некоторых пределах, определяемых зоной нечувствительности регулирующего устройства. Так как эта величина зависит от ступени регулирования (она всегда больше ступени), то при больших ступенях действительные уровни напряжения в сетях могут существенно отличаться от расчетных. Последнее затрудняет сохранение отклонений напряжения у потребителей в пределах норм, а также снижает размер располагаемой потери напряжения в отходящих сетях. Как было показано выше, допустимые потери в сетях с учетом ступенчатости регулирования должны быть снижены на величину 
. Это повлечет увеличение стоимости сооружения сетей за счет применения более тяжелых проводов или установки дополнительных регулирующих устройств в отдельных точках сети.
Изменение величины ступени регулирования повлияет также на стоимость самого регулирующего устройства. Известно, что изготовление большого числа типоразмеров регулирующего оборудования сопряжено со значительными производственными затратами. С другой стороны, увеличение типов и мощностей переключающих устройств существенно облегчает экономичную эксплуатацию сетей, так как для большего количества случаев можно применить оптимальные конструкции этих устройств. Напротив, применение только одного вида переключающего оборудования резко сократит число возможных случаев его использования.
Существующие конструкции отечественных регуляторов трансформаторного типа изготовляются с одинаковым количеством повышающих и понижающих ступеней регулирования размером в 2; 2,5 и 5%. При этом одно и то же оборудование переключения нередко принимается для широкого диапазона мощностей, что влияет на стоимость трансформаторов, так как для части типоразмеров оно оказывается выбранным с запасом. Отметим, что регулируемые трансформаторы зарубежного производства имеют самые разнообразные количества и величины ступеней регулирования и для них применяют различную вспомогательную аппаратуру, позволяющую получать любые сочетания пределов регулирования. Ниже в качестве примера приведены возможные размеры ступеней регулирования и их количество, принятые для трансформаторов бельгийского производства:
Следует заметить, что изготовление очень большого числа типоразмеров трансформаторных регуляторов с самыми разнообразными характеристиками в зарубежных условиях является следствием конкуренции между отдельными фирмами и не всегда подчинено требованиям эксплуатации. К тому же выбор отдельных параметров регулирования напряжения трансформаторов в ряде случаев принимается без достаточного обоснования.
Как было показано, изменение величины ступени регулирования влияет не только на качественные, но и на экономические показатели регулирования напряжения. Поэтому выбор ступени регулирования производится с учетом многих факторов и в первую очередь двух основных зависимостей: 1) характеризующих затраты на сооружение сети при использовании регулятора данного типа и 2) характеризующих стоимость изготовления данного регулирующего устройства.
Рис. 48. Зависимость среднего значения удельных затрат на дополнительное регулирование напряжения в сетях от величины зоны нечувствительности (1) и зависимость затрат на изготовление трансформаторов от ступени регулирования (2).
δ% — погрешность регулирующего устройства.
На рис. 48 показано изменение среднего значения дополнительных затрат для воздушных линий напряжением 6—10 кВ (кривая 1) в зависимости от зоны нечувствительности регулятора, установленного в точке питания этих линий. Сумма затрат для каждого значения зоны нечувствительности складывается из стоимости дополнительного регулирования напряжения в тех точках сети, где отклонения напряжения у потребителей превышают нормы вследствие колебаний напряжения, обусловленных зоной нечувствительности. Характер приведенной кривой указывает на резкое ухудшение качества напряжения, вызывающее соответственное увеличение затрат на дополнительное регулирование при увеличении зоны нечувствительности питающего регулятора свыше 2—3%. При зонах 5—5,5% регулирующий эффект устройства сводится на нет, так как практически для всех потребителей сети требуется дополнительное регулирование, корректирующее колебания при такой низкой точности регулирования в начале сети.
Кривая 1 на рис. 48 не дает еще возможности полностью оценить эффективность уменьшения пределов (или ступени) регулирования, так как она характеризует только использование данного типа регулирующего устройства. Для учета изменения стоимости самого устройства необходимо построить зависимости удорожания устройства с различными ступенями регулирования. В качестве примера на рис. 48 приведена такая зависимость (кривая 2), построенная для трансформаторов типа ТМН мощностью 1 000 кВА. Удорожание регулирующего устройства по отношению к стоимости трансформатора без регулирования напряжения может быть определено из выражения
При построении рассматриваемой зависимости стоимость устройства для нулевой ступени регулирования может быть выбрана по аналогии с регуляторами с плавным регулированием, что является приближенным, однако на точность последующих построений не влияет.
Имея зависимость, определяющую изменение стоимости устройства при его изготовлении (кривая 2), и зависимость, характеризующую эффективность его использования (кривая 1), можно, одновременно учитывая изменение обеих этих величин, оценить технико-экономическую эффективность регулирующих устройств. Суммируя значения ординат указанных кривых, можно получить изменение суммарных затрат при использовании регулирующего устройства с различными зонами нечувствительности или, учитывая погрешность реле δ%, — с различными ступенями регулирования. Итоговые кривые суммарных затрат для погрешностей реле до 2% приведены на рис. 49. Пользование кривыми рис. 49 облегчает выбор оптимальных значений ступеней регулирования в зависимости от требуемой точности регулирования. Так, для погрешностей реле 0—1,5% получим ступени регулирования размером от 1,25 до 0,75%.
Рис. 49. Изменение суммарных затрат при установке регулируемых трансформаторов (мощностью 1 000 кВА) с различными зонами нечувствительности.
а, б, в, г — зона оптимальных ступеней для различных погрешностей реле δ%; Дн% — зона нечувствительности регулирующего устройства.
Попутно отметим, что при регулировании напряжения более мелкими ступенями можно не только улучшить качество напряжения, но и в значительной мере облегчить условия коммутации контактов и, следовательно, снизить их износ.
Кривые рис. 49 позволяют также решить обратную задачу, т. е. при заданной величине ступени регулирования так подобрать погрешность измерительного органа, чтобы получить оптимальное значение зоны нечувствительности, обеспечивающее наилучшие режимы напряжения в сетях.
