ГЛАВА ПЯТАЯ
НЕКОТОРЫЕ ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ И ЗАЩИТА РЕГУЛИРУЕМЫХ ТРАНСФОРМАТОРОВ
15. ВСТРЕЧНОЕ РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ ТРАНСФОРМАТОРАМИ
а) Ступенчатое регулирование по току нагрузки
При эксплуатации электроустановок, как правило, требуется изменять уровни напряжения в соответствии с изменениями нагрузки. В соответствии с Правилами устройства электроустановок при нормальных режимах работы энергосистем на шинах вторичного напряжения подстанций напряжением 35 кВ и выше должно быть обеспечено встречное регулирование напряжения в пределах от 0 до +5% от номинального напряжения сети. Однако в процессе эксплуатации могут потребоваться более широкие пределы встречного регулирования, размеры которых устанавливаются в каждом случае отдельно. Одним из преимуществ регулируемых трансформаторов является возможность выполнения такого встречного регулирования напряжения под нагрузкой при наличии известного запаса в повышающих напряжение ступенях регулирования.
Наличие встречного регулирования существенно улучшает уровни напряжения в отходящих сетях, позволяет снизить расход металла в них и в ряде случаев отказаться от установки дополнительных регулирующих устройств. Поэтому встречное регулирование напряжения является весьма эффективным техническим мероприятием.Повышение напряжения при встречном регулировании может быть выполнено произвольно или в соответствии с ранее установленным графиком нагрузки. На регулируемых трансформаторах, смонтированных на крупных подстанциях, встречное регулирование напряжения может выполнять дежурный оператор, повышая или снижая напряжение в определенные часы графика. Однако при таком регулировании, требующем обслуживающего персонала, могут остаться незамеченными отдельные непродолжительные по времени, но значительные по величине колебания нагрузки. Экономически целесообразно встречное регулирование напряжения осуществлять автоматически при помощи устройства, реагирующего на любые изменения нагрузки. Таким устройством могут быть оборудованы регулируемые и вольтодобавочные трансформаторы, работающие без обслуживающего персонала.
В схемах регулирования напряжения трансформаторов с использованием реле напряжения типа РРН можно дополнительно к постоянству напряжения получить также повышение напряжения. Для этого схема управления должна быть дополнена элементом, контролирующим нагрузку трансформатора так, чтобы при увеличении последней заставить работать реле с новой уставкой, обеспечивающей повышенные уровни напряжения. Схема для встречного регулирования по току нагрузки с помощью серийного реле тока типа ЭТ-522 показана на рис. 52,а. Нормальная уставка реле напряжения устанавливается перемещением движка регулировочного реостата включенного в цепь катушки реле PH. Когда нагрузка возрастет до величины, при которой надо осуществить встречное регулирование напряжения, реле тока сработает и, разомкнув свои нормально закрытые контакты ΡT, вводит дополнительное звено сопротивления R2. При этом общее падение напряжения в цепи катушки реле увеличится и реле сработает на повышение напряжения. В дальнейшем реле будет поддерживать напряжение на этом новом, повышенном уровне. Когда нагрузка снизилась и завышать напряжение не нужно, реле тока отпадает, закорачивает участок сопротивления R2 и переводит реле напряжения на прежний уровень регулировки.
Устройство, показанное на рис. 52, обеспечивает одноступенчатое встречное регулирование напряжения с ростом нагрузки. Ток трогания реле РТ определяется из выражения
где Квр — коэффициент, определяющий начало встречного регулирования по току (Квр=0,7—0,8); Kт — коэффициент трансформации трансформатора тока и Кв=0,85 — коэффициент возврата реле.
Рис. 52. Схема (а) и векторная диаграмма (б) включения реле напряжения для одноступенчатого встречного регулирования напряжения.
PH — реле регулирования напряжения; РТ — реле тока и его контакты в цепи реле напряжения; R1 и R2 — участки регулировочного сопротивления.
Для обеспечения относительно плавного перехода от нормальных уровней напряжения к более высоким можно применить многоступенчатое встречное регулирование. При этом число токовых реле принимается с таким расчетом, чтобы на каждую ступень ’встречного регулирования (или нагрузку, при которой следует перейти на новый уровень напряжения) настраивалось отдельное реле тока.
Рис. 53. График изменения напряжений, мощности и тока регулируемого трансформатора при одноступенчатом встречном регулировании напряжения по току нагрузки.
Метод ступенчатого встречного регулирования отличается простотой и малыми затратами, связанными с установкой дополнительных токовых реле, и поэтому может быть рекомендован для трансформаторов, оборудованных автоматическим управлением процессом переключения. На рис. 53 показаны графики изменения напряжения и нагрузки регулируемого трансформатора при встречном регулировании. Схема управления трансформатора дополнена одним реле тока, что дает возможность, кроме поддержания напряжения на одном неизменном уровне, получить также одноступенчатое встречное регулирование по току нагрузки. Рассмотренные схемы с применением простых реле тока работают надежно и могут найти применение на действующих установках. Недостатком метода встречного регулирования по общему току нагрузки трансформатора является непредвиденное понижение напряжения на шинах при внезапном отключении одной из отходящих линий и снижении общей нагрузки подстанции. В этом случае потребители, оставшиеся в работе, будут получать заниженное напряжение. Устранить указанный недостаток схемы можно, применив соответствующее шунтирование участков регулировочного сопротивления, используя для этой цели блок-контакты масляных выключателей отходящих линий.
б) Компенсаторы падения напряжения
Изменение напряжения на выводах трансформаторов в соответствии с колебаниями нагрузки в некоторой удаленной точке сети (обычно центре нагрузок) может быть выполнено с помощью довольно простого устройства, схема которого представлена на рис. 54. Действие прибора приводит к срабатыванию регулятора и компенсации падения напряжения в линии от места установки регулятора до расчетной точки. Поэтому приборы, схема которых аналогична представленной на рис. 54,а, получили название компенсаторов падения напряжения. Компенсатор состоит из последовательно соединенных активного rк и реактивного хк сопротивлений, включенных во вторичную цепь трансформатора тока и подключенных к измерительному трансформатору напряжения.
Зная коэффициенты трансформации трансформаторов тока пт и напряжения пн, можно так подобрать величины активного и реактивного сопротивлений компенсатора, чтобы в соответствующем масштабе заменить ими полное сопротивление линии от места установки регулятора до рассматриваемой точки:
», где rл и xл — активное и реактивное сопротивления участка линии от места установки регулятора напряжения до центра нагрузки.
Ток нагрузки, проходя по регулируемым сопротивлениям компенсатора, создает падение напряжения, которое и учитывается основным реле напряжения. В зависимости от способа включения элементов компенсатора
к контрольно-измерительному органу реле напряжения будет подведена сумма или разность измененного напряжения линии и падения напряжения на элементах компенсатора. В результате все устройство будет по-разному реагировать на увеличение нагрузки, снижая или, наоборот, повышая выходное напряжение регулятора.
Рис. 54. Схема включения элементов компенсатора линейного падения (а) и векторные диаграммы (б, в).
Для того чтобы правильно применять компенсатор в различных условиях, которые могут иметь место на практике, рассмотрим его работу при двух способах включения регулируемых элементов —согласном и встречном. Схема согласного включения показана на рис. 54,а. При этом оба элемента компенсатора соединяются последовательно так, что вторичный ток линии Iл проходит по ним в одном направлении и складывается с током компенсатора Iк.
Падения напряжения в элементах компенсатора уравновешиваются э. д. с. трансформатора напряжения Ет.
Из векторной диаграммы рис. 54,б следует, что при постоянном значении Еm и правильном подборе параметров компенсатора увеличение тока Iл приведет к снижению напряжения, подводимого к реле Uр. При этом реле срабатывает на повышение и поднимет уровень напряжения на вторичной стороне трансформатора. Таким образом, при согласном включении элементов компенсатора он работает с «возрастающей» характеристикой, обеспечивая повышение напряжения трансформатора с увеличением внешней нагрузки.
Рассматривая схему рис. 54,а с измененной полярностью реактивного элемента компенсатора (показано пунктиром), можно заметить, что знак падения напряжения на этом элементе изменился на обратный (схема реверсированного реактанса компенсации). При этом возрастание тока нагрузки вызовет соответственное увеличение напряжения UР, прикладываемого к реле, и оно сработает на снижение напряжения (векторная диаграмма рис. 54,в). Регулятор при этом будет работать по «спадающей» характеристике, воспринимая рост нагрузки как повышение напряжения. Это свойство реверсированного реактанса компенсатора, как будет показано ниже, широко используется при параллельной работе регулируемых трансформаторов для снижения выходного напряжения при возрастании уравнительного тока, возникающего между ними.
Как видно из рис. 54, компенсатор падения напряжения состоит из трансформатора тока и двух сопротивлений, настраиваемых в соответствии с требованиями регулирования напряжения. Изменяя соотношения между активным и реактивным сопротивлениями, можно добиться поддержания одинаковых уровней напряжения с учетом изменения состава нагрузки.
Необходимый выбор уставок компенсатора обычно производится с учетом реального максимума нагрузок сети. Учитывая, что при сезонных колебаниях нагрузки, а также за счет развития распределительных сетей ее максимум может изменяться, приходится периодически 1—2 раза в год корректировать уставку компенсатора падения напряжения в процессе эксплуатации.
в) Компенсация падения напряжения по сумме нагрузок
В часы наибольших нагрузок особенно целесообразно встречное регулирование напряжения с учетом изменения нагрузок отдельных отходящих линий или потребителей. Измерительный элемент регулятора напряжения при этом должен содержать схему компенсации напряжения, реагирующую на нагрузку тех отходящих линий, потребители которых предъявляют более жесткие требования к качеству напряжения.
Рис. 55. Принципиальная схема измерительного органа для регулирования напряжения трансформатора под нагрузкой,
Заслуживает рассмотрения регулятор напряжения, измерительный элемент которого содержит устройство суммирования нагрузок отдельных линий и схему компенсации напряжения по этим нагрузкам. Схема измерительного элемента такого регулятора показана на рис. 55. Напряжение регулируемой цепи от трансформатора напряжения подается на изолирующий трансформатор 1, с которого оно через установочный реостат и устройство компенсации напряжения 3 подается на выпрямительный мост 4. Промежуточный трансформатор компенсирующего устройства имеет несколько первичных обмоток (по числу суммируемых нагрузок) и одну вторичную обмотку, включенную на переменное активное сопротивление. Напряжение сети через стабилизирующее устройство 2 в качестве эталонной величины подается на второй выпрямительный мост 5; выпрямленное напряжение после фильтров C1 и С2 сравнивается на сопротивлении 6. Если регулируемое напряжение равно эталонному, то ток через сопротивление 6 не протекает; в противном случае в контуре течет ток, направление которого зависит от знака разности напряжений. Схема компенсации падения напряжения воспринимает увеличение нагрузки регулятора как снижение напряжения и вызывает подъем напряжения на шинах (регулятор работает по возрастающей характеристике).
Появление разности напряжения на сопротивлении 6 и знак этого падения напряжения отмечаются элементом усиления, который состоит из двух частей: повышения напряжения (триоды и Т2) и понижения напряжения (Т3 и Т4).
Если на сопротивлении 6 разность напряжения отсутствует, триод Ί1 остается открытым через сопротивление R'2, а триод Т2 закрыт. При этом исполнительное реле напряжения находится в уравновешенном положении. При изменении напряжения на входе на базу Τ1 поступает плюс напряжения и этот триод начинает запираться; одновременно увеличивается ток через триод Т2, который отпирается. При полном отпирании триода Т2 притягивается реле Р' и включается элемент выдержки времени, который состоит из конденсатора, неоновой лампы и сопротивления. Дальнейшее действие схемы происходит по известному принципу.
При понижении напряжения на входе регулятора аналогично срабатывают триоды Т3 и Т4.
Преимуществом этой схемы является стабильность зоны нечувствительности, что обеспечивает высокое качество регулирования напряжения. Постоянство поддержания регулируемого напряжения с изменением температуры окружающего воздуха задается специальным установочным устройством, однако при значительных колебаниях температуры может потребоваться также температурная компенсация.
Рассматриваемая схема регулятора может быть применена и для параллельной работы нескольких трансформаторов. При этом, как и в релейных схемах, импульс на переключение подается регулятором одновременно, а повторное срабатывание разрешается только при завершении всеми переключателями цикла переключения. Для этого предусматривается последовательное включение блок-контактов приводов всех трансформаторов с катушками реле Р' и Р" во избежание подачи повторного импульса на переключение отдельного трансформатора.
Схема подобного регулятора напряжения может найти применение на трансформаторах, не оборудованных аппаратурой автоматического регулирования напряжения под нагрузкой.
г) Встречное регулирование напряжения по двум параметрам
При встречном регулировании напряжения на выводах трансформаторов нередко приходится считаться с требованием контроля верхних уровней напряжения в тех точках сети, где подключены потребители с графиками нагрузки, отличающимися от общих графиков нагрузки питающей подстанции. В этих случаях, а также при регулировании на трехобмоточных трансформаторах, когда встречное регулирование на стороне низшего напряжения может вызвать нежелательные повышения напряжения на стороне среднего напряжения, приходится прибегать к ограничению верхних уровней напряжения в процессе эксплуатации трансформаторов. Такое регулирование с контролем уровней напряжения в двух точках (или регулирование по двум параметрам) может выполняться с помощью автоматического устройства типа УАРТН, предназначенного для регулируемых под нагрузкой трансформаторов независимо от их мощности (разработано на кафедре релейной защиты и автоматики МЭИ). Устройство выполнено на бесконтактных элементах и имеет только два выходных электромеханических реле, включенных в цепи управления приводным электродвигателем (для работы механизма в сторону «выше» или «ниже»).
Рис. 56. Структурная схема бесконтактного устройства для автоматического регулирования напряжения трансформатора.
1 — элементы токовой компенсации; 2 — датчики отклонений; 3 — промежуточные усилители; 4 — элемент выдержки времени; 5 и 6 —выходные реле схемы управления, действующие на подъем и снижение напряжения трансформатора; TH — измерительный трансформатор напряжения; ТТ — то же тока; РПН — трансформатор с регулированием напряжения под нагрузкой.
Наличие двух измерительных органов, работающих по принципу токовой компенсации, позволяет, кроме основного регулирования напряжения, осуществлять также запрет на повышение напряжения в какой-либо контрольной точке сети. Схемой УАРТН (рис. 56) разрешается повышение напряжения трансформатора лишь в том случае, если оба измерительных органа подают сигнал «выше», воспринимаемый исполнительным механизмом переключателя. Снижение напряжения трансформатора может осуществляться по команде любого измерительного органа независимо друг от друга. Таким образом, логическая схема автоматического устройства содержит два элемента — И и ИЛИ, которые могут использоваться в зависимости от назначения регулятора.
В тех случаях, когда ограничивать уровни напряжения по верхнему пределу не требуется, оба измерительных органа включаются параллельно и настраиваются на одинаковые величины срабатывания.
Использование для встречного регулирования напряжения устройств, подобных УАРТН, позволяет учитывать требования отдельных потребителей и в ряде случаев позволит отказаться от установки для этих потребителей индивидуальных регулирующих устройств, что даст известные экономические преимущества.
