3-7. ПОТЕРИ, ОТКЛОНЕНИЯ И КОЛЕБАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ.
При изменении величины и характера нагрузки изменяется и напряжение в сети.
Как известно, зависимость между нагрузкой и напряжениями в сети определяется выражением
(3-23)
где Рн и Qн — активная и реактивная составляющие мощности нагрузки; R и X— активное и индуктивное сопротивления звена сети от шин источника питания до данной точки; Uн — линейное напряжение в данной точке сети; U1 — линейное напряжение на шинах источника питания.
Пренебрегая потерями энергии в сети, можно приближенно представить напряжение на шинах данной подстанции, т. е. в данной точке сети, в виде
(3-24)
Следовательно, при изменениях нагрузки происходят отклонения напряжения от среднего эксплуатационного значения или уровня.
При расчетах сетей применяются следующие определения:
Уровень напряжения в данной точке сети — среднее эксплуатационное напряжение Uур, которое обеспечивает нормальную работу потребителей.
Уровень напряжения определяется в зависимости от характера и особенностей потребителей электроэнергии и их удаленности от источника питания, В частном случае уровень напряжения может быть равен номинальному напряжению.
Отклонение напряжения в данной точке — разность между фактическим напряжением (соответствующим данной нагрузке) и уровнем напряжения
(3-25)
Колебания напряжения в данной точке — часто повторяющиеся и быстро протекающие отклонения напряжения, например, при пуске электродвигателей, при работе электросварочных аппаратов, дуговых печей, прокатных электродвигателей и т. п.
При этом под быстрым изменением напряжения обычно понимают изменение со скоростью более 1% номинального значения в секунду.
Подробно об отклонениях и колебаниях напряжения при резкопеременных и вентильных нагрузках см. § 5-2.
Падение напряжения — алгебраическая разность векторов напряжения в начале и конце рассматриваемого участка или элемента сети, т. е.
(3-26)
Потеря напряжения — алгебраическая разность (модулей векторов) напряжений в начале и конце рассматриваемого участка или элемента сети.
Если фактическое напряжение на выводах электроприемника отклоняется от номинального, то работа этого электроприемника происходит в ухудшенном режиме.
Так, например, при повышениях напряжения возникает опасность перегрева статоров асинхронных двигателей, уменьшается срок службы ламп накаливания, увеличивается ток холостого хода трансформаторов. При понижениях напряжения возможны перегревы роторов асинхронных двигателей, уменьшаются их пусковые и опрокидывающие моменты, что может привести к нарушению нормальной работы электроприводов.
Например, при снижении напряжения на 10% световой поток ламп накаливания снижается примерно на 30%, а при повышении на 10%срок службы ламп сокращается почти в 5 раз. Понижение напряжения на 10% вызывает уменьшение вращающего момента асинхронных двигателей примерно на 19%. При неизменных значениях моментов сопротивления движению рабочих органов машин уменьшение напряжения на выводах электродвигателей приводит к росту тока, что в свою очередь ведет к увеличению потерь в линиях электропередачи и в трансформаторах.
При расчетах сетей уровни напряжения определяются для максимального и минимального режимов нагрузки.
Отклонения напряжения определяются на основе данных о допустимых отклонениях для тех или иных групп электроприемников. Например, отклонение напряжения на выводах электродвигателей, как правило, должно быть не более ±5% номинального; в отдельных случаях допускаются отклонения выше номинального напряжения до +10%.
Сниженье напряжения у наиболее удаленных ламп внутреннего рабочего освещения промышленных предприятий и общественных зданий, а также прожекторных установок наружного освещения должно быть не более 2,5 % номинального напряжения ламп. Снижение напряжения у наиболее удаленных ламп освещения жилых домов, аварийного освещения и наружного освещения допускается не более чем на 5%. Наибольшее напряжение на лампах, как правило, не должно превышать 105% номинального.
Сеть должна быть рассчитана так, чтобы при аварийных режимах, вызванных аварийным отключением какого-либо элемента сети, напряжение на лампах освещения не снижалось более чем на 12% номинального.
Колебания напряжения, вызывая резкие изменения светового потока ламп, утомляют зрение человека и поэтому ограничиваются ПУЭ как по частоте появления, так и по изменению напряжения. ПУЭ установлено, что при резких изменениях напряжения до 1,5% частота появления их не ограничивается. При изменениях напряжения 1,5—4% частота появления таких резко происходящих изменений должна быть не более 10 раз в час, а при изменениях свыше 4% — примерно 1 раз в час.
Колебания напряжения в сети, питающей многодвигательные непрерывные технологические агрегаты (например, непрерывные прокатные станы, бумагоделательные машины и т. п.), усложняют работу автоматических регуляторов скорости и регуляторов натяжения обрабатываемого материала между отдельными механизмами непрерывного агрегата. Эти колебания приводят к необходимости увеличения диапазона регулирования электропривода, что ведет в свою очередь к излишним запасам мощности электродвигателей и питающих их преобразователей. Так, при питании электродвигателей непрерывного прокатного стана от вентильных преобразователей, снабженных быстродействующими регуляторами скорости, приходится увеличивать диапазон регулирования по напряжению дополнительно на 5—7% с тем, чтобы при понижениях или повышениях напряжения в сети регуляторы скорости не выходили из пределов зоны регулирования и могли обеспечить нормальную работу агрегата. При этом ухудшается коэффициент мощности установки.
При определении колебаний напряжения учитывается воздействие на сеть электроприемников с резкими и частыми изменениями («толчками») потребляемой ими активной и реактивной мощности. К таким электроприемникам относятся крупные синхронные двигатели от 1,0—2,0 до 20 МВ·А в единице для преобразовательных агрегатов прокатных станов, создающие толчки примерно 170—200% номинальной мощности с частотой до 10—15 раз в минуту; мощные дуговые электропечи и сварочные агрегаты, создающие толчки до 300—400% номинальной мощности своего трансформатора; регулируемые вентильные преобразователи, создающие резкие изменения потребляемой реактивной мощности при быстром и глубоком регулировании. Выполнение точного расчета изменений напряжения при толчковой нагрузке наталкивается на значительные трудности вследствие отсутствия в расположении проектировщика точных исходных данных о скорости нарастания токов при внезапных изменениях нагрузки технологических агрегатов и о изменяющихся индуктивных сопротивлениях генераторов и электродвигателей при переходных процессах.
Обычно расчет ведется в предположении, что изменения нагрузки происходят значительно медленнее, чем переходные процессы в электродвигателях и генераторах, и поэтому для определения изменений напряжения можно применять выражение (3-24). Значительные трудности на практике представляет собой определение изменения реактивной мощности Q в процессе быстрого изменения нагрузки на валу электродвигателей и при действии автоматических регуляторов возбуждения синхронных двигателей и генераторов, а также в процессе регулирования. Определение графика изменения реактивной мощности Q является одной из наиболее сложных задач при нахождении значения изменения напряжения при толчковой нагрузке. Способы определения графика реактивной мощности зависят от вида электроприемника, характера его работы и характеристик автоматических регуляторов реактивной мощности, от законов изменения реактивной мощности в процессе регулирования для каждой конкретной установки и в настоящей книге не рассматриваются.
Определение потери напряжения производится путем вычисления арифметической разности напряжений в начале и конце участка сети. Практически потеря напряжения в проводе фазы линии представляет собой разность показаний вольтметров, включенных в начале и конце рассматриваемого участка. Обычно представляет интерес работа электроприемников в зависимости от подведенного напряжения, но не от угла сдвига векторов напряжения в начале и конце участка сети. Поэтому, как правило, определяют потерю напряжения, а не падение его. Напряжение в конце участка сети Uн можно представить (рис. 3-16) в виде
Наиболее часто приходится определять напряжение Uн при заданной мощности нагрузки и при известном напряжении U1 в начале участка. При этом мощности Р1 и Q1 отличаются от мощности нагрузки Рн и Qн на значение потерь в данном участке сети:
где
— мощности потерь в сопротивлениях участка сети, которые должны определяться на основании напряжения Uн в конце этого участка сети.
Поскольку Qн заранее точно неизвестно, принимают для подсчета мощности потерь номинальное напряжение сети. Ошибка, получающаяся при этом, почти не заметна.
Таким образом, мощности потерь можно определять по формулам
где U1 — номинальное напряжение сети в начале участка.
Определив
а затем Р1 и Q1, можно найти напряжение Uн в конце участка сети.
Определив потери напряжения при максимальной и минимальной нагрузках, выявив потребителей с толчковой нагрузкой и рассчитав колебания напряжения, создаваемые ими, приступают к решению вопросов регулирования напряжения и к уменьшению влияния толчковой нагрузки на напряжение в сети.
Для уменьшения влияния толчковой нагрузки обычно стараются приблизить эти электроприемники к основным источникам питания, т, е. исключить влияние колебаний напряжения в сети от этих нагрузок на других потребителей. Это достигается выделением питания толчковой нагрузки на индивидуальные линии, подключаемые непосредственно к источникам питания (ГПП, ТЭЦ и др.), минуя цеховые распределительные пункты. При этом в зависимости от мощности электроприемника отдельная линия может подключаться прямо к шинам 6—40 кВ ГПП (ТЭЦ) или через отдельный трансформатор к шинам 110 или 220 кВ ГПП.
В других случаях выделяется питание групп потребителей, не терпящих резких и частых изменений напряжения, например освещения, на отдельные линии прямо к шинам ГПП.
Применяется также и увеличение мощности к. з. на шинах подстанций путем включения трансформаторов на параллельную работу, путем уменьшения реактивности реакторов и линий электропередачи (например, применение продольной емкостной компенсации). Для ограничения пусковых токов крупных электродвигателей, когда эти токи вызывают недопустимые колебания напряжения, применяется пуск двигателей через реакторы или автотрансформаторы.
Применение синхронных двигателей с быстродействующими регуляторами возбуждения в функции напряжения на шинах и с коррекцией по току нагрузки позволяет в значительной мере снизить колебания при изменениях нагрузки.
Для регулирования напряжения в сетях промышленных предприятий находят широкое применение понизительные трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой путем дистанционного управления изменением коэффициента трансформации.
Регулируемые батареи статических конденсаторов на напряжении 6—10 кВ, а также 380 В позволяют поддерживать напряжение на шинах при изменениях
режима нагрузок путем поддержания реактивной мощности установки в определенных пределах.
При решении вопросов регулирования напряжения следует иметь в виду, что энергосистемы применяют встречное регулирование напряжения в пределах от нуля до +5% номинального напряжения на шинах электростанций и опорных подстанций, т. е. повышают напряжение U при росте нагрузки. Этим достигается частичная компенсация потери напряжения в питающих предприятие линиях при росте нагрузки.
Применение более высоких номинальных напряжений питающих и распределительных сетей позволяет, как правило, улучшить режим напряжений у потребителей вследствие уменьшения количества трансформаций, т. е. индуктивного сопротивления сети.
Применение жестких токопроводов на напряжения до 35 кВ также позволяет снизить индуктивность сети за счет меньшего расстояния между проводниками у токопроводов по сравнению с воздушными линиями на то же напряжение. Это позволяет уменьшить изменения напряжения при переменных нагрузках. С точки зрения уменьшения индуктивности сети применение в сетях 6—10 кВ кабелей является наилучшим решением вопроса, так как индуктивность кабелей ничтожна по сравнению с индуктивностью воздушных линий и токопроводов.
При проектировании рассматриваются все возможные варианты регулирования напряжения и окончательное решение принимается на основе технико-экономического сопоставления.
Проблема регулирования напряжения освещена в литературе [3-7, 3-8 и др.].
