Устройство сетей электроснабжения напряжениемдо 35кВ (стр. 8 )

Uном, кВ	Потери, %	Uном, кВ	Потери, %
750 500 330 220 110 0,4 – 35	1 9 7 16 28 32	Потери на корону Потери в остальных элементах СЭС Собственныенужды	2 3 2

Все мероприятия по снижению потерь электрической энергии делятся на три группы:

• организационные - по совершенствованию эксплуатации оборудования электрических сетей и оптимизации их схем и режимов;

• технические – пo реконструкции, модернизации и строительству сетей;

• мероприятия по совершенствованию учета электрической энергии, которые могут быть как практически беззатратными, так и требующими дополнительных затрат. Эти мероприятия нe снижают существующих потерь электроэнергии, однако они упорядочивают учет, уточняют исходную информацию и в ряде случаев снижают коммерческие потери.

Организационными мероприятиями являются:

• оптимизация режимов по напряжению и реактивной мощности;

• оптимизация мест размыкания сетей 6...35 кB;

• перевод генераторов электростанций в режим СК при недостатке реактивной мощности в ЭЭС;

• отключение трансформаторов в режимах малых нагрузок;

• выравнивание нагрузок фаз в электрических сетях 0,38 кB и др.

Технические мероприятия включают в себя:

• установку компенсирующих устройств;

• замену проводов на провода с большим сечением;

• замену перегруженных и недогруженных трансформаторов;

• установку трансформаторов с РПН, ЛP, ВДТ, шунтирующих реакторов и т. п.;

• установку устройств регулирования потоков мощности в неоднородных замкнутых сетях высокого и сверхвысокого напряжения;

• перевод сетей на более высокое номинальное напряжение и др.;

• замена проводов, исключающих несанкционированные подключения.

Существенного снижения потерь мощности в сети с преобладанием двигательной асинхронной нагрузки можно достичь увеличением напряжения или компенсацией реактивной мощности.

Регулирование напряжения условно можно разделить на централизованное и местное. Централизованное регулирование осуществляется на шинах станций и охватывает, как правило, всю электрическую сеть. Однако при этом следует контролировать два момента: увеличение потерь на корону в сетях 330 – 750 кВ из-за повышения напряжения на проводах и недопустимое увеличение напряжения у потребителей.

Первое обстоятельство может свести на нет эффект от снижения потерь мощности на рассматриваемом элементе, второе – не позволит централизовано повысить напряжение из-за недопустимого повышения напряжения у потребителей и на трансформаторах, находящихся вблизи станции.

Местное регулирование напряжение является более гибким мероприятием, так как приводит к повышению напряжения только на части сети, практически не затрагивая остальную сеть. Следует однако отметить, что повышение напряжения в сети с местным регулированием напряжения уменьшает потери мощности и в остальной сети за счет снижения потерь мощности в сети первой.

Местное регулирование напряжения в свою очередь можно разделить на регулирование в распределительной сети 35 – 220 кВ и регулирование в местной сети 0,4 – 10 кВ. Используя регулирование напряжения, можно снизить потери мощности до 10 – 20%.

Необходимость компенсации реактивной мощности вытекает из следующего:

• возникающие потери активной мощности и потери напряжения, вызванные передачей реактивной мощности, увеличивают капитальные затраты в энергосистеме;

• реактивная мощность излишне загружает все элементы электрической сети, поскольку они выбираются по полной мощности;

• загрузка сети реактивной мощностью уменьшает пропускную способность линий и трансформаторов по мощности и току.

Эффект от компенсации реактивной мощности особенно проявляется принизкихcosφ. При угле между напряжением и током в 45 градусов от полной компенсации реактивной мощности потери мощности снижаются в два раза. При cosφ, равном 0,8 полная компенсация реактивной мощности снижает потери в 1,43 раза. Поэтому компенсация реактивной мощности является очень эффективным способом снижения потерь мощности и соответственно энергии.

Нагрузочные потери и потери холостого хода в трансформаторах сопоставимы между собой. При полной загрузке или их перегрузке нагрузочные потери больше потерь холостого хода, и наоборот, в режимах недогрузки потери холостого хода превышают потери в обмотках трансформатора. В последнем случае имеет смысл отключать часть параллельно работающих трансформаторов.

Замена проводов выполняется на перегруженных линиях в распределительных электрических сетях 0,38кB. Основная цель – снижение потерь напряжения и повышение пропускной способности линий. Мероприятие осуществляется на линиях с большим сроком эксплуатации, на которых провода уже подверглись значительному износу. Потери мощности уменьшаются пропорционально изменению сопротивления.

Перевод ВЛ на более высокую ступень номинального напряжения является одним из самых эффективных, но и самых дорогостоящих мероприятий. Применяется способ в основном для повышения пропускной способности электрической сети, когда нагрузка линии достигла предельных для существующего напряжения значений. Снижение потерь электроэнергии здесь является сопутствующим эффектом.

Допустимые перегрузки линий электропередачи

Допустимые перегрузки ВЛ, как правило, определяют на стадии проектирования, с учетом того, что:

1. коэффициент запаса ВЛ по току (активной мощности) должен составлять не менее 20 %:

2. коэффициент запаса по напряжению ВЛ должен быть не менее 15%.

3. суммарная нагрузка любого элемента ВЛ не должна превышать допустимых значений (с учетом разрешенных перегрузок);

4. коэффициент запаса по току (активной мощности) в любом из установившихся послеаварийных режимов, возникших в результате нормативных возмущений, должен быть не менее 8

5. в каждом из нормативных послеаварийных режимов коэффициент запаса по напряжению должен быть не менее 10%.

6. зависимость значений перегрузки в исходном режиме от наименьшего напряжения в установившемся послеаварийном режиме строится на основе численного моделирования нормативных возмущений и действия ПА при различных исходных значениях мощности;

7. Нагрузка любого элемента ВЛ в любом нормативном послеаварийном режиме не должна превышать значений, допустимых в течение 20 мин.

Не все перечисленные ограничения являются определяющими. В частности, токовые перегрузки на ВЛ возникают исключительно редко, так как из-за протяженности ВЛ условия обеспечения статической устойчивости вызывают больше ограничений.

В итоге, исходя из изложенного, перегрузки ВЛ по напряжению, измеряемому на выводах приемников электрической энергии относительно номинального напряжения электрической сети:

˗ нормально-допустимые + 5%;

˗ предельно-допустимые + 10%.

Параллельная работа трансформаторов

Необходимость параллельной работы трансформаторов. Под параллельной работой двухоб-моточных трансформаторов понимается работа трансформаторов (двух, трех или более) при параллельном соединении как первичных, так и вторичных обмоток.

Параллельная работа нескольких трансформаторов имеет ряд следующих технических и экономических преимуществ по сравнению с работой одного мощного трансформатора:

• надежность снабжения потребителей электроэнергией, так как выход из строя одного из трансформаторов не лишает потребителей энергии. Нагрузка выбывшего трансформатора может быть временно принята полностью или частично оставшимися трансформаторами;

• резервная мощность трансформаторов при их параллельном включении будет значительно меньшей, чем при питании потребителей от одного мощного трансформатора;

• в периоды снижения нагрузок (в течение суток или весеннего и летнего сезона) в энергетических системах — на повышающих, понижающих или на районных трансформаторных подстанциях,— часть трансформаторов может быть отключена, что обеспечит более экономичный режим работы подстанции за счет уменьшения потерь холостого хода транс-форматоров и их загрузки на максимальный к. п. д.;

• Постепенное развитие подстанций. При подключении новых потребителей электрической энергии увеличение трансформаторной мощности может быть выполнено дополнительным включением одного или нескольких трансформаторов на параллельную работу. Это особенно необходимо на районных понижающих подстанциях, снабжающих энергией большие промышленные районы. Новое строительство, электрификация различных отраслей народного хозяйства, расширение действующих предприятий требуют из года в год увеличения мощностей электрических установок, а следовательно, и большего отпуска электроэнергии районными подстанциями.

Следует строго отличать параллельную работу трансформаторов от совместной, когда они включены лишь одной стороной на общие шины.

Условия параллельной работы трансформаторов. При параллельной работе двухобмоточных трансформаторов нагрузка между ними будет распределяться пропорционально их номинальной мощности лишь при следующих условиях:

• Номинальные напряжения первичных и вторичных обмоток трансформаторов должны быть соответственно равны.

• Напряжения короткого замыкания должны быть равны.

• Группы соединений обмоток трансформаторов должны быть тождественны, т. е. параллельно работающие трансформаторы должны принадлежать к одной группе.

• Кроме того, согласно ГОСТ отношение наибольшей номинальной мощности к наименьшей не должно превышать 3:1.

Суммарная нагрузка параллельно включенных трансформаторов согласно ГОСТ должна быть такова, чтобы ни один из трансформаторов не был нагружен более его нагрузочной способности. ГОСТ допускает параллельную работу трансформаторов и при неполном равенстве номинальных напряжений и напряжений короткого замыкания при условии, чтобы ни один из параллельно включенных трансформаторов не был нагружен более его нагрузочной способности.

Согласно новому ГОСТ, имеются следующие три указания, относящиеся к параллельной работе трансформаторов:

Допускается параллельная работа двухобмоточных трансформаторов и трехобмоточных трансформаторов между собой на всех трех обмотках, а также двухобмоточных с трехобмоточными, если предварительным расчетом установлено, что ни одна из обмоток параллельно соединенных трансформаторов не нагружается выше ее нагрузочной способности на тех ответвлениях и в тех режимах, в которых предусматривается параллельная работа.

Параллельная работа трансформаторов с отношением номинальных мощностей больше чем 3 не рекомендуется.

При параллельной работе трансформаторов с РПН (РПН— регулирование напряжения путем переключения ответвлений обмотки трансформатора под нагрузкой), имеющих дистанционное ручное или автоматическое управление, их приводы должны обеспечивать при подаче команды на переключение практически одновременное окончание процесса переключения с одного ответвления па другое для всех параллельно работающих трансформаторов.

Трансформаторы с РПН мощностью ниже 1 000 кВА не предназначены для параллельной работы.

Показатели качества электроэнергии

Формирование принципов регулирования режимов основывается на определенных требованиях к качеству электрической энергии. Такие требования сформулированы в межгосударственном стандарте.

Для большинства нормированных показателей качества электроэнергии установлены нормально допустимые и предельно допустимые значения. При этом за интервал времени измерений не менее 24 ч значения показателя не должны выходить за предельно допустимые значения и с вероятностью 0,95 должны находиться в пределах нормально допустимого значения. Данные требования должны соблюдаться во всех нормальных, ремонтных и послеаварийных режимах, кроме режимов, обусловленных стихийными бедствиями и непредвиденными ситуациями (ураган, землетрясение, наводнение, пожар и т. п.).

Качество электроэнергии характеризуется качеством частоты напряжения переменного тока и качеством напряжения.

Действующим стандартом установлено нормально допустимое и предельно допустимое значения отклонения частоты соответственно Δfнорм = ± 0,2 Гц и Δfпред = ± 0,4 Гц.

Качество напряжения оценивают несколькими показателями, большинство из которых также характеризуется допустимыми значениями (см. таблицу).

Нормы основных показателей качества напряжения

Показателькачестванапряжения	Нормы качества напряжения
Нормальнодопусимые	предельно допустимые
УстановившеесяотклонениенапряженияΔUy, %	± 5	± 10
РазмахизменениянапряженияΔUt,	-	В зависимости от частоты повторения
Коэффициент искажения синусоидальности напряжения kU, %, при Uном, кВ, 0,38 6–20 35 110–330	8 5 4 2	12 8 6 3
Коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения kU(n), %	В зависимости от напряжения и исполнения сети, номерагармоники	1,5k U(n)норм
Коэффициент несимметрии напряжений по обратной последовательности k2U, %	2	4
Коэффициент несимметрии напряжений по нулевой последовательности k0U, %	2	4
Длительность провала напряжения при напряжении до 20 кВ включительно, Δtп, с	-	30

Отклонение напряжения влияет на работу как непосредственно электроприемников, так и элементов электрической сети. Например, такие наиболее распространенные электроприемники, как асинхронные электродвигатели при отклонении напряжения изменяют скорость вращения, что в ряде случаев может приводить к изменению производительности механизмов, которые приводятся в движение этими электродвигателями. Отрицательные отклонения напряжения приводят к снижению освещенности, что может быть причиной уменьшения производительности труда на ряде предприятий, требующих зрительного напряжения. Отклонения напряжения влияют на потери холостого хода и нагрузочные потери в трансформаторах и линиях электропередачи, на зарядную мощность линий.

Под колебаниями напряжения понимают резкие кратковременные изменения напряжения (со скоростью свыше 1 % в секунду) относительно значения напряжения до наступления изменения. Они вызываются внезапными достаточно большими изменениями нагрузки потребителей, например, пусковыми токами электродвигателей. Колебания напряжения в сети появляются также при питании нагрузки с повторно-кратковременным режимом работы, например сварочных агрегатов. При этом из-за изменения тока в сети изменяется падение напряжения и, как следствие, напряжение в узлах сети. Колебания напряжения вызывают мигания ламп и другие нежелательные явления, что в ряде случаев может приводить к повышенной утомляемости людей, снижению производительности труда и др. Они возникают, как правило, в электрических сетях до 1000 В. Для оценки колебания напряжения используется также такое понятие, как доза фликера, которая характеризуется мерой восприимчивости человека к воздействию фликера за установленный промежуток времени. При этом под фликером понимается субъективное восприятие человеком колебаний светового потока искусственных источников освещения, вызванных колебаниями напряжения.

Несинусоидальность напряжения характеризуется отличием формы кривой напряжения от синусоидальной. Ее появление связано с наличием в сети нелинейных элементов. К ним относится перегруженное электромагнитное оборудование (от катушки магнитного пускателя до силового трансформатора), работающее на нелинейной части кривой намагничивания и потребляющее из сети несинусоидальный ток, а также выпрямительные установки промышленных предприятий, электрифицированного железнодорожного транспорта и другие, работающие с другой частотой переменного тока. При наличии несинусоидальности напряжения по элементам сетей протекают токи высших гармоник, которые приводят к ряду отрицательных последствий: дополнительному нагреву проводников линий, генераторов, трансформаторов, двигателей; повреждению силовых конденсаторных батарей; ложным срабатываниям ряда релейных защит и автоматики и др.

Несимметрия напряжений характеризуется различием значений напряжения в разных фазах. Она обусловлена неравномерным присоединением однофазных электроприемников по фазам и случайным одновременным включением и отключением некоторой части однофазного электро-приемника (вероятностная симметрия). В результате подключения неодинаковой нагрузки к разным фазам в какой-то момент времени падения напряжения в фазах оказываются различными. Следствием этого являются различия напряжений фаз в узлах сети. Несимметрия значительна в сетях, имеющих крупные однофазные электроприемники, например, электровозы в сетях с тяговыми подстанциями, а также в сетях до 1000 В с коммунально-бытовой нагрузкой.

Провал напряжения – резкое снижение напряжения ниже уровня 0,9Uном с последующим восстановлением до этого уровня. Причина появления провалов напряжения заключается в электрической сети. Ясно, что продолжительные короткие замыкания недопустимы из-за чрезмерных токов по элементам сети, невозможности нормального функционирования электроприемников при сниженном напряжении. Поэтому провал количественно оценивается длительностью провала напряжения. Нормами устанавливается предельно допустимое значение длительности провала напряжения. При этом длительность автоматически устраняемого провала напряжения не нормируется и определяется выдержками времени релейной защиты и автоматики.

Изменение частоты переменного напряжения влияет на режимы работы электроприемников. Основными потребителями электроэнергии являются двигатели переменного тока. Отклонение частоты ухудшает работу электродвигателей, изменяется частота вращения, потребляемая ими активная и реактивная мощность. Вместе с тем изменение частоты слабо влияет на работу печной и осветительной нагрузки. Степень влияния отклонения частоты различна для разных видов момента сопротивления электродвигателя. Наибольшую опасность отклонение частоты создает для нормальной работы оборудования электрических станций. Уменьшается производительность механизмов, преодолевающих статический напор, например питательных насосов для собственных нужд, преодолевающих при работе высокое давление со стороны котельного агрегата. Кроме того, отклонение частоты от номинального значения нарушает экономичное распределение нагрузок между отдельными агрегатами и станциями, поскольку возникающие приросты мощностей не всегда оптимальны.

Основная цель регулирования напряжения в распределительных сетях 10(6)–0,38 кВ заключается в обеспечении допустимых отклонений напряжения у электроприемников по межгосударственному стандарту. Для регулирования напряжения могут быть использованы устройства РПН трансформаторов или иные устройства, установленные в центре питания распределительной сети, и для улучшения напряжения – трансформаторы подстанций (ТП) 10(6)/0,38 кВ, а в некоторых случаях также компенсирующие устройства, подключенные к сети 10(6) кВ или 0,38 кВ.

Выбор ответвления трансформатора 10(6)/0,38 кВ, производят совместно с выбором режима регулирования напряжения в центре питания. Предварительно выполняют расчеты режимов при наибольших и наименьших нагрузках.

Компенсация реактивной мощности

При выборе активной мощности генераторов энергосистемы по условию баланса активных мощностей и при работе генераторов с номинальным коэффициентом мощности генерируемая суммарная реактивная мощность без дополнительно используемых источников реактивной мощности (ИРМ) может оказаться меньше требуемой по условию баланса реактивных мощностей, в этом случае образуется дефицит реактивной мощности, который приводит к следующему:

• большая загрузка реактивной мощностью генераторов электростанций приводит к перегрузке по току генераторов;

• передача больших потоков реактивной мощности от генераторов по элементам сети приводит к повышенным токовым нагрузкам и, как следствие, к увеличению затрат на сооружение сети, повышенным потерям активной мощности;

• недостаток реактивной мощности в системе влечет за собой снижение напряжения в узлах электрических сетей и у потребителей.

Отсюда возникает задача оптимизации режима реактивной мощности в системе электроснабжения промышленного предприятия, выбора типа и мощности, а также места установки компенсирующих устройств. В системах электроснабжения городов с коммунально-бытовой нагрузкой компенсирующие устройства обычно не устанавливаются.

На промышленных предприятиях для компенсации реактивной мощности применяют следующие компенсирующие устройства:- синхронные двигатели и параллельно включаемые батареи силовых конденсаторов.

Силовые конденсаторы - специальные однофазные или трехфазные емкости, предназначенные для выработки реактивной мощности. Мощность конденсаторов в одном элементе составляет 5квар, номинальное напряжение - от 220 В до 10 кВ. К недостаткам конденсаторов относят зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения, недостаточную стойкость токам КЗ и перенапряжениям, чувствительность к искажениям формы кривой подводимого напряжения, невозможность плавного изменения мощности конденсаторной установки.

Батареи конденсаторов применяются:

• для генерации реактивной мощности в узлах сети – поперечная компенсация. Батареи конденсаторов называют шунтовыми (ШБК);

• для уменьшения индуктивного сопротивления ЛЭП – продольная компенсация. Батареи конденсаторов называют устройствами продольной компенсации (УПК).

Шунтовые БК включают на шины ПС параллельно нагрузке, УПК включают в рассечку ЛЭП.

Увеличение напряжения достигается за счет увеличения числа последовательно включенных конденсаторов, увеличение мощности – за счет параллельного включения конденсаторов (рис. 35).

Рис. 35 Соединения конденсаторов: а)последовательной4 б) параллельное

В сетях трехфазного тока конденсаторы включаются звездой и треугольником

Рис. 36 Соединение фаз БК: а) звездой; б) треугольником

При соединении конденсаторов в звезду режим работы нейтрали БК определяется режимом работы нейтрали сети, где она установлена.

Поперечная компенсация применяется для уменьшения перетоков реактивной мощности в сети. Батареи конденсаторов в этом случае подключают на шины 6-10 кВ подстанций параллельно нагрузке. Это приводит к уменьшению потерь мощности и напряжения во всей сети до точки подключения БК. Покажем это на примере простейшей сети (рис. 37).

Рис. 37. Участок цепи

Продольная компенсация применяется для уменьшения реактивного сопротивления ЛЭП. Компенсация обеспечивается последовательным включением в рассечку ЛЭП емкостного сопротивления в виде конденсаторов (рис. 38).

Рис.38 Применение УПК в сети

Если подобрать УПК так, что Х = Хс, т. е обеспечить полную компенсацию индуктивного сопротивления ЛЭП, то падение напряжения будет определяться только величиной активного сопротивления ЛЭП

Достоинства УПК:

• автоматическое и безынерционное регулирование напряжения;

• отсутствие движущихся частей делает установки простыми и надежными в эксплуатации;

• при одинаковом регулирующем эффекте мощность БК, выбранной только для регулирования напряжения, меньше чем при поперечной компенсации.

Недостатки:

• возможны резонансные явления, которые вызывают качания роторов двигателей, мигание ламп накаливания;

• увеличение токов короткого замыкания;

• при коротких замыканиях возникает опасность появления на конденсаторах высокого напряжения. Поэтому для шунтирования БК при коротких замыканиях применяют быстродействующие разрядники.

КУ, устанавливаемых вблизи потребителей в системе, в целом определяется на основе баланса реактивной мощности.

Чаще всего на потребительских ПС в качестве КУ используются конденсаторные батареи в виде комплектных установок типа УК. В сети 6 кВ применяются УК мощностью 300, 400, 450, 675, 900, 1125, 1350, 1800 и 2700 кВар. В сети 10 кВ применяются УК, начиная с мощности 450 кВар.

Мощность КУ распределяется равномерно на секции шин 6-10 кВ ПС, т. е. количество однотипных УК должно быть кратно 2 при двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторах (типа ТМ, ТМН, ТДН, ТДТН, АТ) подстанций и кратно 4 – при трансформаторах с расщепленной обмоткой низкого напряжения (типа ТРДН).

Батареи конденсаторов обладают существенным недостатком – изменение мощности БК носит ступенчатый характер. Источники нового типа – статические источники реактивной мощности (ИРМ или СТК) не обладают этим недостатком. СТК состоит из нерегулируемой батареи конденсаторов и регулируемого реактора. Батарея конденсаторов и реактор могут быть включены и последовательно (рис. 35 а), и параллельно (рис. 35 б). Плавность регулирования обеспечивает тиристорный блок управления (ТБУ).

По роду установки конденсаторы всех номинальных напряжений могут изготавливаться как для наружных, так и для внутренних установок.

Конденсаторы для наружных установок изготавливаются с внешней изоляцией (изоляторы выводов) на напряжение не ниже 3150 В.

По виду пропитки конденсаторы разделяются на конденсаторы с пропиткой минеральным (нефтяным) маслом и конденсаторы с пропиткой синтетическим жидким диэлектриком.

По размерам конденсаторы разделяются на два габарита: первый с размерами 380x120x325 мм, второй с размерами 380x120x640 мм.

Конденсаторы, применяемые в установках напряжением выше 1000 В, включаются в сеть и отключаются от сети только посредством выключателей или разъединителей мощности (выключателей нагрузки).

Для того чтобы затраты на отключающую аппаратуру не были очень велики, не рекомендуется принимать мощности конденсаторных батарей менее:

а) 400 квар при напряжении 6-10 кВ и присоединении батарей к отдельному выключателю;

б) 100 квар при напряжении 6-10 кВ и присоединении батареи к общему с силовым трансформатором или другим электроприемником выключателю;

Комплектные конденсаторные установки на напряжение 380 В изготавливаются для внутренней установки, а на напряжение 6-10 кВ - как для внутренней, так и для наружной. Диапазон мощностей этих установок достаточно широк, причем большинство типов современных комплектных конденсаторных установок оборудовано устройствами для одно— или многоступенчатого автоматического регулирования их мощности.

Комплектные конденсаторные установки на напряжение 380 В выполняются из трехфазных конденсаторов, а на напряжение 6—10 кВ — из однофазных конденсаторов мощностью 25—75 квар, соединенных в треугольник.