Принцип регулирования.
Регулирование напряжения осуществляется для поддержания возможно лучшего значения модуля напряжения во всех точках сети. Оно не затрагивает проблему сдвига фаз вектора напряжения, поскольку:
этот сдвиг не имеет никакого значения в распределительных сетях, особенно если они радиальные;
в передающих и питающих сетях эта проблема является частью более широкой задачи надежности и устойчивости системы.
Следовательно, достаточно напомнить формулу (6.1), которая выявляет средства уменьшения относительных падений напряжения. К ним относятся:
Повышение номинального напряжения Uном. Это средство используют:
в передающих сетях при необходимости передачи больших мощностей (P+jQ) по длинным линиям, имеющим вследствие этого большие значения полных сопротивлений (R + jX), т. е. в линиях, где при сооружении выбирают высокие и сверхвысокие напряжения;
в распределительных сетях, где переход к более высокому напряжению (чем существующее) является экономически выгодным;
в сетях НН при переходе от поддиапазона В1 (127—220 В) к поддиапазону В2 (220—380 В);
в сетях СН при переходе от напряжения 15 кВ (или даже
меньших—10 и 5,5 кВ) к напряжению 20 кВ; в этих сетях к выигрышу от уменьшения падения напряжения добавляется выигрыш от снижения потерь; выигрыш в целом становится более значительным.
Если повышение напряжения — средство уменьшения падения напряжения, то нельзя его рассматривать как средство регулирования, поскольку речь в этом случае идет об однажды принятом решении, а не о постоянном регулировании в зависимости от нагрузки.
Уменьшение величины полного сопротивления Z — R+JX-, это достигается снижением:
а) длины линий. Однако потребители находятся на вполне определенных местах и приближение к ним источников энергии достигается только путем сооружения новых подстанций; указанное средство является главным средством уменьшения падений напряжений в сетях НН (новая подстанция СН/НН); это средство в особых случаях является единственным средством поддержания приемлемого напряжения на конце линии СН (новая подстанция ВН/СН);
б) полного сопротивления Z путем включения на параллельную работу нескольких линий по одной и той же трассе или различным трассам;
в) индуктивного сопротивления X включением последовательно с ним конденсатора емкостью С; включенный в линию с индуктивностью L конденсатор уменьшает ее индуктивное сопротивление X от его начального значения Lw до новой величины (Lw- 1/Сw);можно, таким образом, сделать X равным нулю; здесь речь идет об эффективном средстве регулирования;
г) активного сопротивления увеличением сечения; значительно воздействуя на потери в линиях, эта величина незначительно влияет на падение напряжения;
д) индуктивности применением расщепленных проводов, кабелей (воздушных или подземных) вместо обычных воздушных линий СН, что практикуется в некоторых странах (например, в США); в общем случае это неэкономично.
Воздействие на передачу реактивной мощности Q, поскольку из двух членов суммы RP + XQ второй является превалирующим (сети ВН и СН) или имеет тот же порядок, что и первый (сети НН).
Средства воздействия на передачу реактивной мощности различные: выработка реактивной мощности статическими конденсаторами; поглощение реактивной мощности катушками индуктивности; выработка или поглощение реактивной мощности синхронными машинами, т. е. генераторами станций или синхронными компенсаторами, размещенными на подстанциях.
Компенсация падений напряжения с помощью введения дополнительного напряжения. Это достигается применением:
а) трансформаторов с отпайками, позволяющими менять коэффициент трансформации. Отпайки могут переключаться или в любой момент, тогда их называют отпайками для регулирования под нагрузкой, или переключаться только при отключении трансформатора, тогда их называют отпайками для регулирования на холостом ходу. Разницу между напряжениями, полученными на крайних отпайках, называют диапазоном регулирования напряжения, а напряжение на двух соседних отпайках — ступенью напряжения;
б) индукционного регулятора, который добавляет к вектору напряжения сети вектор напряжения с постоянным модулем U, непрерывно изменяющийся по фазе от 0 до 2к; общее напряжение при этом меняется в диапазоне регулирования ± U по модулю и фазе; применение индукционного регулятора ограничивается радиальными линиями, в которых изменение фазы несущественно.
Выбор того или иного средства регулирования зависит, очевидно, от условий, в которых оно должно осуществляться. Некоторые лучше приспособлены к регулированию напряжения в передающих сетях, другие — к регулированию в распределительных сетях. Потребности регулирования различны, поскольку в распределительных сетях всегда стремятся поддерживать напряжение, близкое к номинальному, тогда как в передающих сетях достаточно обеспечивать напряжение, отвечающее крайним значениям.
Регулирование напряжения в распределительных и питающих сетях можно рассматривать раздельно, поскольку они независимы друг от друга.
Эффективные средства регулирования напряжения (более точно, уменьшения медленных его изменений) могут быть классифицированы по способу их воздействия:
непрерывное регулирование, получаемое в радиальных сетях с помощью индукционных регуляторов, а в передающих сетях с помощью синхронных компенсаторов;
квазинепрерывное регулирование, обеспечиваемое регуляторами под нагрузкой (встроенными в трансформаторы или независимыми от них) и используемое во всех типах сетей; это регулирование будет тем ближе к непрерывному регулированию, чем меньше будет величина ступени напряжения между двумя соседними отпайками;
прерывистое регулирование, получаемое с помощью параллельно подключаемых к сети батарей конденсаторов (их по экономическим соображениям можно разделить на части, с тем чтобы ограничить число переключений за день);
нерегулируемая компенсация, осуществляемая или с помощью последовательно включенных в сеть конденсаторов, которые в определенной мере уменьшают изменения напряжения, или с помощью переключаемых на холостом ходу отпаек трансформаторов.
Регулирование трансформаторов под нагрузкой.
Встроенные в трансформаторы ВН/СН устройства — основное средство регулирования напряжения в распределительных сетях.
Эти регуляторы предназначаются для нейтрализации изменений напряжения, появляющихся в начале передающих и распределительных сетей; частичной компенсации падения напряжения на концах линий (линии СН и НН). Однако, чтобы иметь эффект от второй функции регуляторов, необходимо на подстанции, где они установлены, получить сведения о падениях напряжения в сетях, следующих за этой подстанцией. Возможны два способа измерения падений напряжения: один из них основан на телеизмерениях напряжения в некоторых точках отходящих сетей НН, а другой —на применении модели, представленной полным сопротивлением. Второй способ наиболее распространен, первый — более дорогой — находит применение только в некоторых случаях.
Использование схемы замещения связано со следующими трудностями:
на подстанции, где размещен регулятор, располагают только информацией относительно напряжения на системе сборных шин СН (т. е. в самой крайней доступной точке сети) и активной и реактивной мощностями, поставляемыми в сеть от системы шин трансформатором подстанции (будем полагать, что имеется только один питающий трансформатор). Тогда схема замещения будет представлена сопротивлением, по которому протекает ток, соответствующий отдаваемой в сеть мощности; получается одно значение напряжения, но потребители, чувствительные к изменениям напряжения, многочисленны и расположены вдоль сети. Следовательно, схема позволяет регулировать напряжение только в одной точке отходящей сети, которую выбирают оптимально расположенной среди нагрузок; такую точку называют характеристической или воспроизводящей точкой.
Характеристическая точка должна быть выбрана таким образом, чтобы при хорошем регулировании напряжения общий ущерб (для всей сети) был минимальным; при этом всякое перемещение регулируемой точки вызывает увеличение ущерба у части потребителей, превосходящее его уменьшение у остальных. Если отходящая линия является неразветвленной, то, следовательно, в характеристической точке среднеквадратичное отклонение напряжения должно быть равным средневзвешенной величине (по потребляемым энергиям) от квадратов отклонений в различных точках линии. Если линия имеет длину L и равномерную нагрузку, то характеристическая точка расположена на расстоянии 0,4L от подстанции. В разветвленной сети расчет сложнее, однако опыт показывает, что характеристическая точка близка к точке, расстояние до которой 0,4L.
Положение характеристической точки меняется во времени, поскольку изменения нагрузок происходят неодновременно. Следовательно, нельзя осуществить хорошее регулирование, если изменения нагрузок не будут скорректированы. На практике обслуживаемые потребители имеют одинаковую природу, например бытовые потребители в жилых кварталах, или сельскохозяйственные потребители, или же промышленные потребители; тогда значения коэффициентов корреляции оказываются равными 0,7—0,9 (идеальная однородность дала бы 1,0). Для нагрузок с различной природой коэффициент корреляции незначителен (меньше 0,3) и даже отрицателен (он равен -1,0 для двух нагрузок, постоянно меняющихся в противоположных направлениях). В этом случае необходимо разделить сеть на подсети, имеющие независимое регулирование напряжения.
На практике не обязательно уточнять местоположение характеристической точки; достаточно знать статистическое распределение напряжения в этой точке, называемое фиктивным напряжением Uf. Его измеряют статистическим вольтметром в различных точках сети, связанных с нагрузками, потребляемыми вблизи каждой из этих точек. Нагрузки могут быть определены с помощью годовых энергий Эi потребляемых всем множеством нагрузок, сгруппированных вокруг каждой точки. Итак, имеем
Из последнего выражения можно найти относительное отклонение фиктивного напряжения (по отношению к номинальному напряжению Uном), что позволяет характеризовать качество напряжения в распределительной сети:
(6.18)
Схема замещения, представленная полным сопротивлением, должна воспроизводить напряжение U/. Пусть R, и X, — значения активного и реактивного сопротивлений, образующих полное сопротивление, приведенное к уровню сети, т. е. учитывающее соответствующие коэффициенты трансформации; U0—параметр, необходимый для определения системы регулирования; Р и Q — активная и реактивная составляющие полной трехфазной нагрузки регулируемой сети; U— напряжение (линейное) системы шин, питающих сеть; Ui — напряжение модели (линейное),
При этом имеем
(6.19)
Регулятор должен поддерживать напряжение Ut фиксированным и равным величине Uном+ U0. Подставляя эту величину в выражение (6.19), получим, что напряжение, регулируемое на системе шин, представляет собой по отношению к номинальному напряжению Uном относительное отклонение:
(6.20)
Фиктивное напряжение Uf равно разности напряжения на сборных шинах U и фиктивного падения напряжения в линии. Следовательно,
AU= U - Uf, или в относительных единицах 
В большинстве распределительных сетей активная и реактивная нагрузки меняются одновременно и вследствие этого
Рис. 6.1. Схема контрольной сети (а) и кривые отклонения напряжений на вторичной обмотке трансформатора (б, в)
В этом случае нет необходимости в трех параметрах для представления регулятора, а замещающее полное сопротивление может быть просто активным сопротивлением таким, что
В этом случае предварительные измерения относятся только к фиктивному падению напряжения в линии, определяемому средней величиной А U, среднеквадратичным отклонением оДU* и его коэффициентом корреляции с потребляемой мощностью rPAU*. Две первые величины относительно легко измеряются статическим вольтметром, однако оценка коэффициента корреляции затруднительна. В общем случае rPA U,. = 0,7 -г 0,95; в большинстве случаев такое приближение достаточно для расчетов.
Более точное регулирование осуществляется устройством кодирования, которое через регулярные промежутки времени (например, через минуту) делает соответствующие измерения (напряжений, мощности и т. д.) и записывает их с помощью закодированных перфораций на бумажную ленту. Перфорированная лента вводится затем непосредственно в вычислительную машину с программой, которая выдает величины, отвечающие формуле (6.24), и три параметра, характеризующих регулятор. Можно использовать также ленты регистрирующих приборов — вольтметра и ваттметра, если имеется устройство для их автоматической обработки.
Для иллюстрации этого метода на рис. 6.1 приведен результат испытания, осуществленного в контрольной сети. Упрощенная схема сети дана на рис. 6.1, а (близкие между собой нагрузки сгруппированы в узлы нагрузки). Характер изменений напряжения в различных точках при отсутствии регулирования показан на рис. 6.1, б, а изменения напряжения в тех же самых точках, но при оптимальном регулировании (при работающем регуляторе), определяемом тремя параметрами [см. (6.24)], —на рис. 6.1, в.
Полное сопротивление в модели может быть упрощенно заменено (так это сделано в Э де Ф) активными сопротивлениями. По одному из них (Rj) протекает ток (/,), отобранный с помощью трансформатора тока от фазы 1 (рис. 6.2). Индуктивность X заменена сопротивлением R2, по которому протекает ток (/2 - /3), сдвинутый по фазе на 90° по отношению к току /, и полученный от двух трансформаторов тока в противофазе, включенных соответственно в фазы 2 и 3. Полная схема аппарата приведена на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Схема устройства регулирования напряжения распределительной сети:
1 — трансформатор, оборудованный регулятором под нагрузкой; 2 — система шин; 3 — отходящие линии; 4 — мостовая схема для измерения напряжения, 5 — двигатель регулятора; ТН — трансформатор напряжения; ТТ — трансформатор тока; ТТдоп — вспомогательные трансформаторы тока
Выше предполагалось, что регулирование непрерывно. Применяя отпайки для регулирования трансформатора под нагрузкой, можно тем не менее принять, что в первом приближении потенциал Ц постоянен. В действительности будут изменения, отвечающие интервалу отпайки, и регулирование будет тем лучше, чем меньше будет этот интервал.
Однако качество регулирования измеряется не максимальным изменением, а среднеквадратичным отклонением этих изменений. Исследование среднеквадратичных изменений (флуктуаций) напряжения регулируемой системы шин было произведено в функции:
среднеквадратичного отклонения изменений, которые появились при отсутствии регулирования на этой системе шин;
величины интервала между отпайками, их числа и общего диапазона регулирования.
Рис. 6.3. Кривые стандартных остаточных флуктуаций напряжения при работающем регуляторе в функции от флуктуации напряжения при выключенном регуляторе:
Из графика, приведенного на рис. 6.3, видно, что если влияние общего диапазона явно заметно, то, напротив, с того момента как величина интервала отпаек становится ниже 2%, практически влияние на качество регулирования весьма мало.
Поэтому в сетях Э де Ф нормализовали регулирование трансформаторов с общим диапазоном ±12%, осуществляемое с помощью 17 отдельных отпаек, дающих интервал напряжения по 1,5% каждая.
Аналогичное регулирование применяют в других странах Европы, тогда как сети США оборудованы регуляторами с диапазонами ±10%, имеющими 38 отпаек, ступенями по 0,625%.
Устройство регулирования под нагрузкой не должно допускать колебаний по отношению к одной и той же отпайке. Это достигается с помощью вольтметрового моста, выдающего двигателю регулятора приказы на «увеличение» или «уменьшение» в соответствии со знаком разницы между фактическим и номинальным напряжениями. Мост имеет выдержку времени в несколько десятков секунд, чтобы исключить срабатывание регулятора от случайных изменений напряжения.
Пример изменения регулируемого напряжения представлен на рис. 6.4.
Рис. 6.4. Кривая, отражающая влияние мостовой схемы измерения напряжения ч на изменение регулируемого напряжения
Телеизмерение напряжений в сетях НН иногда используется для регулирования напряжения городских сетей. В этом случае необходимо определить характерные точки в сетях НН, регулируя напряжение в них так, чтобы у всего множества потребителей оно было близким к оптимальному. Телеизмерения из характерных точек передаются на контрольный центр (в городской диспетчерский пункт). Они могут или указываться на контрольном табло одновременно с эталонной величиной (в этом случае персонал, констатируя, что отклонение превосходит по величине одну отпайку или немного больше, вручную осуществляет регулирование под нагрузкой), или поступать в автоматический регулятор, который посылает соответствующие команды регулятору, находящемуся под нагрузкой.
Регулирование напряжения распределительных сетей.
Для регулирования напряжения при этом используются регуляторы под нагрузкой, встроенные в трансформаторы; еще один способ регулирования осуществляется с помощью отпаек, позволяющих изменять напряжение только в режиме холостого хода.
В качестве дополнительных средств применяются конденсаторы, включаемые последовательно или параллельно.
При этом возникают следующие вопросы:
Как выбрать диапазон регулирования регуляторов под нагрузкой? Каким должно быть число регуляторов, последовательно включаемых в сеть? Как выбрать коэффициент трансформации для трансформаторов ВН/СН и СН/НН? Каким выбрать число отпаек для регулирования на холостом ходу?
Можно было бы думать, что предпочтительнее использовать несколько последовательно соединенных регуляторов с существенно уменьшенными диапазонами. Однако регулятор под нагрузкой является аппаратом относительно хрупким и дорогим. Переход от одной отпайки к соседней сопровождается явлением коммутации. Если увеличить число регуляторов, то, естественно, возрастает, с одной стороны, стоимость регулирования, а с другой — опасность возникновения аварии.
Опыт показывает, что:
регуляторы линии НН (встроенные в трансформаторы СН/НН или помещенные в середине линии НН) не эффективны и не экономичны;
регуляторы в начале линии СН снижают изменения напряжения не только в этой линии, но и в отходящих от нее линиях, в том числе и во множестве линий НН, которые она питает.
В распределительных сетях США линии НН очень короткие и падение напряжения происходит в основном на линии СН, Это позволяет установить регуляторы последовательно с имеющимися в начале линии.
Тесная связь между падением напряжения и потерями мощности в линии иллюстрируется следующими фактами:
если возможности регулятора СН использованы полностью, то далее следует усиливать сеть СН; усиление позволяет снизить потери в линии и ущерб от изменений напряжения;
если при регулировании в некоторых сетях НН все же существуют чрезмерные падения напряжения, то наиболее экономично уничтожить их, усиливая сеть НН (сооружая, например, новую подстанцию СН/НН и этим уменьшая длину линии НН).
Различные линии СН обычно питают нагрузки, имеющие одну и ту же природу, причем их изменения связаны. В этом случае для всех линий СН достаточно одного регулятора под нагрузкой, встроенного в трансформаторы ВН/СН.
Если же подстанция обслуживает нагрузки различной природы, то выделяют соответствующие линии (например, промышленные линии и линии жилых кварталов), оборудуя их регуляторами под нагрузкой.
В большинстве европейских стран применяют описанные выше способы. В США, напротив, распространены специальные регуляторы на линии СН. Они выполняются как однофазные отдельно от трансформаторов, при этом регулирование остается трехфазным.
Регулятор под нагрузкой уменьшает только изменения напряжения, влияя на стандартное отклонение а. Однако необходимо минимизировать и среднеквадратичное отклонение
Постоянная составляющая падения напряжения может быть уменьшена изменением коэффициента трансформации, перестановкой отпаек трансформаторов в режиме холостого хода.
В регуляторах под нагрузкой, установленных на трансформаторах ВН/СН, отпайки холостого хода бесполезны. Коэффициент трансформации (при положении переключателя на средней отпайке) должен быть таким, чтобы при среднем падении напряжения в трансформаторе («2%) среднее напряжение в характерной точке сети СН было равно номинальному напряжению.
Трансформаторы ВН/СН могут быть установлены на любой подстанции сети; наиболее вероятное напряжение, которое может быть приложено на клеммы ВН, — это номинальное напряжение сети ВН. Среднее падение напряжения в сети СН до условной точки всегда близко к 2%, коэффициент трансформации в режиме холостого хода трансформатора ВН/СН должен быть в 1,04 раза больше, чем отношение номинальных высшего и среднего напряжений. На практике его обычно выбирают равным 1,05 от этого отношения.
В трансформаторах СН/НН отпайки холостого хода необходимы, Чтобы все сети НН, присоединенные к одной и той же линии СН, оказались в подобных условиях. Для этого необходимо максимально
Рис. 6.5. Схема регулирования НН в режиме холостого хода с помощью отпаек на обмотках трансформаторов (а) и кривая изменения напряжения при различных положениях переключателя (б):
1 — система шин СН; 2 — близко расположенная короткая сеть НН; 3 — отпайка — 2,5%;, 4 — сеть НН средней длины; 5 — средняя отпайка; 6 — характеристическая точка; 7 — длинная удаленная сеть НН;# — отпайка + 2,5%
Коэффициент трансформации СН/НН в режиме холостого хода на 2,25% больше, чем номинальный коэффициент трансформации
компенсировать средние падения напряжений, которые являются суммой:
среднего падения напряжения на линии СН между условной точкой сети и зажимами СН трансформатора СН/НН, равного 1,5— 2,5%;
среднего падения напряжения в сетях СН/НН, составляющего менее 1%;
среднего падения напряжения в сети НН, равного 0,5—3% (или суммы этих двух последних падений напряжений, равной 1—3,5%).
К сетям, в которых можно допустить экстремальные ситуации, можно отнести следующие (рис. 6.5):
короткие (или малонагруженные) сети, присоединенные в начале линии СН, вследствие этого их среднее напряжение будет сдвинуто по отношению к номинальному напряжению на -2,5 + 1 = -1,5%;
длинные (или очень загруженные) сети, присоединенные в конце линии СН, среднее напряжение которых будет отличаться от номинального напряжения на +2,5 + 3,5 = 6%.
Из этого заключаем, что:
коэффициент трансформации холостого хода (при положении регулятора на средней отпайке) должен быть больше на 2,25% от отношения между номинальными напряжениями СН и НН. Тогда СН средней сети равно номинальному напряжению, поскольку 0,5 X Х(-1,5 + 6) = 2,25;
отпайки холостого хода в ±2,5% позволяют в средней точке сетей СН иметь среднее напряжение, отклоняющееся от номинального на ±1,25%.
Трансформаторы СН/НН стандартизованы во всех европейских странах. Определение величины коэффициента трансформации в режиме холостого хода — результат компромисса, поскольку между номинальными напряжениями низковольтных сетей в разных странах имеется различие.
В распределительных сетях США принцип регулирования аналогичен принятому в Европе, однако числовые значения различны (рис. 6.6).
Регулирование напряжения в передающих сетях.
Проблемы регулирования напряжения в передающих и распределительных сетях различны по двум причинам:
ни один из потребителей не питается непосредственно от передающей сети (даже для промышленных потребителей, присоединенных к сетям 220 или 63 кВ через регулирующий трансформатор);
передача мощностей в передающих сетях осуществляется в различных направлениях. Там, где значительная часть энергии производится на ГЭС (например, во Франции), оптимальное управление ; требует ежедневных изменений направления мощности.
Из этого следуют два важных вывода:
Рис. 6.6. Диаграмма напряжений вдоль линии распределительной сети, начиная от питающей подстанции и кончая потребителями
(сеть США):
а — при пиковой нагрузке; б — ночью
Uном” 120В — номинальное напряжение; Unc — напряжение на шинах подстанций; ДUлотр изменение потребительского напряжения; ДUл — падение напряжения на фидере; Д^0тр.мин1— вероятное минимальное падение напряжения у первого потребителя; ДUма|сС.тр — максимальное падение напряжения в трансформаторе; дUмакссн — максимальное падение в питающей линии СН;ДUмакснн — максимальное падение напряжения в линии НН; ДС/макс-потр — максимальное падение напряжения в присоединении; ДUмакс.пр — максимальное падение напряжения в электрическом монтаже (проводах)
— оптимальным будет такой режим, при котором напряжение в передающей сети максимально, причем учтены характеристики изоляции и внутренних перенапряжений, проявляющиеся в переходных процессах;
эксплуатация удовлетворительна, если в распределительных сетях получается приемлемое напряжение, причем регуляторы под нагрузкой у трансформаторов, соединяющих питающие и распределительные сети, не должны до конца использовать свои возможности.
Напряжение сети со стороны станции должно регулироваться до повышенных величин.
Для устранения падения напряжения в сети лучшим средством является воздействие на передачу реактивной энергии; поскольку активное сопротивление передающих линий мало, осуществляется приближенное соотношение (6.3).
Напряжение на сборных шинах подстанции ВН должно поддерживаться на уровне, зависящем от режима, и должно иметь повышенное значение, если станция выдает реактивную мощность. Регулирование достигается воздействием на ток возбуждения генераторов.
Регулятор возбуждения генератора характеризуется чувствительностью и быстродействием обратной связи, равной около 0,05 с, что позволяет увеличивать устойчивость генератора в случае наброса нагрузки.
Напряжение на подстанциях регулировалось бы лучше, если бы реактивная мощность не передавалась, при этом было бы существенно снижено падение напряжения.
Но, с одной стороны, сеть:
производит реактивную мощность, поскольку линии и кабели имеют емкость по отношению к земле;
поглощает реактивную энергию в магнитных цепях.
С другой стороны, реактивная мощность, поглощаемая распределительными сетями, очень изменяется во времени.
Производство реактивной мощности, требующее расходов, имеет экономический оптимум. Его можно найти, сопоставляя стоимости:
производства 1 квар различными источниками реактивной мощности;
передачи мощности сетью;
средств, обеспечивающих качество напряжения передающей сети.
Поиск оптимума приводит к установлению уровня напряжений;
при этом определяется то количество реактивной энергии, которое необходимо произвести или поглотить с помощью различных аппаратов. Уменьшение передачи реактивной мощности достигается:
синхронными генераторами, способными производить или поглощать реактивную энергию в зависимости от их пере- или недовозбуждения. Произведенная реактивная энергия может удовлетворять потребности нагрузок, расположенных близко к станции;
статическими батареями конденсаторов, размещаемыми в распределительных сетях по возможности около реактивных нагрузок; эти батареи управляются с помощью реле реактивной мощности;
индуктивностями, размещенными на некоторых подстанциях, где отключение линии СВН могло бы вызвать опасные перенапряжения;
синхронными компенсаторами, позволяющими производить или потреблять реактивную энергию, непрерывно регулируя ее величину. Однако они имеют значительные активные потери.
В сильно разветвленных сетях, как, например, передающие сети Франции, проблема регулирования напряжения не представляет особых трудностей, за исключением ситуаций:
когда по состоянию водного режима необходим обмен большими количествами энергии (с переменой направления) между районами с ГЭС и ТЭС;
когда периферийные зоны сети импортируют свою энергию от более удаленных источников (пример: Бретань или Лазурный Берег).
Конденсаторы, включаемые последовательно в сеть.
В очень длинных передающих или распределительных линиях перечисленных средств регулирования оказывается недостаточно. При этом дополнительной возможностью (кроме увеличения числа линий, что было бы очень дорого, если только передаваемая активная мощность не превосходит предельной мощности одной линии) является уменьшение полного сопротивления линии посредством последовательного включения в нее конденсатора.
Пусть вся нагрузка сконцентрирована на конце линии, что характерно для передающих сетей, а часто и для линий СН. При этом L — коэффициент самоиндукции линии; С—емкость последовательно включенной в фазу батареи конденсаторов; Л — активное сопротивление линии; Р +JQ — передаваемая (полная) мощность.
Тогда формула (6,1) запишется следующим образом:
(6.26)
Необходимо различать два случая.
На концах очень длинной передающей линии можно иметь одно и то же напряжение (R незначительно), какими бы ни были величина и направление передаваемой реактивной энергии при LCa = = 1, т. е. при полностью скомпенсированной индуктивности линии. Однако в других точках линии это не уничтожает изменений напряжения, которое максимально на зажимах батареи конденсаторов. Итак, если устанавливать батарею в середине линии, то точки с каждой стороны будут подвержены флуктуациям в обратном направлении с амплитудой 0,5LwQ/U2.
Иметь одно и то же напряжение на обоих концах линии не обязательно. Практика привела к компромиссу между стоимостью батареи и выигрышем, получаемым от уменьшения изменений напряжения; этот компромисс состоит в компенсации половины полного сопротивления линии:
2. На линии СН сопротивлением R нельзя пренебрегать и, кроме того, падения напряжения в трансформаторах значительны. В этом случае
Оптимальное решение соответствует перекомпенсации, ограниченной переходными явлениями.
Последовательное включение батарей в линии СН эффективна только в тех случаях, когда изменения напряжения, подлежащие компенсации, связаны с изменениями реактивных нагрузок. Поэтому, как это видно из формулы (6.26), рассчитывать стандартное отклонение этих изменений не обязательно.
При этом предполагается, что:
нагрузка, включенная после батареи, имеет незначительный коэффициент мощности, постоянный в течение дня;
низкий коэффициент мощности можно скомпенсировать установкой параллельно включенных конденсаторов перед батареей продольной компенсации.
(6.27)
Батареи последовательно включаемых конденсаторов как в передающих, так и в распределительных сетях должны иметь защиту
Расчет, аналогичный тому, который привел к формуле (6.24), дает оптимальное значение емкости последовательно включаемой батареи:
Рис. 6.7. Схема установки последовательно включаемой батареи конденсаторов
и ее защита:
1 — линия; 2 — обходный разъединитель; 3 — разъединитель в начале присоединения; 4 — разъединитель в конце присоединения; 5 — полуфаза; 6 — параллельно включенных конденсаторов; 7 — дифференциальная защита, воздействующая на шунтирующий выключатель; 8 — разрядник; 9 — шунтирующий выключатель; 10 — ограничивающее сопротивление
на случай короткого замыкания в сети, когда по конденсатору протекает значительный ток, практически реактивный. Между зажимами батареи в этом случае появляется напряжение, в несколько раз превышающее номинальное. Чтобы не допустить пробоя изоляции, конденсаторы необходимо быстро отключить. При этом параллельно батарее включается разрядник, отрегулированный на уменьшенную дисперсию разрядного напряжения. Чтобы не допустить разрушения разрядника, включают последовательно с ним сопротивление, уменьшающее величину тока к.з.; быстро шунтируют разрядник и его сопротивление с помощью выключателя.
Как видно из рис. 6.7, защита дополняется устройством, чувствительным к появлению несимметрии между двумя половинами батареи, если на одной из них произойдет авария.
Ущерб, вызываемый фликкером.
Толчки нагрузки (фликкер), вызываемые некоторыми аппаратами с прерывистой работой, могут быть более или менее регулярными, изменяющими напряжение сети от одного уровня к другому. Они могут быть также случайными и очень быстрыми (аппараты, использующие дугу, — сварочные машины, дуговые печи). Регулирование напряжения, восстанавливая предшествующий его уровень только по истечении некоторого промежутка времени, не уничтожает фликкер.
Фликкер ухудшает качество напряжения. Однако большинство аппаратов, имеющих значительные собственные постоянные времени, не чувствуют этого изменения качества. Наибольшее влияние фликкер оказывает на освещение (термин «мерцание» ламп —перевод английского слова «flicker»), когда изменения светового потока ламп вызывают усталость зрения.
Рис. 6.8. Синусоидальный фликкер светового потока — эквигенные кривые. Внутренняя кривая соответствует порогу чувствительности
Непрерывные изменения светового потока, создающий неприятные ощущения, зависят не от формы изменений (синусоидальная, прямоугольная и т. д.), а от частоты повторений изменений. Можно, следовательно, проводить рассуждения применительно к синусоидальным изменениям.
Изменения освещенности с частотой 100 Гц у ламп, нормально питаемых током с частотой 50 Гц, не воспринимаются глазом. Если частота световых изменений снижается, то глаз становится более чувствительным, после того как их амплитуда пройдет некоторый порог. Этот порог уменьшается и проходит через минимум при частоте, близкой к 20 Гц, а затем снова возрастает. Минимум этот отвечает синусоидальному напряжению с частотой 10 Гц и относительной амплитудой, равной 0,3 %.
Можно построить кривые одинакового ущерба, подобные пороговой кривой (рис. 6.8).
Итак, в качестве эталонного выбирается ущерб, производимый изменениями освещенности с частотой 20 Гц. Эти изменения света с частотой 2f, производимые изменениями напряжения с частотой / и амплитудой а/, вызывают ущерб, равный изменениям напряжения с частотой 10 Гц и амплитудой, такой, что
Если наложить два изменения с различными частотами /, и f2 и соответствующими амплитудами а, и а2, то общий ущерб будет эквивалентен ущербу от изменений с частотой 10 Гц и амплитудой а, 0 такому, что
Общий ущерб за промежуток времени Г пропорционален
(6.28)
(6.29)
Рис. 6.9. Кривая усиления зрения глаза, рассматриваемого в качестве линейного фильтра:
Rf— отношение амплитуд светового потока при частоте F и частоте F= 20 Гц при одном я том же коэффициенте усиления
Рис. 6.10. Кривая усиления системы «глаз — лампа»:
Rfj— отношение амплитуд изменения напряжений при частоте F и частоте F= 10 Гц при одном и том же коэффициенте усиления; 1 — лампа накаливания; 2 — флуоресцентная лампа
Последние соотношения показывают, что глаз представляет собой линейный фильтр, кривая ущерба для которого легко выводится на основе характеристик, изображенных на рис. 6.8, и воспроизводится на рис. 6.9.
Изменения светового потока, воспринимаемые глазом, не идентичны изменениям напряжения, испытываемым лампами. В самом деле, чем большую частоту имеют изменения, тем меньше отношение чувствительных амплитуд светового потока к относительным амплитудам напряжения. Разные лампы по-разному ведут себя: так, люминесцентные лампы в большей степени подавляют изменения напряжения, чем лампы накаливания.
Если вместо глаза рассматривать совместно лампу и глаз, то можно принять, что они ведут себя как линейный фильтр, однако кривая ущерба для фильтра отличается от кривой для глаза, приведенной на рис. 6.10. Максимальная чувствительность совокупности «лампа + глаз» получается при изменениях напряжения с частотой 10 Гц. Но этот результат не так очевиден, поскольку он зависит от формы кривой переходного процесса ламп при различных частотах. Формулы (6.28) и (6.29), напротив, здесь действительны и позволяют определить единицу измерения фликкера как процент в квадрате, умноженный на минуту [(%)2-мин].
Ущерб, вызываемый фликкером, измеряется с помощью аппарата, называемого фликкерметром — линейным фильтром, кривой ущерба которого является кривая совокупности «лампа + глаз». На выходе этого фильтра напряжение измеряется вольтметром, состоящим из счетчика, посылающего импульсы, число которых в минуту записывается на бумажной ленте. Таким образом, величина А измеряется [см. (6.29)] в процентах в квадрате в каждую минуту.
Замечание. Хотя и удается, как было упомянуто, обнаружить фликкер напряжения величиной в 0,3%, ущерб обнаруживается только тогда, когда фликкер достигает значительно больших величин. В общем случае принято, что порог ущерба составляет 1—1,5% для медленных, длительных явлений и больше этой величины для быстрых явлений.
Практическая оценка и пути уменьшения фликкера.
Метод оценки общего ущерба, приписываемого явлению фликкера, зависит от природы этого явления. В самом деле, можно различать:
длительные фликкеры, которые держатся более или менее регулярно в течение недель или месяцев, но соответствуют ограниченным падениям напряжения. Тогда оценивается средний ущерб у всех потребителей, испытывающих значительный фликкер;
фликкеры, появляющиеся в случайные периоды, вызванные главным образом дуговыми печами.
Рассмотрим виды фликкеров.
Длительный прерывистый фликкер, имеющий ограниченную амплитуду, можно представить в виде полного сопротивления, величина которого резко меняется от Z, до Z2. Это сопротивление подключают к точке сети с напряжением U и входным сопротивлением (всей части сети до этой точки) ZBX.
Напряжение на зажимах этого аппарата меняется скачками от одного значения до другого:
Следовательно, его относительное изменение
Характер изменения AU/U в зависимости от Z2 /Z, представлен на рис. 6.11. Можно различить на этом рисунке две области значений (Z2 /Z,).
В первой области сопротивление Z2 остается относительно большим по сравнению с ZBX, а изменения напряжения, хотя и велики, ограничены. Во второй области полное сопротивление Z2 становится незначительным (Z2<ZBX), a изменения напряжения значительны. Можно записать для Z2 (когда оно очень
мало)
Потребители, питающиеся от одной и той же сети, испытывают большие скачки напряжения A U/U, если они отвечают области правее точки F, и меньшие, если —левее.
Во всяком случае, для уменьшения фликкера необходимо:
•а) задаваться максимально возможной величиной Z2, принимая во внимание принцип действия потребительского аппарата (это условие иногда трудно выполнить, поскольку оно означает уменьшение мощности, поставляемой потребителю);
б) задаваться меньшей величиной ZBX таким образом, чтобы Zj > Zbx.
Рис. 6.11. График изменения относительного падения напряжения, вызываемого фликкером, в зависимости от отношения Z5/Z, (предполагается, что полное сопротивление аппарата, который вызывает фликкер, меняется скачком от Z, до Zj)
Условие б) показывает, что подключать аппарат — источник фликкера — желательно в такой точке сети, в которой мощность к. з. Рк = U2/ZBX очень велика по сравнению с мощностью потребляемой аппаратом.
В общем случае принимают
уСЛ0ВИе
(6.30)
Это заставляет присоединять некоторые аппараты НН —генераторы фликкера (например, сварочные машины) на среднее и высокое напряжения.
Например, потребление мощности тяговыми подстанциями. Национального общества железных дорог при торможении электровоза равно 3—4 MB • А.
Эти подстанции питаются только сетями напряжением, равным 63 кВ (или 90 кВ) или выше.
В дуговых печах приходится подсчитывать кумулятивный ущерб за время плавки, нанося кривую кумулятивных доз в соответствии с цифрами, определяемыми фликкером. Эти кривые воспроизводятся не одинаково от одной плавки к другой, и поэтому необходимо рассматривать среднюю кумулятивную кривую. Из нее выводят кумулятивный ущерб G для одной плавки.
При плавке потребление реактивной мощности ограничивается только полным сопротивлением короткого замыкания сети в точке присоединения печи.
Пусть Uном — номинальное напряжение сети; Хк — реактивное сопротивление к.з. сети, отнесенное к точке присоединения печи; AQ — набросы реактивной мощности; коэффициент перехода к эквивалентному ущербу; Т— общее время плавки в дуговой печи.
При этом кумулятивный ущерб
Та же самая печь, присоединенная в двух точках А я В к сети, где реактивные сопротивления короткого замыкания соответственно равны ХА и Хв, произведет кумулятивные ущербы GA и GB, такие, что
Рассмотрение кумулятивного ущерба позволяет, следовательно, изучать условия присоединения к сети дуговых печей. В самом деле, видно, что единственным способом устранения фликкера, причиняющего сети ущерб, является присоединение печи к точке с малым значением полного сопротивления к.з., т. е. к узлу сети, где мощность к.з. значительна.
Можно таким образом выявить необходимость установки на подстанции ВН, где будет подключена сеть, отдельного питающего трансформатора, работающего параллельно с существующим трансформатором.
