Необходимый уровень напряжения на входных клеммах питания потребителя важен для успешной работы оборудования и бытовых приборов. Практические значения тока и соответствующие перепады напряжения в типичной низковольтной сети показывают важность поддержания высокого коэффициента мощности как способа снижения перепадов напряжения.
(1)Трансформаторы, спроектированные в соответствии со стандартом IEC на напряжение 230/400 В будут иметь выходное напряжение холостого хода 420 В, т.е. 105% от номинального напряжения.
1.4 Качество поставляемого напряжения
В самом широком смысле качество напряжения в низковольтной распределительной сети означает:
Соответствие нормативным требованиям в отношении величины напряжения и частоты I
Отсутствие постоянных колебаний напряжения в пределах допустимых отклонений
Бесперебойное снабжение электроэнергией, за исключением отключений на плановое техническое обслуживание, или отключений, вызванных системными неисправностями ' или другими чрезвычайными ситуациями.
Сохранение формы волны, близкой к синусоидальной.
В данном подразделе будет рассмотрено только поддержание величины напряжения, остальные вопросы обсуждаются в подразделе 1.3 главы E.
В большинстве стран органы, отвечающие за электроснабжение, обязаны поддерживать уровень напряжения на входных клеммах потребителей в пределах ± 5% (или в некоторых случаях ± 6% и больше - см. таблицу D1) от заявленного номинального значения. И вновь МЭК и большинство национальных стандартов рекомендуют, чтобы низковольтные приборы проектировались и испытывались на функционирование при изменениях напряжения в пределах ± 10% от номинального значения. Это оставляет запас на самые худшие условия 5%-ного допустимого падения напряжения в сети электроустановки (например, - 5% на входных клеммах). Падения напряжения в типичной системе распределения электроэнергии происходят следующим образом: нап ряжение на высоковольтных клеммах трансформатора высокого/низкого напряжения обычно поддерживается в пределах ±2% от диапазона с помощью автоматических регуляторов коэффициента трансформации нагруженных трансформаторов в подстанциях, питающих эту высоковольтную сеть от распределительной сети более высокого напряжения. Если рассматриваемый трансформатор высокого/низкого напряжения расположен вблизи подстанции, этот 2% диапазон колебаний напряжений может приходиться на уровень напряжения, превышающий номинальную величину высокого напряжения. Например, в 20-кВ системе напряжение может составлять 20,5 кВ ± 2%. В этом случае в распределительном трансформаторе высокого/низкого напряжения регулятор коэффициента трансформации должен быть установлен в положение + 2,5%. И наоборот, в местах, удаленных от подстанций, возможна величина напряжения 19,5 кВ ±2%, и в этом случае регулятор коэффициента трансформации должен быть установлен в положение -5%. Разные уровни напряжения в системе допустимы и зависят от схемы распределения мощности. Кроме того, эти различия являются причиной использования термина «номинальное» применительно к напряжению в системе.
Практическое применение
Если на трансформаторе высокого/низкого напряжения правильно установлен регулятор коэффициента трансформации, напряжение на выходе ненагруженного трансформатора будет поддерживаться в пределах ± 2 от его выходного напряжения холостого хода. Для того чтобы нагруженный трансформатор мог поддерживать необходимый уровень напряжения, выходное напряжение холостого хода должно быть максимально возможным, но не превышать верхний предел + 5% (эта величина взята для примера). В современной практике соотношение обмоток трансформатора обычно дает выходное напряжение холостого хода около 104% от номинального значения1, если к высоковольтной обмотке прикладывается номинальное напряжение или оно корректируется регулятором коэффициента трансформации в соответствии с описанным выше способом. В рассматриваемом случае это приведет к диапазону изменения напряжений от 102% до 106%.
Типичный трансформатор низковольтной распределительной сети имеет реактивную составляющую напряжения короткого замыкания 5%. Если предположить, что его активная составляющая напряжения имеет 0,1 от этой величины, то перепад напряжений в таком трансформаторе при полной нагрузке и коэффициенте мощности 0,8, составит: Перепад напряжений (%) = R% cos ф + X% sin ф = 0,5 х 0,8 + 5 х 0,6 = 0,4 + 3 = 3,4% При этом диапазон напряжений на выходных клеммах полностью нагруженного трансформатора составит от (102 - 3,4) = 98,6% до (106 - 3,4) = 102,6%. Тогда максимально допустимый перепад напряжений по распределительному кабелю составит 98,6 - 95 = 3,6%.
В практическом смысле это означает, что в трехфазной четырехпроводной распределительной сети напряжением 230/400 В кабель средних размеров с медными жилами сечением 240 мм2 сможет обеспечить питание суммарной электрической нагрузки 292 кВА (при коэффициенте мощности 0,8), распределенной равномерно по длине кабеля 306 метров. Или же может быть обеспечено питание такой же нагрузки, расположенной на территории одного потребителя на расстоянии 153 метра от трансформатора при таком же падении напряжения и т.д. Интересно, что согласно расчетам, приведенным в стандарте IEC 60287 (1982 г.), максимальная мощность, передаваемая таким кабелем, составляет 290 кВА и поэтому диапазон допустимых напряжений в 3,6% не является чрезмерно ограничительным, т.е. такой кабель может полностью нагружаться для передачи мощности на расстояния, обычно требуемые в низковольтных распределительных системах. Кроме того, отстающий коэффициент мощности 0,8 соответствует промышленным нагрузкам. В смешанных полупромышленных районах более типичным является значение этого коэффициента 0,85, а для расчетов применительно к жилым районам обычно используется значение 0,9. Поэтому приведенный выше провал напряжения может рассматриваться как наиболее худший случай.
(1)Система телеуправления представляет собой сигнальную систему, в которой на соответствующих подстанциях в низковольтную сеть подается ток звуковой частоты (обычно 175 Гц). Этот сигнал передается в виде кодированных импульсов. В системе используются реле, настроенные на эту частоту сигнала и распознающие используемый код, которые сработают и инициируют выполнение требуемой функции. Предусмотрено до 960 дискретных управляющих сигналов.
В данном справочнике не будут рассматриваться конкретные тарифы, поскольку в мире действует столько же различных структур тарифов, сколько существует энергоснабжающих компаний.
Некоторые из тарифов очень сложные по структуре, но определенные элементы являются для всех них общими и направленными на то, чтобы стимулировать потребителей контролировать потребление ими энергии так, чтобы снизить стоимость ее производства, передачи и распределения.
Имеются два основных метода, которых позволяют снизить стоимость электроэнергии, поставляемой потребителям:
Снижение потерь энергии при ее производстве, передаче и распределении. В принципе минимальные потери в энергосистеме достигаются тогда, когда все ее компоненты функционируют при коэффициенте мощности 1,0.
Снижение пикового спроса на электроэнергию при одновременном увеличении спроса в периоды низкого энергопотребления, благодаря чему обеспечивается более полное использование генерирующей установки и минимизируется степень ее резервирования.
Снижение потерь
Хотя идеальное условие, указанное выше в первом способе снижения стоимости электроэнергии, не может быть реализовано на практике, многие структуры тарифов основаны частично как на величине потребных киловольт-амперов, так и потребленных киловатт-часах. Поскольку при заданной нагрузке в киловаттах минимальное значение киловольт-амперов имеет место при коэффициенте мощности, равном единице, то потребитель может минимизировать свои затраты на оплату энергии, приняв меры по повышению коэффициента мощности своей нагрузки (этот вопрос рассматривается в главе K). Потребное количество киловольт-амперов, обычно используемое для тарифных целей, представляет собой максимальное среднее количество киловольт- амперов в течение каждого расчётного периода и основано на средних потребностях в электроэнергии в течение фиксированных периодов (обычно 10-, 30- или 60-минутных периодов) и выборе максимального из этих значений. Этот принцип описан ниже в подразделе «Принцип учета максимального потребления электроэнергии».
Снижение пикового спроса на электроэнергию
Вторая цель, т.е. снижение пикового спроса на электроэнергию при одновременном увеличении спроса в периоды низкого энергопотребления загрузок, привела к появлению тарифов, которые предлагают существенное снижение стоимости электроэнергии в:
определенные часы в течение суток
определенные периоды года
Простейшим примером является бытовой потребитель с водонагревателем накопительного типа (или комнатным электрообогревателем накопительного типа). Датчик электроэнергии имеет два цифровых регистра, один из которых работает днем, а другой (переключаемый таймером) - ночью. Контактор, управляемый этим таймером, замыкает цепь питания водонагревателя, и потребление им электроэнергии показывается регистром, к которому применяется сниженный тариф. Этот нагреватель может быть включен и выключен в любое время в течение дня, но учет энергии будет проводиться по обычному тарифу. Крупные промышленные потребители могут иметь три или четыре тарифа, действующие в разные периоды суток, и аналогичное число тарифов для разных периодов года. В таких схемах соотношение стоимостей киловатт-часа в периоды максимального и минимального спроса в течение года может достигать 10:1.
Счетчики энергии
Следует отметить, что для реализации этого вида учета с использованием традиционного электромеханического оборудования необходимы высококачественные приборы и устройства. К настоящему времени внедрены в эксплуатацию последние разработки в области электронного учета, микропроцессоров и дистанционного контроля телеуправления1 из диспетчерского центра энергоснабжающей организации (призванный изменить распределение периодов пикового потребления по времени на протяжении года и др.). Это позволило значительно облегчить применение рассмотренных выше принципов.
Как отмечалось выше, в большинстве стран некоторые тарифы частично основаны на учете не только потребленных киловатт-часов, но и потребленных киловольт-амперов в течение расчетных (обычно трехмесячных) периодов. Максимальное потребление полной мощности, зафиксированное счетчиком, который будет описан ниже, представляет собой фактически максимальное среднее количество киловольт-амперов, зафиксированное в последующие интервалы на протяжении расчетного периода.
На >рис. D1( показана типичная кривая спроса на электроэнергию для двухчасового периода, разделенного на 10-минутные интервалы. Счетчик измеряет среднее значение кВА в течение каждого из этих 10-минутных интервалов.
Рис. D10: Максимальное среднее значение кВА за двухчасовой период
