Оценка способов регулирования напряжения на выводах электроприемников

ЭЛЕКТРОЭНЕРГЕТИКА

УДК 621.312:621.313/.316

ОЦЕНКА СПОСОБОВ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ НА ВЫВОДАХ ЭЛЕКТРОПРИЕМНИКОВ.

И.П. КОНСТАНТИНОВ, И.М. ВАЛЕЕВ Казанский государственный энергетический университет

Рассматриваются научные основы оценки способов регулирования напряжения для обеспечения такого уровня надежности электроснабжения, который достаточен для современных предприятий со сложными и непрерывными технологическими процессами и реализуем в действующих энергосистемах России. Предлагаемые способы позволяют выбрать схемы распределительных устройств для независимого регулирования напряжения за счет разработки схем и подключения нетипового электрооборудования.

Главный параметр надежности электроснабжения - его непрерывность. В статистике учитываются перерывы продолжительностью свыше 300 мс, однако на практике во много раз больше перерывов длительностью меньше 25 мс. Для их устранения рекомендуются источники непрерывного питания различных типов

[1-3].

Другой важный параметр качества электроснабжения - стабильность напряжения. Проблема его поддержания на должном уровне в любом узле электроэнергетической системы и в настоящее время остается актуальной.

С электроснабжением современных промышленных предприятий, имеющих электроприемники первой категории и непрерывные технологические процессы (в нефтедобыче и транспортировке нефти и нефтепродуктов, в химии, горнообогатительных производствах, металлургии, бумагоделательной промышленности и многих других), связана одна общая проблема. Она состоит в том, что для таких предприятий перерыв питания па несколько секунд или даже на десятые доли секунды ведет к нарушению непрерывного технологического процесса и остановке производства, что означает в лучшем случае длительный (на часы) перерыв в работе предприятия, в худшем - происходит повреждение оборудования, возникает угроза для окружающей среды и пр. В то же время кратковременные нарушения электроснабжения (КНЭ) в электрических сетях -короткие замыкания (КЗ), ликвидируемые защитами с восстановлением питания действием АПВ или АВР, - являются неизбежным атрибутом их работы, и защитить электрическую сеть так, чтобы в ней вообще не возникали КЗ, практически невозможно.

Стабильность напряжения питания можно подразумевать только в ограниченном смысле. Так, ни одно из существующих технических решений не способно обеспечить нормальный уровень напряжения на шинах гарантированного питания. В целом гарантированность питания можно понимать только как большую или меньшую независимость напряжения на рассматриваемых шинах от процессов, происходящих в питающей системе. В идеальном случае шины гарантированного питания должны быть полностью защищены от внешних возмущений.

© И. П. Константинов, И. М. Валеев Проблемы энергетики, 2007, № 3-4

Известно [1, 4], что уровень напряжения в любом узле

электроэнергетической системы непрерывно меняется в зависимости от изменения нагрузки и схемы сети. Величина уровня является одним из показателей качества электроэнергии, нормируемых ГОСТ 13109-87, согласно которому напряжение в сетях до 1 кВ в нормальном режиме не должно выходить за пределы допустимых значений:

и - и

5 и% =------22м • 100% = ±5%

и ном

(в сетях 6-10 кВ в нормальном режиме этот показатель не нормируется). В послеаварийном режиме в сетях до 1 кВ и 6-10 кВ допускается отклонение не более 5и% ± 10 % (в сетях 35 кВ и выше этот показатель не нормируется). Указанные в ГОСТ 13109-87 допустимые отклонения напряжения нормируются именно для нагрузок, т. е. для электродвигателей (высоко- и низковольтных), освещения, электротехнологии, которые всегда питаются на напряжении до 10 кВ. Кроме указанных в ГОСТ 13109-87 ограничений существует ограничение по наибольшему рабочему напряжению оборудования. Это ограничение диктуется надежностью работы изоляции электроустановок, поскольку повышение напряжения сверх наибольшего рабочего значения вызывает ускоренное старение изоляции и выход ее из строя. Величины наибольшего рабочего напряжения нормируются в ГОСТ 721-77, а именно: с повышением номинального напряжения к электроустановкам снижаются допустимые значения напряжения от +20% до +5%. Вероятно это связано с тем, что в установках более высоких напряжений стоимость изоляции составляет значительную часть стоимости оборудования, и поэтому при разработке оборудования стремятся минимизировать затраты на изоляцию и выполнить ее по условиям нормальной работы практически на номинальное напряжение. Следует отметить, что при наличии в сети 6-10 кВ высоковольтных двигателей наибольшее рабочее напряжение сети должно быть не более, чем на 10 % выше номинального.

Допустимые снижения напряжения в энергосистеме определяются условиями устойчивости параллельной работы генераторов и устойчивостью узлов нагрузки и составляют порядка 10-15% в послеаварийном режиме.

Поэтому при изменении параметров схемы и режима электрической системы необходимо регулировать уровень напряжения посредством технических мероприятий.

Электрический режим участка сети характеризуется совокупностью параметров, исходными данными для расчета которых являются: схема электрических соединений участка сети; потоки мощности; значения напряжений в узлах. Когда напряжение в одном из узлов участка сети и токи в элементах, примыкающих к узлу, заданы, расчет электрического режима, в частности напряжение у потребителя, производится по формуле

и=ицрп -Рн Я+а- *э,

и ЦРП

где ицрп - напряжение на шинах центральной распределительной подстанции

(ЦРП); Яэ, Хэ - активные, реактивные сопротивления; Рн, 2н - активная и реактивная мощности нагрузки потребителя, соответственно.

Из анализа вышеприведенной формулы видно, что теоретически влиять на напряжение потребителя можно путем изменения и црп , Рн, ^э, 2н и Хэ.

Однако практически Рн и Лэ - величины заданные и, следовательно, влиять на напряжение у потребителя можно, воздействуя только на три параметра: ицрп , Qн и Хэ . Кроме этих трех параметров для изменения напряжения у потребителя возможно так называемое местное регулирование напряжения непосредственно на шинах потребителя (регулирование путем изменения коэффициента трансформации трансформаторов на второй - 35/6; 10 кВ или третьей - 6; 10/0,4 кВ ступени понижения напряжения при питании от ЦРП).

Из анализа формулы (2) видно, что регулирование уровня напряжения у потребителя возможно путем варьирования основных трех указанных параметров: иЦРП , ^н и Хэ .

1. Регулирование напряжения путем изменения ицрп .

Регулирование напряжения называется централизованным, если оно осуществляется на шинах электрических станций и в ЦРП.

Оценим эффективность указанного способа регулирования напряжения.

Регулирование на шинах станции может осуществляться двумя способами: либо за счет регулирования напряжения иГ на шинах генераторов, либо путем изменения коэффициентов трансформации повышающих трансформаторов. В первом случае, не меняя активную мощность генераторов, можно регулировать напряжение иГ в пределах 0,95-1,05иГном, т.е. 8и = ±5%. Во втором случае изменение коэффициента трансформации Кт при наличии п регулировочных ответвлений и ступенью регулирования Ди% определяется выражением

* К = ЛК иВНном п • Аи к иЛи

Д К Т = ЛК Т --------------- К Гном-----.

и ННном 100 100

Для повышающих трансформаторов, оснащенных ПБВ (переключение без возбуждения), стандартное исполнение которых характеризуется п = 0,±1,±2 и

Ди=2,5%, максимальное изменение Кт составит Д Кт тах=±5%.

Приблизительно на столько же меняется напряжение ивн на шинах высшего напряжения электрической станции. Таким образом, централизованное локальное регулирование напряжения электрических станций в общем случае оказывается недостаточно эффективным. Обычно регулирование напряжения на шинах генераторного напряжения, как и на шинах высшего напряжения станций, практически не ведется. Это вызвано тем, что генерирующие мощности (крупные ГРЭС на угольных разрезах, крупные гидроэлектростанции) находятся на значительном удалении от центров потребления и связаны с ними по линиям высоких и сверхвысоких напряжений (500, 750, 1150 кВ) значительной длины, и повышать напряжение на шинах высокого напряжения этих станций сверх 1,05ином нельзя по условиям работы изоляции. Длинные линии, связывающие электростанции с нагрузкой, и передача значительной мощности ведет к тому, что даже при напряжении на шинах высшего напряжения станции (в начале линии), равном 1,05 напряжения в центрах потребления (в конце линии), составляет немногим более 0,95 ином.

Регулирование напряжения в ЦРП осуществляется за счет изменения коэффициентов трансформации КТ понижающих трансформаторов, оснащенных устройствами РПН (регулирование под нагрузкой). Наиболее глубокое изменение К т , а следовательно и напряжения на шинах нагрузки достигается с помощью устройств РПН, обеспечивающих Д К т =±16,02% или ± 9x1,78%. Трансформаторы с РПН используют для суточного регулирования напряжения (в отличие от трансформаторов с ПБВ, используемых для сезонного регулирования).

Кроме устройств ПБВ и РПН, в качестве устройств, регулирующих напряжение на шинах низшего напряжения, могут использоваться трансформаторы двойного питания [5]. Они имеют четыре обмотки, две из которых первичные, а две - вторичные.

Процессы в четырехобмоточном трансформаторе в различных рабочих и аварийных стационарных режимах описываются системой нелинейных уравнений с комплексными переменными и коэффициентами. Нелинейность этой системы обусловлена зависимостью магнитных сопротивлений от изменения магнитной индукции в стержнях магнитопровода.

В четырехобмоточном трансформаторе нагрузка распределяется по вводам трансформатора соответственно их мощности: ввод с меньшим сопротивлением питающей системы принимает большую нагрузку. Отключение одного из них ведет к тому, что вся нагрузка принимается оставшимся в работе вводом, обеспечивающим приемлемое напряжение на ней. КЗ на одном из вводов трансформатора приводят к значительному (до 70 % при трехфазном

металлическом КЗ) снижению напряжения на соответствующем выводе трансформатора и небольшому (не более 15 %) снижению напряжения на соседнем выводе.

Результаты исследований свидетельствуют о возможности использования трансформаторов двойного питания весьма ограниченной мощности для организации шин гарантированного питания средств защиты и автоматики, особенно питания приводов выключателей.

2. Регулирование напряжения путем изменения реактивной мощности нагрузки Он.

Следующим способом регулирования напряжения является компенсация реактивной мощности нагрузки в узлах сети путем установки компенсирующих устройств (КУ). В качестве устройств, компенсирующих реактивную мощность нагрузки, могут использоваться батареи статических конденсаторов, синхронные компенсаторы, СТК.

Рассмотрим влияние установки КУ в узле нагрузки на уровень напряжения в этом узле на примере простейшей схемы рис. 1.

Рис. 1. Схема узла сети с компенсирующим устройством © Проблемы энергетики, 2007, № 3-4

Мощность, передаваемая по линии из ЦРП при отсутствии КУ, равна

S = Рн + jQ = Рн + JÜH.

Передача этой мощности по линии при отсутствии КУ вызывает, в соответствии с (5), потерю напряжения (при неучете поперечной составляющей падения напряжения) на линии:

. Рн R + Qн X

AU * .

U ЦРП

Если в узле нагрузки установлено КУ, то передаваемая по линии реактивная мощность снижается на величину реактивной мощности, генерируемой КУ:

S = рн + — QKy ) •

Соответственно снижается падение напряжения на линии:

д^РнЯ+О^Оку)*

UЦРП

и, тем самым, напряжение в узле нагрузки возрастает.

Если полностью компенсировать реактивную мощность нагрузки, т. е. сделать 0н — Оку =0, то по линии будет передаваться только активная мощность и падение напряжения на линии будет минимальным. Следует отметить, что, генерируя в узле нагрузки реактивную мощность сверх 0н, можно сделать величину Он — Оку < 0 и таким образом сделать напряжение в точке установки КУ даже выше, чем напряжение на шинах ЦРП. Этот способ повышения напряжения особенно подходит для протяженных сельских сетей с практически активной нагрузкой, когда уровень напряжения у потребителя недостаточен для нормальной работы бытовой нагрузки.

Кроме благоприятного влияния на уровень напряжения, установка КУ приводит к уменьшению потерь активной мощности:

ДР= Рн + Q — Оку )2  R.

U 2

Также из этой формулы следует, что при полной компенсации реактивной мощности, т. е. при 0н — Оку = 0, потери активной мощности в линии будут минимальными. Интересно заметить, что генерирование реактивной мощности сверх 0н снова вызовет рост потерь активной мощности в линии в соответствии с вышеприведенной формулой, где ставшая в этом случае отрицательной величина 0н — Оку возводится в квадрат.

3. Регулирование напряжения путем изменения Хэ •

Включая последовательно в линию емкость достаточной величины, можно скомпенсировать значительную часть реактивности Хэ (в реальных электропередачах до 70%). При этом падение напряжения в линии уменьшается. Тем самым достигается эффект регулирования. Такие емкости, включаемые в

линию последовательно, называются установками продольной компенсации (УПК) [6, 7].

Один из способов устранения противоречия между источниками и потребителями электроэнергии - включение в состав энергосистем накопителей энергии (НЭ), обеспечивающих, с одной стороны, равномерную нагрузку электростанций, а с другой - выравнивание переменной части графика электропотребления.

Помимо этого существует ряд электроэнергетических задач, которые могут быть частично или полностью решены с помощью НЭ;

• повышение пропускной способности межсистемных связей;

• стабилизация частоты и напряжения, повышение качества электроэнергии.

• улучшение статической и динамической устойчивости и, в конечном счете, общее повышение надежности работы ЭЭС.

НЭ можно разделить на группы по трем основным характеристикам: номинальной энергоемкости или мощности, быстродействию, требованиям к месту установки.

НЭ разделяются на две группы: 1) маневренные - с малым значением времени реверса и большой мощностью (до 1с), но рассчитанные на небольшую (до 109 Дж) энергоемкость (химические, инерционные, электрические); 2) не обладающие большим быстродействием, но рассчитанные на энергоемкость более 1014 Дж.

Накопители электроэнергии могут использоваться как для выравнивания графиков нагрузки, так и для повышения устойчивости и надежности ЭЭС. Накопители электрической энергии - единственный тип накопителей, аккумулирующий непосредственно электрическую энергию, с высоким КПД. Они инвариантны к месту установки, могут быть расположены в центрах нагрузки и непосредственно у потребителя. НЭ бесшумны в работе, достаточно надежны, так как не имеют движущихся частей, экологически чисты в производстве и утилизации. Более перспективными накопителями электроэнергии в настоящее время являются электрохимические конденсаторы (ЭК, суперконденсаторы).

Сравнивая эксплуатационные показатели электрохимических конденсаторов (ЭК) [8, 9] с имеющимися источниками тока, видно, что они занимают промежуточное положение между электростатическими, электролитическими конденсаторами и аккумуляторными батареями (табл. 1).

Таблица 1

Параметры Традиционные конденсаторы Электрохимические конденсаторы Батареи

1. Постоянная времени разряда (КС), сек. менее 0,1 0,1 ... 10 0 1 - 1

2. Удельная энергия, кДж/кг до 0,5 0,5 ... 30 >100

3. Удельная мощность, кВт/кг 10-30 10-20 0,1..0,5

4. Срок службы, циклов: заряд-разряд 10 6 10 6 до 2000

Вышеприведенные параметры определяют оптимальные сферы применения ЭК, в частности:

- при компенсации провалов мощности (как правило, в переходные периоды, при переходе с одной сети на другую, включении мощной нагрузки и т.д.) до 30 секунд с одновременным запуском аварийного дизель-генератора;

- при буферировании питающего фидера предприятия путем

подключения ЭК через тиристорный преобразователь, чтобы компенсировать провалы питающей сети.

Выводы

1. Статья затрагивает неотложные и актуальные вопросы

электроснабжения промышленных предприятий. Выполнен анализ отношений в вопросе энергоснабжающей организации и потребителя. Предложены конкретные мероприятия по регулированию уровня напряжения.

2. Научно обоснованы и предложены ЦРП оптимальные способы

централизованного регулирования напряжения на шинах электрических станций и ЦРП.

3. Предложено эффективное мероприятие по снижению посадок напряжения в сетях и повышению устойчивости работы технологических потребителей за счет использования силового трансформатора двойного питания, имеющего четыре обмотки (две первичных ВВ и две вторичных НН).

4. Рассмотрена возможность создания ёмкостно-аккумулирующей электростанции на базе суперконденсаторов повышенной энергоемкости -импульсных конденсаторов энергоёмких (ИКЭ) МНПО "ЭКОНД", основанных на эффекте двойного электрического слоя и имеющих ёмкость десятки и сотни фарад.

5. Электрохимические конденсаторы могут широко применяться в системах повышения качества электроэнергии, заменяя традиционные конденсаторы и аккумуляторные батареи. При этом заказчик получает новые потребительские качества, и прежде всего надёжность; снижаются эксплуатационные издержки.

Summary

Considerations of scientifical basis, rating methods for voltage adjustments for provision that level of reliable power supply, which is sufficient for current industrial enterprises with problems and continuous technological processes, which are realized in current Russian power systems. We are suggesting methods which are allowing to choose schemes for transformation apparatus for independent voltage adjustment as a result of inventions schemes for connecting non-typically electrical equipments.

Литература

1. Евдокунин Г.А. Электрические системы и сети: Учебное пособие. -СПб: Издательство Сизова М.П., 2004. - 304с.

2. Гурсвич Ю.Е., Файбисович Д.Л., Хвощинская З.Г. Особенности электроснабжения промышленных предприятий с непрерывными технологическими процессами // Изв. РАН. Электричество. - 1990. - № 1.

3. Гурсвич Ю.Е., Фанбисович Д.Л., Хношмиская Ч.Г. О бесперебойности электроснабжения промышленных потребителей // Изв. РАН. Электричество. -1995. - №8.

4. Правила устройства электроустановок. Изд. 7-е. - М.: Изд-во НЦЭНАС, 2002.

5. Федеральный закон № 184-ФЗ «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 г.

© Проблемы энергетики, 2007, № 3-4

6. Басков М.В., Скворцов А.В. Исследование режимов пуска и

самозапуска электродвигательной нагрузки с целью обеспечения непрерывности технологических процессов // Электрика. - № 4. - 2006. - С.19-24.

7. Астахов Ю.Н., Веников В.А., Иванов А.М. и др. Функциональные

возможности накопителей электрической энергии в энергосистемах // Изв. РАН.

Электричество. - 1983. - №4.

8. C.J. Farahmandi, D. Gideon “Comparison of Electrochemical Capacitors and Batteries for Short Duration UPS Applications”, Proceeding of the 6th International Seminar on DLC and Similar Energy Storage Devices, Dec. 9-11, 1996, Deerfield Beach, FL, USA.

9. M.W. Carlen, T. Christen “Testing and Modelling of SuperCap

Applications”, Proceedings of the 7th International Seminar on DLC and Similar Energy Storage Devices, Dec. 8-10, 1997, Deerfield Beach, FL, USA.

Поступила 20.12.2006