К местным электрическим сетям (в первую очередь это относится к сетям напряжением до 1 кВ) непосредственно подключены электроприемники. В соответствии с ГОСТ 13109-97 на зажимах электроприемников во всех режимах должны быть обеспечены допустимые отклонения напряжения, которые он устанавливает. Так, нормально допустимые значения отклонений напряжения равны ±5 % от номинального значения. Обратимся к примеру электрической сети, представленной на рис. 2.10.1, состоящей из трансформатора и линии, например, напряжением 380 В, к которой в разных точках подключены электроприемники. В линии 1-2 самое высокое напряжение имеет место в точке 1, а самое низкое - в точке 2. Для обеспечения требуемого качества напряжения у наиболее близких к трансформатору электроприемников (точка 1) отклонение напряжения не должно превышать +5 %, а у наиболее удаленных электроприемников (точка 2) оно не должно быть ниже -5 %. С учетом этого максимальный уровень напряжения U1нб в узле 1 должен быть не выше 1,05 UH0M, а минимальный уровень напряжения U2нм в узле 2 должен быть не ниже 0,95 UH0М . В итоге имеем, что в сети определенного класса напряжения, где в любой точке, в том числе в самом начале и конце, могут быть подлючены электроприемники, предельно допустимая потеря напряжения равна
Uпр.доп = U1нб - U2нм . (2.10.1)
Легко подсчитать, что она составляет 10 %
Uпр.доп = (1,05- 0,95)Uном = 0,1Uном.
Рис. 2.10.1. Схема местной сети для определения допустимой потери напряжения
Действительная потеря напряжения в сети, определяемая формулой
U = ,
зависит от передаваемой мощности. Мощность нагрузки в сети постоянно меняется в пределах от минимального SНМ до максимального Sнб значений. Очевидно, потеря напряжения в первом случае наименьшая, а во втором - наибольшая. Конечно, при изменении передаваемой мощности изменяются
уровни напряжения в сети. Если фактическое напряжение в узле 1 станет ниже U1нб (6.81), то допустимая потеря напряжения Uдоп станет меньше Uпр.доп.
Для предотвращения этого используют возможности регулирования напряжения трансформаторами. Особенно эффективны в этом отношении трансформаторы с регулированием напряжения под нагрузкой, позволяющие при изменении нагрузки поддерживать требуемые напряжения на шинах вторичного напряжения. В соответствии с ПУЭ установка таких трансформаторов обязательна на подстанциях с вторичным напряжением 6-20 кВ, к которым присоединены распределительные сети. Применяемые понижающие трансформаторы с обмотками высшего напряжения 6-10 кВ, как правило, не имеют такого регулирования. В них изменение напряжения на шинах вторичного напряжения можно произвести только при отключении нагрузки на какое-то время, что используется весьма редко. Поэтому допустимая потеря напряжения в питаемых от них линиях меньше.
Таким образом, на допустимую потерю напряжения влияют многие факторы. Учесть их все весьма затруднительно.
В практических расчетах часто принимают следующие значения допустимой потери напряжения:
• для сетей напряжением 380 В от шин низшего напряжения подстанции до последнего электроприемника Uдоп =5...6 % ;
• для сетей напряжением 6-10 кВ Uдоп =6...8 % .
2.10.2. Выбор коэффициента трансформации понижающего трансформатора.
Регулирование напряжения трансформаторами и автотрансформаторами осуществляется посредством изменения коэффициентов трансформации. Для этого на всех трансформаторах выполняют специальные ответвления, которые соответствуют различному числу витков обмоток и, следовательно, различным коэффициентам трансформации.
Напряжение на шинах низшего напряжения двухобмоточного трансформатора можно записать в виде
где - напряжение на шинах низшего напряжения, приведенное к шинам высшего напряжения; п - коэффициент трансформации, выражаемый через номинальные напряжения обмоток высшего Uвн и низшего Uнн напряжений.
При изменении числа витков в обмотке высшего напряжения будет изменяться UВ.НОМ и, следовательно, напряжение на вторичной стороне трансформатора, т. е. при переходе с одного ответвления на другое будет происходить регулирование напряжения.
Поясним принцип регулирования напряжения с помощью трансформаторов на следующем примере. Пусть имеем двухобмоточный трансформатор, связывающий сети 110 и 10 кВ (рис. 2.10.2, а). Обмотка низшего напряжения имеет номинальное напряжение 10,5 кВ, а на обмотке высшего
напряжения выполнены ответвления с числом витков, отличающимся друг от друга на 2,5 %: +5; +2,5; 0; -2,5; -5. Тогда номинальные напряжения обмотки высшего напряжения и соответствующие им коэффициенты трансформации будут равны:
Рис. 2.10.2. Двухобмоточный трансформатор с ответвлениями (а) и диаграмма
напряжения вдоль сети (б)
Если при среднем ответвлении, равном 0 %, напряжение Uн на шинах низшего напряжения будет соответствовать коэффициенту трансформации п1 (рис. 2.10.2, б), то при ответвлении +5 % напряжение UН снизится, так как этому ответвлению соответствует коэффициент трансформации п2 > п1. Соответственно при ответвлении -5 % напряжение UН повысится, так как при этом будет п3 < п1.
В тех случаях, когда на трансформаторах имеется возможность переключения ответвлений в различных режимах работы сети, при переходе от одного режима к другому может быть осуществлено регулирование напряжения. Так, для схемы сети рис. 2.10.3, а на рис. 2.10.3.6, б показан случай, когда в режиме наибольших нагрузок напряжение UНБ выходит на шинах потребителя за низший допустимый предел Uдоп, а в режиме наименьших нагрузок Uнм - за верхний допустимый предел + Uдоп. Если на трансформаторе Т в режиме наибольших нагрузок уменьшить коэффициент трансформации, а при наименьших нагрузках сети его увеличить, то картина изменения напряжений будет иметь вид, показанный на рис. 2.10.3, в. При этом на шинах потребителя в обоих режимах напряжение окажется в допустимых пределах.
В электрических сетях эксплуатируются трансформаторы с различными видами устройств регулирования напряжения (рис. 2.10.4).
На двухобмоточных трансформаторах ответвления выполняют на обмотке высшего напряжения (ВН), а на трехобмоточных трансформаторах - со стороны ВН и среднего напряжения (СН). На обмотке низшего напряжения (НН) ответвления не делают, так как этот вариант по конструкции сложнее из-за большого тока в обмотке НН при одинаковой мощности обмоток ВН, СН и НН.
Рис. 2.10.3. Принцип регулирования напряжения трансформатора:
а – схема сети; б, в – диаграммы напряжений
Трансформаторы различают с переключением ответвлений без возбуждения (с ПБВ) и с регулированием под нагрузкой (РПН). Для
переключения ответвлений у первых требуется отключение трансформатора от сети, потому что при перестановке ответвлений разрывается ток нагрузки. Процедура переключения ответвлений занимает 1,5...2,0 ч и связана с погашением потребителей, если нет параллельно работающих трансформаторов. Обмотки трансформаторов с ПБВ выполняют со ступенями регулирования 2,5 % и диапазоном регулирования ±2 х 2,5 %.
Трансформаторы с ПБВ обычно устанавливают только на электростанциях, где частое регулирование можно выполнять генераторами. В распределительных сетях 6-20 кВ трансформаторы также, как правило, из экономических соображений выполняют с ПБВ. Трансформаторы с РПН относятся к более гибким средствам регулирования напряжения. В то же время их стоимость выше, чем стоимость трансформаторов с ПБВ. Регулировочную часть обмотки, как правило, выполняют со стороны нейтрали
трансформатора, так как при этом требуется меньшая изоляция переключающего устройства.
Переключающие устройства трансформаторов с РПН выполняют с токоограничивающими реакторами и активными сопротивлениями. Схема обмоток одной фазы трансформатора показана на рис. 2.10.5, а. Ответвление 4 соответствует нейтральному положению, при котором регулировочная часть обмотки РО не участвует в регулировании, и основная часть обмотки ОО подключена непосредственно к нейтрали О. Включение переключателя на ответвления 1-3 увеличивает коэффициент трансформации и тем самым снижает напряжение на выводах НН. Ответвления 5-7 соответствуют уменьшению коэффициента трансформации.
Рис. 2.10.4. Классификация трансформаторов по устройствам регулирования напряжения
Переход с одного ответвления на другое осуществляется без разрыва тока нагрузки путем определенного порядка перемещения контактов с помощью контакторов К, и К2 (рис. 2.10.5, б) и контакторов Ki-Кд (рис. 2.10.5, в).
Причем неизбежно в какой-то отрезок времени обмотка между соседними ответвлениями будет замкнута, и по ней пройдет ток
,
где c - напряжение ступени регулирования; Zc - полное сопротивление между двумя ответвлениями.
Этот ток может быть опасным для обмотки. Его ограничивают реактором Р
или активными сопротивлениями R1 и R2. На рис. 2.10.5, б, в показаны схемы положения переключателя в промежуточном положении.
Трансформаторы выпускают со ступенями регулирования от 1,25 до 1,78 % и диапазонами регулирования от ±10 до ±16 %. Такие большие диапазоны позволяют регулировать напряжение в широких пределах, а малые ступени - устранить недостаток, связанный с дискретностью регулирования.
На трехобмоточных трансформаторах устройство РПН выполняют на обмотке ВН, а на обмотке СН - устройство с ПБВ. При фиксированном ответвлении со стороны СН одновременно изменяются напряжения на выводах СН и НН, причем эти изменения согласованные, т. е. в одну сторону.
Рис. 2.10.5. Принципиальная схема обмоток трансформатора с РПН (а) и переключателей в промежуточном положении (б, в)
Принципиально автотрансформаторы могут быть выполнены по различным схемам (рис. 2.10.6). Каждая из схем обладает своими особенностями регулирования.
Так, в случае выполнения регулирующего устройства в нейтрали (рис. 2.10.6, а) при установке переключателя в среднее положение можно записать выражения коэффициентов трансформации в виде:
; .
Перевод переключателя на другое ответвление будет соответствовать добавке напряжения как к выводу ВН, так и к выводу СН по причине изменения числа витков обмотки на ВН и на СН. Тогда коэффициенты трансформации окажутся равными:
; .
Рис. 2.10.6. Принципиальные схемы автотрансформаторов с РПН:
а - в нейтрали: б - на выводе СН; в - на выводе ВН
При 0 будут иметь место соотношения:285
; ;
Отсюда следует, что на автотрансформаторах с РПН в нейтрали происходит несогласованное изменение напряжения на выводах СН и НН, так как при повышении напряжения на стороне СН напряжение на стороне НН будет снижаться, и наоборот. Поэтому такой способ регулирования приемлем в случаях, когда нет нагрузки на стороне НН.
Если регулирующее устройство выполнено на стороне СН автотрансформатора (рис. 13.29, б), то для среднего ответвления:
; ,
а для любого ответвления:
; .
Отсюда видно, что и , а , т. е. при выполнении РПН на выводе СН и питании со стороны ВН переключение ответвлений позволяет осуществлять регулирование напряжения только со стороны СН.
В том случае, когда автотрансформатор имеет РПН на выводе ВН (рис. 2.10.6., в), коэффициенты трансформации будут равны:
при среднем ответвлении:
; ,
при любом другом ответвлении:
; ,
Следовательно, при >0 > , и > , т. е. при переключении ответвлений происходит согласованное изменение напряжений как на стороне СН, так и на стороне НН. В этом случае по условию регулирования напряжения автотрансформаторы аналогичны трехобмоточным трансформаторам.
В энергосистемах наибольшее распространение получили автотрансформаторы с РПН на стороне СН.
Заметим, что трансформаторы и автотрансформаторы с РПН устанавливают на всех понижающих подстанциях напряжением 35 кВ и выше. Автотрансформаторы обычно применяют, начиная с напряжения 220 кВ и выше.