Регулирование напряжения на подстанциях

Одним из основных средств регулирования напряжения в электрических сетях является изменение коэффициентов трансформации трансформаторов (автотрансформаторов) на подстанциях электрических сетей. Коэффициент трансформации определяется отношением числа витков первичной w₁ и вторичной w₂ обмоток трансформатора или отношением номинальных первичного (высшего) U_вн и вторичного (низшего) U_нн напряжений трансформатора при его холостом ходе

k=w₁ /w₂=U_вн /U_нн. (7.1)

Трансформаторы (автотрансформаторы) имеют специальные ответвления от обмоток, позволяющие изменять коэффициент трансформации и, следовательно, регулировать напряжение. Переключение ответвлений может осуществляться устройством переключения без возбуждения (ПБВ) при отключении трансформатора от сети или устройством регулирования под нагрузкой (РПН) без отключения трансформатора от сети.

Для регулирования напряжения используются также специальные регулировочные трансформаторы, устанавливаемые на подстанциях.

Регулировочные ответвления двух- и трехобмоточных трансформаторов выполняют в обмотке высшего напряжения со стороны нейтрали. Ток в обмотке высшего напряжения меньше, чем в других обмотках, следовательно, условия работы РПН легче, его массогабаритные показатели лучше.

Для двухобмоточных трансформаторов регулируется коэффициент трансформации между обмотками высшего и низшего напряжений k_вн. Для трехобмоточных трансформаторов одновременно и зависимо регулируются коэффициенты трансформации k_вн между обмотками высшего и низшего напряжения и k_вс между обмотками высшего и среднего напряжения.

Регулировочные ответвления автотрансформаторов выполняют со стороны нейтрали общей обмотки или в линейном выводе обмотки среднего напряжения. В первом случае одновременно и зависимо регулируются коэффициенты k_вн и k_вс, во втором – регулируется только коэффициент k_вс.

Рассмотрим основные принципы регулирования коэффициентов трансформации. С целью упрощения трансформаторы и устройства регулирования будем рассматривать в однофазном исполнении. На рис. 7.1 приведена принципиальная схема трансформатора с устройством ПБВ. Первичная обмотка U_в имеет нулевое ответвление и четыре регулировочных ответвления: +2,5 % и +5 %. Вторичная обмотка U_н имеет неизменное число витков.

Рис. 7.1. Принципиальная схема трансформатора с устройством ПБВ

Нулевое ответвление ПБВ соответствует номинальному коэффициенту трансформации k_т=U_вн/U_нн. Другие ответвления ПБВ соответствуют изменению коэффициента трансформации до величин, указанных в табл. 7.1.

Таблица 7.1

Для переключения регулировочных ответвлений необходимо отключать трансформатор от сети. Эти переключения производятся редко, например, при сезонном изменении нагрузки. Такие трансформаторы не могут использоваться для регулирования напряжения при изменении нагрузки в течение суток.

Принципиальная схема трансформатора с РПН приведена на рис 7.2. Первичная обмотка имеет нерегулируемую (а) и регулируемую (б) части. Количество ответвлений на регулируемой части первичной обмотки таких трансформаторов больше, чем у трансформаторов с ПБВ. Например, для трансформаторов с номинальным первичным напряжением U_вн = 115 кВ диапазон регулирования напряжения составляет + 9.1,78 % U_вн. Эти трансформаторы имеют, кроме нулевого, еще 18 ответвлений.

Нулевое ответвление РПН соответствует номинальному коэффициенту трансформации k_т=U_вн/U_нн. Другие ответвления соответствуют изменению коэффициента трансформации до величины

k_т(1+0,0178i),

где i – номер ответвления.

Из рис. 7.2 видно, что для ответвлений +1, +2, ... витки регулируемой обмотки включены согласно с нерегулируемой обмоткой. При работе на этих ответвлениях коэффициент трансформации увеличивается. Для ответвлений –1, –2, ... витки регулируемой обмотки включены встречно с нерегулируемой обмоткой. При работе на этих ответвлениях коэффициент трансформации уменьшается.

Рис. 7.2. Принципиальная схема трансформатора с устройством РПН

Рассмотрим работу переключающего устройства РПН, состоящего из неподвижных контакторов К1 и К2, подвижных контактов К3 и К4 и токоограничивающего реактора LR, в среднюю точку которого включен вывод нерегулируемой обмотки трансформатора. При работе трансформатора на любом ответвлении ток нагрузки первичной обмотки распределяется поровну между двумя частями реактора. Токи в разных частях реактора текут встречно, результирующий магнитный поток и индуктивное сопротивление реактора практически равны нулю.

Пусть по условиям регулирования напряжения требуется переключиться с ответвления +2 на ответвление +1. Для этого отключается контактор К1, а подвижный контакт К3 переключается на ответвление +1. Контактор К1 включается. Секция обмотки между ответвлениями +1 и +2 оказывается замкнутой на реактор LR. Токи замыкания в обеих частях реактора совпадают по направлению, результирующий магнитный поток и индуктивное сопротивление реактора увеличиваются, чем достигается эффективное ограничение тока замкнутой части обмотки.

Далее отключается контактор К2, подвижный контакт К4 переключается на ответвление +1, после чего контактор К2 замыкается.

Трансформаторы с устройством РПН позволяют регулировать напряжение при изменении нагрузки в течение суток. Такие трансформаторы оборудуются автоматическими регуляторами напряжения (АРН), которые реагируют на изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора, давая команды на переключение ответвлений РПН согласно заданному закону регулирования напряжения.

Для повышения надежности работы РПН следует исключить его срабатывания при незначительных отклонениях напряжения, а также при значительных, но кратковременных отклонениях напряжения. Для этого АРН имеет зону нечувствительности, несколько большую половины одной ступени регулирования. В этом случае АРН выдает сигнал на переключение, если напряжение ближе к следующей ступени регулирования, чем к той, на которой в данный момент работает трансформатор.

Для отстройки РПН от срабатывания при кратковременных отклонениях напряжения в АРН предусматривается выдержка времени 1...3 минуты.

Устройство РПН автотрансформаторов работает аналогично. Принципиальные схемы включения РПН в нейтраль общей обмотки и линейный вывод обмотки среднего напряжения показаны на рис. 7.3,а,б. В первом случае одновременно и зависимо регулируются коэффициенты k_вн и k_вс, во втором – только коэффициент k_вс.

Регулировочные трансформаторы TL вводят добавочное напряжение в основную обмотку трансформатора (автотрансформатора) и применяются в следующих случаях:

для регулирования напряжения на подстанциях с трансформаторами без РПН при групповом (рис. 7.4,а) или индивидуальном (рис. 7.4,б) регулировании;

для регулирования напряжения на подстанциях с трансформаторами с РПН, от которых питаются потребители с разным характером нагрузки (рис. 7.4,в); характер нагрузки потребителя 3 значительно отличается от характера нагрузки потребителей 1 и 2;

для регулирования низшего напряжения на подстанциях с автотрансформаторами, снабженными устройствами РПН в обмотке среднего напряжения (рис. 7.4,г).

а) б)

Рис. 7.3. Принципиальные схемы включения РПН в автотрансформаторах

Принципиальная схема одной фазы линейного регулировочного трансформатора TL показана на рис. 7.5,а. Этот регулировочный трансформатор состоит из последовательного трансформатора Т1, который вводит добавку напряжения DU в обмотку основного трансформатора Т, и регулировочного автотрансформатора Т2, который за счет ответвлений меняет величину этой добавки.

Векторная диаграмма напряжений показана на рис. 7.5,б. Напряжения без регулирования U_а1, U_в1, U_с1 отличаются от напряжений U_а2, U_в2, U_с2, полученных в результате регулирования, на величину добавки напряжения DU.

а) б) в) г)

Рис. 7.4. Принципиальные схемы включения линейных регулировочных
трансформаторов

а) б)

Рис. 7.5. Принципиальная схема включения регулировочного
трансформатора (а) и векторная диаграмма напряжений (б)