реактивной мощности

Сущность регулирования напряжения за счет воздействия на потоки реактивной мощности по элементам электрической сети заключается в том, что при изменении реактивной мощности изменяются потери напряжения в реактивных сопротивлениях. Так, для схемы сети, приведенной на рис. 17.5, связь между напряжениями начала U₁ и конца U₂ можно записать в виде

В отличие от активной мощности реактивную мощность в узлах сети можно изменять путем установки в них устройств поперечной компенсации, т. е. компенсирующих устройств (КУ), подключенных параллельно нагрузке. В качестве таких компенсирующих реактивную мощность устройств могут служить батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы, шунтирующие и управляемые реакторы, статические тиристорные компенсаторы. К таким устройствам могут быть также отнесены генераторы местных электростанций, подключенных к системе передачи и распределения электроэнергии, синхронные электродвигатели, фильтры высших гармоник. Часть из этих компенсирующих устройств может только выдавать в сеть реактивную мощность, некоторые – только потреблять из сети реактивную мощность (шунтирующие и управляемые реакторы). Наиболее ценными для регулирования напряжения являются устройства, обладающие способностями в зависимости от режима сети как генерировать, так и поглощать реактивную мощность (синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы).

Компенсирующие устройства могут быть нерегулируемыми и регулируемыми. При включении нерегулируемого компенсирующего устройства в сети создается постоянная добавка потери напряжения (отрицательная или положительная). Если же компенсирующее устройство позволяет изменить свою мощность в зависимости от режима сети, то добавка потери напряжения оказывается переменной, в результате чего появляется возможность регулировать напряжение. Так, в схеме сети, приведенной на рис. 17.5, при изменении компенсирующим устройством мощности Q_к от выдачи (знак минус в формуле (17.28) перед Q_к) до потребления (знак плюс перед Q_к) будет изменяться потеря напряжения, что при неизменном напряжении U₁ = const приведет также к изменению напряжения U₂ в конце сети, т. е. будет обеспечено регулирование напряжения.

Как следует из формулы (17.28), эффективность регулирования напряжения с помощью поперечных компенсирующих устройств повышается в сетях с относительно большими реактивными сопротивлениями по сравнению с активными, например, в воздушных сетях по сравнению с кабельными. При этом наибольший эффект достигается при установке компенсирующих устройств в наиболее удаленных от центров питания узлах нагрузки.

С помощью поперечного компенсирующего устройства можно создать режим, в котором напряжение в конце сети окажется больше напряжения в начале сети (U₂ > U₁). Это произойдет тогда, когда потеря напряжения (согласно (17.28)) станет отрицательной:

Отсюда мощность компенсирующего устройства для такого режима

Физическую сущность регулирования напряжения с помощью поперечных компенсирующих устройств дополнительно поясним на векторных диаграммах. Для этого связь между напряжением U₁ и U₂ запишем через падение напряжения:

При установке компенсирующего устройства, выдающего реактивную мощность,

Для случая, когда генерируемая мощность компенсирующего устройства полностью компенсирует реактивную нагрузку потребителей (Q_к = Q₂),

На рис. 17.6, а показана векторная диаграмма напряжений без компенсирующего устройства и с компенсирующим устройством при Q_к < Q₂, построенная по формулам (17.30) и (17.31). Здесь Δ U_а – падения напряжения от передачи активной мощности, а Δ U_р – реактивной мощности без компенсирующего устройства. Из диаграммы видно, что при установке компенсирующего устройства значение не изменяется, а вектор занимает положение . В результате исходный вектор напряжения в начале линии уменьшается по модулю и становится равным . Таким образом, для получения заданного напряжения U₂ за счет установки компенсирующего устройства потребуется меньшее напряжение U₁ в результате снижения падения напряжения.

На рис. 17.6, б показан случай, когда полностью скомпенсирована реактивная мощность потребителей (Q_к = Q₂), в результате чего падение напряжения от передачи реактивной мощности полностью отсутствует (формула (17.32). И, наконец, на рис. 17.6, в, показан исходный режим без компенсирующего устройства и режим, когда мощность компенсирующего устройства Q_к > Q₂ удовлетворяет условию (17.29). В этом случае падение напряжения в активном и реактивном сопротивлении изменяет знак, а напряжение становится больше U_1к.

Компенсирующие устройства поперечной компенсации оказывают комплексное положительное влияние на режим электрических сетей. Кроме возможности регулирования напряжения, они позволяют снизить потери активной мощности и электроэнергии за счет разгрузки элементов сети от реактивной мощности и соответственно снижения рабочих токов. В ряде случаев, когда передаваемая активная мощность ограничивается допустимым током по нагреванию или допустимой потерей напряжения, за счет разгрузки сети от реактивной мощности можно увеличить пропускную активную мощность. Поэтому в общем случае вопросы выбора мощности и мест установки компенсирующих устройств должны решаться комплексно. Здесь же, однако, рассмотрим подход к выбору мощности компенсирующего устройства по условию регулирования напряжения.

Пусть при U₁ = const напряжение U₂ по каким-то причинам не удовлетворяет потребителей (рис. 17.5), и его надо повысить до U_2ж с помощью выбора соответствующей мощности компенсирующего устройства, устанавливаемого в конце сети. При расчете в общем случае следует учесть, что при повышении напряжения U₂ до U_2ж произойдет изменение потребляемых нагрузок Р₂ и Q₂ до Р_2ж и Q_2ж в соответствии с их статическими характеристиками Р₂ = f(U₂) и Q₂ = f(U₂). Этот фактор может не учитываться в том случае, если нагрузка подключена на вторичной стороне трансформатора, имеющего устройство РПН, которое позволяет сохранить напряжение на шинах низшего напряжения неизменным.

До и после установки компенсирующего устройства мощностью Q_к связь между напряжениями начала и конца сети можно соответственно представить в виде

Приравняв правые части данных уравнений, найдем мощность компенсирующего устройства

Здесь мощности Р₂, Q₂, P_2ж, Q_2ж находятся по соответствующим статическим характеристикам.

Если в качестве компенсирующего устройства выступает батарея конденсаторов, то ее мощность зависит от подводимого напряжения:

где Q_б.н – номинальная мощность батареи конденсаторов при номинальном напряжении U_б.н.

С учетом этой зависимости номинальная мощность батареи конденсаторов для изменения напряжения U₂ до значения U_2ж должна быть равна

В случае неучета статических характеристик нагрузки Р_2ж = Р₂ и Q_2ж = Q₂. Тогда необходимая мощность компенсирующего устройства из формулы (17.33) получается в виде

Для компенсирующего устройства в виде батареи конденсаторов из формулы (17.33) соответственно получим

Вопросы для самопроверки

1. Какие средства используют для регулирования напряжения в системообразующих и питающих сетях?

2. Как формируется задача регулирования напряжения в системообразующей сети?

3. Как записывается обобщенное контурное уравнение?

4. Как определяется ЭДС, создаваемая в замкнутом контуре трансформаторами?

5. Какие средства регулирования напряжения используют в распределительных сетях?

6. В чем отличие трансформаторов с РПН и без РПН?

7. Какие известны принципы регулирования напряжения в центрах питания распределительных сетей?

8. В каких случаях целесообразно применять режим стабилизации напряжения в центре питания?

9. Что понимается под зоной нечувствительности регулирующей аппаратуры на трансформаторах с РПН?

10. В чем сущность встречного регулирования напряжения и в каких случаях целесообразно его применять?

11. Из каких соображений выбирается наклон характеристики встречного регулирования напряжения?

12. Как реализуется регулирование напряжения в центре питания по

времени суток?

13. Каково назначение вольтодобавочных трансформаторов и линейных регуляторов? Каковы возможные места их включения?

14. Какие известны схемы обмоток трансформаторов с РПН?

15. Какова последовательность переключения с одного ответвления трансформатора с РПН на другое?

16. Как выглядят принципиальные схемы включения вольтодобавочных трансформаторов и линейных регуляторов?

17. Как можно с помощью вольтодобавочного трансформатора создать продольную, поперечную и продольно-поперечную ЭДС?

18. Какая необходима информация для выбора ответвлений двухобмоточных и трехобмоточных трансформаторов с РПН?

19. Какие известны способы выбора ответвлений трансформаторов с РПН при расчетах режимов на ЭВМ?

20. Какова последовательность выбора ответвлений трансформаторов без РПН в разветвленной распределительной сети 6–10 кВ?

21. В чем заключается сущность регулирования напряжения изменением потоков реактивной мощности?

22. С помощью каких средств можно изменять потоки реактивной мощности в электрической сети?

23. По каким формулам определяется мощность компенсирующего устройства, необходимая для изменения напряжения до желаемого?

24. Как учитывается зависимость реактивной мощности батарей конденсаторов от подаваемого на нее напряжения при выборе ее номинальной мощности для регулирования напряжения?