8.Regulacja napięcia w transformatorach i sieciach elektroenergetycznych

Obejmuje:

1. zmianę spadku napięcia - tzw. Regulacja poziomu napięcia;

2. zmianę poprzecznych strat napięcia - tzw. Regulację fazy napięcia lub regulację poprzeczną napięcia.

8.1.Regulacja poziomu napięcia

Metody regulacji poziomu napięcia:

1. wprowadzenie napięć dodawczych (generatory, transformatory);

2. kompensacja mocy biernej (kompensacja szeregowa, kondensatory równoległe);

3. zmiana impedancji układu zasilania (kondensatory szeregowe).

Kryteria regulacji poziomu napięcia:

1. dopuszczalny zakres odchylenia napięcia u odbiorcy;

2. dopuszczalny zakres odchylenia napięcia w samej sieci;

3. minimalizacja strat mocy i energii w sieci.

8.1.1.Regulacja napięcia przez wprowadzenie napięć dodawczych

1. Generatory

Metoda polega na podwyższeniu napięcia na zaciskach generatora w wyniku zmiany jego wzbudzenia. Wprowadzone napięcie waha się w granicach od 5% do 10% napięcia znamionowego U_N.

Zaletą tej metody jest jej ciągłość, a wadą ograniczony zakres stosowany związany a koniecznością uwzględnienia poziomu napięcia u odbiorców bliskich.

2. Transformatory

Regulacja napięcia przez transformator (Tr) stanowi podstawowy sposób regulacji napięcia. Jest to tzw. regulacja zaczepowa polegająca na zmianie liczby zwojów poszczególnych uzwojeń, Tr realizowana przez przełącznik zaczepów.

Przełączenie zaczepów może odbyć się:

1. w stanie beznapięciowym (głównie Tr SN/UN umiejscowione w mniej ważnych punktach układu elektroenergetycznego;

2. pod obciążeniem (Tr w punktach układu elektroenergetycznego, w których wymagana jest bieżąca i ciągła zmiana napięcia).

Przełączenie zaczepów odbywa się przy pomocy przełączników indukcyjnych lub rezystancyjnych - ograniczających prądy zwarciowe płynące pomiędzy przełączonymi zwojami.

Zaczepy regulacyjne wykonuje się zwykle w uzwojeniach wyższych napięcia (większa dokładność regulacji i mniejszy prąd przy przełączeniach), jedynie w Tr najwyższych napięć umieszczane są po stronie niższego napięcia od trony punktu gwiazdowego (zmniejsza napięcie zaczepów względem kadzi i poprawia jego izolację).

Istotą zaczepowej regulacji napięcia opisuje wzór:

(1)

gdzie

Z_g, Z_d - liczba pracujących zwojów uzwojenia górnego i dolnego. Przekładnia znam. Tr

U_NG, U_ND - górne i dolne napięcie znamionowe Tr,

Z_ng, Z_nd - liczba zwojów uzwojenia górnego i dolnego na zaczepie zerowym

Przekładnia Tr dla ± ΔZ%

W Tr SN/nN stosuje się następujące układy regulacyjne: ±5% (±5%, ±2%), (±50%, ±10%), (±2,55, -5%, -7,5%). Dodatnim wartościom ΔZ odpowiada obniżka napięcia po stronie wtórnej (nN) i odwrotnie. Układ zaczepów regulacji w Tr wyższych napięć są większe, np. 110kV/SN±10% i ±16%.

8.1.2.Kompensacja mocy biernej

Przepływ indukcyjnej mocy biernej (Q_L)

(2)

gdzie

φ - kąt przesunięcia fazowego. W linii elektroenergetycznej powoduje: zwiększenie spadków napięć; zmniejszenie jej przepustowości; zwiększenie strat mocy i energii.

Wynika to stąd, że przesyłanie mocy biernej jest niepożądane i należy ją dostarczyć w miejscu zapotrzebowania - najczęściej przez załączenie kondensatora równoległego pokazanego na rysunku 8.1.

Załączanie baterii kondensatorów baterii powoduje zmniejszenie spadku napięcia w linii zasilającej o wartości

(3)

gdzie

- spadek napięcia przed załączeniem kondensatora,

- spadek napięcia po załączeniu kondensatorów.

Z równania spadków napięć, zależność (3) można zapisać w postaci:

(4)

Z której określić można moc Q_cr trójfazowej baterii kondensatora zmniejszającej spadek napięcia w punkcie 2 (rysunek 8.1c) o wartości ΔU_cr

(5)

Wzór (5) umożliwia, przy wystąpieniu spadku napięcia ΔU₁₂ > U_dop, wyznaczyć moc Q_cr trójfazowej baterii kondensatora, jaką należy załączyć w linię, ażeby dla P = const spadek napięcia ΔU_12r > U_dop. Moc Q_L można kompensować w punktach sieciowych WN lub bezpośrednio przy odbiornikach po stronie nN - mówimy wówczas o poprawie współczynnikach mocy cosφ - obecnie tgφ. Moc trójfazowej baterii kondensatorów do poprawy współczynnika mocy od wartości cosφ₁ (tgφ₁) do nowej wartości cosφ₂ (tgφ₂) oblicza się ze wzoru

(6)

Baterie kondensatorów mogą być załączane indywidualnie, grupowo lub centralnie - rysunek 8.2. Baterie kondensatorów mogą być połączone w gwiazdę lub trójkąt (rys.8.3).

Pojemność kondensatora jednej fazy niezbędną do otrzymania wymaganej mocy Q_cr oblicza się ze wzorów:

• połączenie w gwiazdę:

(7)

• połączenie w trójkąt:

(8)

Wynika stąd, że:

(9)

8.1.3.Zmiana impedancji układu zasilania

Zmianę impedancji układu zasilającego najłatwiej można uzyskać instalując w linii przesyłowej kondensator szeregowy. Zasadę regulacji napięcia przy pomocy kondensatora szeregowego przedstawiono na rysunku 8.4.

Kondensator szeregowy powoduje:

1. tzw. Punktowy wzrost napięcia (wskutek odłożenia napięcia IX_cs);

2. zmniejszenie spadku napięcia w linii przesyłowej o wartości ΔU_cs.

Spadek napięcia ΔU_cs w linii skompensowanej załączeniem kondensatora szeregowego o reaktancji X_cs można zapisać równaniem

(10)

z którego po przekształceniu wyznaczyć można reaktancję kondensatora szeregowego X_cs niezbędnej do zmniejszenia spadku napięcia do wartości ΔU_cs

(11)

gdzie

ΔU₁₂ - spadek napięcia przed załączeniem kondensatora szeregowego,

ΔU_12s - spadek napięcia po załączeniu kondensatora szeregowego.

Moc trójfazowej szeregowej baterii kondensatora określa się ze wzoru

(12)

lub

(13)

gdzie

I - prąd płynący przez kondensator szeregowy przy przesyle mocy S.

Ze wzoru (13) wyznaczyć można moc trójfazowej szeregowej baterii kondensatora niezbędnego do uzyskania spadku napięcia ΔU₁₂ ≤ U_dop przy stałej mocy P = const.

Kondensatory szeregowe, ze względu na liniową zależność występowania na nich spadku napięcia od ograniczenia tętnień napięcia w sieci wywołane przez odbiorniki „niespokojne”, np. piece łukowe. Liniowa zależność spadków napięcia na kondensatory od prądu sprawia też, że w liniach SN kondensatorów szeregowych musza być zabezpieczenia iskiernikiem szeregowym (gdyż w przypadku zwarcia za kondensatorem płynący prąd zwarciowy mógłby spowodować zmiany.

8.1.4.Komplikacja regulacji napięcia w sieci

Utrzymanie optymalnych poziomów napięcia w sieci w warunkach zmiennych obliczenia uzyskuje się poprzez regulację przekładni Tr oraz koordynację wytworzonej mocy biernej.

Wymaga to znajomości wielu parametrów obciążeń czynnych i biernych generatorów; rozpływu mocy czynnej i biernej w liniach; poziomów napięć w stacjach, położenia przełączników zaczepów transformatora i wielu innych danych.

W praktyce tworzy się hierarchiczny system sterowania, w którym każdy podsystem pracuje autonomicznie, opiera się na podstawie parametrów systemu nadrzędnego sterowania pracą podsystemów. W ten sposób powstaje możliwość uzyskania autonomicznej regulacji napięcia i mocy biernej w całym systemie elektroenergetycznym.

Dla uzyskania takiej możliwej w pierwszym etapie w punktach węzłowych system (np. elektrowniach, GPZ) instaluje się układ kompleksowej regulacji napięć i mocy biernej (KRNQ), których zadaniem jest utrzymanie zadanego poziomu napięcia i mocy biernej w węzłach. Etapem drugim jest instalacja jednego lub kilku układów nadrzędnych, które przetwarzają dane otrzymane z układu KRNQ - pracujące w węzłach, wysyłanie z powrotem do KRN decyduje dotrzymanie wymaganych wartości napięć i mocy biernych w punktach węzłowych systemu.

8.2.Regulacja fazą napięcia

Zastosowanie regulacji napięcia wyjścia - rysunek 8.5. Istota polega na dodaniu do fazy w większych stratach napięcia dodawczego napięcia otrzymanego transformatora dodawczego zasilania z pozostałych faz.

6

---