Указания к выполнению работы

Для определения точки токораздела и наибольшей потери напряжения следует замерить в различных точках модели напряжения, токи и мощности.

Перед началом замеров при включенных выключателях В1 и В2 следует установить значения напряжений источников питания, заданные преподавателем. Напряжение регулируют автотрансформаторами.

Напряжение в первом приближении измеряют щитовыми вольтметрами, установленными над выключателями В1 и В2, и уточняют по вольтметру, подключаемому кнопкой включения к соответствующему источнику (А или В). Значение напряжения не должно превышать 90 В. Для опытов, когда разница между ними не должна превышать 10 В.

Активную мощность измеряют астатическим ваттметром, позволяющим определить направление (знак) активной мощности.

Показания вольтметра дают разность потенциалов между замеряемой точкой схемы и точкой нулевого потенциала.

По экспериментальным данным максимальные потери напряжения могут быть получены как разность напряжений источника питания и напряжения точки схемы, являющейся точкой токораздела:

ΔU_max = U_A – U_n (1.4)

где U_А– напряжение источника питания; U_n– напряжение точки токораздела.

Значения мощностей S и Q для всех условий опыта определяется следующими формулами:

S = UI; (1.5)

Сравнивая данные, полученные экспериментальным и аналитическим путем, можно определить погрешность эксперимента:

(1.6)

Экспериментальные данные и результаты аналитических расчетов следует свести в таблицы.

Контрольные вопросы

1.Каковы преимущества и недостатки линии с двухсторонним питанием?

2. В чем заключается сложность расчета линии с двухсторонним питанием?

3. Как определить распределение мощностей (токов) в сети с двухсторонним питанием?

4. Что такое уравнительная мощность (ток) и когда она возникает?

5. Как определить наибольшие потери напряжения в линии с двухсторонним питанием в нормальном и аварийном режимах?

6. Какие мощности будут протекать в линии при аварии на участке 2–3(в одном из условий опыта при наличии всхеме двух источников питания).

7. Что такое точка токоразделаи как ее находить на схеме сети?

Работа 2. Исследование режима напряжения сельской радиальной сети и выбор надбавок у трансформаторов

Содержание работы

1. Определить экспериментальным путем напряжения в контрольных точках схемы, показанной на рис. 2.1а, для различных ответвлений понижающих трансформаторов Т2 и Т5 и при заданном преподавателем ответвлении повышающего тран­сформатора Т1. Замеры провести для двух режимов: наибольших и наименьших нагрузок.

2. Определить потери напряжения на участках сети и наибольшие потери напряжения до наиболее удаленных потребителей электроэнергии.

3. Определить надбавки трансформатора при холостом ходе (ПБВ).

4. Определить потери напряжения в трансформаторах Т1, Т2 и Т5.

5. Выбрать оптимальные ответвления на трансформаторах Т2 и Т5.

6. Построить эпюру распределения уровней напряжения в исследуемой схеме при избранном оптимальном ответвлении трансформатора Т5 для режима максимальных нагрузок

Общие сведения

В настоящее время сельские потребители снабжаются электроэнергией главным образом по радиальным электрическим сетям от районных трансформаторных подстанций, питаемых от мощных энергосистем. При этом линии высокого, а также низкого напряжения, как правило, оказываются протяженными и разветвленными.

Чтобы обеспечить качество напряжения, значение которого для сельских электроустановок не должно отличаться от номинального значения более чем на ±5 %, рекомендуется проводить мероприятия по улучшению напряжения. В качестве основного средства применяют встречное регулирование напряжения на районной трансформаторной подстанции в сочетании с подбором соответствующих ответвлений на потребительских трансформаторных подстанциях. Под встречным регулированием напряжения понимают принудительное повышение напряжения в сетях в период наибольших нагрузок и его снижение в период наименьших нагрузок. В тех случаях, когда при помощи встречного регулирования напряжения на районных подстанциях и подбора ответвлений на трансформаторах потребительских подстанций все же не удается получить допустимые уровни напряжения, используют групповое или местное регулирование напряжения другими средствами.

В качестве средств группового регулирования напряжения применяют вольтодобавочные трансформаторы или устройства продольной емкостной компенсации.

В качестве средств местного регулирования используют трансформаторы с изменением коэффициента трансформации под нагрузкой (с РПН). Для этого переключают выводы витков первичной обмотки трансформатора под нагрузкой без разрыва цепи. В настоящее время наиболее распространены трансформаторы 10/0,4 кВ с ручным переключением выводов ответвлений при снятой нагрузке и выключенном напряжении (с ПБВ). При этом на обмотке высшего напряжения тран­сформаторов предусмотрены ответвления, обеспечивающие следующие ступени регулирования: –5; –2,5; 0; +2,5 и +5 %.

Рис. 2.1. К лабораторной работе № 2

При холостом ходе понижающих трансформаторов номинальной ступени регулирования (0 %) соответствует постоянная надбавка напряжения на вторичной стороне, равная +5 %.

Суммарно на каждой из пяти ступеней регулирования будут соответственно следующие надбавки напряжения: 0; +2,5; +5; +7,5; +10 %.

В качестве повышающих трансформаторов, как правило, используют обычные понижающие трансформаторы, но включаемые наоборот, т.е. вторичная обмотка понижающего трансформатора для повышающего становится первичной, а переключающие ответвления находятся на вторичной стороне повышающего трансформатора.

В результате этого для повышающего трансформатора номинальная ступень 0 % соответствует надбавке –5 %, остальные же ступени напряжения получают противоположные знаки. Суммарно на каждой из пяти ступеней регулирования будут соответственно следующие надбавки напряжения: 0; –2,5; –5; –7,5 и –10 %.

Выбор соответствующих ответвлений на трансформаторах осуществляют как в процессе проектирования, так и при эксплуатации сельских электрических сетей.

Нужное ответвление, а значит, и соответствующую надбавку выбирают, исходя из уровня напряжения на шинах высшего напряжения подстанции в режиме минимальных и максимальных нагрузок.

При проектировании сельских распределительных сетей, когда действительные графики нагрузки установить трудно, для выбора ответвлений задаются двумя условными расчетными режимами: максимальным – 100 % нагрузки и минимальным – 25 % нагрузки.

Для каждого из режимов находят уровни напряжения на шинах трансформатора и подбирают соответствующую надбавку (ступень регулирования), удовлетворяющую условию допустимых отклонений напряжения (+5…–5 %).

В работе исследуются режимы радиальной схемы сети, питающейся от сельской электрической станции с генераторами Г, работающими в блоке с повышающими трансформаторами Т1.

От шин электрической станции отходят три линии напряжением 10 кВ, к которым подключено восемь трансформаторных пунктов 10/0,4 кВ.

На схеме подробно показана линия № 1 напряжением 10 кВ, на примере которой проводятся исследования. Ответвления выбирают только на двух трансформаторах (Т2 и Т5).

От потребительских трансформаторов Т2 и Т5 отходят низковольтные линии с ближайшим от ТП потребителем а и удаленным б, который обычно находится в конце линии низкого напряжения (рис. 2.1).

Исследование режимов работы трехфазной сети сельскохозяйственного района проводят на модели, смонтированной по однофазной схеме замещении (рис. 2.1б).

Модель содержит следующие элементы: лабораторный автотрансформатор (ЛАТР), имитирующий источник питания (генератор Г);

повышающий трансформатор Т1 с коэффициентом трансформации 105/100 В* и с отпайками 0; –5; +5 %, имитирующий силовой трансформатор блока;

реостат r_н-1 на 140 Ом, имитирующий суммарную нагрузку двух отходящих линий: № 1 и № 3;

трансформатор Т2 с коэффициентом трансформации 100/105 В и с отпайками +5; +2,5; 0; –2,5; –5 %, имитирующий потребительский понижающий трансформатор Т2;

сопротивления r_л-6** и r_н-6 по 50 и 900 Ом соответственно, имитирующие линию 380 В и сопротивление нагрузки;

сопротивления r_л-1, r_л-2, r_л-3 и r_л-4 по 2 Ом, имитирующие сопротивления участков линии 10 кВ;

переменные сопротивления r_н-2, r_н-3 иr_н-4 по 300 Ом, имитирующие нагрузки линии в точках 2, 3 и 4 соответственно (трансформаторы ТЗ, Т4, Т6, Т7, Т8);

трансформатор Т5 с коэффициентом трансформации 100/105 В и с отпайками +5; +2,5; 0; –2,5; –5 %, имитирующий потребительский понижающий трансформатор Т5;

сопротивления r_л-5 иr_н-5 по 20 и 900 Ом соответственно, имитирующие провода линии 380 В и сопротивление нагрузки.

Сопротивления r_н-1…r_н-5 – переменные, регулируемые, а сопротивления r_л-1…r_л-6 – постоянные по своему значению;

в стенде предусмотрены гнезда для измерения значения напряжения в различных точках сети, переключатели отпаек трансформаторов и три выключателя нагрузки (для замера напряжения при холостом ходе трансформаторов).

Кроме того, стенд снабжен тремя вмонтированными приборами (вольтметр и два амперметра) и одним переносным вольтметром повышенного класса точности с вилками для измерения напряжений в различных точках сети.

Указанияк выполнению работы

Прежде чем измерить напряжения в контрольных точках схемы, следует установить заданные преподавателем напряжение источника питания U_r и ответвление повышающего трансформатора Т1. Напряжение U_r регулируют при помощи лабораторного автотрансформатора.

Режимы наибольших и наименьших нагрузок устанавливают рукоятками нагрузочных реостатов; определяют режим по показаниям амперметров, вмонтированных в стенд. При изменении нагрузок нужно следить за заданным значением напряжения источника питания U_r.

Замеренные значения напряжений в контрольных точках схемы следует записать в таблицу.

Потери напряжения на отдельных участках схемы определяют как разность напряжений, замеренных по концам этого участка:

ΔU_1-2 = U₁-U₂; ΔU_2-3 = U₂-U₃ и т.д. (2.1)

Экспериментальное определение надбавок трансформаторов проводят при холостом ходе, когда потери напряжения в трансформаторах почти отсутствуют.

Для осуществления режима холостого хода трансформаторов Т1, Т2 иТ5 отключают выключатели соответственно B1, В2 и В3.

Надбавку трансформатора при выбранном коэффициенте трансформации трансформатора, близком к единице, определяют по формуле

(2.2)

Надбавку можно определить при любом значении U'_{т х.х} но для удобства вычислений рекомендуется в этом опыте напряжение U'_{т х.х} для всех трансформаторов поддерживать равным поминальному (U'_{т х.х} = U_н = 100 В). Замеры следует провести для всех ответвлений трансформаторов. Данные замеров и вычислений надбавок свести в таблицу.

Определение надбавок напряжения у трансформаторов необходимо для вычисления потери напряжения исходя из опытных данных, полученных на модели схемы.

Если напряжение приведено к одной ступени трансформации, то потеря напряжения в трансформаторе при нагрузке:

ΔU_r = U'_r – U"_r + ΔV_нб. (2.3)

Результаты подсчетов потерь напряжения необходимо свести в таблицу.

Ответвления трансформаторов нужно выбирать с учетом того, что уровень напряжения у потребителей не должен отличаться от номинального значения более чем на ±5 %.

Отклонения напряжения у потребителей от номинального значения определяют по формуле

(2.4)

ΔV_п должно быть определено для точек а и b трансформаторов Т2 и Т5 и результаты сведены в таблицу.

Пример построения эпюры распределения уровней напряжения в исследуемой сети показан па рис. 2.1. Уровень оси абсцисс соответствует номинальному напряжению. На ней откладывают вправо участки сети между трансформаторами Т1 и Т5. По оси ординат откладывают надбавки, создаваемые трансформаторами и генератором, и потери напряжения в тран­сформаторах и на участках сети.

Контрольные вопросы

1. Для чего применяют регулирование напряжения?

2. Какие методы регулирования напряжения используют в сельских электрических сетях?

3. Как осуществляется регулирование напряжения трансформаторами?

4. Чем отличаются надбавки понижающих трансформаторов от надбавок повышающих трансформаторов?

5. Как определить отклонение напряжения у потребителя?

6. Как найти потери напряжения на уча­стках сети и в трансформаторах по экспериментальным данным?

Работа 3. Регулирование напряжения в радиальных сетях при помощи статических конденсаторов

Содержание работы

1. Замерить напряжения, ток и мощность на ответвлениях линии (точки 1, 2, 3 и 4) без регулирования напряжения и без компенсации реактивной мощности. Подсчитать для всех точек cos φ.

2. Определить необходимые емкости конденсаторов для осуществления как продольной, так и поперечной компенсации (с учетом результатов замеров и желаемого cos φ, задаваемого преподавателем).

3. Осуществить компенсацию реактивной мощности на модели сети при помощи конденсаторов, включенных сначала параллельно нагрузке, а затем последовательно в линию.

4. Снять показания приборов с компенсацией реактивной мощности в линии и подсчитать cos φ.

5. Подсчитать действительные значения напряжения, тока, активной и реактивной мощностей в линии 10 кВ.

Общие сведения

Как известно, передача электрической энергии от источников питания к электроприемникам сопровождается потерей напряжения в линиях и трансформаторах.

В связи с тем, что сельскохозяйственные потребители разбросаны на больших пространствах, сети отличаются большой протяженностью и соответственно большими потерями напряжения в них. Поэтому, как правило, в сетях, рассчитанных по потере напряжения, плотность тока ниже экономической. Кроме того, развитие электрификации приводит к тому, что ЛЭП зачастую оказываются перегруженными, а это, в свою очередь, приводит к увеличению потерь в линиях и, следовательно, ухудшает качество электроэнергии.

Для улучшения качества электроэнергии часто приходится реконструировать сети, что требует больших капитальных затрат. Для того чтобы избежать этого, осуществляют регулирование напряжения, что позволяет выбирать провода линии по экономической плотности тока (или по экономическим интервалам мощности).

Одним из способов регулирования напряжения является так называемая продольная емкостная компенсация (ПЕК), которая заключается в последовательном включении в ЛЭП емкостного сопротивления в виде конденсаторов. На рис. 3.1а показана принципиальная схема замещения линии без компенсации потерь напряжения, а на рис. 3.1б – схема замещения с продольной компенсацией. Это сопротивление частично или полностью компенсирует индуктивное сопротивление линий, вследствие чего в ней уменьшаются потери напряжения, что в конечном счете приводит к повышению напряжения у потребителей. Регулирование напряжения таким способом имеет ряд преимуществ перед другими способами регулирования напряжения:

ПЕК имеет сравнительно простую конструкцию;

компенсирующий эффект установки зависит от тока нагрузки, т.е. размер компенсации потери напряжения с ростом нагрузки возрастает и, наоборот, снижается при ее уменьшении.

Продольная и поперечная составляющие падения напряжения без компенсации мощности соответственно равны:

(3.1)

где I – полный ток нагрузки, А; r, х – соответственно активное и индуктивное сопротивления линии, Ом.

Рис. 3.1. К лабораторной работе № 3

При наличии продольной компенсации эти составляющие определяют по формулам:

(3.2)

где x_с– емкостное сопротивление конденсаторов, включенных по­следовательно в линию.

Так как обычно при расчетах линий поперечной составляющей напряжения из-за ее незначительности пренебрегают, то из приведенных ранее формул следует, что при продольной компенсации

(3.3)

где I – ток нагрузки; х_с – сопротивление конденсатора.

Мощность конденсаторов

Q_c = 3I²х_с, (3.4)

где I – наибольший рабочий ток линии.

На практике мощность установки продольной компенсации рассчитывают исходя из желаемого уровня напряжения в сети при известном сечении провода. В таких случаях мощность конденсаторов определяют по формуле

(3.5)

где Р – активная мощность, проходящая через конденсатор, Вт; U' – напряжение на входных (со стороны питания) зажимах конденсатора, В; U" – напряжение на выходных (в сторону потребления) зажимах конденсатора, В:

U" = U' + ΔV_НБ,

где ΔV_НБ — желаемая надбавка напряжения, достигаемая включением конденсаторов.

Векторная диаграмма напряжений без ПЕК и с ПЕК показана на рис. 3.1в.

Другим способом уменьшения потерь напряжения в сети является компенсация реактивной мощности потребителей или так называемая поперечная компенсация, при которой статические конденсаторы включаются параллельно нагрузке (рис. 3.1г).

Как известно, значительная часть электроприемников, присоединенных к электрической системе, кроме активной мощности, потребляют также и реактивную.

Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели. Часть реактивной мощности теряется в обмотках трансформаторов, а также в проводах линий электропередачи.

Поэтому наряду с активной мощностью генераторы должны вырабатывать и реактивную, передаваемую потребителям по электрическим сетям. Естественно, передача реактивной мощности по сети вызывает дополнительные потери напряжения и энергии.

Для разгрузки сети от реактивной мощности целесообразно эту мощность или ее часть генерировать на месте потребления. Такими источниками реактивной мощности являются статические конденсаторы, устанавливаемые на месте потребления и подключаемые параллельно нагрузке.

В этом случае конденсаторы являются потребителями опережающей (емкостной) мощности, или, что то же самое, источниками реактивной мощности, выдаваемой ими в сеть.

При наличии поперечной компенсации потеря напряжения

(3.6)

Следовательно, при параллельном включении конденсаторов

(3.7)

где I_с – емкостный ток линии; х – индуктивное сопротивление линии.

Мощность компенсирующего устройства при поперечной компенсации определяют по формуле

Q_помп = P(tg j – tg j¢), (3.8)

гдеР – активная мощность потребителей, кВт;Ptgφ– реактивная мощность потребителей без компенсации;Ptgφ'–реактивная мощность, передаваемая по линии при наличии компенсации.

Соответствующая емкость конденсаторов

(3.9)

гдеf–частота тока.

Векторная диаграмма напряжений с учетом поперечной компенсации показана на рис. 3.1д.

Компенсирующие устройства изучают на модели одной фазы линии, принципиальная схема которой показана на рис. 3.1е. Номинальное напряжение модели 100 В. Принципиальная схема модели линии приведена на рис. 3.1ж.

Питание на модель подается выключателем, расположенным на стенде. Напряжение источника регулируется лабораторным автотрансформатором.

Сопротивление участков сети имитируется активными и реактивными сопротивлениями (на каждом участке r = 1,82 Ом и х = 0,67 Ом, что соответствует 2 км линии, выполненной проводом АС35).

Нагрузки сети на модели имитируются сопротивлениями:

r_н-1 = r_н-2 = 107 Ом; r_н-3 = 407 Ом;

х_н-1 = х_н-2 = 80 Ом; х_н-3 = 160 Ом.

Нагрузка Н₄ переменная, и ее значение задается преподавателем для каждой бригады студентов.

Трансформатор Т4 у нагрузки Н₄ позволяет изменять напряжение на стороне 0,4 кВ и менять уровни напряжения изменением коэффициента трансформации ответвлениями +5, 0 и –5 %.

Ток нагрузки Н₄ и напряжение на низкой стороне Т4, а также напряжение источника питания измеряют соответственно амперметром и вольтметрами, вмонтированными в схему. Ток, напряжение и мощность на ответвлениях к нагрузкам измеряют при помощи соответствующих приборов и специальных кнопок включения.

Для поперечной компенсации нагрузок H₁, Н₂, Н₃ предусмотрены емкости, выключатели которых смонтированы на модели.

Следует помнить: чтобы контакты емкостей не подгорали, их следует включать и отключать при снятии напряжения.

При включении продольной компенсации нужно снять шунт с конденсатора, включенного последовательно в линию.