ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДОПУСТИМОЙ ПОТЕРИ НАПРЯЖЕНИЯ В СЕТИ

Ранее приведены способы расчета воздушных электрических сетей с проводами из разных материалов по потере напряжения. Допустимую потерю напряжения в электрической сети определяют по допустимым отклонениям напряжения у потребителей. Поэтому рассмотрению вопроса об отклонениях напряжения уделено значительное внимание.

Отклонения напряжения и их влияние на работу приемников электроэнергии. Электрическая нагрузка никогда не остается постоянной. Вследствие этого изменяется потеря напряжения в линии, а следовательно, напряжение у потребителя. Постепенные изменения напряжения, вызываемые изменениями нагрузки в течение суток и года, называются отклонениями напряжения в отличие от кратковременных понижений напряжения, происходящих, например, при пусках короткозамкнутых электродвигателей.

Отклонение напряжения — это алгебраическая разность между напряжением в данной точке при данном режиме и номинальным напряжением сети. Отклонения напряжения выражают в вольтах или в процентах от номинального напряжения сети.

Пусть есть линия (рис. 5.30) с распределенной нагрузкой, выполненная проводом постоянного сечения. Напряжение вдоль линии изменяется приблизительно по прямой (более точно — по квадратичной кривой). В начале линии (точке А) оно несколько выше номинального, а в конце (точке В) ниже него.

Отклонения напряжения влияют на работу приемников электроэнергии. Наиболее чувствительны к ним осветительные потребители, и в первую очередь широко распространенные в сельском хозяйстве лампы накаливания.

Основные величины, характеризующие лампу накаливания: мощность (в ваттах), световой поток (в люменах), световая отдача (в люменах на ватт) и срок службы (в часах). Если принять все эти величины при номинальном напряжении сети за 100 %, то при отклонениях напряжения на ±1 % мощность лампы накаливания изменяется на ±1,5 %, световой поток — на ±3,7, световая отдача — на ±1,8 и срок службы на ±14 %.

Таким образом, с увеличением напряжения растут световой поток и световая отдача лампы, резко сокращается срок ее службы. Так, при напряжении 105 % номинальный срок службы лампы сокращается в 2 раза и для стандартной лампы составляет 480 ч вместо 1000 ч.

При пониженном напряжении снижается световой поток и, следовательно, ухудшаются условия освещения. При напряжении 95 % номинального световой поток лампы составляет всего 81,5 %. Отклонения напряжения для ламп накаливания весьма нежелательны, и следует стремиться к тому, чтобы они были как можно меньшими.

Люминесцентные лампы, или лампы дневного света, меньше реагируют на изменения напряжения, чем лампы накаливания. В среднем можно считать, что на +1 % изменения напряжения их световой поток изменяется также на ± 1 %, а световая отдача — всего на ±0,5 %. Однако при напряжении 93...94 % номинального лампа не загорается.

Нагревательные бытовые приборы (плитки, утюги) сравнительно мало реагируют на отклонения напряжения. Все же следует учитывать, что их электрическая мощность изменяется прямо пропорционально квадрату изменения напряжения. Это значит, что, например, при напряжении 90 % номинального электрический утюг мощностью 400 Вт развивает мощность всего 324 Вт.

Работа асинхронных электрических двигателей также зависит от значения напряжения. Особенно важно, что при этом прямо пропорционально квадрату напряжения изменяется вращающий момент. Поэтому при снижении напряжения нормально загруженные двигатели останавливаются — опрокидываются. Кроме того, изоляция двигателей выходит из строя.

Таким образом, электрические сети нужно проектировать так, чтобы отклонения напряжения у потребителей не выходили за допустимые пределы.

В действующих нормах установлено, что в сельских сетях напряжение на зажимах токоприемников не должно повышаться больше чем на 5%и снижаться также больше чем на 5% номинального напряжения сети.

Электрическую сеть проектируют так, чтобы наибольшие отклонения напряжения не превосходили приведенных значений, но в то же время были как можно ближе к ним, иначе потребуется затратить в сети лишнее количество металла проводов.

Потеря напряжения в линии непосредственно связана с отклонениями напряжения. Для линии, приведенной на рисунке 5.31, отклонения напряжения выражают как

Другими словами, потеря напряжения в линии равна разности между отклонениями напряжения в начале и в конце этой линии.

Как уже отмечалось, электрическая нагрузка в линии не остается постоянной. С максимальной нагрузкой сеть работает в году сравнительно небольшое число часов.

Наблюдения показывают, что минимальная нагрузка в сетях, питающих относительно большое число сельских потребителей, не снижается менее чем на 25 % максимальной, т.е. Smin > 0,25Smax. Вследствие этого расчет сети по отклонениям напряжения ведут для двух случаев: для нагрузок 100 и 25 % максимума. Очевидно, в первом случае потеря напряжения в сети наибольшая и напряжение у удаленных потребителей самое низкое. Следовательно, линию рассчитывают так, чтобы отклонения напряжения были больше - 5 %.

Наоборот, при нагрузке 25 % максимума потеря напряжения в сети приблизительно в 4 раза меньше, поэтому напряжение, особенно у близко расположенных к источнику питания потребителей, может значительно превзойти номинальное. В этом случае принимают меры, чтобы отклонения напряжения при нагрузке 25 % не были больше +5 %.

Влияние различных элементов электрической установки на отклонения напряжения. В электрическую установку входят различные элементы: генераторы, шины питающих подстанций, провода ВЛ, трансформаторы, которые по-разному влияют на отклонения напряжения у потребителей.

Для определения отклонений напряжения следует учитывать влияние всех этих элементов.

Генераторы электрических станций. Возможны два режима регулирования напряжения на генераторе.

1. Режим постоянного напряжения, который заключается в том, что напряжение генератора во все время эксплуатации независимо от нагрузки поддерживается неизменным и на 5 % превышает номинальное напряжение сети. Используя ранее введенные обозначения, этот режим выражают следующим соотношением:

т.е. отклонения напряжения на генераторе одинаковы при всех нагрузках и составляют +5 % номинального напряжения сети.

2. Режим встречного регулирования заключается в том, что с увеличением нагрузки автоматически повышается напряжение генератора. Возможны следующие предельные отклонения напряжения генератора от номинального напряжения сети:

При использовании встречного регулирования напряжения можно увеличить допустимую потерю напряжения. Однако область применения его ограничена, о чем подробно будет сказано в п. 5.4. Шины питающих подстанций. Преобладающая часть сельских потребителей питается от шин подстанций районных энергосистем, промышленных или коммунальных электроустановок. При этом возможно питание от подстанций напряжением 35/10 или 110/35 кВ.

По действующим правилам устройства электротехнических установок на шинах вторичного напряжения подстанций напряжением 110 и 35 кВ должно быть обеспечено встречное регулирование напряжения в пределах 0...+5 % номинального напряжения сети. Другими словами, отклонения напряжения на шинах подстанций должны быть следующими:

В действительности отклонения напряжения на шинах подстанций часто выходят из указанных пределов. Это объясняется не только отсутствием надлежащих регулирующих устройств, но и тем, что максимум и минимум нагрузки сельских потребителей могут не совпасть с соответствующими точками графика всей нагрузки подстанций. В таких случаях режим напряжения на шинах подстанций может быть самым различным и часто не удовлетворяющим сельских потребителей. Практически при проектировании сети сельского района, питающегося от подстанции, запрашивают энергоснабжающую организацию о данных по отклонению напряжений на шинах в характерные периоды суток и года. Сети проектируют в зависимости от этих режимов. Если отклонения напряжений велики, то применяют специальные меры, например регулирование напряжения в сельской сети (см. п. 5.4).

Провода воздушных линий. Потерю напряжения в проводах воздушных линий определяют описанными в предыдущих параграфах методами для максимальной нагрузки. Поскольку потеря напряжения приблизительно пропорциональна нагрузке при минимальной потребляемой мощности, в проводах сельской воздушной сети она составляет 25 % наибольшего значения:

При прохождении тока через обмотки трансформатора потеря напряжения в них

Для трансформаторов, применяемых в сельских установках, при типичной загрузке и коэффициенте мощности потерю напряжения принимают в среднем =(4...5)%. Эту величину и берут для приблизительных расчетов. Более точный расчет делают по формулам (5.99)...(5.103).

В трансформаторах происходит не только потеря напряжения, но и повышение — надбавка напряжения.

Рассмотрим сначала работу обычного трансформатора при нормальном режиме на понижающей подстанции. Трансформатор по стандарту выполняют так, что если к первичной обмотке подведено напряжение 100 %, то при холостом ходе на вторичной обмотке будет напряжение 105 % (например, 35/10,5, 10/0,4 кВ). Таким образом, за счет коэффициента трансформации получается постоянная надбавка +5 %*. Кроме того, в обмотке высшего напряжения есть пять ответвлений через 2,5 % витков. Установка на среднее ответвление соответствует надбавке 0 %. Установка на крайние ответвления дает переменные надбавки +5 % или -5 %, прибавляющиеся к постоянной надбавке.

В сумме постоянная и переменные надбавки дают общую надбавку, которая в зависимости от установленного ответвления составляет + 10; +7,5; +5; +2,5; 0 %.

При установке трансформатора его можно присоединить любым ответвлением. Задача проектировщика — указать монтажнику наиболее выгодное ответвление. В разные сезоны года при изменении нагрузки можно переключать ответвления.

На сельских электростанциях обычные понижающие трансформаторы используют также в качестве повышающих. В этом случае, если подвести к первичной обмотке напряжение 105 %, то во вторичной обмотке будет 100 %, если подвести к первичной обмотке 100 %, то во вторичной будет 95 % и т.д.

Таким образом, постоянная надбавка оказывается здесь уже отрицательной (-5 %). Переменные надбавки по значению остаются такими же, как и в предыдущем случае, только меняются местами, а общая надбавка в зависимости от установки ответвления может иметь значения 0; -2,5; -5; -7,5; -10 %. Поскольку пониженное напряжение невыгодно, в этих случаях всегда принимают надбавку 0%. Определение допустимой потери напряжения. Допустимую потерю напряжения в воздушной сети определяют из таблиц отклонений напряжения, составляемых для данной схемы сети. Порядок построения таблиц отклонений напряжения лучше всего можно усвоить на конкретных примерах.

Электрическая станция с сетью низкого напряжения. Пример такой сети — сеть небольшой сельской электростанции (см. рис. 5.31). Хотя мелкие станции не являются основными в развитии сельского электроснабжения, они могут оказаться необходимыми, например для электрификации небольших поселков в северной зоне страны.

Как указывалось в предыдущем параграфе, возможны два режима работы генератора электростанции: постоянного напряжения и встречного регулирования напряжения. Рассмотрим каждый из них в отдельности.

1. Режим постоянного напряжения на генераторе. Пусть в этом режиме поддерживают неизменное напряжение, т.е.

В период минимальной нагрузки в наихудших условиях находится ближайший к шинам электростанции потребитель (точка а), так как у него будет наиболее высокое напряжение. Вследствие того что этот потребитель может быть присоединен непосредственно к шинам станции, потерю напряжения до него принимают равной нулю, т.е.

и находится в допустимых пределах. Таким образом, задача решена правильно. Значение допустимой потери напряжения наносим на рисунок 5.31.

Важно отметить, что в период максимума нагрузки в самых худших условиях находится наиболее удаленный потребитель, и поэтому сеть рассчитывают относительно этого потребителя. Наоборот, при минимуме нагрузки высокое напряжение будет у потребителя, ближе всех расположенного к электростанции, и проверку отклонений напряжения делают относительно него.

2. Режим встречного регулирования напряжения. Пусть в период максимума нагрузки на генераторе поддерживают напряжение выше номинального. В период минимума нагрузки напряжение генератора снижается до номинального напряжения сети. Промежуточным значениям нагрузки соответствуют промежуточные значения отклонения напряжения на генераторе. Составляют таблицу отклонений напряжения (табл. 5.3).

Наносят значение допустимой потери напряжения при встречном регулировании напряжения генератора на рисунок 5.31.

Как видно, для данной схемы встречное регулирование напряжения не дает особо положительных результатов. Это объясняется тем, что и без регулирования в сети может быть допущена значительная потеря напряжения — 10 %.

Электрическая станция с сетью высокого напряжения. Наиболее распространенная схема сети сельской электростанции предусматривает повышение генераторного напряжения до 10 кВ и распределение электроэнергии на этом напряжении. Низковольтные сети потребителей получают питание через понижающие трансформаторные пункты. На рисунке 5.32 изображена схема сети такой станции.

Как и в предыдущем случае, следует рассмотреть варианты с постоянным напряжением и встречным регулированием напряжения на генераторе.

1. Режим постоянного напряжения на генераторе. В данном случае необходимо рассматривать отдельно наиболее удаленный и ближайший трансформаторные пункты. Составляют таблицу отклонений напряжения сначала для наиболее удаленного трансформаторного пункта (табл. 5.4).

Вносят жирным шрифтом в таблицу известные значения: отклонения напряжения на генераторе, надбавки повышающего трансформатора напряжением 10/0,38 кВ, равные нулю, и потери напряжения в трансформаторах, которые при полной нагрузке можно считать равными 4 %, а при 25 % полной нагрузки — 1 %. Кроме того, учитывают допустимые отклонения напряжения у потребителя при полной нагрузке. При значительной недогрузке трансформатора потери напряжения в них подсчитывают по формулам этого параграфа. Затем задаются надбавкой трансформатора напряжением 10/0,38 кВ, которая, как указывалось ранее, может быть от +10 до 0 %. Выбирают надбавку, равную +5 %. Тогда допустимая потеря напряжения в сетях напряжением 10 и 0,38 кВ при полной нагрузке

Установить надбавку трансформатора напряжением 10/0,38 кВ + + 0 нецелесообразно, так как допустимая потеря напряжения уменьшится на 2,5 % и, таким образом, возможности сети не будут использованы.

Рассмотрим теперь трансформаторный пункт, ближе всего расположенный к электрической станции. Можно предположить, что он расположен очень близко и потерей напряжения в сети напряжением 10 кВ до него можно пренебречь. Для сетей, расположенных между ближайшим и наиболее удаленным ТП, значение допустимой потери напряжения в сети напряжением 0,38 кВ приблизительно пропорционально их удаленности от электростанции.

В данном случае также применим надбавку на трансформаторе напряжением 10/0,38 кВ+ 2,5 %, и тогда допустимая потеря напряжения в сети напряжением 0,38 кВ ближайшего ТП составит:

т.е. отклонение напряжения выходит за допустимые пределы. Наносят на схему (см. рис. 5.32) все значения, необходимые для расчета сети, т.е. допустимые значения потери напряжения в различных ее звеньях и наиболее выгодные надбавки трансформаторов.

2. Режим встречного регулирования напряжения на генераторе. Пусть на генераторах электростанции поддерживают встречное регулирование напряжения. Составляют таблицу отклонений напряжения для этого случая (табл. 5.5) аналогично предыдущему.

Таким образом, путем применения встречного регулирования напряжения генератора удалось увеличить допустимую потерю напряжения в сети напряжением 10 кВ с 2 до 7 %, в сети напряжением 0,38 кВ наиболее удаленного трансформаторного пункта — с 2,5 до 7,0 % и в сети напряжением 0,38 кВ ближайшего трансформаторного пункта — с 4,5 до 14,5 %. Соответственно может быть снижено сечение проводов сети.

Питание от шин подстанции напряжением 35/10кВ или ответвление от линии напряжением 10 кВ. Значения отклонений напряжения в местах присоединения сельской сети могут быть различными. Вот почему перед ее проектированием необходимо получить сведения об этих отклонениях от энергоснабжающей организации.

Допустим, что в месте присоединения сельской сети напряжением 10 кВ (рис. 5.33) наблюдаются следующие отклонения напряжения:

Наносят необходимые данные на схему сети (см. рис. 5.33).

Питание от шин подстанции напряжением 110/35 кВ или ответвление от линии напряжением 35 кВ. Такая схема электроснабжения наиболее распространена. Так же как в предыдущем случае, отклонения напряжения в месте присоединения сельской сети могут быть различными: их определяют перед расчетом.

Определяют допустимую потерю напряжения в сети напряжением 35,10 и 0,38 кВ, исходя из допустимых отклонений напряжения у потребителя (табл. 5.7).

Как видно, здесь нужно задаваться надбавками у двух трансформаторов — напряжением 35/10 и 10/0,38 кВ. Как и в предыдущих случаях, решают задачу подбором, определяя наиболее выгодные надбавки у трансформаторов напряжением 35/10 кВ +5 % и у трансформатора наиболее удаленного ТП +2,5 %.

При определении допустимой потери напряжения по отклонениям напряжения можно полностью использовать возможности, предоставляемые Правилами устройства электроустановок, и выполнить электрическую сеть с наименьшей затратой проводникового металла. При этом необходимо обязательно определять допустимую потерю напряжения именно таким способом, не ограничиваясь средними показателями для сетей различных напряжений.

Проверка сети на глубину провала напряжения при пуске электродвигателей. Если в сети работают короткозамкнутые асинхронные электродвигатели большой мощности, то после того, как сеть рассчитана по допустимым отклонениям напряжения, ее проверяют на глубину провала напряжения при пуске двигателей. Известно, что пусковой ток асинхронного короткозамкнутого двигателя в 4...7 раз больше его номинального значения. Вследствие этого потеря напряжения в сети при пуске может в несколько раз превышать потерю напряжения при нормальной работе, а потому напряжение на двигателе будет значительно ниже, чем в обычном режиме.

Однако в большинстве случаев электродвигатели пускают не слишком часто (несколько раз в 1 ч), продолжительность их разбега невелика — до 1 с.

При пуске двигателей допускаются значительно большие понижения напряжения, чем при нормальной работе. Требуется только, чтобы пусковой момент двигателя был достаточен для преодоления момента сопротивления и, следовательно, двигатель мог нормально запуститься.

Во всех случаях, когда начальный момент приводного механизма не превышает 1/3 номинального момента электродвигателя, допускают понижение напряжения в момент пуска асинхронного короткозамкнутого двигателя на его зажимах —30 % UH. Этим условиям обычно удовлетворяют все приводы с ременной передачей, а из числа приводов с непосредственным соединением электродвигателя с механизмом — приводы центробежных насосов, вентиляторов и т.д.

При пуске электродвигателя напряжение на зажимах любого из остальных работающих двигателей не должно снижаться больше чем на 20 % номинального напряжения сети.

Если электродвигатель пускают от трансформатора или синхронного генератора и этот двигатель присоединен к нему через воздушную линию, то глубина провала напряжения, %, при пуске с учетом соединительной линии

При компаундировании (см. п. 10.15) полное сопротивление генератора может быть принято равным нулю. Таким образом, компаундирование — хорошее средство для уменьшения глубины провала напряжения при пусках электродвигателей соизмеримой мощности от небольших генераторов.

Приведенный ранее метод расчета дает весьма приближенные результаты и пригоден только для ориентировочных оценок возможности пуска электродвигателя в данных условиях. Для точных расчетов необходимы характеристики электродвигателей и приводимых ими рабочих машин.

И. А. Будзко, Т. Б. Лещинская, В. И. Сукманов, Электроснабжение сельского хозяйства, М., Колос, 2000