Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ систем автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ
1.1 Влияние уровня напряжения на работу электроприемников 11
1.2. Основные проблемы регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ.
1.3 Анализ статистических данных по быстрым и медленным изменениям напряжения у потребителей, подключенных к электрическим сетям 0,38 кВ на примере Орловской области .
1.4 Классификация способов и средств регулирования напряжения в электрических сетях 0,38 кВ.
1.5 Патентный обзор средств регулирования напряжения в 30
электрических сетях 0,38 кВ
1.6 Постановка задач диссертационной работы 32
Глава 2. Разработка способов регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ.
2.1 Анализ параметров, характеризующих изменение напряжения в различных точках электрической сети.
2.2. Анализ признаков, используемых в качестве возмущающего воздействия в различных способах регулирования напряжения и обоснование новых признаков .
2.3. Разработка новых способов адаптивного автоматического регулирования напряжения в электрической сети 0,38 кВ
2.4 Время отклонения напряжения как параметр автоматического регулирования напряжения
2.5 Разработка новых способов адаптивного автоматического регулирования напряжения в электрической сети 0,38 кВ с учетом фактора времени начала регулирования.
2.6 Анализ возможных ситуаций при использовании разработанных способов регулирования напряжения в электрической сети.
2.7 Выбор места установки средств автоматического регулирования напряжения в электрической сети 0,38 кВ.
2.8 Выводы по главе. 64
Глава 3. Разработка математической модели регулирования напряжения в электрической сети 0,38 кВ
3.1 Анализ существующих методов расчета напряжения в различных точках электрической сети
3.2 Моделирование электрической сети 0,38 кВ, содержащей средства регулирования напряжения методом фазных координат.
3.3 Разработка методики расчета коэффициента регулирования при осуществлении автоматического регулирования напряжения в электрической сети с использованием разработанной математической модели .
3.4 Математическое моделирование адаптивного автоматического регулирования напряжения в электрической сети 0,38 кВ с применением вольтодобавочного трансформатора
3.5 Решение задачи выбора места установки средств автоматического регулирования напряжения в электрической сети 0,38 кВ
3.6 Выводы по главе. 118
Глава 4. Разработка системы адаптивного автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ .
4.1 Формирование требований к системе адаптивного автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ
4.2 Разработка структурной схемы системы адаптивного автоматического регулирования напряжения .
4.3 Выбор основных компонентов системы. 124
4.4 Выбор каналов связи между датчиками напряжения и блоком регулирования напряжения
4.5 Разработка экспериментального образца системы и его 127
испытания.
4.6 Выводы по главе 132
Глава 5. Технико-экономическое обоснование автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ
5.1 Капитальные вложения в систему адаптивного 134
автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ
5.2 Издержки на эксплуатацию системы адаптивного 136
автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ
5.3. Экономический эффект от применения системы адаптивного 140
автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ.
5.4 Выводы по главе 150
Заключение 152
Список использованных источников
- Анализ статистических данных по быстрым и медленным изменениям напряжения у потребителей, подключенных к электрическим сетям 0,38 кВ на примере Орловской области
- Анализ признаков, используемых в качестве возмущающего воздействия в различных способах регулирования напряжения и обоснование новых признаков
- Разработка методики расчета коэффициента регулирования при осуществлении автоматического регулирования напряжения в электрической сети с использованием разработанной математической модели
- Разработка структурной схемы системы адаптивного автоматического регулирования напряжения
Введение к работе
Актуальность работы. Несоответствие уровня напряжения нормативным документам в сельских электрических сетях приводит к снижению энергоэффективности электрических сетей, нарушениям технологического процесса у потребителей электроэнергии, сокращению ресурса, как сетевого электрооборудования, так и оборудования на объектах потребителей. В масштабах страны это вьпывает большой ежегодный материальный ущерб. Регулирование напряжения в сельских электрических сетях производится чаще всего с помощью устройств переключения без возбуждения (ПБВ) и является нерегулярным. недостаточно точным и. кроме того, вызывает ущерб от иедоотпуска электроэнергии потребителям, связанный с необходимостью отключения силового трансформатора на время выполнения переключений ПБВ.
Данную проблему можно решить, используя автоматические устройства регулирования напряжения под нагрузкой (РПН) в ТП 10/0,4 кВ или с помощью вольтодобавочных трансформаторов (бустеров) в линиях электропередачи (ЛЭП), а так же других средств автоматического регулирования напряжения. Но существующие способы такого регулирования используют в качестве входных сигналов, значения напряжения в точке установки соответствующих устройств и значения тока нагрузки, подключенной к ТП (или к ЛЭП), что далеко не всегда позволяет выполнять регулирование с достаточной точностью. С учетом того, что сельские ЛЭП имеют часто завышенную, по сравнению с рекомендованной. длину, реальные значения напряжения на вводах потребителей, подключенных к данным ЛЭП, лаже при условии автоматического регулирования напряжения. могут выходить та регламентируемые нормативными документами значения.
Поэтому разработка систем адаптивного автоматического регулирования напряжения, учитывающих значения напряжения на вводах потребителей является актуальной задачей.
Целью работы является разработка системы адаптивного автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ, позволяющей учитывать значение фактического напряжения на вводах потребителей.
Дня достижения данной цели были поставлены и решены следующие задачи:
- выполнить анализ существующих способов автоматического регулирования
напряжения и провести анализ статистических данных значений напряжения на
вводах сельских потребителей;
-разработать новые способы, схемные и технические решения, позволяющие осуществлять адаптивное автоматическое регулирование напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ с учетом фактических значений напряжения па вводах потребителей;
- разработать математическую модель, позволяющую рассчитывать
коэффициент регулирования напряжения в зависимости от напряжения в
различных точках ЛЭП 0.38 кВ. отличающуюся тем, что она позволяет учесть значения напряжения па вводах подключенных к ЛЭП 0.38 кВ потребителей при автоматическом регулировании напряжения:
- произвести оценку основных экономических показателей использования системы адаптивного автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ.
Объектом исследования являются ЛЭП 0,38 кВ в системах электроснабжения сельских потребителей и качество электроэнергии в них.
Предмет исследования способы и средства автоматического
регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ.
Методы исследования. Для решения указанных задач использовались методы математического моделирования электрической сети 10...0,38 кВ в фазных координатах, законы и приемы алгебры матриц применительно к электрическим сетям, методы физического моделирования и инженерного эксперимента, методы математической статистики, методы компьютерного моделирования.
Научная новизна заключается в том, что:
-
Создана новая математическая модель, позволяющая рассчитывать коэффициент регулирования напряжения в зависимости от напряжения в различных точках электрической сети 0,38 кВ, отличающаяся тем, что она позволяет учесть значения напряжения на вводах подключенных к электрической сети 0,38 кВ потребителей при автоматическом регулировании напряжения.
-
Разработаны новые способы адаптивного автоматического регулирования напряжения в электрических сетях 0,38 кВ, позволяющие осуществлять регулирование с учетом фактического напряжения на вводах потребителей. Получен патент на способ.
-
Сформулированы требования к функциональным возможностям системы адаптивного автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0,38 кВ.
-
Разработаны технические решения по реализации системы адаптивною автоматического регулирования напряжения (СААРН), позволяющие осуществлять сбор и обработку информации о фактическом напряжении на вводах потребителей и автоматически определять коэффициент регулирования напряжения, проведены успешные испытания экспериментального образца СААРН.
Теоретическая ценность.
Проведенные статистические исследования напряжения на вводах потребителей позволяют более эффективно выполнить оценку состояния электрических сетей и выбрать мероприятия по их совершенствованию.
Предлагаемая математическая модель позволяет рассчитывать коэффициент регулирования напряжения в зависимости от напряжения в различных точках электрической сети 0,38 кВ и позволяет учесть значения напряжения па вводах подключенных к электрической сети 0,38 кВ потребителей при автоматическом регулировании напряжения, в том числе и при использовании дополнительных средств регулирования напряжения. Тем самым расширяется область применения метода фазных координат при расчете электрических сетей 0,38кВ.
Разработанные способы адаптивного автоматического регулирования напряжения позволяют повысить уровень автоматіпации электрических сетей 0,38 кВ и могут использоваться при создании активно-адаптивных («умных») электрических сетей.
Практическая ценность.
Применение системы адаптивного автоматического регулирования напряжения в сельских электрических сетях 0.38 кВ увеличит степень автоматіпации трансформаторных подстанций 10/0,4 кВ и ЛЭП 0,38 кВ, повысит точность регулирования напряжения. Так же это даст возможность уменьшить ущербы, связанные с недоотпуском электрической энергии потребителям, повысить энергетическую эффективность распределительных электрических сетей за счет снижения нерационального расхода и потерь электроэнергии и путем увеличения ресурса электрооборудования, как сетей, так и потребителей. Перспективность использования предлагаемых решений по адаптивному автоматическому регулированию напряжения в сельских распределительных сетях подтверждена на совместном совещании специалистов Филиала ПЛО «МРСК Центра» - «Орелэнерго» и кафедры «Электроснабжение» Орловского ГАУ по рассмотрению перспективных направлений НИОКР.
Разработанные способы автоматического регулирования напряжения могут быть распространены и на регулирование напряжения с помощью стабилизаторов напряжения, вольтодобавочных трансформаторов, пунктов автоматического регулирования напряжения, что повысит эффективность работы данных устройств.
Разработанная математическая модель и лабораторная установка «Система адаптивного автоматического регулирования напряжения» используются в учебном процессе на кафедре «Электроснабжение» ФГБОУ ВО Орловского ГАУ-Данная методика и оборудование используется для проведения комплекса учебно-практических и лабораторных занятий по дисциплинам «Релейная защита и автоматика», «Электрооборудование электрических станций и подстанций» и «Электрические сети и системы», а так же при проведении курсов повышения квалификации для работников электросетевых предприятий и инженеров-электриков сельхозпроизводства. Разработанная на основе математической модели компьютерная программа внедрена в проектной организации ООО «ЭнерГарант».
Основные положения, выносимые на защиту. На защиту выносятся:
-
Математическая модель, позволяющая рассчитывать коэффициент регулирования напряжения в зависимости от напряжения в различных точках электрической сети 0,38 кВ, отличающаяся тем, что она позволяет учесть значения напряжения на вводах подключенных к электрической сети 0,38 кВ потребителей при автоматическом регулировании напряжения, в том числе и при использовании дополнительных средств регулирования напряжения.
-
Разработанные способы и алгоритмы адаптивного автоматического регулирования напряжения в электрических сетях 0,38 кВ, позволяющие осуществлять регулирование с учетом фактического напряжения на вводах потребителей.
-
Разработанные технические решения по реализации системы адаптивного автоматического регулирования напряжения, позволяющие осуществлять сбор и обработку информации о фактическом напряжении на вводах потребителей и автоматически определять коэффициент регулирования напряжения.
Достоверность исследовании подтверждается: совпадением результатов, полученных теоретическим путем и в результате экспериментальных исследований, представленной выборкой статистических данных об отклонениях напряжения на вводах сельских потребителей электроэнергии, сравнением результатов расчета, полученных с применением разработанных и традиционных методик, а также полученными результатами лабораторных испытаний разработанной системы адаптивного автоматического регулирования напряжения в ЛЭП 0,38 кВ. полученным патентом на способ автоматического регулирования напряжения.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались и получили положительную оценку на международной научно-практической конференции «Особенности технического и технологического оснащения современного сельскохозяйственного производства» ФГБОУ ВПО «Орел ГЛУ» 04 - 05 апреля 2013 г. (2013г.); на 2-й Международной научно - практической конференции "Современные материалы, техника и технология" в Юго-Западном государственном университете города Курска, 25 декабря 2012г.; в ходе телемоста на базе Дальневосточного государственного университета в рамках Всероссийской научно-практической конференции с международным участием «Актуальные проблемы в энергетике и агропромышленном комплексе» (2015г.); на конкурсе инновационных проектов «Молодежь и паука 21 века», аккредитованном Фондом содействия развитию малых форм предприятий в научно-практической сфере по программе «УМНИК», г. Орел (2015г.); на конкурсе «Эиергопрорыв» Фонд «Сколково» (2015г.); на совместном совещании специалистов Филиала ПАО «МРСК Центра» - «Орелоиерго» и кафедры «Электроснабжение» Орловского ГА У по рассмотрению перспективных направлений НИОКР (2014г.); на
Всероссийском конкурсе среди студентов, аспирантов и молодых ученых на лучшую научно-исследовательскую работу «Инновации молодых ученых в агропромышленный комплекс» «Лучшая научно-исследовательская работа среди аспирантов» Министерства сельского хозяйства Российской Федерации в номинации «Технические науки» (города Орел. Воронеж, Ставрополь (2013-2015гг.)) в апреле 2015 года в Воронежском ГА У награжден дипломом победителя второго этапа, в 2015 году в Ставропольском ГАУ награжден дипломом победителя третьего этана: за активную работу над данной тематикой в 2015 году автор удостоен стипендии губернатора Орловской области.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 статей, в том числе 3 статьи в изданиях, включенных в перечень рекомендованных ВАК и I патент на изобретение.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем диссертации 200 с границ машинописною іекета, в том числе 164 основною текста, работа содержит 46 рисунков, 21 таблицу, состоит из введения, ПЛИ глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и 13 приложений на 36 страницах.
Анализ статистических данных по быстрым и медленным изменениям напряжения у потребителей, подключенных к электрическим сетям 0,38 кВ на примере Орловской области
Стремительное развитие промышленности и техники повлекло за собой значительный рост потребления электроэнергии. На производстве стали появляться все более сложные технологические процессы, в которых задействованы точные компьютеризированные системы на основе микропроцессорного оборудования, которые очень требовательны к качеству электрической энергии. Проблемам повышения качества электроэнергии и регулированию напряжения в электрических сетях посвящены работы Баркан Я.Д., Мельникова Н.А., Будзко И.А, Лещинской Т.Б., Попова Н.М., Солдаткиной Л.А., Шидловского А.К., Жежеленко И.В. и многих других ученых. Некачественная электроэнергия, а именно электроэнергия с отклонением параметров качества в электрической сети от нормируемых значений согласно ГОСТ 32144-2013 [41], является не меньшей проблемой для потребителя, чем внеплановые отключения электроэнергии. Несоответствие параметров качества нормируемым ГОСТом значениям может негативно сказываться на точности проводимых операций и на работе оборудования в целом, вплоть до выхода его из строя.
Так, для электропечей, понижение уровня напряжения в электрической сети в пределах нормы увеличивает время технологического процесса за счет уменьшения их мощности и существенно увеличивает затраты связанные с расходом электроэнергии. При отклонении напряжения на 10 % от номинального в первичной обмотке трансформатора дуговой электропечи, при условии того, что поддерживается постоянная мощность, нарушаются тепловой и технологический режим, увеличивая потери электрической мощности на 23%. [59] Снижение напряжения на сварочном аппарате ухудшает качество сварного шва.
Поддержание требуемого уровня напряжения является важной задачей и в процессе электролиза при производстве алюминия, где от изменения напряжения напрямую зависит величина тока, которая требуется для стабильности процесса. Снижение напряжения влечет за собой уменьшение тока и нарушению процесса электролиза с такими негативными моментами как рост потребления электроэнергии и стоимости произведенного алюминия при снижении производительности, а также рисков, связанных с браком произведенной продукции и снижением ее качества.
Не следует забывать и о том, что изменение уровня напряжения и его неоднородность так же негативно сказываются и на работе асинхронных электродвигателей, распространенных в сельском хозяйстве, которые повсеместно используются в станках и конвейерных лентах. Понижение напряжения усложняет пуск асинхронных двигателей. Так при отклонении напряжения на -5% скорость вращения падает лишь на 0,2%, а при отклонении напряжения в 20 % может составить 1,6%. [59]
Если говорить о негативном оказываемом влиянии уровня напряжения на светотехническое оборудовании то, прежде всего оно проявляется в сокращении срока службы, вызывая тем самым экономический ущерб, связанный с заменой вышедших из строя ламп и перерасходу электроэнергии.[57,58] При использовании ламп накаливания повышение напряжения на 1% выше номинального сокращает их срок службы на 15%, а при отклонении напряжения на 5% увеличивается потребляемая мощность на 7-15%, срок службы сокращается вдвое. Для люминесцентных ламп, которые все чаще применяют в сельском хозяйстве, увеличение напряжения на 5% уменьшает полезный срок службы в среднем на 20-30%, а при более резких падениях напряжения до 20-30% от номинального напряжения стабильная работа газоразрядных и люминесцентных ламп не только не гарантируется, но и становится невозможной из-за неспособности ламп зажечься и работать при таком низком напряжении. [62]
Следует отметить, что губительным воздействием для люминесцентных ламп является не только повышение напряжения, но и его понижение.
Кроме того, понижение напряжения вызывает уменьшение мощности, а следовательно и уменьшение светового потока ламп. Так, согласно [65], понижение напряжения на 1% снижает полезный световой поток ламп накаливания на 2,7%, а для люминесцентных ламп на 1,25%. Данные изменения световых характеристик ухудшают санитарно-гигиенические условия, в которых находится человек, приводя к быстрому переутомлению его глаз и снижению производительности труда, а при длительном воздействии данных условий и к ухудшению зрения.
Электронно-вычислительная техника так же чувствительна к изменению напряжения в электрической сети. Провалы напряжения являются наиболее встречающийся проблемой в электрической сети, которая встречается в 87% случаев.[65] Частыми последствиями изменения напряжения у компьютеров является потеря информации, нестабильность работы, перегрев и выход из строя блоков питания. Питающее напряжение влияет и на корректность вывода изображения на дисплее мониторов. Усиливается мерцание экрана, меняется яркость, форма и четкость картинки.[63]
Можно сделать следующие выводы: - для большинства силовых электроприемников отклонения напряжение не более 5% является наиболее приемлемым. Отклонение напряжения более 5% влияет негативно на подавляющее число электрооборудования приводя к преждевременному износу, а в некоторых случаях выходу из строя. - изменение напряжения влияет на мощность и точность оборудования в промышленном и сельскохозяйственном производстве и может влиять на конечный изготовляемый продукт. Для минимизации ущербов от недовыпуска продукции или ущербов связанных с браком продукции, а так же непрямых ущербов, связанных с сокращением срока службы оборудования, необходимо поддерживать напряжение однородным и не допускать его изменение свыше 5% от номинального напряжения в электрической сети.
Анализ признаков, используемых в качестве возмущающего воздействия в различных способах регулирования напряжения и обоснование новых признаков
Таким образом, вопрос автоматического регулирования напряжения становится все более актуальным и точки, в которых будет осуществляться регулирование, все более будут смещаться к потребителю. Использование трансформаторов 10/0,4 кВ с устройствами регулирования под нагрузкой (РПН) и мощных стабилизаторов напряжения из экономически невыгодных мероприятий переходят в разряд необходимых. Соответственно, актуальным становится и вопрос автоматизации указанных устройств. В [28] авторами предложены новый способ регулирования напряжения и алгоритм его реализации, основанные на контроле напряжения у электроприемников, подключенных к регулируемой электрической сети. Данный способ применим как для регулирования напряжения на трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ, так и в случаях использования стабилизаторов напряжения конкретными потребителями электроэнергии, позволяя минимизировать отклонение напряжения на зажимах электроприемников. В то же время следует заметить, что значение отклонения напряжения в сети зависит от таких факторов, как: - суточные, сезонные и технологические изменения нагрузки в электрической сети; - изменение мощности генераторов и компенсирующих устройств; - изменения схемы и параметров электрической сети, связанные с развитием электрической сети. [92] Не смотря на то, что новый ГОСТ [41] вроде бы облегчает задачу сетевых организаций по поддержанию уровня напряжения в электрической сети, тем не менее, эти организации будут все более заинтересованы в том, чтобы напряжение в точках передачи электроэнергии потребителям как можно менее отклонялось от номинального. Это связано с тем, что использование стабилизаторов напряжения и трансформаторов с РПН всё большим числом потребителей приведет к тому, что режимы работы питающей электрической сети станут менее предсказуемыми, повысятся потери электроэнергии, в том числе и в сетях, находящихся на балансе сетевой организации. Так, например, повышая напряжение в собственной сети с помощью стабилизатора напряжения, потребитель неизбежно повышает значение потребляемого тока из питающей сети. Это, в свою очередь, приведет к увеличению потерь электроэнергии в ней, оплата которых ляжет дополнительным бременем на сетевую организацию. К дополнительным потерям приведет и то, что каждый стабилизатор напряжения имеет КПД ниже 100% и коэффициент мощности меньше единицы, что означает опять же увеличение потребляемого тока из питающей сети. Все это может привести, кроме увеличения потерь электроэнергии и к перегрузке в питающих сетях.
Таким образом, поддерживая напряжение на уровне номинального (или близкого к нему) в точке передачи электроэнергии, сетевая организация предупреждает увеличение потерь электроэнергии в собственных сетях.
Учитывая это, был разработан способ автоматического регулирования напряжения на электрической подстанции [79], который предполагается модернизировать, введя задержку времени на регулирование напряжения. Разработанный способ предполагает установку датчиков напряжения (ДН) или приборов учета с функцией контроля напряжения (ПУ), у в точках передачи электроэнергии потребителям, а также в точке, в которой будет производится регулирование напряжения, например, на трансформаторной подстанции 10/0,4 кВ. В случае, если рассматривается регулирование напряжения в собственных сетях потребителя, то место установки датчиков напряжения выбирается индивидуально в каждом конкретном случае исходя из необходимости поддержания номинального напряжения на зажимах электроприемников. Датчики фиксируют отклонение напряжения и его уровень и передают по каналу связи данные в устройство управления, где с учетом задержки времени принимается решение о подаче команды на регулирование на исполнительное устройство, которое приводит в действие технические средства, которые непосредственно обеспечивают регулирование напряжения. В случае, если время отклонения напряжения меньше времени задержки на регулирование, то в этом случае регулирование не производится. Время задержки на регулирование задается с помощью задающего устройства. Способ автоматического регулирования напряжения на электрической подстанции (или в точке группового регулирования напряжения).
Т1- трансформатор с устройством регулирования под нагрузкой (РПН) или устройство группового регулирования напряжения; Канал связи устройства связи и передачи данных; РО – рабочий орган; ИУ – исполняющее устройство; У – усилитель; Ср – модуль принятия решения о регулировании напряжения; ЗД – задержка времени; УУ – устройство управления; ДНт – датчик напряжения трансформатора; ДН1…ДНn – датчики напряжения в точках передачи электроэнергии потребителям (или точки присоединения электроприемников, если регулирование осуществляется в собственных сетях потребителя); ЗУ – задающее устройство; S1-Sn – потребители электрической энергии.
В качестве устройств, непосредственно осуществляющих регулирование напряжения, могут применяться трансформаторы с РПН (как это показано на рисунке 2.7), стабилизаторы напряжения, вольтодобавочные трансформаторы, компенсирующие устройства и т.д. В случае установки в точке регулирования напряжения нескольких таких устройств может реализовываться способ регулирования напряжения с их применением. Данный способ работает следующим образом: устройство учета электроэнергии, оснащенное блоком контроля качества электроэнергии (или датчик напряжения) определяет отклонение напряжения, его уровень и время отклонения напряжения. Сигнал с выхода данного устройства поступает на блок обработки информации, который производит выбор технических средств регулирования напряжения и уровень необходимой корректировки. Далее соответствующими техническими средствами производится регулирование напряжения.
Анализ возможных ситуаций при использовании разработанных способов регулирования напряжения в электрической сети
Чтобы оценить, насколько разработанные способы эффективны и справляются заложенной задачей автоматического регулирования напряжения, необходимо проанализировать все возможные ситуации, с которыми можно столкнуться при эксплуатации в реальных условиях электрических сетей.
Первой наиболее типовой ситуацией является ситуация когда шинах удаленного потребителя наблюдается снижение напряжения ниже допустимого значения. Допустим напряжение на вторичной обмотке трансформатора Uтр-ра составляет 424В. Напряжение у потребителей U1 – U6 по мере удаления от шин трансформаторной подстанции равняется 380В, 350В, 334В, 387В, 372В и 341В соответственно. При этом напряжение у потребителей S3, S6 выходит за рамки нормированного значения напряжения, которое составляет 334В, что уже само по себе является нарушением.
Разработка методики расчета коэффициента регулирования при осуществлении автоматического регулирования напряжения в электрической сети с использованием разработанной математической модели
Анализ электрической сети 0,38кВ показал, что средства автоматического регулирования напряжения в электрической сети, прежде всего, необходимо размещать таким образом, чтобы отклонение напряжения, вызванное потреблением электроэнергии, попадало в диапазон регулирования напряжения. В случае если отклонение напряжения выходит за рамки диапазона регулирования, в которых система адаптивного регулирования напряжения способна произвести регулирование, то вводятся дополнительные средства регулирования напряжения, которые способны расширить диапазон регулирования напряжения осуществляемого централизованно. При централизованном регулировании напряжения средства автоматического регулирования напряжения, а именно блок управления, который выдает сигнал на осуществление корректировки напряжения, удобно устанавливать на трансформаторной подстанции (ТП) в непосредственной близости от РПН или другого устройства регулирования напряжения, с помощью которого предполагается производить регулирование и поддержание напряжения.
Когда отклонение напряжения выходит за рамки диапазона централизованного регулирования, и данное регулирование не способно покрыть это отклонение, то диапазон регулирования напряжения расширяется за счет средств местного регулирования напряжения, которые следует устанавливать исходя из технико-экономических расчетов. Ввод дополнительных средств должен быть обоснован исходя из принципа минимизации затрат на реализацию проекта, при условии поддержания напряжения в электрической сети в пределах нормируемых ГОСТ значений. При этом установка устройств местного регулирования напряжения должна способствовать минимизации потерь электроэнергии и должна быть дешевле относительно модернизации существующей системы. Как правило, вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ) устанавливают в конце линии электропередач 0,38 кВ перед потребителями электроэнергии у которых наблюдается пониженное, не соответствующее нормируемым, значение напряжения. Это касается, как привило сельских сетей, длина которых превышает более 1км.
Определение места установки конденсаторных батарей должно основываться на расчетном графике реактивной мощности. По этим данным выбирается их мощность, которая обеспечит в дальнейшем компенсацию реактивной мощности. Работа компенсирующих устройств должна производиться в соответствии с ГОСТ 27389-87 «Установки конденсаторные для компенсации реактивной мощности». Немаловажным пунктом, согласно с которым определяется место установки средств автоматического регулирования напряжения, является безопасность их применения. [40]
Учитывая возможность сочетания регулирования напряжения, посредством РПН трансформатора и дополнительных средств регулирования напряжения формула по определению коэффициента регулирования напряжения примет следующий вид для представленной на рисунке 3.9 электрической сети. ві = "Й77 ли ли ли .4-у/ 1) 100 (ш +1) + (iM +1) + (iM + 1) + ( 100 +1) где Uk - процент компенсации напряжения дополнительным средством автоматического регулирования напряжения.
При этом определение места установки дополнительных средств регулирования, таких как вольтодобавочные трансформаторы можно осуществить с помощью разработанной математической модели ЛЭП 0,38кВ.
Алгоритм определения места установки дополнительного средства регулирования следующий. Необходимо определить и задать в модели значения, характеризующие все элементы сети, такие как проводимости нагрузки, сопротивление проводов на участках ЛЭП, коэффициенты 2К-полюсников каждого элемента сети. Затем необходимо задать в начале ЛЭП максимальное значение отклонения напряжения, которое возможно получить с помощью средств централизованного (группового) регулирования, например РПН трансформатора 10/0,4 кВ и при этом которое не выходит за рамки ГОСТ (+10%) или за рамки заданного нормируемого показателя, предположим +5% (у первого потребителя). После этого выполнить расчет напряжения в конце ЛЭП, используя математическую модель:
Разработка структурной схемы системы адаптивного автоматического регулирования напряжения
В ходе исследования статистических данных по отклонениям напряжения у разных групп потребителей определено, что наибольшая частота появления значения установившегося отклонения напряжения зафиксирована в диапазоне напряжений +5%...+7,5% и она составляет 68 случаев из 100 исследованных. На диапазон +7,5% …+10% приходится 17 случаев отклонений из 100. Экономический эффект от регулирования напряжения заключается в снижении уровня отклонения напряжения до уровня не более ±5%.
В [84] проведено большое исследование по изучению влияния отклонений напряжения на различные типы электроприемников и вычислены зависимости перерасхода электроэнергии, сокращения срока службы электроприемников от значения отклонения напряжения. Указаны технологические убытки предприятий от отклонения напряжения. Заметим, что привести значения напряжения на вводах потребителей к уровню номинального теоретически невозможно без использования индивидуальных средств регулирования напряжения, например стабилизаторов напряжения, подключенных на вводах потребителей. Именно поэтому имеет смысл приводить отклонения к значениям не более ±5%. Расчет эффекта произведем для различных типов электроприемников, пользуясь методикой [84]. Каждый потребитель, будь то жилой дом или производственный объект имеет набор электроприемников, таких как лампы различных типов, электродвигатели, нагревательные установки и т.п. Поэтому построим зависимости эффекта от регулирования напряжения для разных типов электроприемников от их мощности, установленной на объекте.
В работе Перовой М.Б представлены зависимости относительного перерасхода активной мощности от отклонения напряжения для различных электроприемников, полученные на основании выражений описанных в работе [54]. Для ламп и нагревателей зависимость перерасхода электроэнергии от отклонения напряжения имеет вид [84, 54], показанный на рисунке 5.1.
Для ламп накаливания справедлива зависимость относительного перерасхода электроэнергии от отклонения напряжения:
Р=1,628U+0.514U2, (5.4) таким образом перерасход при отклонении напряжения +2,5% (середина интервала отклонения напряжения 0…+5%) составляет 4,1%, при отклонении 7,5% (середина интервала +5…+10%) 12,5%, а при отклонении 12,5% (середина интервала +10…+15%) - 21,15%. То есть эффект от снижения отклонения напряжения от +7,5% до 2,5% составляет 8,4% потребления электроэнергии лампой накаливания, а снижения от +12,5% до +2,5% составляет 17,05%.
Построим зависимость экономии электроэнергии в денежном выражении, потребляемой лампами накаливания от их мощности при снижении отклонения напряжения от +7,5% до 2,5% и при снижении от +12,5% до +2,5%. Зададимся мощностью ламп накаливания от 0,1 до 100 кВт. На рисунке 5.2 показан соответствующий график при стоимости электроэнергии 4 руб./кВтч.
Мощность лампы накаливания, Р, кВт Рисунок 5.2 - Зависимость экономии электроэнергии в денежном выражении, потребляемой лампами накаливания от их мощности при снижении отклонения напряжения от +7,5% до 2,5% и при снижении от +12,5% до +2,5%.
Для ламп низкого давления справедлива зависимость относительного перерасхода электроэнергии от отклонения напряжения: Р=3,153U+0,0387U2, (5.5) таким образом для ламп низкого давления перерасход при отклонении напряжения +5% составляет 7,88%, при отклонении 7,5% он составляет 23,67%, при отклонении 12,5% он составляет 39,47%. То есть эффект от снижения отклонения напряжения от +7,5% до +5% составляет 15,78%. При снижении отклонения напряжения от +12,5% до +2,5% эффект составит 31,59%.
Зависимости относительного перерасхода активной мощности от отклонения напряжения для различных электроприемников. [84] Электроприемники Перерасход активной мощности от отклонения напряжения электроприемников
На рисунке 5.3 показан соответствующий график зависимости экономии электроэнергии в денежном выражении, потребляемой электроприборами от их мощности при снижении отклонения напряжения от +7,5% до 2,5% и при снижении от +12,5% до +2,5%.
Зависимость экономии электроэнергии в денежном выражении, потребляемой электроприборами от их мощности при снижении отклонения напряжения от +7,5% до 2,5% и при снижении от +12,5% до +2,5%.
Помимо сокращения потерь активной мощности и экономии электроэнергии, за счет применения СААРН увеличивается срок службы оборудования. Экономический эффект от увеличения срока службы складывается и зависит прежде всего от типа оборудования потребителя и его стоимости.
На рисунке 5.4 представлено относительное изменение срока службы различного электрооборудования в зависимости от отклонения напряжения в электрической сети, к которой они подключены. Из графика хорошо видно значительное сокращение срока службы ламп накаливания.