Методы поддержания и регулирования напряжения в сельских электрических сетях

Согласно статье Добрусина Л.Н. "Проблема качества электроэнергии и электросбережения в России» [1], экономический ущерб для России от низкого качества электрической энергии составляет, по минимальной оценке, около 25 миллиардов долларов в год. В этих условиях вопросы регулирования напряжения приобретают особую актуальность.

Ключевым параметром качества электроэнергии, определяющим надежность и эффективность работы электроустановок, является напряжение. Оно должно находиться в допустимых пределах, установленных нормативным документом ГОСТ 32144-2013, или договорными условиями. Регулирование напряжения в электрических сетях – это один из факторов обеспечения эффективности сельхозпроизводства. Именно поэтому необходимо провести анализ основных способов и средств регулирования напряжения в электрических сетях, их принципов действия, преимуществ и области применения, а также роль этих методов в обеспечении устойчивости.

Цель работы заключается в анализе существующих выявлении новых перспективных способов регулирования напряжения в сельских электрических сетях.

Материалы и методы исследования. В качестве материалов использовался литературный обзор. Рассматривались способы и устройства для регулирования напряжения, такие как трансформаторы регулированием без нагрузки (ПБВ), с автоматическими устройствами регулирования напряжения под нагрузкой (РПН), синхронные компенсаторы и линейные регуляторы, регулирование с использованием накопителей электрической энергии, а также использование дополнительных мощностей. Проанализированы методы централизованного и местного регулирования напряжения, варианты стабилизации напряжения, встречного регулирования по изменению нагрузки. Такой подход позволил определить оптимальные способы поддержания напряжения в допустимых пределах с целью улучшения надежности и качества электроснабжения.

Результаты и обсуждение. В настоящее время проблема регулирования напряжения в сельских электрических сетях является одной из основных. Главная причина появления проблемы – нестабильность напряжения, связанная с большой протяжённостью линий, неравномерной нагрузкой и износом питающих силовых трансформаторов, их недостаточной мощностью, вызванной ростом количества потребителей в сельских населенных пунктах.

Проблему, связанную с неравномерной нагрузкой, можно решить путем оптимизации распределения нагрузки по фазам и дальнейшим системным управлением подключением потребителей для уменьшения неравномерности нагрузки [2]. Предложенная мера снижает несимметрию и улучшает стабильность напряжения. Однако она не решает вопроса обеспечения необходимого уровня напряжения в целом ряде случаев, связанных с удалённостью потребителей, заниженным сечением провода линии электропередачи и т.д.

К основным методам регулирования напряжения в электрических сетях можно отнести следующие.

• 1.    Регулирование средствами ПБВ силовых трансформаторов. Главный недостаток применения ПБВ заключается в том, что регулирование производится только при отключенное нагрузке. Это требует отключения потребителей, влекущего за собой ущерб от недоотпуска электроэнергии. К преимуществам метода можно отнести малые затраты в сравнении с использованием регулирования под нагрузкой (РПН), простоту в исполнении и надежность.

• 2.    Регулирование средствами РПН трансформатора. В этом методе регулирование можно осуществлять без снятия нагрузки, но реализация метода значительно дороже, чем применение ПБВ.

• 3.    Регулирование посредством применения автотрансформаторов с регулируемыми Агротехника и энергообеспечение. – 2025. – № 3 (48) 49

• 4.    Применение шунтирующих батарей статических конденсаторов (БСК), представляющих собой набор конденсаторных батарей, которые подключаются параллельно питающей сети. Регулирование в БСК не предусмотрено и работают они только на включение и отключение по мере необходимости. Основная цель устройства - сокращение потерь в электрической сети и небольшой эффект регулирования напряжения. Батарея подключается если необходимо поднять уровень напряжения. К несомненным плюсам можно отнести, то, что в результате эксплуатации БСК наблюдается снижение потерь в электрической сети, обеспечивает высокую скорость и точность регулирования, при этом сама батарея конденсаторов ввиду отсутствия движущихся частей и простоты конструкции обладает большим сроком службы. При этом БСК имеют ряд недостатков: при установке в сеть БСК возможны резонансные явления, требуют дополнительной защиты от перенапряжения, отсутствует автоматические регулирование [6].

• 5.    Применение регулируемых конденсаторных батарей, представляющих устройство, состоящие из нескольких секций конденсаторов, которые можно регулировать в автоматическом режиме, подстраиваясь под изменения в электрической сети. Является более продвинутым и технически сложным вариантом БСК за счет использования средств автоматики (котроллеров). В сравнении с нерегулируемыми БСК имеют преимущество в том, что могут автоматически подстраиваться под изменения электрической сети и за счет средств автоматики производить автоматическую регулировку ввиду этого менее подвержены риску перенапряжений. К недостаткам можно отнести более сложную конструкцию и более высокий риск отказов, так же в момент переключения секций конденсаторов возможны помехи в электрическую сеть [7,8].

• 6.    Применение индуктивных компенсаторов (реакторов). Шунтирующие реакторы -это большие катушки индуктивности, подключаемые в питающую сеть параллельно и предназначенные для поглощения избытка реактивной мощности, в том числе и понижения напряжения. Как правило при необходимости уменьшения напряжения реактор подключается. В некоторых случаях речь может идти о ступенчатом регулировании посредством переключения секций реактора. Реакторы с РПН обладает такой же функциональностью что и шунтирующие реакторы, но за счёт наличия в них устройства РПН обеспечивают более точное и плавное регулирование снижение реактивной мощности и напряжения за счет потребления реактивной мощностью реактором. К главным плюсам использования управляемых реакторов можно отнести то, что они содержат управляющие обмотки способные изменять индуктивность реактора, а также что при использовании реактора стабилизируется напряжение. При применении реакторов с РПН и снижении от 45-55% мощности до номинальной уменьшается диапазон регулирования устройств РПН и при этом происходит их интенсивный износ, приводящий к скорой поломке [9].

• 7.    Применение синхронных компенсаторов (СК). Устройство представляет собой синхронный двигатель, работающий без механической нагрузки. Главная особенность синхронного компенсатора в том, что он может как потреблять, так и выдавать реактивную

• 8.    Применение статических компенсаторов (СТК, устройства FACTS). Flexible Alternating Current Transmission Systems — это общее название для семейства полупроводниковых устройств, предназначенных для динамического управления потоками мощности и регулирования параметров сети [11]. Их основные виды:

При использовании РПН повышается качество регулирования напряжения. Регулирование производится, как правило, в автоматическом режиме при использовании разных способов определения коэффициента регулирования. В частности, известен способ регулирования напряжения электрической подстанции, где регулирование происходит в зависимости от отклонения напряжения вторичной обмотки, заданного значения и измеренное отклонение напряжения первичной обмотки. (Патент SU 782 037 A1 СССР, МПК H02J 3/12, H02P 13/04) [3].

В другом способе при расчете коэффициента регулирования напряжения используются значения фактического напряжения на вторичной обмотке трансформатора и у наиболее удаленного и приближенного потребителей. (Патент RU 2 527 479 Российская Федерация, МПК H02J 3/12) [4].

обмотками. К достоинствам такого метода регулирования напряжения можно отнести простоту конструкции, высокую эффективность, высокое быстродействие, может осуществлять плавное или ступенчатое регулирование, габаритные размеры меньше, чем у трансформатора. К минусам можно отнести: изнашивание движущийся частей, отсутствие гальванической развязки, требуют более мощной защиты так как при высоких коэффициентах преобразования возможно короткое замыкание, при длительном использовании или вследствие плохого контакта возможен перегрев [5].

мощность. Обычно устанавливается на подстанциях высокого класса напряжения. В настоящее время использование синхронных компенсаторов стало актуально в паре с использованием возобновляемых источников энергии, таких как солнечные панели и ветрогенераторы [10]. Применение СК повышает устойчивость, обеспечивает управление реактивной мощностью и обеспечивает стабильность электросетей с большим количеством возобновляемых источников энергии. К недостаткам можно отнести высокую стоимость и энергозатратность.

• -    SVC (Static Var Compensator) комбинация шунтирующих конденсаторов и реакторов быстродействие которых обеспечивается работой тиристоров. Использование подобного устройства обеспечивает регулирование напряжения, реактивной мощности и способно сглаживать колебания в электрической сети. Помимо этого, устройство обеспечивает фильтрацию гармоник, производит симметрирование напряжения и не допускает перенапряжения в сети. К минусам стоит отнести тот момент что малоэффективны в сетях низкого напряжения. Как правило SVC компенсаторы применяют для напряжения 3.3кВ и выше [11, 12].

• -    STATCOM (Static Synchronous Compensator) это дальнейшее развитие статических компенсаторов в основе управления которых идет использование силовой электроники на базе мощных инверторов, применяются IGBT (Инжекционные транзисторы с полевыми эффектами) и GTO (Тиристоры с управляемым отключением). STATCOM обладает быстродействием за счет использования IGBT, но применение ограничено ввиду большой стоимости. Наибольшая эффективность от использования наблюдается в малозагруженных электрических сетях. [11, 13].

• 9.    Применение накопителей электрической энергии. Суть регулирования напряжения с помощью накопителей электрической энергии заключается в том, что имеется система, управляющая зарядом и разрядом аккумуляторных батарей, которая с помощью инвертора (DC/AC-преобразователя), использующего широтно-импульсную модуляцию (ШИМ) под контролем обратной связи выдает в сеть, или потребляет реактивную мощность и напряжение [14].

• 10.    Управление нагрузкой и генерацией. Управление нагрузкой - метод регулирования напряжения, основанный на регулировании нагрузки путем отключения или включения

  Агротехника и энергообеспечение. – 2025. – № 3 (48) 51

• 11.    Частотное регулирование - регулирование мощности потребителей частотными преобразователями. Таковыми потребителями могут выступать устройства на основе асинхронных и синхронных электродвигателей, где снижение мощности не отразится на работе установки: промышленные компрессоры, лифты, системы вентиляции и кондиционирования, холодильные установки, электрический привод насосов. Плюсы регулирования с использованием частотных преобразователей выражены в облегчении пуска электрических двигателей, защите оборудования от скачков напряжения и перегрузок, снижении вибраций, продлении срока службы и увеличении уровня энергосбережения. К минусам можно отнести высокую стоимость и то, что частотное регулирование может вносить высокочастотные помехи в сети и мешать электронике работать в том числе вызывая ложные срабатывания [20].

• 12.    Использование дополнительной мощности - подключение дополнительных мощностей, создаваемых включаемыми или отключаемыми дополнительными генераторами, тем самым изменяя в сети мощность для балансировки напряжения при колебаниях нагрузки. Особо актуально подключение дополнительных генераторов при использовании возобновляемых источников энергии таких как солнечные панели или ветрогенераторы. На полигоне ГНУ ВИЭСХ был проведен эксперимент по генерации энергии от разработанного ветрогенератора в централизованную электрическую сеть. Основной задачей было проверить работоспособность ветрогенератора и выявить недостатки предложенного способа. Эксперимент показал, что все показатели выдаваемой электрической энергии соответствовали расчетным значениям. Подобные решения рекомендованы для тупиковых электрических сетей где наблюдается чаще всего недостаток напряжения. Основными преимуществами использования дополнительных мощностей являются гибкость регулирования мощностей и параметров электрической сети за счет выдачи в них с генерируемой энергии, повышение автономности подключённых потребителей, уменьшение потерь электрической энергии. Из негативных моментов следует отметить что такие генерируемые мощности нуждаются в синхронизации по параметрам с централизованной электрической сетью, стоимость энергии генерируемой возобновляемыми источниками энергии как правило больше, а установки по генерации такой энергии требуют больших капиталовложений [21].

• 13.    Стабилизаторы напряжения

Если напряжение в сети меньше допустимого, то статический компенсатор STATCOM работает как батарея конденсаторов и отдает реактивную мощность, тем самым повышая напряжение. В случае, если напряжение в сети высокое, то он работает как реактор и потребляет реактивную мощность.

В настоящее время известен способ и устройство автоматического регулирования напряжения в электрической сети с применением накопителя электроэнергии (Патент № 2767517 C1 Российская Федерация, МПК H02J 3/12, H02J 5/00) суть которого состоит в том, что фиксируется отклонение фазных напряжений в контрольных точках линии и напряжения в точке установки накопителя и в случае выявлении отклонений напряжений больше допустимых пределов и времени отклонения таких превышении, то выдается команда на регулирование напряжения за счет пофазной подачи или потребления мощности накопителем с учетом его состояния заряда [15].

некоторой части потребителей и, так построенный на грамотном планировании и распределении графика их работы. В настоящее время разработана концепция использования современных устройств секционирования в электрических сетях 0,4 кВ, средствами автоматизированных секционирующих пунктов и мультиконтактных коммутационных систем (МКС) [16, 17].

Планирование и распределение графика нагрузок возможно и при использовании методики, позволяющей производить корректировки стоимости электроэнергии в зависимости от качества переданной электроэнергии потребителю. В частности, по необходимости можно управлять нагрузкой путем включения или отключения ряда потребителей посредством электрических счетчиков с коммутационными аппаратами. Соответственно предварительно потребители делятся на виды потребителей, которые определяют тариф. Так же при формировании тарифа можно отнести время работы (день/ вечер/ ночь), мощность и вид потребителя в зависимости от его важности и возможности отключения [18, 19].

Трансформаторные

• -    Релейные. Стабилизатор содержащий в своей конструкции трансформатор отпайки 52 Агротехника и энергообеспечение. – 2025. – № 3(48)

которого переключаются ступенчато с использованием реле. Для данной разновидности стабилизаторов присуща простота конструкции, невысокая стоимость и высокая надежность. Минус релейных стабилизаторов в регулировании напряжения ступенчато. При этом может страдать точность проведенных регулирований.

• -    Феррорезонасные. Основана работа устройства на резонансе при насыщении магнитопровода вторичной обмотки трансформатора. Обладает быстрой скоростью регулирования. Слабой стороной устройства является его громоздкость, очень низкий КПД, неустойчивость к перегрузкам, узкий диапазон регулирования напряжения, внесение помех в электрическую сеть.

• -    Электромеханические (сервоприводные) Принцип устройства основан на изменении коэффициента трансформации за счет перемещения по вторичной обмотке тороидального трансформатора щетки приводимой в движении сервоприводом. Обеспечивает плавное регулирование напряжения за счет скользящего контакта. При этом за счет работы

сервопривода скорость регулирования снижается, а при регулировании возникает шум.

• -    Электронные. Отличаются от релейных стабилизаторов тем, что переключение обмоток производится не реле, а тиристорами или семисторами, что дает сравнимо малые размеры, быстроту переключения и гарантирует стабилизацию перепадов напряжения. К минусам относятся высокая стоимость и сложность в ремонте.

• 14.    Вольтодобавочные трансформаторы (ВДТ), Пункт автоматического регулирования напряжения (ПАРН). Принципы регулирования основаны как правило на работе автотрансформатора. Производит регулирование напряжения для всех потребителей, подключённых к ЛЭП. Обладает устойчивостью к скачкам напряжения компенсируя несимметрию фазных напряжений, обладает большим сроком эксплуатации, но имеет относительно большие габариты, высокою стоимость и нуждается в отдельном обслуживании [23, 24].

Бестрансформаторные (инвенторные) Устройства преобразующие переменный ток в постоянный с последующей генерации переменного напряжения посредством использования ШИМ устройств и стабилизаторов на основе транзисторов. Несомненным преимуществом в сравнении с трансформаторными типами стабилизаторов является меньшие габариты за счет отсутствия трансформатора в конструкции, плавность регулирования и эффективное подавление помех и скачков напряжений при хорошей скорости реагировании. Главный недостаток — это плохая перегрузочная способность и меньшая надежность ввиду сложного устройства стабилизатора [22].

Устройства регулирования напряжения в электрических сетях имеют важное значение для поддержания стабильного и качественного электроснабжения, однако они обладают рядом недостатков, что обосновывает необходимость развития новых методов и устройств регулирования.

Выводы. Проведенный анализ способов и технических средств регулирования напряжения в сельских электрических сетях показал, что существующие способы, хотя и обеспечивают базовый уровень стабильности, но имеют свои технические особенности, которые определяют их плюсы и минусы, а также применимость в тех или иных случаях. Кроме того, в настоящее время растущие требованиями к надежности и качеству электроэнергии связаны с усложнением структуры энергосистем, увеличением доли возобновляемых источников и ростом доли нелинейных нагрузок. Поэтому актуальным направлением остаётся разработка новых, более эффективных методов и устройств регулирования, включая их интеграцию в автоматизированные системы управления. Такой подход позволит повысить оперативность, точность и адаптивность регулирования, обеспечивая устойчивую и надёжную работу электрических сетей в условиях изменяющихся режимов.