Возможности адаптивного регулирования напряжения в сети 0,4 кВ средствами компенсации реактивной мощности

Введение. Отклонение напряжения на вводах потребителей от номинальных значений приводит к ущербам как для потребителей, так и для электросетевых компаний. Ущербы потребителей связаны со снижением ресурса электрооборудования, снижением производительности технологического оборудования, повышению количества брака продукции и другими негативными эффектами, что подробно рассмотрено в работах [1-3].

Для электросетевых компаний ущербы в этом случае складываются из нескольких составляющих. Первая из них - расходы на устранение несоответствия показателей качества электроэнергии (ПКЭ) нормируем значениям согласно ГОСТ 32144-2013, которые на примере Орловского РЭС Орёлэнерго могут составлять более 580 руб./час в зависимости от времени, затраченного на устранение несоответствия ПКЭ. Затраты по устранению несоответствия качества электроэнергии на один случай могут составлять от 1200 руб. до 2000 руб., а время на выполнение работ по устранению несоответствий от 1,5 ч. до 4 ч. [4-5].

Одним из основных ПКЭ является медленное изменение напряжения. Этот показатель в виде отклонения напряжения значительно влияет на работу электроприёмников, поэтому значительное количество работ учёных направлено на разработки по поддержанию напряжения на вводах потребителей, в точках подключения электроприёмников близким к номинальному, не допуская его отклонений более нормированных значений [6].

Существует целый ряд способов поддержания уровня напряжения в нормированных значениях. Это способы, связанные с регулированием напряжения в центрах питания с помощью регулирования под нагрузкой (РПН) силовых трансформаторов с высшим напряжением 35 кВ и выше [7], способы подержания значений напряжения с применением стабилизирующих устройств, устанавливаемых как в непосредственной близости от электроприёмников, так и в линиях электропередачи (ЛЭП) [8-9], способы регулирования напряжения за счёт поддержания в сети баланса реактивной мощности с помощью компенсирующих устройств разного типа [10].

Современные средства цифровизации и автоматизации позволяют реализовывать и способы адаптивного автоматического регулирования напряжения в сетях 0,4-10 кВ, основанные на контроле напряжения на вводах потребителей и минимизации отклонений напряжения в данных точках. В известных разработках с применением данного способа применяется регулирование напряжения с помощью РПН силовых трансформаторов 10/0,4 кВ, вольтодобавочных трансформаторов (ВДТ), или стабилизаторов напряжения, причём значение коэффициента регулирования для данных устройств определяется исходя из измеренных значений отклонения напряжения на вводах потребителей. [11-12]. Данный способ достаточно затратен при использовании РПН и стабилизаторов напряжения, ВДТ. В то же время его можно применить и для регулирования напряжения другими методами, в частности, при использовании накопителей электроэнергии (НЭ) для управления качеством электроэнергии [13]. В то же время, не исследованы возможности применения данного способа при использовании средств компенсации реактивной мощности в качестве средств регулирования напряжения.

Регулирование реактивной мощности, как и регулирование напряжения, является важным мероприятием, не соблюдение которого может негативно отражаться на работе электрической сети. Так при недокомпенсации реактивной мощности рассматриваемая электрическая сеть перегружена индуктивными токами, которые приводят к перегреву кабелей, падению сетевого напряжения, снижению пропускной способности и увеличению потребления электрической энергии. В случае перекомпенсации возникает повышение сетевого напряжения и, ввиду перегрузки емкостными токами, происходит нагрев кабелей, снижение пропускной способности сети [14].

Очевидно, что регулирование, в том числе посредством компенсации реактивной мощности необходимо, оно может применяться для регулирования напряжения, в том числе адаптивного автоматического регулирования, если это обосновано и технически реализуемо без получения негативных последствий для режимов работы электрической сети.

Цель работы заключается в анализе возможности практического применения установок регулирования реактивной мощности для адаптивного автоматического регулирования напряжения в электрической сети 0,4 кВ.

Материалы и методы исследования.

Производить регулирование напряжения при использовании в качестве компенсирующего устройства батареи статических конденсаторов можно ступенчато, по мере необходимости задействуя её ступени. Число ступеней регулирования рассчитывается исходя из усредненных графиков нагрузки. Возможную к установке мощность конденсаторной установки, Q ку , квар, можно рассчитать исходя из фактически и компенсированного (при желаемом коэффициенте мощности, cosφ) потребляемого значения реактивной мощности по формуле (1) [15]:

Q ку = Qi

Q2 ,

-

где Q 1 – реактивная мощность при текущем коэффициенте мощности cos φ 1 (или коэффициенте реактивной мощности tg φ 1 ), квар;

Q 2 – реактивная мощность при желаемом коэффициенте мощности cos φ 2 (или коэффициенте реактивной мощности tg φ 2 ), квар.

Расчет реактивных мощностей при текущим и желаемом коэффициентах реактивных мощностей производится по формулам (2-3) [15]:

Qi =       ^∙ p ^,

Q2 =      ∙p, где P – значение потребляемой активной мощности, кВт.

Также мощность конденсаторной установки можно рассчитать и через коэффициент K, характеризующий разницу фактического и компенсированного значения коэффициента реактивной мощности в соответствии с формулой (4) [15]:

к =   (arccos(Ф1)- tg (arccos(^2) ,                     (4)

В этом случае мощность конденсаторной установки определяется в соответствии с формулой (5) [15]:

Q ку = Px ^∙ к ^.

Изменение напряжения, Δ и , В, регулирования напряжения за счёт изменения реактивной мощности можно выразить из формулы (6):

∆ и =     ^{∙ x}-э_,

10∙ином где Q — реактивная мощность ступени конденсаторной установки, квар;

U ном — номинальное напряжение электрической сети, кВ;

Х э — эквивалентное реактивное сопротивление элементов сети, ближайших к установке, Ом.

Во избежание резких перепадов напряжения регулирование должно происходить ступенчато таким образом, чтобы напряжение за раз изменялось не более чем на 1 – 2% от номинального напряжения [16].

При этом, зная мощность конденсаторной установки, можно определить возможный диапазон изменения напряжения в рассматриваемой электрической сети.

Так, график нагрузки исследуемой модели сельской электрической сети 0,4 кВ представлен на рисунке 1.

Время суток, t, час

Рисунок 1 – Суточный график нагрузки исследуемой электрической сети 0,4 кВ

Полная и реактивная мощности нагрузки исследуемой электрической сети представлены на суточным графике на рисунке 2.

Рисунок 2 – Суточный график нагрузки в разрезе мощностей при cos φ 1 =0,7

По формулам (2-3) находим реактивную мощность при текущем cos φ 1 и ожидаемом cos φ 2 . В качестве ожидаемого cos φ 2 примем значение, равное 0,94 о.е.

Qi =1,02∙143=145,86 (квар)

Q₂ =0,33∙143=47,19, (квар)

Исходя из этого, по формуле (1) определяем мощность конденсаторной установки:

Q ку =145,86-51,48=94,38 (квар)

Ближайшая по мощности регулируемая конденсаторная установка 100 квар. Ее характеристики представлены в таблице 1 [17].

Таблица 1 – Техническая характеристика конденсаторной установки типа АУКРМ-0,4-100-20 У3.

Наименование	Мощность, квар	Шаг регулировки, квар	Габариты, мм, В х Ш х Г **	Ток, А	Масса, кг
АУКРМ-0,4-100-10 У1	100	10; 15; 25; 25; 25	1000 х 600 х 300	145	60

Произведем расчет модели сельской электрической сети 0,4 кВ, однолинейная схема которой представлена на рисунке 3. ктп г----------п              ВЛ-0,4кВ           ВРУ-0,23кВ

। 160кВА '                                      г---------1

Рисунок 3 – Пример однолинейной схемы сельской электрической сети 0,4 кВ

Определяем полное сопротивление питающей линии от места установки конденсаторной установки до потребителя.

Результаты исследований и их обсуждение.

Согласно схеме, представленной на рисунке 3, рассматриваемая электрическая сеть делится на три участка, расчет которых необходимо произвести отдельно друг от друга, после чего рассчитанные сопротивления всех участков сложить.

Так, сопротивления для 1 участка электрической сети определим по формулам (7-9) [18]:

Rli =ф-о(1)∙  = 120 ∙ 0,028/35 = 0,096 (Ом)(7)

Хы =ф -о (!) ∙0,6/1000 = 120∙0,6/1000 = 0,072 (Ом)(8)

ZL1 =√(Rli2 + Хы2) =√(0,096+0,072) =0,12 (Ом)(9)

где L ф-о(1) – протяженность 1 участка электрической сети 0,4 кВ;

ρ – удельное сопротивление провода, Ом∙мм2/м;

S – сечение провода, мм2.

Аналогичным образом по формулам (7-9) определяются сопротивления участков L2 и L3. Сопротивления участка L2 равны [18]:

Rl2 =ф-О (2) ^∙ f =20∙0,028/16=0,035 (Ом)

X_L2 = ф -О ( ₂ ) ∙0,6/10 00=20∙0,6/1000=0,012 (Ом)

Zl2 =√( RL2² + X_L2² ) = √(0,035 + 0,012) = 0,037 (Ом)

В свою очередь, сопротивления участка L3 равны:

RL3 =ф-О(3) ^∙   = 40 ∙ 0,0175/2,5 = 0,28 (Ом)

X_L3 =ф -0 (3) ∙0,6/1000=40∙0,6/1000=0,024 (Ом)

Z L3 =√( RL2² + ^L2² ) =√(0,28+0,024) =0,281 (Ом)

Полное сопротивление питающей линии (цепи фаза-ноль) от питающего трансформатора определим по формуле (10) [18]:

z ∑ЛЭП⁼ Z_L1 + Z_L2 + Z_L3 =0,12+0,037+0,281=0,438 (Ом)     (10)

Исходя из полного сопротивления до места установки конденсатора по формуле (6) рассчитаем эффект от регулирования конденсаторными установками при полном использовании всех ступеней конденсаторной установки в 100 квар. В выбранной модели конденсаторной установки таких ступеней пять.

∆ U =    ^∙ ^э₌100 ^∙ 5 ^, ₄38 = 27,36 %

10(7ном      10∙0,            ,

Полученные результаты по эффекту от регулирования напряжения конденсаторными установками при разных уставках сведем в таблицу 2.

Таблица 2 – Эффект регулирования напряжения при использовании разных ступеней регулирования конденсаторной установки АУКРМ-0,4-100-20 У3

Ступень	Отклонение напряжения, ∆U, В	Отклонение от Unom, %	Фактическое значение напряжения, U, В
10	10,4	2,74	390,4
25	26	6,84	406,01
50	52,01	13,69	432,01
75	78,02	20,53	458,02
100	104,03	27,38	484,03

На рисунке 4 представлен график зависимости напряжения в сети от реактивной мощности по ступеням регулирования при использовании конденсаторной установки.

0            10           25           50           75           100

Значения реактивной мощности Qуст по ступеням регулирования

Рисунок 4 – График зависимости напряжения от емкости конденсаторной установки

О том, как определятся коэффициент регулирования напряжения при использовании коэффициента технического устройства, описано в способе автоматического регулирования напряжения на электрической подстанции [19].

В процессе функционирования системы адаптивного автоматического регулирования напряжения (СААРН), согласно алгоритму, представленному на рисунке 5, как только фиксируется отклонение напряжения больше допустимых пределов в местах установки датчиков напряжения поочередно определяется фаза, в которой наблюдается отклонение. Если время отклонения параметра больше установленного значения, то определяется сумма отклонений напряжения с всех датчиков в сети и в зависимости от этого показателя рассчитывается коэффициент уровня отклонения напряжения «В» и сторона в которую производится регулирование. Определяется коэффициент технического устройства и коэффициент регулирования напряжения, по которому производится регулирование напряжения [13, 20].

Рисунок 5 – Алгоритм регулирования напряжения с использованием конденсаторных устройств

Для того чтобы убедиться в работоспособности метода автоматического регулирования напряжения в электрической сети с применением конденсаторного устройства рассмотрим вариант отклонения напряжения в сторону понижения напряжение ниже допустимого ГОСТ 29322–2014 значения по допустимому отклонению напряжения.

Рассмотрим электрическую сеть с отклонением напряжения по одной фазе, представленную на рисунке 6.

Т1

U =231,7 U = 209,4 U = 194

(5,3%)       (-4,8%)       (-11,8%)

Рисунок 6 – Исследуемая электрическая сеть 0,4 кВ с пониженным напряжением у удаленного потребителя

На рисунке 6 представлена упрощенная электрическая сеть 0,4 кВ, в которой мы рассматриваем одну фазу с отклонением напряжения удалённого потребителя в отрицательную сторону.

В конкретном примере опрашиваются 4 датчика напряжения. У потребителя П3 в течении продолжительного времени наблюдается отклонение напряжения, и оно превышает t d время отклонения напряжения. Определяется суммарное отклонение напряжения. В данном случае суммарное отклонение напряжения принимает отрицательное значение -5,9% и, согласно алгоритму (рисунок 6), расчет коэффициента регулирования напряжения для этой фазы ведется по формуле (11) [20]:

^В1=(∑ ( 100 ¹ +1)∙100, % (11)

Согласно формуле (11), требуемый коэффициент регулирования для фазы А равен:

^В1А=(₍^ ^, -)+(^ ^, d)+₍ zi ^, h)+( -11 ^, -, +1) ∙100%; \kl00 ) кюо ) к 100   ) к 100   )     /

^В1А⁼ ( ,   +1) ∙100=1,45% .

,

На значение В 1А =1,45% необходимо увеличить отклонение напряжение в сети.

Рассчитаем коэффициент регулирования для конденсаторного устройства в соответствие с формулой (12) [15]:

к рег = К ту ∙S1,                                    (12)

где K ту – коэффициент технического устройства, %, который находится по формуле (13) [15]:

^кту =_% ^С ,                                       (13)

где С – максимальная емкость устройства, Ф,

% - количество процентов, на которое устройство может увеличить напряжение при использовании текущей ёмкости.

В нашем случае устройство выбрано на 100 квар, а максимальный процент, на который конденсаторное устройство может поднять напряжение, равен 27,38%.

Исходя из этого коэффициент технического регулирования составит:

^кту ⁼ 27,38=3,65 %

Таким образом, коэффициент регулирования для конденсаторного устройства составит:

К рег⁼ к ту ∙ В_г =3,65∙1,45=5,29 (квар)

В текущем режиме работы электрической сети необходимо посредством системы адаптивного автоматического регулирования напряжения произвести увеличение напряжения на 1,45% путем подключения конденсаторной установки на 5,29 кВАр, что соответствует первой ступени конденсаторного устройства.

Выводы.

Исходя из результатов анализа возможности практического применения установок регулирования реактивной мощности для адаптивного автоматического регулирования напряжения в электрической сети 0,4 кВ были сделаны следующие выводы:

• 1.    Данный метод вполне применим для дополнительного регулирования напряжения совместно при компенсации реактивной мощности. На примере однолинейной электрической сети с активной мощностью P=143 кВт было установлено, что возможно осуществить регулирование напряжения в такой сети до 27,38% от номинального.

• 2.    Конденсаторные установки как технические устройства можно успешно применять при регулировании напряжения в составе системы адаптивного автоматического регулирования напряжения, а также для регулирования коэффициента мощности.

• 3.    Использование конденсаторной установки является дополнительным способом регулирования напряжения в электрической сети и используется в основном для компенсации реактивной мощности. В большинстве случаев регулирование напряжения на трансформаторных подстанциях 10/0,4 кВ осуществляется средствами ПБВ, которые в свою очередь способны обеспечить регулирование напряжения в пределах ±5% по 2,5% за ступень обмотки. Использование совместно ПБВ и конденсаторных установки на 100 квар позволить расширить зону регулирования напряжения на 37,38%.

• 4.    При монтаже и использовании конденсаторных батарей следует предусмотреть защиту таких устройств. Защита выполняется с помощью реле от перенапряжения, перегрузки по току, защиты от небаланса по амплитуде и фазе, частоте, защита от повторного включения до разряда конденсаторной батареи.