Лекции по "Экономике"

Принцип регулирования как  раз и заключается в изменении  определенными ступенями числа  витков в обмотке трансформатоpa, что обеспечивает необходимые величины магнитного потока и напряжения. На практике в обмотке ВН трансформатора делают ряд ответвлений, каждое из которых соответствует заданному числу последовательно включенных витков обмотки (рисунок 1).

а — пять ответвлений в конце; б — шесть ответвлений в  середине; в — оборотная схема  с тремя ответвлениями в конце; г — магнитно-симметричная схема; д — магнитно-симметричная схема с пятью ответвлениями

Рисунок 1 - Вывод регулировочных ответвлений  в обмотке ВН

Стандартные трансформаторы малой и средней мощности (до 630 кВА) имеют на обмотке, как правило, пять ответвлений (рисунок 1, а), из которых среднее (Х₃) соответствует нормальному напряжению сети (в нашем примере 6,3 кВ), а другие — напряжениям, отличающимся от него на ±5% (±2x2,5%). Так, если напряжению 6,3 кВ соответствует 1000 витков в обмотке ВН (ответвление Х₃), то напряжению 6,615 кВ (ответвление Х₁), большему на 5%, соответствует 1050 витков, а напряжению 5,985 кВ (ответвление Х₅), меньшему на 5%, — 950 витков. Напряжение регулируется ступенями по 157,5 В. В обмотке ему соответствует 25 последовательно включенных витков.

Отключать витки можно  как на конце обмотки, так и  в ее середине. Однако при отключении витков с края обмотки возможно такое положение, когда обмотка становится как бы короче. Это случается особенно при работе на ответвлении Х₅ (рисунок 1, а). Различие в высотах обмоток, как известно, приводит к увеличению осевых усилий. Поэтому обычно ответвления выполняют в середине обмотки (рисунок 1, б). При небольших мощностях применяют оборотную схему (рисунок 1, в).

Ответвления в конце обмотки  ВН встречаются редко - главным образом  у трансформаторов малой мощности, где механические усилия незначительны, а выполнение ответвлений в середине обмотки конструктивно затруднено.

Замыкая ответвления А₂—А₃, А₃—А₄, А₄—А₅ и т. д. (рисунок 1,б), включают в работу одновременно все или часть витков обмотки ВН. По схеме, показанной на рисунке, напряжение регулируют в пределах ±5% двумя ступенями по 2,5% в каждой. По схеме, показанной на рисунке 1, в, г, напряжение регулируют также в пределах ±5%, но тремя ступенями (0, +5%, —5%).

Схемы, показанные на рисунке 1, г, д, являются магнитно-симметричными, они резко снижают механические усилия. Витки регулировочных ступеней в таких обмотках отключаются не с одного конца, а симметрично относительно середины обмоток (рисунок 1, г), что благоприятно сказывается на электродинамической прочности трансформатора, или по всей высоте обмотки (рисунок 1, д). Ответвления замыкаются специальным устройством — переключателем, который соединяет их в определенном порядке, включая в работу то или иное число витков.

Напряжение регулируют по схемам, показанным на рисунке 1, только при отключенном от сети трансформаторе. Переключать ответвления при  работающем трансформаторе нельзя, так  как при размыкании ответвлений  между контактами переключателя  возникнет электрическая дуга, которая  быстро его разрушит. Следовательно, чтобы переключить обмотку трансформатора на другое напряжение, надо отключить  его от сети, переключить его ответвления  и вновь включить в работу. На это время все приемники остаются без питания. Это экономически невыгодно.

Регулирование напряжения под нагрузкой

Регулирование напряжения трансформаторов  способом РПН производится в принципе так же, как и способом ПБВ, но число ответвлений обмотки, т. е. число регулировочных ступеней, обычно бывает больше, а диапазон регулирования  — шире. Так, ГОСТ 12022—76 для трансформаторов  мощностью 63—630 кВА установил диапазон регулирования напряжения относительно номинального ±10% ступенями по 1,67% (±6X1,67%). ГОСТ 11920—73 разрешил для трансформаторов мощностью 1000—80000 кВА иметь различные диапазоны регулирования: ±9, ±10, ±12%. Существуют серии трансформаторов с еще большим диапазоном: ±16, ±22, ±36. Еще более «глубокое» регулирование требуется для некоторых специальных трансформаторов, например электропечных, где отношение пределов регулирования напряжения обмотки НН нередко составляет 1 : 2, 1 : 3 и даже 1 : 5.

Рассмотрим наиболее распространенную схему работы переключающего устройства с токоограничивающим реактором (рисунок 2). Переключающее устройство имеет  следующие основные части: избиратель ответвлений, контактор, токоограничивающий реактор, привод устройства. В схеме  имеется два отводящих (токосъемных) контакта избирателя П1 и П2, два контактора К1 и К2, токоограничивающий реактор  Р (I_н - номинальный ток трансформатора).

а — положение «два вместе»; б — разомкнут контакт ФК2; в — положение «мост»; г — разомкнут контакт К1

Рисунок 2 - Схемы работы переключающего устройства с токоограничивающим реактором

На рисунке 2, а оба отводящих  контакта установлены на одном ответвлении  обмотки. Такое положение контактов  называют «два вместе». Номинальный  ток нагрузки делится поровну  между двумя половинами переключающего устройства. При необходимости перейти  на другое ответвление (ступень) обмотки  привод в первую очередь размыкает  контакты контактора К2 (рисунок 2, б). Эти контакты разрывают ток, равный половине номинального, и между ними возникает электрическая дуга. После гашения дуги весь ток проходит только через вторую (верхнюю) половину переключающего устройства. Отводящий контакт избирателя (П2) при отсутствии тока (цепь разорвана) переходит на другое ответвление обмотки, после чего контакты К2 вновь замыкаются (рисунок 2, в).

Такое положение переключающего устройства обычно называют положением «мост». Как и в положении «два вместе», номинальный ток нагрузки делится пополам между каждой половиной переключающего устройства. Однако в положении «мост» кроме  нагрузочного тока возникает циркулирующий  ток, замыкающийся внутри контура, образованного  частью обмотки трансформатора и  реактором (рисунок 2, в). Величина циркулирующего тока ограничивается сопротивлением контура  — в основном сопротивлением реактора. Обычно сопротивление реактора подбирают  так, чтобы величина циркулирующего тока была равна половине номинального. В этом случае ток, проходящий через  отводящие контакты П1 и П2, не будет больше номинального и нет опасности их чрезмерного нагрева.

Далее размыкаются контакты К1, разрывающие номинальный ток (рисунок 2, г). После гашения дуги весь ток проходит уже через другую половину переключающего устройства. Отводящий контакт П1 избирателя при отсутствии тока переходит на ответвление, где уже стоит контакт П2, контакт К2 вновь замыкается и переключение заканчивается.

Из рассмотрения работы переключающего устройства РПН можно сделать  следующие выводы:

- контакты контактора  К1 и К2 замыкают и размыкают ток, т.е. подвергаются воздействию электрической дуги;

- контакты избирателя  П1 и П2 замыкаются и размыкаются без разрыва тока, т. е. при отсутствии дуги;

- привод должен обеспечить  описанную последовательность работы  контактов;

- реактор служит для  ограничения циркулирующего тока  до необходимой величины (например, до половины номинального тока  нагрузки);

- в положениях контактов  избирателя «два вместе» и  «мост» ток нагрузки распределяется  поровну между двумя обмотками  реактора, установленными на одном  сердечнике. Эти токи направлены  навстречу друг другу и в  положение «два вместе» не  создают возбуждающего поля в  сердечнике и падения напряжения.

Достоинство переключающих  устройств с токоограничивающий реактором заключается в возможности  длительно работать в промежуточном  положении «мост», поэтому для  привода этих устройств не требуется  специальных быстродействующих  механизмов, значит, они могут быть относительно простыми и дешевыми.

В последние годы широкое  распространение получили и другие переключающие устройства — с  активными токоограничивающими  сопротивлениями. Не рассматривая подробно эти устройства, отметим, что их конструкция  получается более сложной и дорогой, чем у переключающих устройств  с реакторами. Однако они обладают рядом весьма существенных достоинств: громоздкий и тяжелый реактор  заменен сравнительно легкими активными  сопротивлениями; конструктивно эти  устройства более компактны; условия  гашения дуги более благоприятны.

Существует много схем регулируемых обмоток трансформаторов. На рисунке 3 показана в качестве примера  схема обмотки ВН однофазного  трансформатора, регулируемой переключающим  устройством с реактором.

Рисунок 3 - Схема обмотки ВН однофазного  трансформатора, регулируемой переключающим  устройством с реактором

 

4. Синхронный компенсатор, его  назначение и особенности конструкции

Синхронный  компенсатор представляет собой  синхронный двигатель, работающий без  нагрузки на валу; при этом по обмотке  якоря проходит практически только реактивный ток. Синхронный компенсатор  может работать в режиме улучшения  cos φ или в режиме стабилизации напряжения.

Обычно электрическая  сеть, питающая электроэнергией промышленные предприятия, нагружена током I_н, отстающим по фазе от напряжения сети U_c (рис. 6.55, а). Это объясняется тем, что от сети получают питание асинхронные двигатели, у которых реактивная составляющая тока довольно велика. Для улучшения cos φ сети синхронный компенсатор должен работать в режиме перевозбуждения. При этом ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря Í_асинхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети Ú_c (рис. 6.55, а) и был примерно равен реактивной составляющей Í_н.р тока нагрузки Í_н . В результате сеть загружается только активным током нагрузки Í_с = Í_н.а .

При работе в режиме стабилизации напряжения ток  возбуждения синхронного компенсатора устанавливается постоянным, причем такого значения, чтобы ЭДС компенсатора Е₀ равнялась номинальному напряжению сети U_c.ном (рис. 6.55, б). В сети при этом имеется некоторый ток I_н , создающий падение напряжения ΔU ≈ I_н R_c cos φ + I_н X_c sin φ, где R_c и Х_с — активное и индуктивное сопротивление сети; φ — угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.

Рис. 6.55. Векторные диаграммы синхронного  компенсатора: а — в режиме улучшения  cos φ сети; б, в, г — в режиме стабилизации напряжения

Если напряжение сети в точке подключения синхронного  компенсатора несколько понижается из-за возрастания тока нагрузки I_н и становится меньше U_с.ном , то синхронный компенсатор начинает забирать из сети реактивный опережающий ток Í_а (рис. 6.55, в). Это уменьшает падение напряжения в ней на величину ΔU_к = I_a X_c . При повышении напряжения в сети, когда U_c > U_с.ном , синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током Í_а (рис. 6.55, г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину ΔU_к = I_aX_c . При достаточной мощности синхронного компенсатора колебания напряжения в сети не превышают 0,5 —1,0 %. Недостатком указанного метода стабилизации напряжения является то, что синхронный компенсатор загружает линию реактивным током, увеличивая потери в ней.

 

Синхронным компенсатором  называется синхронный двигатель облегчённой  конструкции, предназначенный для  работы на холостом ходу.

Синхронные двигатели  благодаря возбуждению постоянным током они могут работать с  cos = 1 и не потребляют при этом реактивной мощности из сети, а при работе, с перевозбуждением отдают реактивную мощность в сеть. В результате улучшается коэффициент мощности сети и уменьшаются падение напряжения и потери в ней, а также повышается коэффициент мощности генераторов, работающих на электростанциях.

Синхронные компенсаторы предназначаются  для компенсации коэффициента мощности сети и поддержания нормального  уровня напряжения сети в районах  сосредоточения потребительских нагрузок. Нормальным являемся перевозбужденный режим работы синхронного компенсатора, когда он отдает в сеть реактивную мощность

В связи с этим компенсаторы, как и служащие для  этих же целей батареи конденсаторов, устанавливаемые на потребительских подстанциях, называют также генераторами реактивной мощности. Однако в периоды спада потребительских нагрузок (например, ночью) нередко возникает необходимость работы синхронных компенсаторов также в недовозбужденном режиме, когда они потребляют из сети индуктивный ток и реактивную мощность, так как в этих случаях напряжение сети стремится возрасти и для поддержания его на нормальном уровне необходимо загрузить сеть индуктивными токами, вызывающими в ней дополнительные падения напряжения.

Для этого каждый синхронный компенсатор снабжается автоматическим регулятором возбуждения или  напряжения, который регулирует величину его тока возбуждения так, что  напряжение на зажимах компенсатора остается постоянным.

Синхронные компенсаторы лишены приводных двигателей и с  точки зрения режима своей работы в сущности являются синхронными двигателями, работающими на холостом ходу.

Для осуществления асинхронного пуска все синхронные компенсаторы снабжаются пусковыми обмотками  в полюсных наконечниках или их полюсы делаются массивными. При этом используется способ прямого, а в необходимых  случаях — способ реакторного  пуска.

В некоторых случаях мощные компенсаторы пускаются в ход  также с помощью пусковых фазных асинхронных двигателей, укрепляемых  с ними на одном валу. Для синхронизации  с сетью при этом обычно используется метод самосинхронизации.

Так как синхронные компенсаторы не развивают активной мощности, то вопрос о статической устойчивости работы для них теряет остроту. Поэтому  они изготовляются с меньшим  воздушным зазором, чем генераторы и двигатели, Уменьшение зазора позволяет  облегчить обмотку возбуждения  и удешевить машину.