Лабораторная работа №1. Регулирование напряжения в электрических сетях
Цель: Изучение метода изменения коэффициента трансформации трансформаторов и метода компенсации реактивной мощности.
Аппаратное обеспечение: Лабораторный стенд НТЦ–67 «Распределительные сети систем энергоснабжения».
Время выполнения: 4 часа.
Теоретические сведения
Отклонения уровня напряжения от номинального значения, как в сторону повышения, так и в сторону понижения отрицательно сказываются на работе потребителей электроэнергии: приводит к ухудшению условий работы оборудования, снижению производительности механизмов, сокращению срока службы электрооборудования, браку продукции. Нормально допустимые и предельно допустимые значения установившегося отклонения напряжения на выводах приемников электрической энергии, регламентируемые ГОСТ 13109–97, равны соответственно ±5% и ±10%.
Напряжение на шинах низшего напряжения приемной подстанции (рис. 61) определяется как:
 ,
| (88) |
где kT – коэффициент трансформации трансформатора; Uг – напряжение на шинах генератора; Uв – напряжение на шинах высшего напряжения приемной подстанции; P и Q – активная и реактивная мощность, передаваемая по линии; R и X – активное и реактивное сопротивления питающей линии трансформатора.
| Рис. 61 |
Из выражения (88) следует, что регулировать напряжение Uн на шинах у потребителей можно следующими методами:
- изменением напряжения Uг на шинах генератора;
- изменением коэффициента трансформации kT трансформатора, установленного на подстанции;
- изменением реактивной мощности Q, передаваемой по линии, что может осуществляться с использованием синхронных компенсаторов или конденсаторных батарей.
Генераторы электростанций в общем случае являются вспомогательным средством регулирования напряжения в электрической сети и могут служить основным средством регулирования напряжения только для потребителей, получающих питание непосредственно с шин генераторного напряжения.
Рассмотрим подробно прочие методы регулирования напряжения.
Метод изменения коэффициента трансформации. Коэффициент трансформации определяется отношением витков первичной и вторичной обмоток трансформатора. Трансформаторы (автотрансформаторы) имеют специальные ответвления от обмоток, позволяющие изменять коэффициент трансформации и, следовательно, регулировать напряжение. Переключение ответвлений может осуществляться устройством переключения без возбуждения (ПБВ) при отключении трансформатора от сети или устройством регулирования под нагрузкой (РПН) без отключения трансформатора от сети.
Принципиальная схема одной фазы линейного трехфазного трансформатора с РПН приведена на рис. 62.
| Рис. 62 |
Рассмотрим работу переключающего устройства РПН, состоящего из неподвижных контакторов К 1 и К 2, подвижных контактов – избирателей И 1 и И 2 и токоограничивающего реактора, в среднюю точку которого включен вывод нерегулируемой обмотки возбуждения линейного последовательного трансформатора (см. рис. 62). В последовательной обмотке этого трансформатора, включенной в рассечку линии, наводится добавочная э. д. с., величина которой зависит от положения избирателей на регулировочной обмотке, а направление – от положения переключателя. Ток, питающий обмотку возбуждения последовательного трансформатора, проходит через ветви реактора в противоположных направлениях, вследствие чего результирующий магнитный поток в реакторе очень мал и его сопротивление незначительно.
Если по условиям регулирования напряжения необходимо переключиться с одного ответвления на другое, то для этого отключается контактор К 1, а избиратель И 1 переключается на нужное ответвление, после чего контактор К 1 включается. Секция обмотки между двумя соседними ответвлениями оказывается замкнутой через избиратели на реактор. Токи замыкания в обеих частях реактора совпадают по направлению, результирующий магнитный поток и индуктивное сопротивление реактора увеличиваются, чем достигается эффективное ограничение тока в замкнутой части обмотки. Далее отключается контактор К 2, избиратель И 2 переключается на тоже ответвление, что и И 1, после чего контактор К 1 включается.
После достижения последней ступени 9 переключатель реверса переходит в положение 3, а избиратели, вращаясь по кругу, в положение 1. Направление э. д. с. в последовательной обмотке изменится на обратное, и процесс дальнейшего регулирования напряжения будет протекать, как описано выше, с переходом избирателей от контакта 1 к контакту 9.
Трансформаторы с устройством РПН позволяют регулировать напряжение при изменении нагрузки в течение суток. Такие трансформаторы оборудуются автоматическими регуляторами напряжения, которые реагируют на изменения напряжения на вторичной обмотке трансформатора, давая команды на переключение ответвлений РПН согласно заданному закону регулирования напряжения.
Метод компенсации реактивной мощности рассмотрим на примере использования конденсаторных батарей. Включение конденсаторных батарей параллельно нагрузке называется поперечной компенсацией, последовательно – продольной компенсацией.
Поперечная компенсация применяется в основном для повышения величины коэффициента мощности cos j. Коэффициент мощности характеризует качество потребления электроэнергии на предприятии: его снижение приводит к повышению расхода электроэнергии и ее стоимости. При включении мощности параллельно нагрузке угол j уменьшается, в результате уменьшается ток электроприемника, т.е. происходит разгрузка линии по току. На туже величину разгружается и генератор, за счет чего и уменьшаются потери.
Продольная емкостная компенсация применяется в основном как способ регулирования и стабилизации напряжения за счет частичной компенсации индуктивного сопротивления участков электросети для уменьшения потерь напряжения в них. Компенсация индуктивного сопротивления емкостью приводит к повышению токов короткого замыкания во всех элементах трансформаторной подстанции, что особенно опасно для самих конденсаторов. Поэтому в установках продольной компенсации емкость выбирается из расчета, чтобы емкостное напряжение не превышало 5…20% номинального, т.е. емкость продольной компенсации компенсирует только часть мощности.
Принципиальная схема продольной компенсации показан на рис. 63. Шунтирующий разъединитель служит для вывода конденсаторов из работы. Для защиты от перенапряжений при сверхтоках используется спекающийся быстродействующий разрядник с токоограничивающим резистором R. Трансформатор напряжения служит для измерения напряжения, а также для разрядки конденсаторов при снятии напряжения.
| Рис. 63 |
Основное достоинство устройств продольной компенсации заключается в автоматическом и безынерционном регулировании напряжения. Отсутствие механически движущихся частей и контактов делает эти установки весьма простыми и надежными в эксплуатации. При одинаковом регулирующем эффекте мощность конденсаторов получается в 4–5 раз меньше, чем мощность обычной конденсаторной батареи поперечной компенсации, выбранной только для регулирования напряжения.
Недостатком метода является высокая стоимость установок продольной компенсации и необходимость специальной защиты от токов короткого замыкания.
Описание лабораторного стенда НТЦ–67 «Распределительные сети систем энергоснабжения»
Объектом исследования лабораторного стенда НТЦ–67 является модель линии электропередачи нагруженная на активно-индуктивную нагрузку с возможностью подключения компенсирующих конденсаторов. В корпусе стенда размещены:
- понижающие трансформаторы;
- плата тиристорного регулятора напряжения (ТРН);
- блок нагрузочных резисторов;
- блок конденсаторов;
- дроссели;
- блок ламп накаливания ~220 В 15Вт;
- силовой автотрансформатор на базе ОСМ1–0,1;
- модуль микропроцессорной измерительной системы.
Модуль микропроцессорной измерительной системы обеспечивает многоканальное проведение измерений во всех трех фазах с выводом измеренных величин тока и напряжения на цифровые индикаторы. Комплекс измеряемых параметров достаточен для исследования процессов в электроэнергетических системах без подключения стенда к компьютеру.
На лицевой панели изображены электрические схемы объектов исследования. Все схемы, изображенные на панели, разбиты на группы в соответствии с тематикой проводимых работ. На панели установлены коммутационные гнезда, коммутационная аппаратура, а также органы управления, позволяющие изменять параметры исследуемых элементов при проведении лабораторной работы: поворотные переключатели на несколько положений и тумблеры на два положения.
Важно! Обратите внимание на то, что некоторые органы управления имеют одинаковые обозначения: так, на лицевой панели имеется и поворотный переключатель SA1, и тумблер на два положения с таким же обозначением – SA1. Во избежание ошибок внимательно читайте ход выполнения работы.
Для проведения работы необходимо собрать схему объекта исследования с помощью соединительных проводников – перемычек.
Важно! При выполнении лабораторных работ следует неукоснительно соблюдать следующие правила техники безопасности:
- при проведении работ сборка (коммутация) схем проводится при отключенном напряжении питания;
- так как коммутационные гнезда, расположенные на панели, находятся под напряжением во время работы, необходимо соблюдать особую осторожность при проведении исследований, избегать касания элементов коммутации, не допускать проведения коммутации при включенном сетевом автомате стенда;
- работа со стендом начинается с установки на лицевой панели всех тумблеров в нижнее положение «выключено» и всех поворотных переключателей – в нулевое или среднее положение;
- запрещается включать стенд самостоятельно, без проверки собранной схемы преподавателем;
- после проведения необходимых измерений стенд отключается, собранная схема разбирается и снова производиться установка на лицевой панели всех тумблеров в нижнее положение и всех поворотных переключателей – в нулевое или среднее положение.
Ход выполнения работы
Эксперимент №1. Регулирование напряжения методом
изменения коэффициента трансформации
1. Оформить и заполнить исходными данными таблицу эксперимента №1 по примеру (составлен для индивидуального варианта №1):
| № опыта | Исходные данные | Результаты опыта | ||||||||
| Rл1 | Rл2 | R2 | L2 | Откл. Uн | 
| 
| 
| 
| Вывод | |
| +% | ||||||||||
| --% | ||||||||||
| +% | ||||||||||
| --% |
2. С использованием перемычек собрать схему эксперимента в соответствии с рисунком со стр.8 описания лабораторного стенда.
3. Убедиться, что на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного эксперимента перемычки, а также в том, что:
- поворотные переключатели SA1 и SA3 находится в положении «Uн» (вертикально);
- тумблеры SA4 и SA6 находятся в положении «0R» (нижнее);
- тумблер SA1 находится в положении «Выкл» (нижнее);
4. Пригласить преподавателя для проверки схемы;
5. Тумблерами SA4 и SA6 установить заданные индивидуальным вариантом значения активных сопротивлений линий (Rл1 и Rл2 соответственно);
6. Поворотным переключателем SA9 установить первое заданное индивидуальным вариантом значение активного сопротивления нагрузки второй линии R2, поворотным переключателем SA10 установить первое заданное индивидуальным вариантом значение индуктивности нагрузки второй линии L2;
7. Подключить стенд к трехфазной сети – включить автоматический выключатель «СЕТЬ 3~380 В, 50 Гц»;
8. Определить с использованием вольтметра V31 номинальное значение напряжения на нагрузке , результат измерения занести в таблицу;
9. Поворотным переключателем SA1 установить первое заданное индивидуальным вариантом отклонение напряжения питания. По показаниям вольтметра V31 снять реальное значение напряжения 
(с отклонением от номинального ). Результат измерения занести в таблицу;
10. Поворотным переключателем SA3 скомпенсировать изменение напряжения – добиться того, чтобы показания вольтметра V31 вернулись к значению, максимально близкому к 
. Полученное значение скомпенсированного напряжения на нагрузке 
занести в таблицу;
11. Повторить пункты 9 – 10 для второго заданного индивидуальным вариантом отклонения напряжения питания;
12. Повторить пункты 5 – 10 для вторых заданных индивидуальным вариантом значений активного сопротивления нагрузки второй линии R2 и индуктивности нагрузки второй линии L2.
13. Отключить стенд от трехфазной сети – выключить автоматический выключатель «СЕТЬ 3~380 В, 50 Гц»;
14. Разобрать схему опыта, установить на лицевой панели все тумблеры в нижнее положение и все поворотные переключатели – в нулевое или среднее положение.
15. Для каждого опыта эксперимента рассчитать установившееся отклонение напряжения на нагрузке по формуле:
,
и занести результат расчета 
в таблицу. Сделать вывод о величине отклонения в каждом опыте (является нормально допустимым, предельно допустимым или выходит за границы, установленные ГОСТ 13109–97), и занести результат в таблицу, а также занести в отчет схему эксперимента.
Эксперимент №2. Регулирование напряжения методом
поперечной компенсации мощности конденсаторной батареей
16. Оформить и заполнить исходными данными таблицу эксперимента №2 по примеру (составлен для индивидуального варианта №1):
| № опыта | Исходные данные | Результаты опыта | |||||||
| Rл3 | L3 | R1 | L1 | Uн, В | Iн, А | С1, мкФ | , В
|  , А
| |
17. С использованием перемычек собрать схему эксперимента в соответствии с рисунком со стр.10 описания лабораторного стенда.
18. Убедиться, что на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного эксперимента перемычки, а также в том, что:
- поворотный переключатель SA1 находится в положении «Uн» (вертикально);
- тумблер SA4 находится в положении «0R» (нижнее);
- тумблер SA1 и тумблеры SA20…SA25 находятся в положении «Выкл» (нижнее);
19. Пригласить преподавателя для проверки схемы;
20. Тумблером SA5 установить заданное индивидуальным вариантом значение активного сопротивления линии Rл3. Поворотным переключателем SA12 установить заданное индивидуальным вариантом значение индуктивности линии L3.
21. Поворотным переключателем SA7 установить первое заданное индивидуальным вариантом значение активного сопротивления нагрузки R1, поворотным переключателем SA8 установить первое заданное индивидуальным вариантом значение индуктивности нагрузки L1;
22. Подключить стенд к трехфазной сети – включить автоматический выключатель «СЕТЬ 3~380 В, 50 Гц»;
23. Подать напряжение на нагрузку, переключив тумблер SA1 в положение «Вкл» (верхнее);
24. Определить по показаниям вольтметра V21 величину напряжения на нагрузке Uн и по показаниям амперметра А22 – величину тока в нагрузке Iн. Результаты измерения занести в таблицу;
25. Изменяя тумблерами SA20…SA25 емкость компенсатора С1, добиться по показаниям вольтметра V21 увеличения напряжения на нагрузке до максимально возможного значения. Контролировать процесс компенсации и увеличения мощности на нагрузке можно также по интенсивности свечения лампы накаливания R1. Величину итоговой емкости компенсатора С1, определяемую как сумму номиналов включенных тумблеров SA20…SA25, занести в таблицу. Также занести в таблицу конечные значения напряжения и тока при поперечной компенсации и схему эксперимента;
26. Перевести тумблеры SA1 и SA20…SA25 в положение «Выкл» (нижнее);
27. Повторить пункты 21, 23 – 26 для вторых заданных индивидуальным вариантом значений активного сопротивления нагрузки R1 и индуктивности нагрузки L1;
28. Отключить стенд от трехфазной сети – выключить автоматический выключатель «СЕТЬ 3~380 В, 50 Гц»;
29. Разобрать схему опыта, установить на лицевой панели все тумблеры в нижнее положение и все поворотные переключатели – в нулевое или среднее положение.
Эксперимент №3. Регулирование напряжения методом
продольной компенсации мощности конденсаторной батареей
30. Оформить и заполнить исходными данными таблицу эксперимента №3 по примеру (составлен для индивидуального варианта №1):
| № опыта | Исходные данные | Результаты опыта | |||||
| Rл3 | L3 | Uн, В | Iн, А | С3, мкФ | , В
| , А
| |
31. С использованием перемычек собрать схему эксперимента в соответствии с рисунком со стр.12 описания лабораторного стенда.
32. Убедиться, что на панели стенда присутствуют только необходимые для проведения данного эксперимента перемычки, а также в том, что:
- поворотный переключатель SA1 находится в положении «Uн» (вертикально);
- тумблер SA4 находится в положении «0R» (нижнее);
- тумблер SA1 и тумблеры SA40…SA45 находятся в положении «Выкл» (нижнее);
- тумблер SA15 находится в положении «Рш, Р» (нижнее);
33. Пригласить преподавателя для проверки схемы;
34. Тумблером SA5 установить первое заданное индивидуальным вариантом значение активного сопротивления линии Rл3. Поворотным переключателем SA12 установить первое заданное индивидуальным вариантом значение индуктивности линии L3.
35. Подключить стенд к трехфазной сети – включить автоматический выключатель «СЕТЬ 3~380 В, 50 Гц»;
36. Подать напряжение на нагрузку, переключив тумблер SA1 в положение «Вкл» (верхнее);
37. Определить по показаниям вольтметра V31 величину напряжения на нагрузке Uн и по показаниям амперметра А23 – величину тока в нагрузке Iн. Результаты измерения занести в таблицу;
38. Тумблер SA15 перевести в положение «Вкл» (верхнее), включив, тем самым, продольный компенсатор в линию.
39. Изменяя тумблерами SA40…SA45 емкость компенсатора С3, добиться по показаниям вольтметра V31 увеличения напряжения на нагрузке до максимально возможного значения. Контролировать процесс компенсации и увеличения мощности на нагрузке можно также по интенсивности свечения лампы накаливания EL1. Величину итоговой емкости компенсатора С3, определяемую как сумму номиналов включенных тумблеров SA40…SA45, занести в таблицу. Также занести в таблицу конечные значения напряжения и тока при поперечной компенсации и схему эксперимента.
40. Перевести тумблеры SA1 и SA40…SA45 в положение «Выкл» (нижнее);
41. Повторить пункты 34, 36 – 40 для вторых заданных индивидуальным вариантом значений активного сопротивления линии Rл3 и индуктивности линии L3;
42. Отключить стенд от трехфазной сети – выключить автоматический выключатель «СЕТЬ 3~380 В, 50 Гц»;
43. Разобрать схему опыта, установить на лицевой панели все тумблеры в нижнее положение и все поворотные переключатели – в нулевое или среднее положение.
Варианты индивидуальных заданий
К эксперименту №1
| № | Rл1 | Rл2 | R2 | L2 | Отклонение Uн | |||
| первое значение | второе значение | первое значение | второе значение | первое | второе | |||
| 1. | +% | --% | ||||||
| 2. | +% | ++% | ||||||
| 3. | -% | +% | ||||||
| 4. | --% | -% | ||||||
| 5. | --% | ++% | ||||||
| 6. | -% | +% | ||||||
| 7. | --% | ++% | ||||||
| 8. | +% | -% | ||||||
| 9. | ++% | +% | ||||||
| 10. | -% | ++% | ||||||
| 11. | ++% | -% | ||||||
| 12. | --% | +% | ||||||
| 13. | ++% | +% | ||||||
| 14. | +% | ++% | ||||||
| 15. | -% | --% | ||||||
| 16. | --% | ++% | ||||||
| 17. | +% | --% | ||||||
| 18. | -% | ++% | ||||||
| 19. | +% | -% | ||||||
| 20. | ++% | --% | ||||||
| 21. | ++% | +% | ||||||
| 22. | ++% | +% | ||||||
| 23. | -% | --% | ||||||
| 24. | ++% | +% | ||||||
| 25. | --% | --% | ||||||
| 26. | -% | ++% | ||||||
| 27. | --% | ++% | ||||||
| 28. | +% | -% |
К эксперименту №2
| № | Rл3 | L3 | R1 | L1 | ||
| первое значение | второе значение | первое значение | второе значение | |||
| 1. | ||||||
| 2. | ||||||
| 3. | ||||||
| 4. | ||||||
| 5. | ||||||
| 6. | ||||||
| 7. | ||||||
| 8. | ||||||
| 9. | ||||||
| 10. | ||||||
| 11. | ||||||
| 12. | ||||||
| 13. | ||||||
| 14. | ||||||
| 15. | ||||||
| 16. | ||||||
| 17. | ||||||
| 18. | ||||||
| 19. | ||||||
| 20. | ||||||
| 21. | ||||||
| 22. | ||||||
| 23. | ||||||
| 24. | ||||||
| 25. | ||||||
| 26. | ||||||
| 27. | ||||||
| 28. |
К эксперименту №3
| № | Rл3 | L3 | ||
| первое значение | второе значение | первое значение | второе значение | |
| 1. | ||||
| 2. | ||||
| 3. | ||||
| 4. | ||||
| 5. | ||||
| 6. | ||||
| 7. | ||||
| 8. | ||||
| 9. | ||||
| 10. | ||||
| 11. | ||||
| 12. | ||||
| 13. | ||||
| 14. | ||||
| 15. | ||||
| 16. | ||||
| 17. | ||||
| 18. | ||||
| 19. | ||||
| 20. | ||||
| 21. | ||||
| 22. | ||||
| 23. | ||||
| 24. | ||||
| 25. | ||||
| 26. | ||||
| 27. | ||||
| 28. |
