Опыт применения вольтодобавочных трансформаторов низковольтных электрических сетях

Усиление требовательности со стороны потребителей, государственных органов на фоне высокого износа и большой протяжённости низковольтных сетей (протяженность сетей 0,4 кВ, находящихся на балансе филиала «Рязаньэнерго», более 11 тыс. км) приводит к необходимости поиска наиболее эффективных способов повышения качества электрической энергии. В статье рассмотрен опыт установки в Пронском районе Рязанской области в существующую трехфазную сеть напряжением 0,4 кВ вольтодобавочного трансформатора, принцип работы которого позволяет стабилизировать уровень сетевого напряжения.

Актуальность применения вольтодобавочных трансформаторов

В последнее десятилетие в линиях электроснабжения происходит рост электрических нагрузок, что связано с увеличением количества используемых бытовых приборов и их единичной мощности. Увеличение электрических нагрузок в протяженных линиях электропередачи 0.4 кВ при значительном их износе, особенно в сельской местности, приводит к ощутимым колебаниям уровня напряжения электрической энергии, иногда выходящим за допустимые величины.

Продолжающееся насыщение бытовых потребителей энергоемкими электроприборами, к тому же чувствительными к перепадам напряжения, снижает качество электроснабжения. При этом повышается риск повреждения электрического оборудования энергоснабжающих предприятий, а потребители предъявляют претензии к некачественному электроснабжению. Компании, снабжающие электрической энергией, производят компенсационные выплаты за сгоревшую бытовую технику, оплачивают штрафы, подвергаются применению понижающих коэффициентов при тарифном регулировании. К тому же ухудшается репутация предприятий, снабжающих электрической энергией потребителей.

Восстановление показателей качества электроэнергии до значений, нормируемых ГОСТом 32144-2013, традиционно проводится путем реконструкции существующих электрических сетей. Монтируются провода большего сечения, увеличивается мощность трансформаторов, переносится центр питания в центр нагрузок и т. п. Однако это требует дополнительных финансовых затрат. В последние годы ряд компаний на рынке электрооборудования предлагают в подобных случаях применять вольтодобавочные трансформаторы, схемы подключения которых позволяют положительно влиять на параметры электросети.

Применение в сетях нового вида оборудования, сравнение его эффективности с традиционными способами восстановления параметров качества электрической энергии, экономическая обоснованность выбора подобного технического решения требуют научной проработки.

Установка вольтодобавочных трансформаторов, обеспечивающих качественную передачу электрической энергии потребителям, без осуществления длительных и затратных мероприятий по реконструкции существующей электрической сети может стать одним из вариантов быстрого, относительно недорогого и эффективного решения проблемы повышения качества электрической энергии. Это позволит снизить экономические потери энергоснабжающих предприятий с учетом современных требований энергосбережения, включая снижение уровня потерь в результате перекоса фаз, и обеспечит длительную безаварийную работу электросетевого оборудования.

Необходимость проведения исследования обусловлена обращениями потребителей населённого пункта Воскресенка Пронского района Рязанской области в сетевую компанию по вопросу ненадлежащего качества электроснабжения, в частности, такого показателя, как отклонение напряжения.

Целью исследования являлось:

• изучение устройства вольтодобавочного трансформатора, его технических характеристик и правил установки и эксплуатации;
• изучение изменения параметров качества электрической энергии у потребителя до и после установки вольтодобавочного трансформатора.

Методика исследования

Для достижения указанной цели было изучено, как работает вольтодобавочный трансформатор, устройство и технические характеристики вольтодобавочного трансформатора ТВМГ-52/125-380, а также технология его установки в действующую воздушную линию электропередачи (ВЛ) 0,4 кВ.

В населенном пункте Воскресенка был проведен анализ качества электрической энергии у потребителей до и после установки вольтодобавочного трансформатора на ВЛ 0,4 кВ.

Для измерения параметров качества электрической энергии применялся прибор «Прорыв-КЭ».

Расчеты потерь напряжения

Существующая воздушная линия электропередачи в Воскресенке была построена в 1960—1970 годах и выполнена алюминиевыми проводами сечением 25 мм2 марки 4А-25 (рис. 1).

При существующих в 1960—1990 годах нагрузках воздушная линия электропередачи полностью обеспечивала потребителей электрической энергией, соответствующей по качеству требованиям соответствующих ГОСТов.

Величина потери напряжения ΔU не превышала 7% Uном в линии электропередачи, а установившееся отклонение напряжения δU, у потребителей было не более 4—5% Uном.

Потеря напряжения рассчитывалась по формуле:

За 2005-2013 годы нагрузки потребителей значительно возросли. У потребителей Воскресенки появилась разнообразная бытовая техника: электрически мощные стиральные машины, кухонные комбайны, мясорубки, соковыжималки, посудомоечные машины, компьютеры, телевизоры, кондиционеры и другое оборудование. Кроме того, в населенном пункте реконструировались уже построенные дома, строились новые жилые дома. В результате протяженность воздушной линии электропередачи увеличивалась. Рост электрических нагрузок потребителей и увеличение протяженности воздушных линий электропередачи привели к постепенному существенному и устойчивому отклонению напряжения от параметров, нормируемых ГОСТом 32144-2013.

Измерения параметров качества электрической энергии на питающем центре (трансформаторной подстанции ТП 10/0.4 кВ) не показывали отклонений уровня напряжения от параметров, нормируемых ГОСТом 32144-2013. Однако измерения значения установившегося отклонения напряжения δU, проведенные у наиболее удаленного от центра питания потребителя (рис. 1), показали, что положительные и отрицательные значения отклонения напряжения выходят за пределы допустимого ГОСТом 32144-2013 — 10% Uном (рис. 2). В некоторые часы суток они составляли более 30%.

При этом пики значений отклонения уровня напряжения в положительную сторону в часы минимальной нагрузки укладывались в 10% (не более 11%), а отрицательные значения отклонения напряжения были значительными и достигали в среднем 24% от его номинального значения. Уровень напряжения у потребителей половину суток был ниже допустимого значения и падал до 150 В (рис. 3). Максимальные изменения напряжения совпадают с пиками потребления электрической энергии. Максимальные провалы напряжения наблюдаются в период 8-10 часов и 20-22 часа.

Следовательно потеря напряжения у потребителя, наиболее удаленного от центра питания, вызвана характеристиками воздушной линии передачи электроэнергии, такими как ее протяженность и износ Этому способствуют нарушения технологии их монтажа, в частности скрутки проводов, малое сечение (провод 4А-25) и несоответствие их подключённым нагрузкам.

Как вариант повышения качества электроэнергии, сетевой компанией рассматривалась замена провода воздушной линии передачи электроэнергии. При монтаже провода большого сечения СИП 3 х 50 + 1 х 54.6 или СИП 3 х 70 + 1 х 54,6 удельное активное и реактивное сопротивления его уменьшаются, а пропускная способность линии возрастает.

Определена наибольшая потеря напряжения в линии электропередачи 380 В под которой понималась разница между напряжениями источника питания и узла с самым низким напряжением.

Наибольшую потерю напряжения определяют по формуле:

Сечения проводов в рассматриваемой схеме на всех участках линии электропередачи одинаковы. Поэтому наибольшие потери напряжения рассчитываются по формуле:

По наибольшему значению потери напряжения определяют напряжение на потребителе, наиболее удаленном от центра питания Uу, как разницу между напряжением источника питания Uип и наибольшей потерей напряжения ΔUнб линии электропередачи в именованных и относительных величинах:

При замене провода 4А-25 на провод СИП 3 х 50 + 1 х 54,6 потери напряжения в сетях 220 В будут равны 30 В (29.18 В). Напряжение у наиболее удаленного от центра питания потребителя составит 190 В. При замене провода 4А-25 на провод СИП 3 х 70 + 1 х 54,6 наибольшая потеря напряжения в сетях 220 В будет 20 В (19.4 В), а напряжение 200 В.

Расчетные затраты на замену провода 4А-25 с учетом работ по демонтажу и монтажу провода СИП 3 х 50 + 1 х 54.6 равны 1180 тыс рублей, а провода СИП 3 х 70 + 1 х 54.6 составят 1426 тыс. рублей. Однако при замене провода малого сечения на провод большего сечения асимметрия распределения нагрузки по фазам не уменьшится, что не сократит и потери электрической энергии в реконструируемой линии и трансформаторе.

Результаты применения вольтодобавочного трансформатора

На основании расчетов сетевой компанией было принято решение о применении вольтодобавочного трансформатора, принцип работы которого обеспечивает решение существующей проблемы наименее затратным способом. Работы по установке трансформатора были проведены в пределах одного рабочего дня бригадой Пронского РРЭС филиала «Рязаньэнерго»

Вольтодобавочный трансформатор представляет собой трехфазный автотрансформатор в цепь первичной обмотки которого включена катушка с регулируемой индуктивностью МС1 (рис. 4).

Вольтодобавочные трансформаторы типа ТВМГ-52/125-380 предназначены не только для повышения и стабилизации напряжения, но и компенсации асимметричности нагрузки в трехфазной сети потребителей переменного тока напряжением 0,4 кВ частотой 50 Гц. Следовательно, они улучшают параметры качества электрической энергии для всех потребителей, запитанных от данной ВЛ.

Вольтодобавочный трансформатор устанавливается в разрыв линии электропередачи трехфазной сети потребителей переменного тока напряжением 0,4 кВ и является оборудованием наружной установки с длительным режимом работы в умеренных климатических условиях.

Вольтодобавочный трансформатор, схема которого включает электронный блок управления, анализирует входное и выходное напряжения, поддерживает заданный уровень выходного напряжения и выполняет защиту от аварийных режимов.

Активная часть ТВМГ находится в масле и помещена в герметичный бак Электронный блок управления расположен в отдельном отсеке на крышке герметичного бака.

Место установки вольтодобавочного трансформатора ТВМГ определяют, исходя из параметров линии. При этом учитывают, что масляный вольтодобавочный трансформатор ТВМГ не предназначен для работы в условиях тряски, вибрации, ударов.

Установка вольтодобавочного трансформатора в воздушной линии электропередачи возможна непосредственно на опоре или с применением дополнительной опоры (рис. 5).

Затраты на монтаж вольтодобавочного трансформатора с учётом его стоимости покупки в воздушную линию электропередачи составили 820,4 тыс. руб.

Измерения качества электрической энергии после установки вольтодобавочного трансформатора у наиболее удалённого от центра питания потребителя показали существенное улучшение качества его электроснабжения (рис. 6, 7). Значение отклонения напряжения стало не более 10%, а напряжение у потребителей не ниже 200 В.

Для анализа эффективности установки вольтодобавочного трансформатора выбираем два сопоставимых периода времени (одни сутки) до и после проведенного мероприятия в которые были измерены напряжения (рис. 8).

Напряжение электрического тока у потребителя соответствует нормируемым пределам δU(±)=10% (рис. 8). Кроме того, напряжение менее подвержено колебаниям, вызываемым пиками нагрузок.

Выводы

Установка вольтодобавочного трансформатора приводит параметры качества электроэнергии у потребителя в соответствие с требованиями ГОСТа 32144-2013. При этом отпадает необходимость проведения дорогостоящей реконструкции электрических сетей, необходимой при ином варианте устранения недостатков электроснабжения, как то замена провода малого сечения на провод большего сечения. К тому же такая замена проводов требует замену или укрепление опор, либо разделение нагрузок с установкой нового питающего центра.

Заключение

Научное и практическое подтверждение эффективности использования вольтодобавочных трансформаторов в целях улучшения параметров качества электрической энергии в низковольтных электрических сетях позволяет сетевым организациям в более сжатые сроки и с меньшими затратами устранять отклонения напряжения электрической энергии от параметров. нормируемых ГОСТом 32144-2013.

Оригинал статьи: Опыт применения вольтодобавочных трансформаторов низковольтных электрических сетях