Regulacja napięcia

Poziomy napięć w węzłach sieci elektroenergetycznych wynikają ze strat napięcia na drodze przepływu prądu i zmieniają się wraz ze zmianą obciążenia. Strata napięcia zależy za-równo od mocy czynnej jak i od mocy biernej (patrz rozdział 5). W sieciach przesyłowych i przesyłowo-rozdzielczych, z uwagi na znaczną przewagę reaktancji nad rezystancją elemen-tów, zasadniczy wpływ na poziomy napięć ma moc bierna.

Przepływ prądów biernych powoduje stratę napięcia, której kierunek jest zgodny z kierunkiem wskazu napięcia, natomiast przepływ prądu czynnego powoduje stratę napięcia o kierunku prostopadłym do wskazu napięcia. Prąd bierny zmienia więc bezpośrednio moduł napięcia, a prąd czynny zmienia głównie kąt fazowy, a w niewielkim stopniu moduł. Moc

n

bierna i napięcie tworzą więc parę wielkości ściśle ze sobą związanych, podobnie jak moc czynna i częstotliwość. Różnice pomiędzy tymi parami polegają na tym, że częstotliwość w stanie ustalonym jest jednakowa w całym systemie elektroenergetycznym, a napięcie jest inne w każdym węźle oraz, że źródłami mocy czynnej są tylko generatory, natomiast źródłami mocy biernej są także elementy pasywne układu elektroenergetycznego.

Poziomy napięcia w sieciach elektroenergetycznych są ściśle związane z bilansem mocy biernej. Aby utrzymać napięcie w węzłach sieci na określonym poziomie stosuje się odpowiednią regulację mocy biernej.

Rozróżnia się regulację napięcia: pierwotną, wtórną i trójną.

• Regulacja pierwotna prowadzona jest przez regulatory napięcia generatorów i po-lega na szybkiej zmianie wzbudzenia generatorów przy zmianie napięcia na ich zaciskach.

• Regulacja wtórna napięcia koordynuje działanie urządzeń regulacyjnych napięć i mocy biernej w określonym obszarze systemu celem utrzymania wymaganego poziomu napięcia.

• Regulacja trójna napięcia polega na procesie optymalizacji przebiegającym z użyciem obliczeń opartych na pomiarach czasu rzeczywistego, którego celem jest zmodyfikowanie nastaw urządzeń, które wpływają na rozkład mocy biernej (regulatory bloków wytwórczych, regulatory przełączników zaczepów transforma-torów oraz urządzenia kompensujące, takie jak indukcyjności i kondensatory).

Sposób regulacji zależy od rodzaju źródła tej mocy. Regulacja napięcia może być do-konywana poprzez zmianę:

• sił elektromotorycznych generatorów i przekładni transformatorów

• impedancji sieci

• rozpływu mocy czynnych lub biernych.

Regulacja napięcia poprzez zmianę sił elektromotorycznych generatorów i przekładni transformatorów jest regulacją bezpośrednią, dwa pozostałe sposoby regulacji uważać można za regulację pośrednią.

Regulacja bezpośrednia

Generatory synchroniczne wyposażone są w regulatory napięcia współpracujące z układem wzbudzenia maszyny. Poprzez zmianę prądu wzbudzenia regulator zapewnia utrzymywanie zadanej wartości napięcia na zaciskach. Regulacja wzbudzenia generatora jest podstawowym sposobem regulacji napięcia w systemie elektroenergetycznym.

Regulacja przekładni transformatorów regulacyjnych polega na zmianie czynnej licz-by zwojów w jednym z uzwojeń transformatora. Zmiana przekładni wpływa na zmianę dłu-gości wektora napięcia; ten rodzaj regulacji określa się mianem „regulacja wzdłużna”. Regu-lacja ta nie zmienia bilansu mocy biernej w układzie, ale poprzez zmianę poziomów napięcia w poszczególnych węzłach sieci, wpływa na zmianę rozpływu tej mocy.

Ze względu na sposób zmiany zaczepów można wyróżnić:

• transformatory o przekładni zmienianej po odłączeniu zasilania o zakresach zmian przekładni ±5 %, 2×(±2,5 %), ±2,5 %. W sieci przesyłowej nie są instalowane ta-kie transformatory.

• transformatory o przekładni zmienianej pod obciążeniem w szerokich granicach

±20 % i stopniu regulacji od 0,5 %.

Uzwojenia regulacyjne ze względu na ich wysoki koszt stosuje się tylko po jednej stronie transformatora. Wybór strony regulacji zależy od wysokości napięcia pracy oraz od prądów obciążenia. Uzwojenia regulacyjne transformatorów zaopatrzone są w szereg zacze-pów, a mianowicie w tzw. zaczep zerowy, odpowiadający znamionowej przekładni transfor-matora, którego napięcie jest zarazem napięciem znamionowym uzwojenia oraz zaczepy do-datkowe, których napięcie może być większe lub mniejsze od napięcia znamionowego uzwo-jenia. Przekładnie znamionowe transformatorów najczęściej nie są równe stosunkowi napięć znamionowych sieci. Są to np. przekładnie 115/6,3 kV, 110/33 kV, 110/16,5 kV, itp. Stąd przy nastawieniu przekładni transformatora na zaczep zerowy uzyskuje się przyrost napięcia, który można wyrazić w procentach wzorem:

nT s n

U ⎛ϑ 1 100%⎞ δ =⎜⎝ϑ − ⋅⎟⎠

gdzie:

ϑn - przekładnia znamionowa transformatora, ϑs - iloraz napięć znamionowych sieci.

Przełączanie zaczepów musi odbywać się bez powodowania zaburzeń w pracy syste-mu. Niedopuszczalne jest przerywanie prądu obciążenia oraz bezpośrednie zwieranie zwojów transformatora. Dlatego też powszechnie stosowane jest przełączanie pod obciążeniem przy pomocy zwierania zwojów regulacyjnych za pomocą oporników lub dławików.

Przekładnia transformatora regulacyjnego może być zmieniana ręcznie lub automa-tycznie. Do regulacji automatycznej przełącznik zaczepów musi być wyposażony w regulator napięcia podobny do regulatora napięcia generatora.

Regulacja napięcia przez zmianę rozpływu mocy biernych

Zmiana rozpływu mocy biernych w sieci elektroenergetycznej powoduje zmianę spadków napięcia w tej sieci, a tym samym zmienia wartości napięć w jej węzłach. Regulacji mocy biernej dokonuje za pomocą generatorów synchronicznych, a także dodatkowych źródeł mocy biernej, tj:

• kompensatorów synchronicznych – sposób obecnie praktycznie nie stosowany

• baterii kondensatorów równoległych (sieci rozdzielcze)

• dławików równoległych (sieci przesyłowe)

• urządzeń energoelektronicznych, jak np. statyczny kompensator SVC, czy statycz-ny kompensator synchroniczstatycz-ny STATCOM (sieci przesyłowe i rozdzielcze)

Baterie kondensatorów równoległych są stosowane w sieciach rozdzielczych nie tylko do regulacji napięcia, ale i do kompensacji mocy biernej (patrz rozdział 7.2).

Kompensatory statyczne to układy zawierające kondensatory i/lub dławiki sterowane tyrystorowo. Włącza się je do węzłów sieci elektroenergetycznej równolegle do odbiorów, stanowią więc regulowaną susceptancję, której wartość zmienia się w sposób płynny w grani-cach wyznaczonych mocą kondensatorów i dławików. Z uwagi na zdolność do szybkiej (na-dążnej) zmiany mocy biernej, układy te stosuje się w przypadku konieczności kompensacji szybkich zmian napięcia.

Kompensatory realizują zwykle kilka funkcji:

• stabilizacja napięcia w węzłach sieci

• kompensacja mocy biernej

• kompensacja składowej przeciwnej napięć i prądów, czyli symetryzacja.

Szczegółowe omówienie kompensatorów statycznych wykracza poza ramy niniejsze-go skryptu.

Regulacja napięcia przez zmianę impedancji sieci

Podobnie jak w przypadku zmiany rozpływu mocy biernej, również zmiana impedan-cji sieci wpływa na zmianę spadków napięć i tym samym zmienia napięcia w węzłach tej sie-ci. Można tu wyróżnić dwa sposoby regulacji:

• poprzez zmianę konfiguracji sieci,

• przez zastosowanie kondensatorów szeregowych.

Sposób pierwszy znajduje zastosowanie głównie tam, gdzie występują równolegle pracujące elementy sieci. Polega on na włączaniu elementów równoległych, np. linii lub transformatorów przy dużym obciążeniu i odwrotnie - wyłączaniu tych urządzeń kiedy obcią-żenie jest małe. Należy podkreślić, że głównym celem zmiany konfiguracji sieci jest dosto-sowanie mocy znamionowej elementów do aktualnego obciążenia, co - oprócz zmiany napię-cia - powoduje zmniejszenie całkowitych strat mocy czynnej w sieci.

Drugi sposób regulacji napięć poprzez zmianę impedancji sieci polega na zastosowa-niu baterii kondensatorów szeregowych (rys. 9.4).

Rys. 9.4. Kompensacja reaktancji linii.

Strata napięcia na kondensatorze zmniejsza stratę napięcia na reaktancji indukcyjnej linii, co powoduje zmniejszenie całkowitego spadku napięcia w linii. Moc baterii kondensato-rów można zmieniać, poprzez włączanie i wyłączanie kolejnych jej stopni. W ten sposób można wpływać na stopień kompensacji reaktancji linii, w zależności od obciążenia. Regula-cja mocy baterii odbywa się za pomocą łączników tyrystorowych. Układy kondensatorów szeregowych sterowane tyrystorowo (ang. Thyristor-Controlled Series Capacitor - TCSC) są zaliczane do grupy urządzeń wspomagających pracę i zwiększających elastyczność sieci prze-syłowych FACTS (ang. Flexible AC Transmission Systems).

Pytania kontrolne

1. Na czym polega regulacja pierwotna częstotliwości?

2. W jaki sposób jest realizowana regulacja wtórna?

3. Na czym polega regulacja częstotliwości po stronie odbiorów?

4. Wyjaśnić zasadę regulacji napięcia za pomocą zmiany rozpływu mocy biernych.

5. W jaki sposób jest realizowana bezpośrednia regulacja napięcia w sieciach elektro-energetycznych?

6. Transformator wyposażony w przełącznik zaczepów po stronie górnej, o stopniach regulacji –5%, -2,5%, 0%, +2,5%, +5%, pracuje przy przekładni znamionowej. W ja-kim położeniu należy ustawić przełącznik zaczepów, aby uzyskać wzrost napięcia po stronie wtórnej o 2,5%?

7. Wyjaśnić sposób regulacji napięcia przez zastosowanie kondensatorów szeregowych.

Rozdział 10. Perspektywy rozwoju systemu elektroenergetycznego