Компенсация реактивной мощности в сетях 6/10 кВ

метки: Реактивный, Мощность, Компенсация, Напряжение, Батарея, Регулирование, Электрический, Устройство

Вопроcы экономного использования всех видов энергии, в том числе электричеcкой, и повышения экономичноcти pаботы электpоустановок являются важной гоcудаpственной пpоблемой.

Электроэнеpгия, как оcобый вид продукции, обладает определенными хаpактеpистиками, позволяющими cудить о ее пpигодности в pазличных пpоизводственных пpоцессах. Cовокупность таких хаpактеристик, при котоpых приемники электpоэнергии способны выполнять заложенные в них функции, объединены под общим понятием качеcтва электроэнергии.

В последние годы повышению качеcтва электpоэнергии уделяют большое внимание, т.к. качество электроэнергии может существенно влиять на расход электроэнергии, надежность систем электроснабжения, технологический процесс производства.

При решении задачи повышения качества электроэнергии выделяют экономические, математические и технические аспекты.

Рациональная (оптимальная) компенсация реактивной мощности в промышленных электросетях включает в себя широкий комплекс вопросов, направленных на повышение экономичности работы электроустановок, улучшение качества потребляемой электроэнергии и включающих в себя методы выбора и расчета компенсирующих устройств, исходя из условий выполнения заданий энергосистемы; вопросы места установки компенсирующих устройств и их наивыгоднейшего размещения, рациональной и безопасной эксплуатации и защиты; ключевые вопросы автоматического регулирования реактивной мощности в промышленных электросетях, а также создания целенаправленного научного подхода к разработке и решению с минимумом погрешности адекватной математической модели задачи рациональной компенсации реактивной мощности. мощность электроэнергия батарея конденсатор

Рациональная компенсация реактивной мощности приводит к снижению потерь мощности из-за перетоков реактивной мощности, обеспечению надлежащего качества потребляемой электроэнергии за счет регулирования и стабилизации уровня напряжений в электросетях, достижению высоких технико-экономических показателей работы электроустановок.

Проблема компенсации реактивной мощности в электрических системах страны имеет большое значение по следующим причинам:

1) в промышленном производстве наблюдается опережающий рост потребления реактивной мощности по сравнению с активной;

2) в городских электрических сетях возросло потребление реактивной мощности, обусловленное ростом бытовых нагрузок;

Управление качеством на предприятии электроэнергетики(на примере: ...

... по фазам нагрузки, мощных сварочных установок. Низкое качества электроэнергии увеличивает потери в электросетях, приводит к сокращению срока службы и выходу ... сохранения нормированного качества электрической энергии в системах электроснабжения применяются фильтры высших гармоник, симметрирующие устройства, компенсация реактивной мощности. Контролируются показатели качества электрической энергии ...

3) увеличивается потребление реактивной мощности в сельских электрических сетях.

Количественные и качественные изменения, происходящие в промышленном электроснабжении за последние годы, придают этому вопросу особую значимость. В настоящее время прирост потребления реактивной мощности существенно превосходит прирост потребления активной мощности. При этом передача реактивной мощности на значительные расстояния от мест генерации до мест потребления существенно ухудшает технико-экономические показатели систем электроснабжения.

Интенсификация производственных процессов, повышение производительности труда связаны с совершенствованием существующей и внедрением новой, передовой технологии. Этому процессу сопутствует широкое внедрение мощных вентильных преобразователей, электродуговых печей, сварочных установок и других устройств, которые при всей технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электроэнергии в электрических сетях.

Экономические аспекты включают в себя методы расчета убытков от некачественной электроэнергии в системах промышленного электроснабжения. Математические аспекты представляют собой обоснование тех или иных методов расчета показателей качества электроэнергии. Технические аспекты включают в себя разработку технических средств и мероприятий, улучшающих качество электроэнергии, а также организацию системы контроля и управления ее качеством.

Качество электроэнергии можно улучшить средствами питающей сети или применением соответствующего дополнительного оборудования на основе имеющегося опыта проектных и эксплуатационных организаций.

Часть решений, в основном обусловленных техническими требованиями, является общей и должна приниматься на основе имеющихся указаний. В других случаях учитывают специфику конкретных условий.

Стремление повысить производительность труда на современных промышленных предприятиях, а также интенсификация и усложнение технологических процессов обусловили то, что все большую долю в общем объеме суммарных нагрузок занимают резкопеременные и нелинейные нагрузки с повышенным потреблением реактивной мощности. Это, прежде всего, вентильные преобразователи, нашедшие широкое применение на заводах черной и цветной металлургии и предприятиях химической промышленности, а также мощные дуговые печи, сварочные установки и т.п.

Характерной особенностью работы этих потребителей является влияние их на качество электроэнергии питающих сетей. В свою очередь нормальная работа электрооборудования зависит от качества электроэнергии питающей системы. Такое взаимное влияние электрооборудования и питающей системы определяют термином «электромагнитная совместимость».

Решение проблемы электромагнитной совместимости связано с определением и поддержанием оптимальных показателей качества электроэнергии, при которых выполняются технические требования с минимальными затратами.

Проблема электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью остро возникла в последнее время в связи с широким внедрением мощных вентильных преобразователей, дуговых сталеплавильных печей, сварочных установок и других устройств, которые при всей своей экономичности и технологической эффективности оказывают отрицательное влияние на качество электрической энергии в питающих электрических сетях.

Электрические сети и системы

... мощности устройств для регулирования напряжения; 8) расчет конструктивных параметров проводов, опор и фундаментов воздушных линий; 9) определение технико-экономических показателей электрической сети; 10) организация эксплуатации ... В соответствии с требованиями ПУЭ нагрузки I категории должны обеспечиваться электроэнергией от двух независимых взаиморезервирующих источников питания и перерыв их ...

При разработке новых приемников электроэнергии необходимо учитывать то отрицательное влияние, которое они могут оказывать на питающую электрическую сеть. При оценке должны приниматься во внимание дополнительные устройства, предотвращающие ухудшение качества электрической энергии. Необходимые нормы качества электрической энергии могут быть достигнуты уже на стадии проектирования электроснабжения промышленных предприятий путем соответствующих расчетов и применения технических средств.

Одним из основных вопросов, связанных с повышением качества электроэнергии в сетях, решаемых как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации систем промышленного электроснабжения, является вопрос о компенсации реактивной мощности, включающий выбор целесообразных источников, расчет и регулирование их мощности, размещение источников в системе электроснабжения.

Следует отметить, что практически все показатели качества электроэнергии по напряжению зависят от потребляемой промышленными электроприемниками реактивной мощности. Поэтому вопросы качества электроэнергии невидимо рассматривать в непосредственной связи с вопросами компенсации реактивной мощности.

Проблема электромагнитной совместимости электроприемников с питающей сетью, которую в последнее время сравнивают с проблемой загрязнения окружающей среды, порождает новые научные и технические проблемы при проектировании и эксплуатации промышленных электрических сетей. В настоящее время принимаются меры для того, чтобы уменьшить влияние потребителей на качество электроэнергии в промышленных сетях.

Проблема может быть решена путем создания и промышленного освоения быстродействующих многофункциональных средств компенсации реактивной мощности, улучшающих качество электроэнергии сразу по нескольким параметрам. Внедрение этих устройств приведет также к уменьшению потерь электроэнергии.

Экономное использование электроэнергии приобретает все большее значение, что необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации промышленных сетей высокого и низкого напряжения. Анализ потребления электрической энергии промышленными предприятиями показывает, что основными направлениями сокращения потерь электроэнергии в сетях являются компенсация реактивной мощности с одновременным улучшением качества потребляемой электрической энергии непосредственно в сетях промышленных предприятий, увеличение загрузки трансформаторов с целью достижения максимальной эффективности их использования, приближение трансформаторов к приемникам электроэнергии (глубокие вводы), сокращение ступеней трансформации и исключение дополнительного реакторного оборудования, сокращение потерь непосредственно в трансформаторах, внедрение более экономичного силового электрооборудования и источников света, оптимизация режимов работы электрооборудования, реконструкция и перевод сетей на повышенное напряжение, внедрение диспетчерского управления и автоматизированных систем управления электроснабжением и учетом электроэнергии.

Вопросы качества электроэнергии требуют тщательной разработки и изучения происходящих при этом явлений. Особые трудности связаны с отсутствием требуемых измерительных приборов в электрических сетях, а также сложностью и необходимостью изменения методов измерений. Это связано, в частности, с влиянием случайного характера изменений нагрузок, что, в свою очередь, требует применения статистических приборов и соответствующей обработки получаемой информации — использования вероятностно-статистических методов расчета.

Компенсация реактивной мощности

... мероприятий по компенсации реактивной мощности Минэнерго установлена новая шкала скидок и надбавок к тарифу за электроэнергию в зависимости от степени компенсации реактивной мощности у потребителей. Наглядное представление о сущности компенсации реактивной мощности даёт ...

1. РЕАКТИВНАЯ МОЩНОСТЬ, Реактивная мощность-

Выражается произведением напряжения на зажимах данной цепи на реактивную составляющую тока в ней. Если реактивная составляющая тока больше активной составляющей то и реактивная мощность будет больше фактически потребляемой в цепи мощности.

1.1 Потребители реактивной мощности и мероприятия по её уменьшению

При подключении к электрической сети активно-индуктивной нагрузки ток I _н отстаёт от напряжения U на угол сдвига ц . Косинус этого угла (cos ц ) называется коэффициентом мощности.

Электроприёмники с такой нагрузкой потребляют как активную P так и реактивную Q мощность. Реактивная мощность Q=P*tgц.

Активная энергия потребляемая электроприёмниками преобразуется в другие виды энергии: механическую тепловую энергию сжатого воздуха и газа и т.п. Определённый процент активной энергии расходуется на потери. Реактивная мощность Q не связана с полезной работой электроприемников и расходуется на создание электромагнитных полей в электродвигателях трансформаторах линиях.

Из курса ТОЭ известно что реактивная мощность может иметь индуктивный или ёмкостной характер. Условимся считать реактивную индуктивную мощность Q _z нагрузочной или потребляемой а реактивную ёмкостную мощность Q_c генерируемой.

Прохождение в электрических сетях реактивных токов обусловливает добавочные потери активной мощности в линиях трансформаторах генераторах электростанций дополнительные потери напряжения требуют увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов снижает пропускную способность всей системы электроснабжения .

Полная мощность

; (1)

потери активной мощности

; (2)

коэффициент мощности

; (3)

потери напряжения

(4)

где P Q S -соответственно активная реактивная и полная мощности; R и X — соответственноактивное и реактивное сопротивления элементов электрической сети; U_ном — номинальное напряжение сети.

АД

(КУ);

Еcтеcтвенная компенсация реактивной мощности не требует больших материальных затрат и должна проводится на предприятиях в первую очередь. К естественной компенсации относятся:

• упорядочение и автоматизация технологического процесса ведущие к выравниванию графика нагрузки и улучшению энергетического режима оборудования (равномерное размещение нагрузок по фазам смещение времени обеденных перерывов отдельных цехов и участков перевод энергоёмких крупных элетроприборов на работу вне часов максимума энергосистемы и наоборот вывод в ремонт мощных электроприборов в часы максимума в энергосистемы и т.п.);
• создание рациональной схемы электроснабжения за счёт уменьшения количества ступеней трансформации;
• замена трансформаторов и другого электрооборудования старых конструкций на новые более совершенные с меньшими потерями на перемагничивание;
• замена малозагруженных трансформаторов и двигателей трансформаторами и двигателями меньшей мощности и их полная загрузка;
• применение синхронных двигателей вместо асинхронных двигателей когда это допустимо по условиям технологического процесса;
• ограничение продолжительности холостого хода двигателя и сварочных трансформаторов сокращение длительности и рассредоточение во время пуска крупных электроприемников ;
• улучшение качества ремонта электродвигателей уменьшение переходных сопротивлений контактных соединений;
• отключение при малой нагрузке (например в ночное время в выходные и праздничные дни) части силовых трансформаторов.

1.2 Средства компенсации реактивной мощности

Для искусственной компенсации реактивной мощности, называемой иногда «поперечной» компенсацией, применяются специальные компенсирующие устройства, являющиеся источниками реактивной энергии ёмкостного характера.

Компенсация реактивной мощности (3)

... Так как коэффициент реактивной мощности в нашей работе превышает нормативный, делаем вывод о необходимости компенсации реактивной мощности. Снижение потребления реактивной мощности не всегда возможно ... недогрузкой или перегрузкой на электродвигатели меньшей или большей мощности; понижение напряжения у малозагруженных электродвигателей; ограничение холостого хода работающих электродвигателей; ...

До 1974 г. Основным нормативным показателем, характеризующим потребляемую промышленным предприятием реактивную мощность, был средневзвешенный коэффициент мощности cosц _ср.всз .[5]

Средневзвешенный коэффициент мощности за время t

(5)

где W _аэ и W_рэ -соответственно расход активной и реактивной электроэнергии за рассматриваемый промежуток времени.

Действовавшие до 1974 г.[5] руководящие указания по компенсации реактивной мощности сыграли положительную роль в существенном снижении потреблении реактивной мощности и в повышении средневзвешенного коэффициента мощности в целом по стране с 0,75 в 1946 г. до 0,93 в 1974 г. В то время промышленные предприятия производили оплату израсходованной электроэнергии с учётом cosц _{c р.взв.} . Требования электроснабжающей организации были таковы, что на вводах предприятия значение cosц _{c р.взв} должно было, находится в пределах 0,92-0,95.

Однако в соответствии со старым руководящими указаниями по компенсации реактивной мощности предприятия не были заинтересованы в отключении установленных КУ в часы минимальных нагрузок. В связи с этим в питающей энергосистеме часто наблюдалась перекомпенсация реактивной мощности. Перекомпенсация- это избыточная реактивная мощность, вырабатываемая компенсирующей установкой в периоды понижения нагрузок (ночью, в обеденные перерывы, в нерабочие и праздничные дни и т.п.) и передаваемая в сеть энергосистемы. Результатом перекомпенсации являлось увеличение суммарных потерь мощности и энергии в электрических сетях и усложнение, и удорожание устройств регулирования напряжения.

По этой причине в новых «Правилах пользования электрической и тепловой энергией», введённых в действие с 1 января 1982 г., указывается не нормируемое значение коэффициента мощности (0,92-0,95), а та суммарная реактивная мощность компенсирующих устройств, которая должна быть установлена на предприятии согласно заданию энергосистемы. Для стимулирования мероприятий по компенсации реактивной мощности Минэнерго установлена новая шкала скидок и надбавок к тарифу за электроэнергию в зависимости от степени компенсации реактивной мощности у потребителей.

Наглядное представление о сущности компенсации реактивной мощности даёт (рис.1.1).

На (рис 1.1 а) изображена схема электрической цепи. Пусть до компенсации потребитель имел активную мощность Р ₁ , соответственно ток I_a (отрезок ОВ на рис 1.1, б) и реактивную мощность от индуктивной нагрузки Q₁ с соответствующим током I_L (отрезок ВА ).

Полной мощности S соответствует вектор I_Н (отрезок ОА ).

Коэффициент мощности

до компенсации сosц ₁ . Векторная диаграмма компенсации представлена на (рис.1.1, в).

После компенсации, т.е. после подключения параллельно нагрузке компенсаторной установки (конденсатора) с мощностью Q _K (ток I_C ), суммарная реактивная мощность потребителя будет уже Q₁ -Q_K (ток I_L -I_C ) и соответственно снизится угол сдвига фаз с ц₁ до ц₂ и повысится коэффициент мощности с cosц₁ до cosц₂ . Полная потребляемая мощность при той же потребляемой активной мощности Р (токе I_a ) снизится с S₁ (ток I_Н ) до S₂ (ток I₂ ) (отрезок OA’).

Следовательно, в результате компенсации можно при том же сечении проводов повысить пропускную способность сети при активной мощности.

техническим средствам компенсации реактивной мощности относятся следующие виды компенсирующих устройств: конденсаторные батареи, синхронные двигатели, вентильные статические источники реактивной мощности.

2. РОЛЬ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМАХ

2.1 Снижение потерь при передаче электроэнергии

На практике нагрузка потребителей электроэнергии не остается постоянной в течение суток, а непрерывно меняется.

Рис. 2.1. Суточные графики реактивной мощности

а) Компенсация с помощью нерегулируемой конденсаторной батареей;

• б) Компенсация с помощью автоматически регулируемой одноступенчатой конденсаторной батареей.

На рис.2.1.а приведен пример суточного графика реактивной мощности цеха машиностроительного завода, работающего в две смены — Qнагр. Если подключить нерегулируемую конденсаторную батарею мощностью Qк =Qср, (где Qср — среднесуточная реактивная мощности нагрузки), то график реактивной мощности после компенсации будет иметь вид, показанный на рис.2.1.а «Q после компенсации». Естественно, что круглосуточное подключение компенсирующей мощности Qк =Qср приведет к перекомпенсации в ночные часы, причем по модулю реактивная мощность в этот период увеличится по сравнению с Q до компенсации. Днем реактивная мощность снизится. В итоге потери активной мощности уменьшатся в дневной период, но возрастут ночью, и не будет достигнут ожидаемый от подключения конденсаторной батареи эффект. Для достижения требуемого эффекта мощность конденсаторной битиреи должна регулироваться.

Рассмотрим, каким станет график реактивной мощности после компенсации с помощью батареи конденсаторов, состоящей из одной секции, управляемой автоматически в функции результирующей реактивной мощности (рис. 2.1.б).

Полная мощность батареи Qк выбрана по максимальной потребляемой реактивной мощности Qмакс. Реактивная нагрузка ночью мала, конденсаторная батарея отключена. К утру нагрузка возрастает, конденсаторная батарея автоматически включается, результирующая реактивная мощность скачком снижается на величину Qк и становится отрицательной (график «Q после компенсации», рис.2.1 б).

Вечером при снижении реактивной мощности батарея автоматически отключается (график Qк).

Реактивная мощность после компенсации по абсолютному значению в любой момент времени меньше, чем при использовании нерегулируемой конденсаторной батареи .

Учитывая большие преимущества регулирования мощности компенсирующих устройств, в настоящее время разработаны различные нормативные материалы, которые ограничивают или запрещают применение нерегулируемых компенсирующих устройств в системах электроснабжения промышленных предприятий.

Рассмотрим более подробно принципы автоматического регулирования мощности компенсирующих устройств.

На практике применяются различные способы регулирования мощности компенсирующих устройств:

• а) по времени суток — самый простой способ, при котором включение и отключение компенсирующих устройств происходит в заранее определенное время суток независимо от электрических параметров;
• б) по реактивной мощности — целью является обеспечение минимальной результирующей реактивной мощности в узле нагрузки;
• в) по напряжению — целью является обеспечение стабильного напряжения на шинах узла нагрузки с помощью компенсации реактивной мощности;

— г) по напряжению с коррекцией по реактивной мощности — целью является обеспечение минимального отклонения напряжения в узле нагрузки с одновременной рациональной компенсацией реактивной мощности.

2.2 Регулирование напряжения в сети

Сущность регулирования напряжения за счет воздействия на потоки реактивной мощности по элементам электрической сети заключается в том, что при изменении реактивной мощности изменяются потери напряжения в реактивных Сопротивлениях. Так, для схемы сети, приведенной на рис. 2.2, связь между напряжениями начала U ₁ , и конца U₂ можно записать в виде:

Рис. 2.2. Схема сети с компенсирующим устройством

В отличие от активной мощности, реактивную мощность в узлах сети можно изменять путем установки в них устройств поперечной компенсации, т. е. компенсирующих устройств (КУ), подключенных параллельно нагрузке. В качестве таких компенсирующих реактивную мощность устройств могут служить батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы, шунтирующие и управляемые реакторы, статические тиристорные компенсаторы. К таким устройствам могут быть также отнесены генераторы местных электростанций, подключенных к системе передачи и распределения электроэнергии, синхронные электродвигатели, фильтры высших гармоник. Часть из указанных компенсирующих устройств может только выдавать в сеть реактивную мощность, некоторые — только потреблять из сети реактивную мощность (шунтирующие и управляемые реакторы).

Наиболее ценными для регулирования напряжения являются устройства, обладающие способностями в зависимости от режима сети как генерировать, так и поглощать реактивную мощность (синхронные компенсаторы, статические тиристорные компенсаторы).

Компенсирующие устройства могут быть нерегулируемыми и регулируемыми. При включении нерегулируемого компенсирующего устройства в сети создается постоянная добавка потери напряжения (отрицательная или положительная).

Если же компенсирующее устройство позволяет изменить свою мощность в зависимости от режима сети, то добавка потери напряжения, как это следует из формулы , оказывается переменной, в результате чего появляется возможность регулировать напряжение. Так, в схеме сети, приведенной на рис. 2.2, при изменении компенсирующим устройством мощности Q _K от выдачи (знак «минус» в формуле перед Q_K ) до потребления (знак «плюс» перед Q_K ) будет изменяться потеря напряжения, что при неизменном напряжении U₁ = const приведет также к изменению напряжения U₂ в конце сети, т. е. будет обеспечено регулирование напряжения.

Рис.2.3. Векторная диаграмма полностью скомпенсированной реактивной мощности потребителя (Q _K <Q₂ )

Как следует из формулы, эффективность регулирования напряжения с помощью поперечных компенсирующих устройств повышается в сетях с относительно большими» реактивными сопротивлениями по сравнению с активными, например, в воздушных сетях по сравнению с кабельными. При этом наибольший эффект достигается при установке компенсирующих устройств в наиболее удаленных от центров литания узлах нагрузки.

С помощью поперечного компенсирующего устройства можно создать режим, в котором напряжение в конце сети окажется больше напряжения в начале (U ₂ > U₁ ).

Это произойдет тогда, когда потеря напряжения в формуле (1) станет отрицательной:

Отсюда мощность компенсирующего устройства для такого режима

Физическую сущность регулирования напряжения с помощью поперечных компенсирующих устройств дополнительно поясним на векторных диаграммах. Для этого связь между напряжением U1 и U ₂ запишем через падение напряжения:

(3)

При установке компенсирующего устройства, выдающего реактивную мощность,

(4)

Для случая, когда генерируемая мощность компенсирующего устройства полностью компенсирует реактивную нагрузку потребителей (Q _K = Q₂ )

(5)

На рис. 2.3, показан случай, когда полностью скомпенсирована реактивная мощность потребителей (Q _K = Q₂ ), в результате чего падение напряжения ?U_p.k от передачи реактивной мощности полностью отсутствует (формула (5).

Компенсирующие устройства поперечной компенсации оказывают комплексное положительное влияние на режим электрических сетей. Кроме возможности регулирования напряжения, они позволяют снизить потери активной мощности и электроэнергии за счет разгрузки элементов сети от реактивной мощности и соответственно снижения рабочих токов. В ряде случаев, когда передаваемая активная мощность ограничивается допустимым током по нагреванию или допустимой потерей напряжения, за счет разгрузки сети от реактивной мощности можно увеличить пропускную активную мощность. Поэтому в общем случае вопросы выбора мощности и мест установки компенсирующих устройств должны решаться комплексно. Здесь же, однако, рассмотрим подход к выбору мощности компенсирующего устройства по условию регулирования напряжения.

Пусть при U ₁ =const напряжение U₂ по каким то причинам не удовлетворяет потребителей (рис. 2.2), и его надо повысить до U_2ж с помощью выбора соответствующей мощности компенсирующего устройства, устанавливаемого в конце сети При расчете в общем случае следует учесть, что при повышении напряжения U₂ до U_2ж произойдет изменение потребляемых нагрузок P₂ и Q₂ до P_2ж и U_2ж в соответствии с их статическими характеристиками P₂ =f(U₂ ) и Q₂ =f(U₂ ).

Этот фактор может не учитываться в том случае, если нагрузка подключена на вторичной стороне трансформатора, имеющего устройство РПН, которое позволяет сохранить напряжение на шинах низшего напряжения неизменным.

До и после установки компенсирующего устройства мощностью Q _K связь между напряжениями начала и конца сети можно соответственно представить в виде:

Приравнивая правые части данных уравнений вследствие условия U ₁ =const, найдем мощность компенсирующего устройства

(6)

Здесь мощности P ₂ , Q₂ , P_2ж , Q_2ж находятся по соответствующим статическим характеристикам

Если в качестве компенсирующего устройства выступает батарея конденсаторов, то ее мощность зависит от подводимого напряжения:

где Q _б.н номинальная мощность батареи конденсаторов при номинальном напряжении U_б.н

С учетом этой зависимости номинальная мощность батареи конденсаторов для изменения напряжения U ₂ до U_2ж должна быть равна

(7)

В случае неучета статических характеристик нагрузки P _2ж =P₂ и Q_2ж =Q₂ . Тогда необходимая мощность компенсирующего устройства из формулы (6) получается в виде:

(8)

Для компенсирующего устройства в виде батареи конденсаторов из формулы (7) соответственно получим:

(9)

3.1 Синхронный компенсатор

(СД)

Рис. 3.1. Принципиальная схема статического быстродействия ИРМ принимаемых для компенсации реактивной мощности ЭП с ударными нагрузками.

LR- индуктивный элемент для плавного регулирования калебаний напряжения с помощью тиристорных групп VS. 1-фильтр высших гармоник 5-ого, 7-ого, 9-ого и т.д. порядка. 2-С1-С3 батареи компенсаторов(нерегулируемая часть) для компенсации постоянной составляющей реактивной мощности.

VS

Обычно электрическая сеть, питающая электроэнергией промышленные предприятия, нагружена током I _н , отстающим по фазе от напряжения сети U _c (рис. 3.1, а ).

Это объясняется тем, что от сети получают питание асинхронные двигатели, у которых реактивная составляющая тока довольно велика. Для улучшения cos ц сети синхронный компенсатор должен работать в режиме перевозбуждения. При этом ток возбуждения регулируется так, чтобы ток якоря Н _а синхронного компенсатора опережал на 90° напряжение сети Ъ _c (рис. 3.2, а ) и был примерно равен реактивной составляющей Н _н.р тока нагрузки Н _н . В результате сеть загружается только активным током нагрузки Н _с = Н _н.а .

При работе в режиме стабилизации напряжения ток возбуждения синхронного компенсатора устанавливается постоянным, причем такого значения, чтобы ЭДС компенсатора Е ₀ равнялась номинальному напряжению сети U _c.ном (рис. 3.2, б ).

В сети при этом имеется некоторый ток I _н , создающий падение напряжения ДU ? I _н R _c cos ц + I _н X _c sin ц, где R _c и Х _с — активное и индуктивное сопротивление сети; ц — угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока сети.

Рис. 3.2. Векторные диаграммы синхронного компенсатора: а — в режиме улучшения cos ц 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 Н _а (рис. 3.2, в).

Это уменьшает падение напряжения в ней на величину ДU _к = I _a X _c . При повышении напряжения в сети, когда U _c > U _с.ном , синхронный компенсатор загружает сеть реактивным отстающим током Н _а (рис. 3.2, г), что приводит к увеличению падения напряжения на величину ДU _к = I _a X _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.

Таблица 3.1. Синхронные компенсаторы.

Тип	Мощность, МВ*А	U ном , кВ	I ном , кА	n ном, об/мин
	При опережающем токе	При отстающем токе
КС 2.8-6УЗ	2.8	1	6.3		1000
КС 5-6УЗ	5	2.5	6.3		1000
КС 10-6УЗ	10	5.5	6.3	0.87	1000
КС 10-10УЗ	10	5.5	10.5		1000
КС 16-6УЗ	16	9	6.3		1000
КС 16-10УЗ	16	9	10.5		1000
КС 25-10УЗ	25	16	10.5		1000
КСВ 32-10У1	32	17	10.5	1.65	750
КСВБ 50-11У1	50	20	11	2.62	750
КСВБО50-11У1	50	33	11	2.62	750

3.2 Синхронные двигатели

Рис.3.3.Схема включения синхронного двигателя.

Регулирование реактивной мощности в энергосистемах имеет такое же важное значение, как и регулирование активной мощности. Реактивная мощность необходима для создания магнитных полей во многих электротехнических устройствах, работающих в энергосистеме. Регулирование реактивной мощности позволяет повысить перегрузочную способность этих устройств, поддерживать постоянство напряжения в сети, снизить ее перетоки по линиям и тем самым обеспечить устойчивую и экономичную работу энергосистемы. Вернемся вновь к режиму холостого хода синхронной машины (рис. 3.4., а ).В этом режиме по обмотке возбуждения протекает ток , соответ- ствующий по характеристике холостого хода напряжению сети . Увеличим ток возбуждения , тогда модуль ЭДС возрастет и возникнет ток

Рис.3.4. Режим холостого хода синхронной машины.

По отношению к напряжению синхронной машины ток будет индуктивным, а по отношению к напряжению сети — емкостным (рис. 3.4, б ), поэтому синхронная машина вырабатывает и отдает в сеть реактивную мощность

При уменьшении тока возбуждения () модуль ЭДС снижается и фаза тока меняется на противоположную (рис. 3.4, в ).

В этом случае ток по отношению к напряжению синхронной машины является емкостным, а по отношению к напряжению сети — индуктивным. Следовательно, сеть является источником реактивной мощности, и синхронная машина ее потребляет. Таким образом, изменение тока возбуждения синхронной машины обуславливает изменение в обмотке якоря реактивного тока и, следовательно, происходит регулирование реактивной мощности .

Синхронная машина, загруженная только реактивным током и не несущая активной нагрузки, называется синхронным компенсатором.

Регулирование реактивной мощности возможно при работе синхронной машины в режимах генератора и двигателя. Согласно векторным диаграммам (рис. 3.5), в генераторном режиме при увеличении тока возбуждения (рис. 3.5, а ) синхронная машина отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении тока возбуждения (рис. 3.5 б) потребляет из сети реактивную мощность.

Аналогичные явления имеют место и в двигательном режиме (рис. 3.6).

При увеличении тока возбуждения (рис. 3.6, а ) синхронный двигатель отдает в сеть реактивную мощность, а при уменьшении (рис. 3.6, б ) — потребляет реактивную мощность.

Активная мощность при этом как в двигательном, так и в генераторном режимах, не меняется.

Возможность плавного регулирования реактивной мощности в широких пределах является важным преимуществом синхронных машин перед асинхронными.

Таблица 3.2 Зависимость коэфециента перегрузки по реактивной мощности синхронных двигателей от напряжения

Серия, номинальное напряжение И частота вращения двигателя	Относительное напряжение на зажимах двигателя U/U ном	Коэффициент перегрузки по реактивной мощности б при коэффициенте загрузки в б
		0,9	0,8	0,7
СДН, 6 и 10 кВ (для всех частот вращения) СДН, 6 кВ: 600-1000 об/мин 370-500 об/мин 187-300 об/мин 100-167 об/мин СДН, 10 кВ: 1000 об/мин 250-750 об/мин СТД, 6 и 10 кВ,3000 об/мин СД и СДЗ, 380 В (для всех частот вращения)	0,95 1 1,05 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 1,1 0,95 1,0 1,05 1,1 0,95 1,0 1,05 1,1	1,31 1,21 1,06 0,89 0,88 0,86 0,81 0,9 0,86 1,3 1,32 1,12 0,9 1,16 1,15 1,1 0,9	1,39 1,27 1,12 0,94 0,92 0,88 0,85 0,98 0,9 1,42 1,34 1,23 1,08 1,26 1,24 1,18 1,06	1,45 1,33 1,17 0,96 0,94 0,9 0,87 1 0,92 1,52 1,43 1,31 1,16 1,36 1,32 1,25 1,15

Таблица 3.3 Основные технические данные некоторых синхронных двигателей на напряжении 6 кВ при сosц=0.9

Тип двигателя	Номинальная мощность	КПД, %	Постоянные величины, кВт
	активная, кВт	реактивная, квар
1000 об/мин
СДН-14-49-6 СДН-14-59-6 СДН-15-30-6 СДН-15-49-6 СДН-15-64-6 СДН-15-76-6 СДН-16-69-6 СДН-16-84-6 СДН-16-104-6	1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 5000 6300	511 633 812 1010 1260 1610 2000 2500 3150	95,37 95,95 95,75 96,06 96,5 96,75 96,48 96,9 97,22	5,09 4,74 6,65 8,06 8,13 10,3 14,1 13,8 14,6	3,99 4,42 6,8 7,53 7,74 8,91 11,8 11,5 13,1
600 об/мин
СДН-14-44-10 СДН-14-56-10 СДН-15-39-10 СДН-15-49-10 СДН-15-64-10 СДН-16-54-10 СДН-16-71-10 СДН-16-86-10 СДН-17-59-10 СДН-17-76-10	630 800 1000 1250 1600 2000 2500 3200 4000 5000	325 410 511 637 812 1010 1265 1615 2010 2510	93,98 94,65 94,68 95,16 95,78 95,66 96,22 96,58 96,67 97,06	5,6 5,76 7,66 7,54 7,79 10,7 10,9 11,6 12,9 14,6	4,06 4,63 5,38 6,56 6,99 8,68 8,46 10,5 12,7 11,7

3.3 Статический конденсатор

Доля технологических потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях напряжением 6-10 кВ в среднем составляет 8-12% от величины электроэнергии, отпущенной в сеть данного напряжения. Величина потерь электроэнергии определяется параметрами электрической схемы, конструкцией сетей и режимом нагрузки. Как показали расчеты для реальных сетей 10 кВ, потери электроэнергии существенно зависят от величины реактивной мощности, передаваемой потребителям по элементам сети. Например, при изменении коэффициента мощности (tg ц) от 0,5 до 0,8 потери электроэнергии увеличиваются примерно на 20%.

Анализ показаний счетчиков активной и реактивной электроэнергии показал, что значения коэффициентов мощности на шинах 10 кВ источников питания и на подстанциях 35-110/10 кВ изменяются в процессе эксплуатации и достигают значений 0,77-0,85. То есть, потери электроэнергии при передаче реактивной мощности становятся существенными.

Эффективным способом снижения потерь электрической энергии в сетях 10 кВ является установка батарей статических конденсаторов.

Выбор мощности и мест установки компенсирующих устройств проводится по условию минимума приведенных затрат с учетом стоимости компенсирующих устройств и ожидаемой экономии от снижения потерь электрической энергии.

Рис. 3.7. Схема параллельного соединения конденсаторов

Батареи статических конденсаторов на напряжения 6, 10, 35, 110 и 220 кВ мощностью от 5 до 200 МВАр производятся на базе косинусных однофазных конденсаторов, путем параллельно-последовательного соединения их в звезду или треугольник в зависимости от режима работы нейтрали.

Таблица 3.4. Номенклатура БСК и КРМ.

Номенклатура БСК и КРМ	Мощность
КРМ 0.4-0.66 кВ	50-2000кВар
БСК 6-10 кВ	5-5 МВАр
БСК 35 кВ	10-50 МВАр
БСК 110 кВ	20-60 МВАр

Внедрение батарей статических конденсаторов позволяет увеличить напряжение на шинах подстанций на 3-4%, снизить потери в сетях 6-110 кВ, скорректировать перетоки энергии и урегулировать напряжение в энергосистеме.

Кроме того, при превалировании тяговой нагрузки, вследствие ее неравномерности и обусловленной тем самым неравномерной загрузки линий, возникает необходимость регулировать показатели качества передаваемой электроэнергии применением компенсирующих устройств (БСК или реакторов, в зависимости от режима).

БСК состоит из групп силовых конденсаторов, собранных в стальные несущие блоки, закрепленные на полимерных изоляторах. БСК выполняется на трех стойках с размещенными на них конденсаторами, токоограничивающими реакторами и трансформаторами тока.

Рис. 3.8. Батарея статических конденсаторов 10 кВ.

БСК поставляется в исполнении У1 для температур от -55 до +45°С. Для более низких температур БСК монтируется в утепленном быстровозводимом здании. Стальные конструкции выполняются из сварных профилей, защищенных от коррозии гальваническим цинкованием (цинковое покрытие — не менее 650 г/м ² ).

Конструкции собраны в блоки по 6-8 конденсаторов, монтируются на месте и имеют в комплекте крепеж, наконечники и медные шины для соединения конденсаторов, а также гибкие медные переходы. В БСК применяются силовые конденсаторы 700 кВАр / 6-10 кВ, 560 кВАр / 11,7 кВ.

3.4 Конденсаторные батареи

(КБ)-

Недостатки конденсаторных батарей: пожароопасность, наличие остаточного заряда, повышающего опасность при обслуживании; чувствительность к перенапряжениям и толчкам тока; возможность только ступенчатого, а не плавного регулирования. мощности.

Рис. 3.9. Конструкция КУ напряжением 380 В, мощностью 300 кВАр:

1-шкаф ввода; 2- шкаф конденсаторной батареи; 3-рубильник; 4-масляный конденсатор.

Таблица 3.5 Конденсаторные установки выпускаются разными фирмами в разных вариантах исполнения.

Наименование параметра	Значение
Номинальное напряжение установки, кВ	6; 10
Номинальное напряжение конденсаторов, кВ	6,3; 10,5
Степень автоматизации ВАРНЕТ-Н ВАРНЕТ-А	Нерегулируемые Автоматизированные
Ввод	кабельный снизу
Номинальная мощность ВАРНЕТ-Н, кВАр	150, 225, 300, 450, 525, 600, 675, 750, 900,1125, 1350, 1800, 2025, 2250, 2475, 2700, 2925, 3150, 3375, 3600, 3825, 4050, 4275, 4500, 4725, 4950, 5400, 5850, 6300
Номинальная мощность ВАРНЕТ-А, кВАр	150, 225, 300, 375, 450, 525, 600, 675, 750, 825, 900, 1050, 1200,1350, 1500, 1650, 1800, 2025, 2100, 2250, 2400, 2475, 2700, 3000, 3300, 3600, 4050, 4500, 4950, 5400
Номинальная мощность нерегулируемой ступени, кВАр	150, 225, 300, 450
Номинальная мощность регулируемой ступени, кВАр	75, 150, 225, 300, 450, 600, 675, 750
Номинальное напряжение вспомогательных цепей, В	~220
Одноминутное испытательное напряжение, кВ*	6	10
ВАРНЕТ-Н	32	42
ВАРНЕТ-А	32	42
Длительно допустимая перегрузка током	1,3IH
Длительно допустимая перегрузка напряжением	1,1Uн(12ч/24)
Степень защиты по ГОСТ 14254: — Внешней оболочки со стороны боковые стороны КУ — Задняя стенка КУ	IP20 IP00
Вид климатического исполнения по ГОСТ 15150	У3

Таблица 3.6

Конденсаторы, как правило, собираются в батареи (КБ) и выпускаются заводами электротехнической промышленности в виде комплектных компенсирующих устройств (ККУ). На (рис. 2) изображён для силовых сетей 6 и 10 кВ
УКМ-6,3-400-У1	400	1	0,003	4,9	1,08	21408602060
УК-6,3-450-ЛУ3	450	1	0,003	4,1	0,9	21408801800
УК-6,3-900-ЛУ3	900	1	0,003	3,7	0,81	35408801800
УК-6,3-1125-ЛУ3	1125	1	0,003	3,7	0,81	42408801800

Рис. 3.10. Схема включения КУ на шинах 6-10 кВ(а) и в распределительной сети 0,38 кВ(б)

Удельная стоимость конденсаторов высокого напряжения меньше удельной стоимости конденсаторов низкого напряжения, но конденсаторы низкого напряжения проще и надёжнее в эксплуатации. Комплектные конденсаторные установки имеют встроенное разрядное сопротивление R для снятия остаточного напряжения при отключении ККУ от сети. Иногда в качестве разрядного сопротивления применяют два однофазных трансформатора напряжения TV (рис.3.10, б)

КУ

, (6)

где ДP _КУ -потери мощности в компенсирующем устройстве, кВт.

Потери напряжения после компенсации, В,

• (7)

4. РЕГУЛИРОВАНИЕ ВЫРАБОТКИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

4.1 Комплектные конденсаторные установки

Комплектные конденсаторные установки состоят из стандартных заводских шкафов и могут быть нерегулируемыми и регулируемыми.

Регулирование может быть одно- или многоступенчатым. При одноступенчатом регулировании автоматически включается и отключается вся установка. При многоступенчатом регулировании автоматически переключаются отдельные секции батарей конденсаторов.

Автоматическое регулирование должно обеспечивать: в режиме максимума нагрузок энергосистемы — заданную степень компенсации реактивной нагрузки, в промежуточных и минимальных режимах нагрузок — нормальный режим работы сети (т. е. не допускать перекомпенсации и отклонений напряжения, более допустимых).

Первое требование наиболее просто выполняется, если в качестве параметра регулирования использовать реактивную мощность (реактивный ток).

Регулирование по коэффициенту мощности cosц не обеспечивает наиболее экономичного режима работы сетей и не рекомендуется.

Компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторных батарей может быть индивидуальная, групповая и централизованная.

Индивидуальную компенсацию применяют чаще всего на напряжениях до 660 В. При этом конденсаторную батарею наглухо присоединяют к зажимам приемника. В этом случае от реактивной мощности разгружается вся сеть системы электроснабжения. Такой вид компенсации имеет существенный недостаток — плохое использование установленной мощности конденсаторной батареи, так как с отключением приемника отключается и компенсирующая установка.

При централизованной компенсации конденсаторную батарею присоединяют на шины 0,4 кВ цеховой подстанции или на шины 6 — 10 кВ главной понизительной подстанции. В этом случае от реактивной мощности разгружаются трансформаторы главной понизительной подстанции и питающая сеть. Использование установленной мощности конденсаторов при этом получается наиболее высоким.

Во избежание существенного возрастания затрат на отключающую, измерительную и другую аппаратуру не рекомендуется установка батарей конденсаторов 6 — 10 кВ мощностью менее 400 квар при присоединении конденсаторов с помощью отдельного выключателя (рис. 4.1, а) и менее 100 квар при присоединении конденсаторов через общий выключатель с силовым трансформатором, асинхронным двигателем и другими приемниками (рис. 4.1, б).

Рис. 4.1. Схема включения батарей конденсаторов: а — с отдельным выключателем, б — с выключателем нагрузки, ТН — трансформатор напряжения, используемый в качестве разрядного сопротивления для батареи конденсаторов, ЛИ — сигнальные индикаторные лампы

Конденсаторная установка должна иметь защиту от повышения напряжения, отключающую батарею при повышении действующего напряжения сверх допустимого. Отключать установку следует с выдержкой 3 — 5 мин. Повторное включение допускается после снижения напряжения в сети до номинального, но не ранее чем через 5 мин после ее отключения.

При отключении конденсаторов необходимо, чтобы запасенная в них энергия разряжалась автоматически на постоянно включенное активное сопротивление (например, трансформатор напряжения).

Значение сопротивления должно быть таким, чтобы при отключении конденсаторов не возникло перенапряжение на их зажимах.

Емкости фаз конденсаторной установки должны контролироваться стационарными устройствами измерения тока в каждой фазе. Для установок мощностью до 400 квар допускается измерение тока только в одной фазе. Соединение конденсаторов между собой и подключение их к шинам должны выполняться гибкими перемычками.

Защита батарей конденсаторов

Защита конденсаторных батарей напряжением выше 1000 В от коротких замыканий может выполняться предохранителем типа ПК или реле мгновенного действия. Защита от замыканий? на землю осуществляется токовым реле Т, действующим через промежуточное реле П на отключение.

Рис.4.2. Схема защиты высоковольтных конденсаторов

Защита конденсаторных батарей при однофазных замыканиях на землю устанавливается в следующих случаях: когда токи замыкания на землю составляют выше 20 А и когда защита от междуфазных замыканий не срабатывает.

Автоматическое регулирование мощности конденсаторных батарей

Конденсаторные установки с возможностью регулирования Q _кз монтируют в пунктах распределения электрической энергии с значительным потреблением реактивной мощности.

Мощность конденсаторной установки регулируют:

• по напряжению в точке присоединения конденсаторов;
• по току нагрузки объекта;
• направлению реактивной мощности в линии, связывающей предприятие с внешней сетью;
• времени суток.

Наиболее простым и приемлемым для промышленных предприятий является автоматическое регулирование по напряжению на шинах подстанции (рис. 3).

Рис. 4.3. Схема одноступенчатого автоматического регулирования мощности конденсаторных батарей по напряжению