Компенсирующие устройства

Для компенсации реактивной мощности (КРМ) существуют следующие устройства: конденсаторные батареи, шунтирующие реакторы, статические компенсаторы реактивной мощности (СТК), специальные быстродействующие синхронные компенсаторы (СК), а также устройства, компенсирующие реактивные сопротивления сетей – конденсаторные установки и реакторы продольного сопротивления. В качестве средств КРМ в сетях общего назначения применяют высоковольтные и низковольтные конденсаторные батареи и синхронные электродвигатели, в сетях со специфическими нагрузками, кроме того, применяют фильтры высших гармоник, СТК, СК, симметрирующие, фильтросимметрирующие и фильтрокомпенсирующие устройства.

Конденсаторная батарея (КБ) – батарея статических конденсаторов – является источником реактивной мощности. Конденсаторные батареи могут включаться параллельно нагрузке (поперечная компенсация) или последовательно (продольная компенсация).

Широко применяются для компенсации реактивной мощности и регулирования уровня напряжения параллельное включение КБ, в которых конденсаторы соединяются в «треугольник», и реже «звезду». Реактивная мощность, генерируемая КБ, квадратично зависит от напряжения. При соединении (включении) по схеме треугольник к конденсатору приложено линейное напряжение и в три раза увеличивается реактивная мощность по сравнению с соединением в звезду:

= (2)

где U_л –линейное напряжение, С_КБ – емкость трех фаз батарей, Ф; – угловая частота.

Активная мощность, потребляемая КБ, пропорциональна генерации реактивной мощности

(3)

и зависит от качества изоляции конденсаторов, определяемого тангенсом угла диэлектрических потерь . Величина составляет около 0,003…0,006 кВт/квар, поэтому собственное потребление (потери) активной мощности в КБ незначительны, что в итоге определяет их высокую экономичность.

В первом приближении КБ задают в точке ее присоединения емкостной (отрицательной) нагрузкой. КБ имеют технический недостаток, заключающийся в отрицательном регулирующем эффекте, т.е. уменьшение генерации (выдачи) реактивной мощности КБ при снижении напряжения на зажимах. Поэтому компенсирующий эффект падает, это приводит дальнейшему снижению напряжения. При расчете режимов работы сетей КБ учитывают отрицательной проводимостью в узле (рис. 7.13):

,

так как f = 50 Гц, или емкостным сопротивлением , где – мощность батареи при номинальном напряжении сети.

а б

Рис. 7.13. Представление КБ (а) и реакторов (б) поперечного включения

Тогда реактивная мощность, генерируемая КБ, уточняется от фактического напряжения на входе батареи: . С помощью КБ компенсируется часть потребности нагрузки узла в реактивной мощности, тем самым уменьшается реактивная мощность, потребляемая узлом из сети, до величины . В результате коэффициент мощности улучшается (см. рис. 7.12, а). Отметим, в низковольтных городских распределительных сетях и других экономически целесообразна полная компенсация реактивной мощности, при этом и узел нагрузки потребляет из сети только активную мощность (соs ). При возникают перекомпенсация и избыток реактивной мощности, выдается в питающую сеть, и узел нагрузки имеет опережающий коэффициент мощности.

В нерегулируемой конденсаторной батарее число включенных конденсаторов (блоков) неизменно. В регулируемой конденсаторной батарее число включенных конденсаторов изменяется в зависимости от режима работы электрической сети автоматически или вручную. Мощные конденсаторные установки напряжением 6 кВ и выше могут быть укомплектованы из стандартных КБ мощностью 0,24…0,75 Мвар [4, 5].

Конденсаторные батареи, укомплектованные коммутационными аппаратами, средствами контроля, приборами учета предназначенные для повышения коэффициента мощности электроустановок промышленных предприятий и распределительных сетей напряжением 6 и 10 кВ, а также сетей 0,4 кВ, называют комплектными конденсаторными установками (ККУ).

Вследствие небольшой удельной стоимости и простоты обслуживания КБ и конденсаторные установки являются наиболее распространенными местными источниками реактивной мощности. Различают индивидуальную, групповую и централизованную компенсацию. Диапазон их применения широк – от индивидуаль-ной компенсации на зажимах отдельных потребителей (КБ в единицы, десятки квар) до централизованной компенсации на ГПП энергосистем (КБ до 5…15 Мвар).

Индивидуальную компенсацию применяют чаще всего на напряжении 660 В, КБ наглухо присоединяют к зажимам приемника. В этом случае от реактивной мощности разгружается вся сеть системы электроснабжения (СЭС). Этот вид компенсации обладает существенным недостатком – неполно используются конденсаторы в связи с их отключением при отключении электроприемника.

При групповой компенсации КБ присоединяют к распределительным пунктам (РП) сети. При этом использование установленной мощности несколько увеличивается, но распределительная сеть от РП до приемника остается нагруженной реактивной мощностью.

При централизованной схеме компенсации КБ присоединяют на шины 0,4 кВ цеховой подстанции или на шины 6-10 кВ РП или ГПП. Тогда от реактивной мощности разгружаются цеховые трансформаторы ГПП и питающая сеть.

Достоинства КБ:

1) малые удельные потери активной мощности (0,0025- -0,005 Вт/вар);

2) простота производства монтажных работ (малые габариты, масса, отсутствие фундаментов);

3) простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей);

4) возможность их установки в центре реактивных нагрузок или около электроприемников;

5) для установки конденсаторов может быть использовано любое сухое помещение;

6) возможность постепенного увеличения мощности КБ.

Недостатки КБ:

1) зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения;

2) недостаточная прочность, особенно при КЗ и перенапряжениях;

3) малый срок службы;

4) пожароопасность;

5) наличие остаточного заряда;

6) перегрев при повышении напряжения и наличии в сети высших гармоник, ведущих к повреждению конденсаторов;

7) ступенчатое регулирование реактивной мощности.

Схемы поперечной компенсации широко применяются в том случае, когда , т.е. для воздушных линий электропередач, на электротехнологических установках. Оно выгодно и с точки зрения регулирования напряжения и для увеличения пропускной способности сетей. Выгодна установка компенсирующего устройства у самого дальнего электроприемника, так как можно получить напряжение в конце ВЛЭП больше, чем в начале линии.

Установки продольной емкостной компенсации. Для уменьшения реактивной мощности необходимо уменьшить индуктивное сопротивление воздушных линий. Обычно для этого применяют последовательное включение КБ. Такие установки называются установками продольной компенсации (УПК). УПК включают в рассечку фаз линий (рис. 7.14, а), распространены в сетях напряжений 0,38 … 500 кВ включительно.

Рис. 7.14. Схема включения УПК (а) и схема замещения линии

с УПК (б)

б

При продольно-емкостной компенсации конденсаторы представляют в схеме замещения реактивным сопротивлением значение Х_к можно вычислить по формуле , где ω – угловая частота, С_КБ – емкость батареи, , – номинальные значения напряжения и реактивной мощности соответственно.

При включении УПК компенсируется часть индуктивного сопротивления линии тем самым уменьшается реактивная составляющая потерь напряжения , , что равносильно введению – зависящей от реактивной составляющей тока нагрузки. Чем больше она, тем эффективнее применение УПК. Применение УПК для улучшения режима напряжения целесообразно в сетях 35кВ и ниже, когда питаемые нагрузки имеют низкий [4]. В сетях более высоких номинальных напряжений (при существенном превышении индуктивности) УПК применяют для повышения пропускной способностей сетей, динамической и статической устойчивости систем.

Шунтирующий реактор (реактор поперечного включения), являющийся статическим электромагнитным устройством, применяется в энергетических системах для регулирования реактивной мощности, напряжения и компенсации емкостных токов на землю. Изготавливаются на напряжение 35…750 кВ. Во включенном состоянии реактивная мощность, потребляемая реактором, зависит от квадрата напряжения, и при расчете режимов для учета шунтирующего реактора вводится его индуктивная проводимость (положительный шунт) . Для расчетов шунтирующие реакторы задают в точке их присоединения нагрузкой, равной номинальной мощности реактора (рис. 7.14, б). Кроме шунтирующих реакторов, на подстанциях устанавливают заземляющие реакторы, предназначенные для компенсации емкостных токов замыкания на землю (в схемах замещения учитываются индуктивной проводимостью реактора, т.е. его В_р). При последовательном включении реактора к трансформатору или линии произойдет увеличение реактивного сопротивления соответствующего участка (рис. 7.15), имеет место реактор продольного включения.

Рис. 7.15. Принципиальные схемы включения токоограничивающих реакторов:

в цепи отходящей линии (а), в цепи трансформатора (б),

между шин генераторного напряжения ТЭЦ (в)

Такие схемы используются для уменьшения токов коротких замыканий. Реакторы называют токоограничивающими и выполняют в виде индуктивных катушек с малым активным сопротивлением. Его представляют в схеме замещения реактивным сопротивлением

,

где – номинальные значения напряжения, тока и мощности реактора, – падение напряжения в реакторе в % относительно при протекании тока .

Синхронный компенсатор – синхронная явнополюсная вращающаяся машина, работающая в режиме холостого хода, устанавливается на крупных подстанциях для генерирования и потребления реактивной мощности.

Статические тиристорные компенсаторы (СТК) – это комплексные устройства, необходимые как для генерирования, так и для потребления реактивной мощности. Основными элементами статических компенсирующих устройств являются накопители электромагнитной энергии и вентили (тиристоры), обеспечивающие ее быстрое преобразование.

На рис. 7.17 приведены принципиальные схемы СТК. Схемы включают неизменные по мощности КБ (рис. 7.17, а), или реакторы (рис. 7.17, б). Плавное управление мощностью СТК осуществляется с помощью встречно-параллельно включенных управляемых вентилей – тиристоров, снабженных устройством управления (УУ), с помощью которого регулируется момент открытия или закрытия тиристоров (угол регулирования ) (рис. 7.18).

Такое регулирование позволяет изменять время включения реактора или КБ в сеть в течение каждого полупериода. Следовательно, изменяется значение напряжения U на зажимах соответствующего накопительного элемента и развиваемая ими мощность , . Мощность СТК может изменяться от потребления до выработки за 1…2 периода промышленной частоты при практически неизменном напряжении на выходе СТК. При отключении КБ или реактора СТК потребляет или выдает реактивную мощность (рис 7.17, а и б соответственно).

а б

Рис. 7.17. Принципиальные схемы СТК

с регулируемой мощностью реактора (а) и КБ (б)

Рис. 7.18. Временная диаграмма напряжения

на входе накопительных элементов СТК

Варианты СТК содержат фильтры высших гармоник (генерирующая часть) и регулируемый реактор в различных исполнениях. Основное их достоинство – высокое быстродействие, надежность работы и малые потери активной мощности. Недостатком является необходимость установки дополнительного регулируемого реактора.

Могут работать по принципу прямой или косвенной компенсации. Прямая компенсация предусматривает генерирование реактивной мощности статическим компенсатором. Различают ступенчатое и плавное регулирование реактивной мощности. В первом случае различное количество секций БК подключают с помощью тиристорных ключей. Во втором случае используются преобразователи частоты, преобразователи с искусственной коммутацией тиристоров. СТК наряду с улучшением коэффициента мощности позволяют стабилизировать питающее напряжение.

В качестве источников реактивной мощности для прямой компенсации также используются компенсаторы с искусственной коммутацией тиристоров. Такой компенсатор представляет собой параллельное соединение двух трехфазных преобразователей. Изменение знака угла управления тиристоров достигается искусственной коммутацией тока в вентильных контурах напряжениями коммутирующих конденсаторов, а не напряжением сети.

Косвенная компенсация реактивной мощности заключается в том, что параллельно нагрузке включается стабилизатор реактивной мощности, обеспечивающий неизменную величину суммарной реактивной мощности

(4)

где – реактивная мощность нагрузки; – реактивная мощность стабилизатора.

Суммарная реактивная мощность компенсируется с помощью КБ. В качестве стабилизаторов в настоящее время используются тиристорные компенсаторы реактивной мощности.

Наиболее широкое распространение получили компенсаторы с фазоуправляемыми тиристорными ключами. На рис. 7.19, а представлена схема однофазного тиристорного фазоуправляемого ключа VT1-VT2. Угол управления изменяется в пределах от 0 до π/2. Ток компенсатора при угле управления становится несинусоидальным. Кривые тока i(t), напряжения u(t) компенсатора при угле управления приведены на рис. 7.18, б.

а б

Рис. 7.19. Схема фазоуправляемого (а), кривые тока i(t),

напряжения u(t) при угле управления (б)

В качестве источника реактивной мощности при косвенной компенсации также используют стабилизаторы с синхронизированными тиристорными ключами. При изменении реактивной мощности нагрузки подключается различное количество реакторов. Для снижения тока переходного процесса включение и отключение реакторов производится при , когда проходящий ток равен нулю. В связи с этим запаздывание на включение и отключение реактора не превышает 10 мс. Достоинством этого компенсатора является отсутствие высших гармоник в спектре тока.