Компенсация реактивной мощности

⇐ ПредыдущаяСтр 7 из 7

Активную мощность электрической сети получают от генераторов электрических станций, которые являются единственным источником активной мощности. В отличие от активной мощности реактивная мощность может генерироваться не только генераторами, но и компенсирующими устройствами – конденсаторами, синхронными компенсаторами или статическими источниками реактивной мощности (ИРМ), которые можно установить на подстанциях электрической сети. При номинальной нагрузке генераторы вырабатывают лишь около 60% требуемой реактивной мощности, 20% генерируются в ЛЭП с напряжением выше 110 кВ, 20% вырабатывают компенсирующие устройства, расположенные на подстанциях или непосредственно у потребителя.

Компенсацией реактивной мощности будем называть её выработку или потребление с помощью компенсирующих устройств. 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 возрастает потребление реактивной мощности, обусловленное ростом бытовых нагрузок;

3)увеличивается потребление реактивной мощности в сельских электрических сетях.

Компенсация реактивной мощности, как всякое важное техническое мероприятие, может применяться для нескольких различных целей. Во-первых, компенсация реактивной мощности необходима по условию баланса реактивной мощности. Во-вторых, установка компенсирующих устройств применяется для снижения потерь электрической энергии в сети. И, наконец, в-третьих, компенсирующие устройства применяются для регулирования напряжения.

Во всех случаях при применении компенсирующих устройств необходимо учитывать ограничения по следующим техническим и режимным требованиям: 1)необходимому резерву мощности в узлах нагрузки; 2)располагаемой реактивной мощности на шинах её источника; 3)отклонениям напряжения; 4)пропускной способности электрических сетей.

Для уменьшения перетоков реактивной мощности по линиям и трансформаторам источники реактивной мощности должны размещаться вблизи мест её потребления. При этом передающие элементы сети разгружаются по реактивной мощности, чем достигается снижение потерь активной мощности и напряжения. Эффект установки компенсирующих устройств в конце линии иллюстрируется рис.5.3, где приведены схемы замещения и векторные диаграммы токов и мощностей.

Без применения компенсирующих устройств в линии протекают ток и мощность нагрузки (рис.5.3, а):

При установке компенсирующих устройств реактивный ток и реактивная мощность в линии уменьшаются на величину реактивного тока и реактивной мощности, генерируемых в компенсирующем устройстве ( и ). В линии бу3дут протекать меньшие по модулю ток и мощность, соответственно равные (рис.5.3, б)

Таким образом, вследствие применения компенсирующих устройств на подстанции при неизменной мощности нагрузки реактивные мощность и ток в линии уменьшаются – линия разгружается по реактивной мощности. При этом, как отмечалось выше, в линии уменьшаются потери мощности и потери напряжения, так как

В качестве компенсирующих устройств, как отмечалось выше, используются синхронные компенсаторы (СК), батареи конденсаторов (БК), реакторы и статические источники реактивной мощности (ИРМ).

а) б)

в) г)

Рис.5.3 К пояснению эффекта от применения компенсирующих

устройств: а, б – токи и потоки мощности до и после компенсации;

в – векторная диаграмма токов; г – треугольник мощностей.

Батареи конденсаторов (БК) применяются:

а)для генерации реактивной мощности в узлах сети – поперечной компенсации (шунтовые БК);

б)для уменьшения реактивного сопротивления линий – продольной компенсации [установки продольной компенсации (УПК)].

Шунтовые БК включают на шины подстанций (рис.5.3, б), УПК включают в линии последовательно.

Батареи конденсаторов комплектуются из отдельных конденсаторов, соединенных последовательно и параллельно (рис.5.4). Конденсаторы выпускаются в однофазном и трехфазном исполнениях на номинальное напряжение 0, 22-10, 5 кВ. Единичная мощность конденсаторов составляет 10-125 квар. Шунтовые конденсаторные батареи применяют на напряжениях до 110 кВ. Увеличение рабочего напряжения БК достигается увеличением числа последовательно включенных конденсаторов (рис.5.4, а). Для увеличения мощности БК применяют параллельное соединение конденсаторов (рис.5.4, б). Для комплектования БК напряжением 6 кВ и выше наиболее подходящими и освоенными в производстве являются однофазные конденсаторы на номинальное напряжение 0, 66; 1, 05; 6, 3 кВ. Конденсаторы на напряжение 0, 66 и 1, 05 кВ называют конденсаторами низкого напряжения.

а) б)

в) г)

Рис.5.4 Принципиальные схемы батарей конденсаторов:

а, б – последовательное и параллельное соединение конденсаторов;

в, г – соединение фаз БК треугольником и звездой.

В сетях трехфазного тока конденсаторы включаются звездой и треугольником (рис.5.4, в, г). При соединении конденсаторов звездой мощность батареи

При соединении конденсаторов треугольником мощность батареи

Таким образом, при соединении конденсаторов треугольником мощность батареи оказывается в 3 раза больше. При напряжении до 1 кВ конденсаторы обычно включают треугольником. В энергосистемах БК на напряжение 6 кВ и выше соединение выполняется только по схеме звезды с изолированной или глухо заземленной нейтралью в зависимости от режима нейтрали сети, в которой устанавливаются БК.

В конденсаторах, применяемых в компенсирующих устройствах, в качестве диэлектрика используется бумага, пропитанная минеральным маслом или синтетической жидкостью. Известны разработки конденсаторов повышенной мощности с диэлектриком из синтетической пленки, имеющих малые габариты.

Батареи конденсаторов бывают регулируемые (управляемые) и нерегулируемые. В нерегулируемых число конденсаторов неизменно, а величина реактивной мощности зависит только от квадрата напряжения. Суммарная мощность нерегулируемых батарей конденсаторов не должна превышать наименьшей реактивной нагрузки сети.

В регулируемых батареях конденсаторов в зависимости от режима автоматически или вручную изменяется число включенных конденсаторов. Выпускаются регулируемые комплектные батареи конденсаторов на напряжения 0, 38; 6 и 10 кВ, снабженные пускорегулирующим устройством, необходимым для автоматического изменения мощности батареи (контакторами или выключателями).

На практике изменение мощности, вырабатываемой батареей в нормальных эксплуатационных условиях, достигается включением или отключением части конденсаторов, составляющих батарею, то есть путем ступенчатого регулирования. Одноступенчатое регулирование заключается в отключении или включении всех конденсаторов батареи, многоступенчатое – в отключении или включении отдельных секций батареи, снабженных контакторами или выключателями.

При отключении конденсаторов необходима их автоматическая (без участия дежурного персонала) разрядка на активное сопротивление, присоединенное к батарее. Величина его должна быть такой, чтобы при отключении не возникло перенапряжений на зажимах конденсаторов. В качестве разрядного сопротивления для конденсаторных установок напряжением 6-10 кВ используется активное сопротивление трансформаторов напряжения (TV). Для БК до 1 кВ применяют специальные разрядные сопротивления (R_р.с на рис.5.5). Защита конденсаторов осуществляется плавкими предохранителями, включаемыми по одному в цепь каждого конденсатора. Кроме того, батарея в целом защищается с помощью предохранителей или выключателей в цепи батареи (рис.5.6).

а) б)

Рис.5.5 Схемы разрядки батарей конденсаторов:

а – через разрядное сопротивление; б – через трансформатор

напряжения.

а) б)

Рис.5.6 Включение батарей конденсаторов:

а – под отдельный выключатель; б – под выключатель нагрузки

потребителя (ВН).

Продольная компенсация для уменьшения реактивного сопротивления линии иллюстрируется рис.5.7. В нормальном режиме через УПК течет ток . При этом напряжение на УПК равно

где - номинальное напряжение сети.

Рис.5.7 Схема включения УПК

При коротком замыкании через батарею конденсаторов течет большой ток короткого замыкания и напряжение на УПК сильно возрастает. Необходима защита УПК от перенапряжений. Кроме того, УПК должна быть изолирована от земли на полное номинальное напряжение линии. Батареи конденсаторов в УПК, например воздушной линии 6 кВ, монтируют на опоре линии.

В сетях систем электроснабжения промышленных предприятий возможны следующие виды компенсации с помощью БК: а)индивидуальная – с размещением конденсаторов непосредственно у токоприемника; б)групповая – с размещением конденсаторов у силовых шкафов и шинопроводов в цехах; в)централизованная – с подключением батареи на шины 0, 38 и 6-10 кВ подстанции. Во избежание существенного возрастания затрат на отключающую аппаратуру мощность батарей конденсаторов должна быть не менее 400 квар при присоединении конденсаторов через отдельный выключатель и не менее 100 квар при присоединении конденсаторов через общий выключатель к силовым трансформаторам, асинхронным двигателям и другим электроприемникам.

Основные технико-экономические преимущества конденсаторов в сравнении с другими компенсирующими устройствами состоят в следующем: а)возможность применения как на низком, так и на высоком напряжении; б)малые потери активной мощности (0, 0025-0, 005 кВт/квар). Недостатки конденсаторов с точки зрения регулирования режима: а)зависимость генерируемой ими реактивной мощности от напряжения; б)невозможность потребления реактивной мощности; в) ступенчатое регулирование выработки реактивной мощности и невозможность её плавного изменения; г)чувствительность к искажениям формы кривой питающего напряжения.

Удельная стоимость (за 1 квар) БК совместно с пускорегулирующей аппаратурой наименьшая по сравнению со стоимостью других компенсирующих устройств. Конденсаторные батареи также имеют ряд эксплуатационных преимуществ: простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей); простота производства монтажа (малая масса, отсутствие фундамента); возможность использования для установки конденсаторов любого сухого помещения. Среди эксплуатационных недостатков БК следует отметить малый срок службы (8-10 лет) и недостаточную электрическую прочность (особенно при коротких замыканиях и напряжениях выше номинального).

Синхронные компенсаторы (СК). Синхронный компенсатор – это синхронный двигатель, работающий в режиме холостого хода без нагрузки на валу. Потребляемая им активная мощность Р≈ 0 (если пренебречь потерями холостого хода), и СК загружен только реактивным током. По сравнению с обычным синхронным двигателем СК изготовляются с облегченным валом, они имеют меньшие размеры и массу.

Схема замещения СК и отвечающая ей векторная диаграмма показаны на рис.5.8, где - обратная ЭДС компенсатора, - напряжение сети в точке его подключения. Напряжение равно сумме и падения напряжения в . Векторная диаграмма в режиме перевозбуждения (рис.5.8, б) совпадает с векторной диаграммой синхронного двигателя при перевозбуждении на рис.5.8, б с той разницей, что ток СК - емкостный и его обратная ЭДС совпадает по направлению с . Модуль тока равен

а поскольку =0, его реактивная мощность

. (5.14)

Из выражения (5.14) видно, что значение и знак реактивной мощности СК зависят от соотношения между и напряжением сети ; ЭДС определяется значением тока возбуждения, причем росту тока возбуждения соответствует увеличение . При токе возбуждения, при котором = , реактивная мощность СК =0. При перевозбуждении > И СК генерирует в сеть реактивную мощность, причем опережает напряжение на 90^о (рис.5.8, б).

Уменьшая ток возбуждения, можно получить режим недовозбуждения, тогда < и отстает на 90^о от напряжения (рис.5.8, в). В этом режиме в соответствии с (5.14) СК потребляет реактивную мощность, получая её из сети. Номинальная мощность синхронного компенсатора ( ) указывается для режима перевозбуждения. По конструктивным особенностям в режиме недовозбуждения =0, 5 .

Рис.5.8 Схемы замещения и векторная диаграмма напряжений

синхронного компенсатора: а – схема замещения;

б, в – режимы перевозбуждения и недовозбуждения.

Положительными свойствами СК как источников реактивной мощности являются: а)возможность увеличения генерируемой мощности при понижении напряжения в сети вследствие регулирования тока возбуждения; б)возможность плавного и автоматического регулирования генерируемой реактивной мощности.

Шунтирующие реакторы можно применять для регулирования реактивной мощности и напряжения. Реактор – это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности в электрической цепи. Активное сопротивление реактора очень мало. Шунтирующие реакторы рассчитаны на напряжение 35-750 кВ и могут как присоединяться к линии (рис.5.9), так и включаться на шины подстанции. Реактор потребляет реактивную мощность, которая в зоне линейности его электромагнитной характеристики зависит от квадрата напряжения :

, (5.15)

где - индуктивная проводимость реактора.

Используются нерегулируемые и регулируемые шунтирующие реакторы. С точки зрения регулирования нерегулируемый реактор характеризуется лишь двумя дискретными состояниями: «включено» - при этом потребляется номинальная реактивная мощность или близкая к ней, «отключено» - при этом =0. При допустимых отклонениях напряжения на шинах высшего напряжения подстанций, к которым подключаются шунтирующие реакторы, потребляемая реактивная мощность изменяется в пределах (0, 8-1, 1) .

Рис.5.9 Схема замещения реактора,

включенного в линию

Регулируемые или управляемые реакторы изменяют потребляемую реактивную мощность по сигналам управления, что более эффективно для регулирования напряжения и реактивной мощности. Управление реактором осуществляется в результате целенаправленного изменения его параметров с помощью подмагничивания. Такое подмагничивание возможно для управления только реактором, имеющим магнитопровод из ферромагнитного материала. Возможно несколько видов подмагничивания. Диапазон регулирования регулируемого реактора определяется его конструкцией и зависит от напряжения. Реакторы с подмагничиванием используются в фильтрах высших гармоник, а также являются эффективным средством ограничения колебаний напряжения в электрических сетях.

Кроме шунтирующих реакторов в электроэнергетических системах применяются заземляющие реакторы для компенсации емкостных токов на землю и токоограничивающие реакторы для ограничения тока КЗ.

Статические источники реактивной мощности (ИРМ) предназначены для плавной (регулируемой) генерации или потребления реактивной мощности, что достигается в ИРМ использованием нерегулируемой батареи конденсаторов и включенного последовательно или параллельно с ней регулируемого реактора (рис.5.10, а, б). Плавность регулирования реактивной мощности ИРМ достигается с помощью регулируемого тиристорного блока, входящего в устройство управления. Схемы ИРМ весьма разнообразны и позволяют вырабатывать или потреблять реактивную мощность в зависимости от режима и вида схемы.

Наибольший интерес с точки зрения регулирования напряжения и реактивной мощности представляют статические ИРМ с параллельным соединением БК и управляемых реакторов. Схема такой установки приведена на рис.5.10, б. Управление мощностью реакторов осуществляется либо с помощью встречно-параллельно соединенных управляемых тиристорных преобразователей, либо путем изменения подмагничивания реактора.

Рис.5.10 Принципиальная схема ИРМ:

а – с последовательным соединением управляемого

реактора и нерегулируемой БК ; б – с параллельным

соединением управляемого реактора и нерегулируемой БК .

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 5 67