1

Лекция №14

14.1. Компенсация реактивной мощности

Активную мощность электрические 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 % генерируется в ЛЭП с напряжением выше 110 кВ, 20% вырабатывают компенсирующие устройства, расположенные на подстанциях или непосредственно у потребителя.

Компенсация реактивной мощности, как всякое важное техническое мероприятие, может применяться для нескольких различных целей. Вопервых, 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:

-необходимому резерву мощности в узлах нагрузки;

-располагаемой реактивной мощности на шинах ее источника;

-отклонениям напряжения;

-пропускной способности электрических сетей.

Для уменьшения перетоков реактивной мощности по линиям и трансформаторам источники реактивной мощности должны размещаться вблизи мест ее 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.14.1, где приведены схемы замещения и векторные диаграммы токов и мощностей.

Без применения компенсирующих устройств в линии протекает ток и мощность нагрузки (рис.5.1,а):

При установке компенсирующих устройств в линии будут протекать меньшие по модулю ток и мощность, соответственно равные (рис.14.1,б):

Рис.14.1. К пояснению эффекта применения компенсирующих устройств:

а, б – токи и потоки мощности до и после компенсации; в – векторная диаграмма токов; г – треугольник мощностей

Таким образом, вследствие применения компенсирующих устройств на подстанции при неизменной мощности нагрузки реактивные мощности и ток в линии уменьшаются - линия разгружается по реактивной мощности. В линии уменьшаются потери мощности и потери напряжения, так как

14.2. Компенсирующие устройства

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

14.2.1. Батареи конденсаторов

Батареи конденсаторов применяются:

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

3

- для уменьшения реактивного сопротивления линий - продольной компенсации (установки продольной компенсации (УПК)).

Шунтовые БК включают на шины подстанций (рис.14.2,а, б). УПК включают в линии последовательно.

Рис.14.2. Принципиальная схема батарей конденсаторов:

а,б – последовательное и параллельное соединение конденсаторов; в,г – соединение фаз БК треугольником и звездой

Батареи конденсаторов комплектуются из отдельных конденсаторов, соединенных последовательно и параллельно (рис.14.2,а б). 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.14.2,а) Для увеличения мощности БК применяют параллельное соединение конденсаторов (рис. 5.2,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. Покажем, что БК с рабочим напряжением 10 кВ не может быть скомплектована из конден-

4

саторов низкого напряжения на мощность менее 1 МВар. Число последовательно включенных конденсаторов в БК определяется:

3UК.НОМk P

где UБКнб - расчетное максимальное напряжение в точке подключения БК; UК.НОМ - номинальное напряжение конденсатора;

k Р - коэффициент, учитывающий разброс параметров конденсаторов, значе-

ние которого принимается 0,92 – 0,95.

В сетях трехфазного тока конденсаторы включаются звездой и треугольником (рис.14.2,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.

Вконденсаторах, 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.

Врегулируемых батареях конденсаторов в зависимости от режима автоматически или вручную изменяется число включенных конденсаторов. Выпускаются регулируемые комплектные батареи конденсаторов на напряжения 0,38; 6; 10 кВ, снабженные пускорегулирующим устройством, необхо-

димым для автоматического изменения мощности батареи (контакторами или выключателями).

На практике изменение мощности, вырабатываемой батареей в нормальных эксплуатационных условиях, достигается включением или отключением ча-

5

сти конденсаторов, составляющих батарею, т. е. путем ступенчатого регулирования. Одноступенчатое регулирование заключается в отключении или включении всех конденсаторов батареи, многоступенчатое - в отключении или включении отдельных секций батареи.

Продольная компенсация для уменьшения реактивного сопротивления линии иллюстрируется рис.14.3.

УПК

U К

IНОРМ

Рис.14.3. Схемы включения УПК

В нормальном режиме через УПК течет ток IНОРМ . При этом напряжение на УПК равно:

где UНОМ.С - номинальное напряжение сети.

В сетях электроснабжения промышленных предприятий возможны следующие виды компенсации с помощью БК:

-индивидуальная - с размещением конденсаторов непосредственно у токоприемника;

-групповая - с размещением конденсаторов у силовых шкафов и шинопроводов в цехах;

-централизованная - с подключением батареи на шины 0,38 и 6 - 10 кВ подстанции.

Основные технико-экономические преимущества конденсаторов в сравнении с другими компенсирующими устройствами состоят в следующем:

-возможность применения как на низком, так и на высоком напряжении;

-малые потери активной мощности (0,0025—0,005 кВт/кВар).

Недостатки конденсаторов с точки зрения регулирования режима:

-зависимость генерируемой ими реактивной мощности от напряжения;

-невозможность потребления реактивной мощности;

-ступенчатое регулирование выработки реактивной мощности и невозможность ее плавного изменения;

-чувствительность к искажениям формы кривой питающего напряжения. Конденсаторные батареи также имеют ряд эксплуатационных пре-

имуществ: простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей); простота производства монтажа (малая масса, отсутствие

6

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).

14.2.2. Синхронные компенсаторы

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.14.4.

Рис.14.4. Схемы замещения и векторная диаграмма напряжений синхронного компенсатора:

а – схемы замещения; б, в – режимы перевозбуждения и недовозбуждения

а поскольку PС.К 0 , его реактивная мощность:

СК QС.К 0 . При перевозбуждении Eq UC и СК генерирует в сеть реак-

режиме в соответствии с (14.9) СК потребляет реактивную мощность, получая ее из сети. Номинальная мощность синхронного компенсатора ( QС.К.НОМ ) указывается для режима перевозбуждения. По конструктивным особенностям в режиме недовозбуждения QС.К. 0,5QС.К.НОМ .

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.

14.2.3. Шунтирующие реакторы

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 напряжения 35 - 750 кВ и могут как присоединяться к линии (рис.14.5), так и включаться на шины подстанции.

8

x P

Рис.14.5. Схема замещения реактора, включенного в линию

Реактор потребляет реактивную мощность, которая в зоне линейности его электромагнитной характеристики зависит от квадрата напряжения U:

Используются нерегулируемые и регулируемые шунтирующие реакторы. С точки зрения регулирования нерегулируемый реактор характеризуется лишь двумя дискретными состояниями: «включено» - при этом потребляется номинальная реактивная мощность Q или близкая к ней, «отключе-

но» - при этом QP 0 . При допустимых отклонениях напряжения на шинах высшего напряжения подстанций, к которым подключаются шунтирующие реакторы, потребляемая реактивная мощность QP изменяется в пределах

( 0,8 1,1 ) Q .

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 QP регулируемого реактора определяется его конструкцией и зависит от

x C

Рис.14.6. Принципиальная схема ИРМ с последовательным соединением управляемого реактора x L и нерегулируемой БК x C

9

напряжения. Реакторы с подмагничиванием используются в фильтрах высших гармоник, а также являются эффективным средством ограничения колебаний напряжения в электрических сетях (рис.14.6, 14.7)

В настоящее, время реакторы с подмагничиванием и соответствующие регуляторы для автоматического регулирования режимов их работы находятся в стадии разработок и опытно-промышленной эксплуатации.

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

Рис.14.7. Принципиальная схема ИРМ с параллельным соединением управляемого реактора x L и нерегулируемой БК x C

14.2.4. Статические источники реактивной мощности

Статические источники реактивной мощности 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. 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. Управление мощностью реакторов осуществляется либо с помощью встречно-параллельно соединенных управляемых тиристорных преобразователей, либо путем изменения подмагничивания реактора.

Стоимость статических ИРМ имеет тенденцию к снижению с увеличением мощности устройства. Есть основания считать, что совершенствование тиристоров, составляющих значительную часть стоимости ИРМ, в бли-

10

жайшее время приведет к улучшению их технико-экономических показателей. При этом применение статических ИРМ может оказаться более целесообразным, чем установка синхронных компенсаторов.

14.3. Расстановка компенсирующих устройств

Суммарная мощность QK компенсирующих устройств (КУ) в систе-

ме может быть определена из условия баланса реактивной мощности, либо из условий уменьшения потерь мощности или регулирования напряжения. Степень оснащения компенсирующими устройствами характеризуется отно-

шением их суммарной мощности в мегаварах к максимальной активной

вышает 0,25 - 0,3 с учетом КУ, установленных в сетях промышленных предприятий, что явно недостаточно. Для преодоления отставания в оснащенности КУ величина в ближайшем будущем должна быть доведена до 0,45

МВар/МВт.

Задача расстановки КУ состоит в определении мощности КУ, устанавливаемых на каждой из подстанции системы.

До недавнего времени мощность компенсирующих устройств на промышленных предприятиях выбиралась по нормативному средневзвешенному коэффициенту мощности. Он должен быть не ниже 0,92 - 0,95 и определяется так:

где W - показания счетчика активной энергии за отчетный период (год, месяц, сутки);

W - показания счетчика реактивной энергии за отчетный период.

Сейчас в качестве критерия степени компенсации реактивной мощности принята разрешаемая энергосистемой к использованию реактивная мощность в часы максимума нагрузки энергосистемы. Энергосистема определяет значения реактивной мощности QC , передаваемой по сети системы,

для режимов максимума и минимума активных нагрузок системы и для послеаварийных режимов.

13

В городских и сельских электрических сетях обследования показали, что при дополнительной экономически обоснованной установке компенсирующих устройств снижение потерь электроэнергии может составить 20 - 25%. В городских и сельских электрических сетях оптимальным вариантом является полная компенсация реактивных мощностей нагрузок в режиме наибольших нагрузок. В качестве компенсирующих устройств в этих сетях используются БК. Найденную в результате расчетов общую мощность компенсирующих устройств 0,38 кВ распределяют между присоединенными к сети 6 - 10 кВ трансформаторными подстанциями с учетом реактивной мощности комплектных установок конденсаторов. Их мощность не может быть произвольной, а определяется стандартом. В первую очередь следует устанавливать устройства компенсации в тех местах, где уровень напряжения нельзя поддерживать за счет централизованного регулирования.