Компенсация реактивной мощности

ВВЕДЕНИЕ

Вопросы экономного использования всех видов энергии, в том числе электрической, и  повышения экономичности работы электроустановок являются важной государственной  проблемой.

Электроэнергия, как особый вид продукции, обладает определенными характеристиками, позволяющими судить о ее пригодности в различных производственных процессах. Совокупность таких характеристик, при которых приемники электроэнергии способны выполнять заложенные в них функции, объединены под общим понятием качества электроэнергии.

В последние  годы повышению качества электроэнергии 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.

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.

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.

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.

Методы и  средства компенсации реактивных мощностей

Вопросы генерирования  реактивной мощности имеют большое  значение, так как потребность  в ней возрастает в связи с широким применением электроприемников с довольно низким коэффициентом мощности: больших дуговых электропечей, мощных вентильных преобразователей, крупных электросварочных агрегатов.

 «Баланс реактивной мощности должен обеспечиваться при всех режимах работы системы электроснабжения: нормальном, послеаварийном, ремонтном. При послеаварийном и ремонтном режимах используются все средства генерации реактивной мощности независимо от их экономичности. Компенсирующие устройства используются также в качестве одного из средств регулирования напряжения с целью обеспечения оптимального режима напряжений в электрических сетях.

 Для стимулирования  мероприятий по компенсации реактивной  мощности установлены скидка (—)  и надбавка (+) к тарифу на электроэнергию, зависящие от степени компенсации реактивной мощности.

Суммарная мощность компенсирующих устройств QK, которые  устанавливаются на предприятиях, зависит  от их реактивных нагрузок QM и от той  наибольшей реактивной мощности Qc, которая  может быть передана из сети энергосистемы в сеть предприятия в период наибольших активных нагрузок системы и которая задается последней (с приближенным учетом потерь электроэнергии также и в сети предприятия).

 где QM —  реактивная нагрузка предприятия  в период наибольших активных  нагрузок энергосистемы.

 Так как  режимы наибольших реактивных  нагрузок предприятия и наибольших  активных нагрузок энергосистемы  могут не совпадать по времени,  то при существенных расхождениях  в расчете нужно вносить поправки  по результатам анализа графика  нагрузки. Для выбора оптимальных режимов работы источников реактивной мощности на предприятии и определения условий регулирования их мощности энергоснабжающая организация кроме величины Qc в режиме наибольшей активной нагрузки задает также допустимые по техническим условиям величины реактивных мощностей Qc в режиме наименьших активных нагрузок энергосистемы (ночной минимум) и в послеаварийном режиме»¹.

1.1. Средства компенсации.

«Для уменьшения затрат на установку специальных компенсирующих устройств проводятся следующие мероприятия:

 упорядочение  технологического процесса, ведущее  к улучшению энергетического  режима оборудования и к повышению  коэффициента мощности;

 выбор электродвигателей  и трансформаторов с оптимальной  их загрузкой;

 преимущественное  применение синхронных электродвигателей, когда это возможно и целесообразно по условиям сети и производства;

 применение  устройств, ограничивающих холостой  ход электроприемников (асинхронных  электродвигателей, трансформаторов), в частности широкое внедрение  ограничителей холостого хода для устранения холостой работы асинхронных двигателей в тех случаях, когда продолжительность межоперационного периода превышает 10 с;

 применение  переключателей с треугольника  на звезду у тех асинхронных  двигателей напряжением до 1000 В, которые систематически загружаются не более чем на 40%.

 При реконструкции  электроснабжения производится  замена незагруженных трансформаторов  и электродвигателей и замена  асинхронных двигателей синхронными,  если последнее технически возможно  и экономически целесообразно.

Принципиальная  схема компенсационного преобразователя»².

«Основным средством компенсации на промышленных предприятиях являются батареи силовых конденсаторов (КБ), подключаемые параллельно к электросети, т. е. поперечная компенсация. К их преимуществам относятся: простота, относительно невысокая стоимость, недефицитность материалов, малые удельные собственные потери активной мощности, а к недостаткам — отсутствие плавного регулирования отдаваемой в сеть реактивной мощности, пожароопасность, наличие остаточного заряда.

Конденсаторные  батареи устанавливаются вблизи от места потребления реактивной мощности, при необходимости снабжаются автоматическим регулированием для  изменения присоединенной мощности при разных режимах нагрузок.

 Неблагоприятное  влияние на работу конденсаторных  установок оказывает наличие в сети высших гармоник.

 Конденсаторы  применяются также в схемах  крупных компенсационных ртутно-выпрямительных  агрегатов, например на заводах  электролиза алюминия. На стороне катодов вентилей включается уравнительный реактор, к которому присоединяются конденсаторы.

При периодическом  заряде и разряде конденсаторов  они создают дополнительные напряжения, которые заставляют ток переходить на очередную фазу раньше, чем это было бы при отсутствии в схеме конденсаторов, в результате чего преобразователь генерирует компенсирующую мощность Qn.

Следовательно, конденсаторы выполняют в основном только функцию коммутирующего звена; общий компенсирующий эффект Кэ от их применения значительно превышает их номинальную мощность

 На подстанциях  с несколькими преобразователями  обычно применяется не более  одного – двух компенсационных преобразователей, что обычно достаточно для улучшения общего коэффициента мощности всей установки. Разрабатывается схема компенсации с тиристорными преобразователями.

К широкому применению для генерации реактивной мощности рекомендуются синхронные электродвигатели в большом диапазоне их мощностей. Они способны отдавать реактивную мощность в сеть на месте потребления при полезной нагрузке на валу, допускают форсировку возбуждения и широкие пределы регулирования отдаваемой реактивной мощности, меньше зависят от колебаний напряжения, чем косинусные конденсаторы, повышают устойчивость системы.

 Значение  реактивной мощности, генерируемой СД, зависит от их загрузки по активной и реактивной мощности и от относительного напряжения на их зажимах»³.

 «Целесообразно применять синхронные двигатели совместно с конденсаторами, которые осуществляют в основном компенсацию базисной части суточного графика реактивной нагрузки, а синхронные двигатели, главным образом, снижают пики графика.

 Синхронные  компенсаторы (СК) на промышленных  предприятиях применяются редко  — при больших мощностях компенсирующих  устройств, на подстанциях, имеющих районное значение, а также иногда на крупных электропечных установках (дуговых и руднотермических).

 Использование  реактивной мощности генераторов  заводских станций экономически  целесообразно, если это не  вызывает увеличения числа или  сечения питающих линий, числа устанавливаемых трансформаторов и других сетевых затрат, связанных с передачей реактивной мощности от генераторов.

 При определенных  условиях учитываются также реактивные  мощности, генерируемые воздушными  линиями и токопроводами напряжением выше 20 кВ и кабельными линиями напряжением 6 кВ и выше, которые пропорциональны их длине и квадрату напряжения.

Средние значения реактивной мощности, генерируемой различными линиями.

 Распределение  мощности компенсирующих устройств  в сетях производится в основном из условия наибольшего снижения потерь активной мощности от реактивных нагрузок. Установка конденсаторов относительно большей мощности производится в местах наибольших реактивных нагрузок и сопротивлений питающих линий. Это обеспечивает повышение напряжения в тех частях сети, где это напряжение ниже расчетного уровня.

 Не рекомендуется  чрезмерное разукрупнение конденсаторных  установок, так как это приводит  к значительному увеличению удельных  затрат на отключающую аппаратуру, измерительные приборы и конструкции на установленный 1 кВАр батареи.

Единичная мощность батарей на напряжение 6—10 кВ принимается  не менее

400 кВАр, если  присоединение выполняется с  помощью отдельного выключателя.  В сетях низкого напряжения  не рекомендуется снижать мощность конденсаторных батарей до величины менее 30 кВАр. Если расчетная мощность батареи на отдельных участках получается менее указанных величин, то конденсаторы на них не устанавливаются, а полученная по расчету мощность конденсаторов перераспределяется между близко расположенными другими более мощными батареями путем пропорционального увеличения их мощности»⁴.

 «В сетях 6—10 кВ в первую очередь следует полностью использовать для компенсации реактивную мощность работающих СД.

При отсутствии СД или недостаточности их реактивной мощности дополнительно применяются конденсаторы, которые устанавливаются либо на цеховых подстанциях, имеющих РУ 6—10 кВ, либо на РП. Целесообразна также установка конденсаторов на вторичном напряжении ПГВ 110—220 кВ, которые в данном случае выполняют функции РП и от которых непосредственно производится распределение электроэнергии по цеховым подстанциям.

 Не рекомендуется  устанавливать конденсаторы напряжением  6—10 кВ на бесшинных цеховых  подстанциях, на которых трансформаторы  присоединены наглухо или только через разъединитель, так как присоединение конденсаторных батарей к этим подстанциям вызовет их усложнение и удорожание.

 В сетях  380—660 В для компенсации реактивной  мощности также следует в первую  очередь использовать свободную реактивную мощность СД 6—10 кВ, оставшуюся после компенсации реактивных нагрузок в сети 6—10 кВ, если это экономически целесообразно. Передача реактивной мощности от СД 6—10 кВ в сеть напряжением до 1000 В, как правило, оказывается невыгодной, если это вызывает увеличение числа понижающих трансформаторов.

Это, в основном, объясняется тем, что стоимость  комплектных трансформаторных подстанций очень велика. По этой же причине  может оказаться нецелесообразной передача в сеть низкого напряжения реактивной мощности от генераторов заводской ТЭЦ.

Нерегулируемые  конденсаторные батареи на напряжение 380—660 В обычно устанавливаются на цеховых распределительных пунктах  или присоединяются к магистральным  токопроводам, если этому не препятствует окружающая среда. Получается значительно лучшее использование конденсаторов, чем при индивидуальной компенсации, и разгружаются питательная сеть и трансформаторы цеховых подстанций. Место установки регулируемых конденсаторных батарей в сетях до 1000 В выбирается с учетом требований регулирования напряжения или реактивной мощности.

 Распределение мощности конденсаторов в сетях низкого напряжения.

 а — при  радиальной схеме; б — при  магистральной схеме.

 Централизованная  установка конденсаторов 380—660 В  на цеховых подстанциях нецелесообразна, так как это не дает снижения потерь в сети низкого напряжения.

Она может быть применена лишь в тех случаях, когда размещение конденсаторов  в цехе недопустимо по условиям пожарной безопасности и в то же время имеется  необходимость в разгрузке силового трансформатора на подстанции. В этих случаях нужно произвести уточнение целесообразной мощности конденсаторов напряжением до 1000 В по сравнению с конденсаторами напряжением выше 1000В»⁵.

«При выборе цеховых конденсаторных батарей (КБ) следует стремиться (в пределах их типажа), чтобы их мощность была близка к реактивным нагрузкам цехового РП, к которому присоединена эта батарея, так как это дает наибольший экономический эффект от снижения потерь энергии в сети.

 Распределение  мощностей конденсаторов радиальной сети производится по формуле

 где QK»  — искомая реактивная мощность  КБ в данном пункте, Мвар; Q —  суммарная распределяемая реактивная  мощность, Мвар; — сопротивление  радиальной линии питающей данный  пункт, Ом; гэ — эквивалентное  сопротивление сети, Ом, определяемое по формуле

 При распределении  мощностей конденсаторов в магистральных  сетях, в частности при присоединении  КБ к магистральным токопроводам, в большинстве случаев можно  пренебречь потерями энергии  в ответвлениях г и г2 и  т. д. от магистрали к КБ, так как их длина обычно невелика. На рис. 28,6 приведен пример распределения реактивных нагрузок Qu и мощностей конденсаторов Qh при присоединении их к токопроводам 380—660 В. При суммарной реактивной мощности Q=770 кВАр применены стандартные батареи по 225 и 150 кВАр на суммарную мощность 750 кВАр. Если нельзя пренебречь потеря- Ми электроэнергии в ответвлениях от магистрали, то определение эквивалентного сопротивления производится по формуле сложения двух параллельно соединенных сопротивлений. Так, например, эквивалентное сопротивление в узловой точке 3 определится по формуле

 Для небольших  электроустановок, присоединяемых  к действующим сетям 6—10 кВ, как  правило, экономически целесообразна  полная компенсация реактивной  мощности на вторичном напряжении 380—660 В»⁶.

1.2. Схемы

«Наиболее распространены схемы присоединения КБ через отдельные выключатели при напряжении 6—10 кВ или через рубильники и предохранители или автоматы при напряжении 380 В.

 Схемы с  подсоединением под общий выключатель применяются очень редко, в основном при индивидуальной компенсации реактивной мощности электродвигателей или при установке батарей на работающей подстанции, когда нет свободной камеры для установки выключателя.

 Конденсаторные  батареи напряжением 380—660 В присоединяются к цеховым групповым щиткам или к токопроводам и в отдельных случаях к шинам вторичного напряжения цеховых подстанций. Она предназначена для автоматически регулируемых батарей, она может применяться как при автоматическом регулировании конденсаторных батарей на предприятии, так и при отсутствии такого регулирования, схема, а применяется при отсутствии автоматического регулирования.

 Присоединение  конденсаторных батарей на напряжении 6—10 кВ.

 а — к  сборным шинам через     выключатель: б — через общий         выключатель с трансформатором или электродвигателем.

 На относительно  крупных конденсаторных батареях  или при необходимости регулирования  реактивной мощности применяются  секционированные схемы с подразделением  конденсаторной батареи на несколько секций, что дает также возможность поочередного осмотра или ремонта секций без полного отключения всей конденсаторной батареи. Число секций, необходимых для регулирования конденсаторных батарей, зависит от требуемого количества ступеней регулирования.

Далее представлена экономичная секционированная схема с тремя конденсаторными батареями на каждой секции. Каждая секция подключена к шинам через выключатель Ви рассчитанный на отключение полной мощности к. з. Выключатели же В2 в цепях конденсаторных батарей не рассчитаны на это и служат лишь для переключений при автоматическом регулировании конденсаторной установки.

 При аварии  на какой-либо батарее сначала  отключается выключатель Ви затем  подается импульс на отключение  выключателя В2 поврежденной части, после че го вновь включается выключатель В и восстанавливается питание оставшихся батарей секции. В качестве выключателей В2 рекомендуются вакуумный или элегазовый выключатели. Если выключатели В2 выбрать на полную мощность к. з., то эксплуатация и релейная защита упростятся, но установка в целом удорожится»⁷.

 «Присоединение конденсаторных батарей на напряжение 0,38—0,66 кВ.

 а — через  рубильник и предохранитель; б  — через автомат; в — через  рубильник, предохранитель и контактор.

При включении и переключении конденсаторов возникают переходные процессы, характеризующиеся перенапряжениями и кратковременными бросками тока, вели чина, которых многократно превышает номинальный ток батарей. Бросок тока зависит от мощности батареи и параметров сети, в которую она включается: он будет тем больше, чем выше ток к. з. в сети.

При включении  батареи или секции на параллельную работу с работающими батареями  или секциями бросок тока получается значительно больше, чем при включении  отдельной батареи, так как работающие батареи разряжаются на вновь включаемую, что вызывает колебания в контуре, состоящем из индуктивности ошиновки между батареями и включенными последовательно емкостями вновь включаемой и работающей батарей.

Секционированная  схема конденсаторной батареи.

Для управления конденсаторными установками применяются  быстродействующие выключатели, имеющие  повышенную износоустойчивость контактной и механической частей и допускающие  частые и быстрые переключения. Они  должны обладать большой скоростью  размыкания и замыкания контактов,- чтобы избежать повторных зажиганий дуги при незаряженной конденсаторной батарее, которые могут вызвать перенапряжения до трех-пятикратных значений номинального напряжения»⁸.

«Обычные масляные и воздушные выключатели не удовлетворяют полностью всем требованиям для коммутации емкостных нагрузок. Наиболее пригодны и перспективны вакуумные выключатели. Но они маломощны и применяются пока лишь для секционирования конденсаторных батарей и регулирования их мощности в схемах подобных представленным, когда им не приходится отключать тока к. з.

Их выбирают, исходя примерно из полуторакратного номинального тока секции конденсаторной батареи.

 Весьма пригодными  для регулирования конденсаторных  батарей являются быстродействующие  бесконтактные тиристорные выключатели. Обычные выключатели на напряжение 6—10 кВ, выбранные с запасом по номинальному току не менее чем на 50%, удовлетворительно работают при коммутации КБ мощностью до 2500 кВАр.

 Если деление  конденсаторной батареи на секции  делается при помощи разъединителей, то последние снабжаются блокировкой с выключателем всей батареи, которая не позволяет оперировать разъединителями под нагрузкой.

 Для конденсаторных  установок до 1000 В необходимы  аппараты, рассчитанные на частое (до 20—30 операций в сутки) коммутирование часто емкостной нагрузки в диапазоне 300—800 А при автоматическом регулировании. Обычные автоматы А 3700 или контакторы КТУ-4; КТ6043 с предохранителями следует выбирать с запасом по току не менее 50%, так как они рассчитаны для коммутации индуктивной, а не емкостной нагрузки»⁹.

1.3. Защита

«Для конденсаторных батарей 6—10 кВ применяется общая для всей установки максимальная токовая защита от коротких замыканий и от перегрузок без выдержки времени.

Уставка защиты принимается примерно вдвое большей номинального тока батареи для отстройки от тока включения и тока разряда батареи.

При регулируемых конденсаторных батареях токовая защита устанавливается на каждой секции; она действует на отключение всей батареи с последующим восстановлением питания неповрежденных секций.

При присоединении  конденсаторной батареи под общий  выключатель с электродвигателем  или трансформатором на ней устанавливается  отдельная защита с действием  на головной выключатель.

 Так как  конденсаторы 6—10 кВ не имеют встроенной индивидуальной защиты, то у каждого конденсатора, кроме того, устанавливаются быстродействующие токоограничивающие предохранители типа ПК необходимой разрывной мощности, рассчитанные на броски тока при включении конденсатора, на максимальный разрядный ток, протекающий от неповрежденных конденсаторов к поврежденному, и на обычные колебания нагрузки при работе конденсаторной установки. Исходя из этих условий, ток плавкой вставки предохранителя выбирают не менее 150% номинального тока конденсатора при номинальном токе предохранителя свыше 30 А и не менее 200% при номинальном токе предохранителя до 30 А.

Ниже приведены  рекомендации по выбору плавких вставок  предохранителей для индивидуальной защиты однофазных конденсаторов 6—10 кВ:

 Индивидуальная защита конденсаторов должна быть селективной с общей защитой всей батареи.

 Если в  сети возможно повышение напряжения  более 110% номинального, то применяется  защита от повышения напряжения.

 При токе  замыкания на землю 20 А и  более применяется защита от однофазных замыканий на землю.

 Конденсаторы  до 1000 В имеют индивидуальные  встроенные предохранители, следовательно,  необходима только общая защита батареи.

При защите предохранителями ток плавкой вставки определяется по

формуле, А:

 где п  — общее количество конденсаторов в установке (во всех фазах), шт; QK — номинальная мощность одного однофазного конденсатора, кВАр; Ll„ — линейное напряжение, кВ.

При защите автоматами автомат должен иметь комбинированный  расцепитель, обеспечивающий защиту с  плавной регулировкой тока.

Уставка тока выбираемая исходя из перегрузочной способности конденсатора, не должна превышать 130% 1ак. Она определяется по формуле

»¹⁰

 «При наличии в сетях высших гармоник проверяется вероятность перегрузки конденсаторов по току в резонансных или близких к ним режимах и предусматриваются меры по предотвращению резонансных явлений.

 Для измерения  тока и контроля равенства  емкостей в цепи конденсаторной  батареи предусматриваются три  амперметра или один амперметр  с переключателем.

Для небольших КБ мощностью до 400 кВАр допускается установка одного амперметра. При подключении КБ по схеме, б предусматривается раздельное измерение тока в цепи КБ.

Для измерения напряжения вольтметр допускается подключать к вторичной обмотке трансформатора напряжения, служащего для разряда.

 Предусматриваются  приборы для контроля наибольших  и наименьших реактивных 30-минутных  мощностей, потребляемых предприятием  в режиме наибольших активных  нагрузок энергоснабжающей системы,  зафиксированных в договоре с  последней. Для этого применяются счетчики реактивной энергии с указателями 30-минутного максимума, причем наибольшая нагрузка определяется по указателю нагрузки, а наименьшая — по счетному механизму счетчика.

При отсутствии специальных  счетчиков с указателем максимума учет наибольшей и наименьшей реактивных нагрузок производится по показаниям обычных счетчиков реактивной анергии.

При этом записи подлежат 30-минутные показания счетчиков во время максимума энергосистемы и на начало и конец суточного провала нагрузки. Если предприятие выдает реактивную мощность в сеть энергосистемы (по договору с последней), то для ее учета устанавливается отдельный счетчик»¹¹.

1.4. Разряд

«Для быстрого разряда конденсаторов после их отключения применяются индуктивные или активные разрядные сопротивления, подключаемые параллельно конденсаторной батарее. Без этих разрядных сопротивлений естественный саморазряд конденсаторов до безопасного напряжения 65 В происходит очень медленно, остающееся на зажимах отключенной батареи напряжение будет представлять опасность для обслуживающего персонала.

Кроме того, при  обратном включении в сеть неразрядившегося конденсатора возникает большой  бросок тока, значительно превосходящий ток включения полностью разряженного конденсатора. В секционированных конденсаторных установках предусматривается отдельное разрядное сопротивление на каждой секции, с отдельным выключателем.

 Разрядное  сопротивление R выбирается таким  образом, чтобы потери активной мощности в нем при номинальном напряжении не превышали 1 Вт/кВАр. Оно определяется по формуле, Ом:

 где Г/ф  — фазное напряжение сети, кВ; QK — мощность конденсаторной  батареи, кВАр.

 Разрядные  сопротивления в трехфазных конденсаторных батареях можно соединить треугольником, открытым треугольником, звездой. Соединение треугольником наиболее надежно, так как при обрыве одной фазы эта схема превращается в открытый треугольник и, следовательно, сохраняется возможность разряда всех трех фаз конденсаторной батареи, что не имеет места при других схемах.