2020-05-13
616
В качестве компенсирующих устройств, как отмечалось выше, используются синхронные компенсаторы (СК), батареи конденсаторов (БК), реакторы и статические источники реактивной мощности (ИРМ).
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. 4.8, б), УПК включают в линии последовательно.
Батареи конденсаторов комплектуются из отдельных конденсаторов, соединенных последовательно и параллельно (рис. 4.9). Конденсаторы выпускаются в однофазном и трехфазном исполнениях на номинальное напряжение 0,22—10,5 кВ. Единичная мощность конденсаторов составляет 10—125 квар.
Рис. 4.9. Принципиальные схемы батарей конденсаторов:
а, б – последовательное и параллельное соединение конденсаторов; в, г – соеди-
нение фаз БК треугольником и звездой
|
|
|
Шунтовые конденсаторные батареи применяют на напряжениях до 110 кВ. Увеличение рабочего напряжения БК достигается увеличением числа последовательно включенных конденсаторов (рис. 4.9, а). Для увеличения мощности БК применяют параллельное соединение конденсаторов (рис. 4.9, 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 10кВ не может быть скомплектована из конденсаторов низкого напряжения на мощность менее 1 МВАр. Число последовательно включенных конденсаторов в БК найдем по формуле
где U БКнб – расчетное максимальное напряжение в точке подключения БК; U К.НОМ – номинальное напряжение конденсатора; k P—коэффициент, учитывающий разброс параметров конденсаторов, значение которого принимается 0,92—0,95.
Допустим, что БК можно комплектовать конденсаторами типа КС2-0.66-40. Вторая цифра в обозначении конденсаторов соответствует их номинальному напряжению в киловольтах, третья цифра - номинальной мощности в киловольт-амперах реактивных.
Число последовательных конденсаторов КС2-0,66-40 в БК 10 кВ при U БКнб = 10,75 кВ
Округляем n 1 до 10. Реактивная мощность, генерируемая БК, равна
Q БК1=3 Q К.НОМ n 1 = 3×40×10 = 1200 кВАр
Для подстанций 35/10 кВ сельскохозяйственного назначения во многих случаях требуются БК меньшей мощности, чем 1000 квар. Поэтому для них необходимо применять конденсаторы высокого напряжения, при комплектовании из которых можно получать БК меньшей мощности.
|
|
|
В сетях трехфазного тока конденсаторы включаются звездой и треугольником (рис. 4.9, в, г). При соединении конденсаторов звездой мощность батареи
Q С = 3 U 2Ф wС.
При соединении конденсаторов треугольником мощность батареи
Q С = 3 U 2 wС = 9 U 2Ф wС.
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; 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, т. е. путем ступенчатого регулирования.
Рис. 4.11. Включение батарей конденсаторов:
а — под отдельный выключатель; б — под выключатель нагрузки потребителя (ВН)
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 (ТV). Для БК до 1 кВ применяют специальные разрядные сопротивления (R P.C на рис. 4.10). 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. 4.11).
Продольная компенсация для уменьшения реактивного сопротивления линии иллюстрируется рис. 4.12.
В нормальном режиме через УПК течет ток I НОРМ. При этом напряжение на УПК равно
где U НОМ.C – номинальное напряжение сети.
При коротком замыкании через батарею конденсаторов течет большой ток короткого замыкания и U К 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, монтируются 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 отключа-ющую 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 ее плавного изменения; г) чувствительность к искажениям формы кривой питающего напряжения.
Удельная стоимость (за 1 квар) БК совместно с пускорегулирующей аппаратурой в настоящее время 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). Как следует из анализа режима синхронной машины в § 4.8, увеличить вырабатываемую реактивную мощность можно за счет уменьшения активной. 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. 4.13, где E q – обратная ЭДС компенсатора, U C — напряжение сети в точке его подключения. Напряжение U C в соответствии с (2.41) равно сумме E q, и падения напряжения в xd. Векторная диаграмма в режиме перевозбуждения (рис. 4.13, б) совпадает с векторной диаграммой синхронного двигателя при перевозбуждении с той разницей, что ток СК I CK – емкостный и его обратная ЭДС E q совпадает по направлению с U C. Модуль тока равен
а поскольку P C.K=0, его реактивная мощность
(4.14)
Рис. 4.13. Схемы замещения и векторная диаграмма напряжений син-
хронного компенсатора:
а — схема замещения; б, в – режимы перевозбуждения и недовозбуждения
Из выражения (4.14) видно, что значение и знак реактивной мощности СК зависят от соотношения между Eq и напряжением сети U C; ЭДС Eq определяется значением тока возбуждения, причем росту тока возбуждения соответствует увеличение Eq . При токе возбуждения, при котором Eq = U C, реактивная мощность СК U C.K=0. При перевозбуждении Eq, > U C СК генерирует в сеть реактивную мощность, причем I C.K опережает напряжение U C.K на 90° (рис. 4.13, б).
Уменьшая ток возбуждения, можно получить режим недовозбуждения, тогда Eq, < U C и I C.K отстает на 90° от напряжения U C (рис. 4.13, в). В этом режиме в соответствии с (4.14) СК потребляет реактивную мощность, получая ее из сети. Номинальная мощность синхронного компенсатора Q C.K.НОМ указывается для режима перевозбуждения. По конструктивным особенностям в режиме недовозбуждения Q C.K.=0,5 Q C.K.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.
 |
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. 4.14), так и включаться на шины подстанции.
Реактор потребляет реактивную мощность, которая в зоне линейности его электромагнитной характеристики зависит от квадрата напряжения U:
Q P = b P U 2, (4.15)
где b P – 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 Q P.НОМ или близкая к ней, «отключено»—при этом Q P=0. При допустимых отклонениях напряжения на шинах высшего напряжения подстанций, к которым подключаются шунтирующие реакторы, потребляемая реактивная мощность Q P изменяется в пределах (0,8¸1,1) Q P.НОМ.
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 Q P 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. В настоящее время реакторы с подмагничиванием и соответствующие регуляторы для автоматического регулирования режимов их работы находятся в стадии разработок и опытно-промышленной эксплуатации [13].
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. 4.15, 4.16). 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 [13].
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. 4.16. 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.
