5. Компенсация реактивной мощности

5.1 Реактивная мощность в системах электроснабжения

РМ, потребляемая индуктивностью и ёмкостью, идёт на создание магнитного и эл полей. Индуктивность рассматривается как потребитель реактивной мощности, а ёмкость – как её генератор.

РМ потребляют: трансформаторы -35%; ЛЭП-7%, АД -40%, эл печи-8%; вентильные преобразователи-10%; люминесцентные лампы,…

Потребление РМ преобразовательными агрегатами с ртутными и п/проводниковыми выпрямителями обусловлено в основном двумя причинами: естественным коммутационным процессом и искусственной задержкой момента открытия вентиля в целях регулирования выпрямленного напряжения. Именно эти факторы создают сдвиг тока в цепях вентилей относительно напряжения и понижают коэффициент мощности в сетях.

Низкий коэффициент мощности приводит: к повышенным токовым нагрузкам, к увеличению затрат на сооружение сети, повышенным потерям электроэнергии, к ухудшению качества напряжения из-за больших потерь и колебаний напряжения в элементах сети, снижение статической устойчивости узлов электрической нагрузки, недоиспользование генераторов на электростанциях по активной мощности из-за их загрузки РМ

5.2 Технические характеристики источников реактивной мощности

Синхронный компенсатор ( СК) — это один из видов синхронной машины, предназначенный для работы в каче­стве источника реактивной мощности — без активной на­грузки на валу. Если работает в режиме перевозбуждения, вырабатывает и пе­редаёт в сеть реактивную мощность, а в режиме недовозбуждения потребляет реактивную мощность в количествах, завися­щих от активной нагрузки.

Для крупных электроприёмников резкопеременного режима рекомендуется применять специальные СК – СКК с уменьшенным синхронным сопротивлением и повышенным потолком возбуждения. Такие ССК обладают достаточным быстродействием для стабилизации напряжения.

Недостатки СКК: удельные затраты (руб/квар) на выработку реактивной мощности значительны, большая масса, вибрация, шум; необходимость применения охлаждения; необходимость постоянного дежурства эксплуатационным персоналом.

СД - быстроходные СД являются эффективными источниками РМ непосредственно в цехах. Тихоходные используются как резерв реактивной мощности. Как источник реактивной мощности СД обладает многими достоинствами - находится непосредст­венно в цехе, поэтому:

1- активные потери на передачу реак­тивной мощности минимальны;

2- удельная величина капи­тальных затрат на реактивную мощность СД (и генераторов) приблизительно в 10 раз ниже, чем конденсаторов, так как изменение соs φ _ном двигателя от 1 до —0,9 приводит к увеличению его полной мощности на 11 %, а реактивная мощность изменяется от

( 0 до 48 %) Рном;

3- обеспечивает плавное ручное и автоматическое ре­гулирование РМ и поддерживает по­стоянное напряжение в точке подключения к сети;

4- возможность резкого повышения выдачи реактивной мощности благодаря форсировке тока возбуждения при внезапных изменениях напряжения;

5- повышается устойчивость нагрузки благодаря действию АРВ;

6-выработка РМ мало зависит от напряжения сети.

Недостатки:

повышенные потери активной мощности на выработку РМ, особенно у тихоходных СД с явно выраженными полюсами; повышенные удельные кап затраты;

Синхронные генераторы СГ могут использоваться только для выработки реактивной мощности,

т. е. в режиме СК, при закрытом доступе воды (на ГЭС) и пара (на ТЭС) на лопасти турбины. При этом, он потребляет из сети электроэнергию на свое вращение и нагрев, так как работает как СД на холостом ходу. Эти потери составляют 2- 5% номинальной мощности генератора. Основным экономическим фактором ограничения реактивной мощности СГ являются большие потери мощности на пере­дачу выработанной реактивной мощности потребителям.

СГ обладают теми же достоинст­вами, что и CД: это источники реактив­ной мощности с низкой удельной стоимостью, с плавным и автоматическим регулированием генерации реактивной мощности в функции напряжения сети. СГ и двигатели вырабатывают реактивную мощность как попутный продукт при выполне­нии их основной задачи — при генерации и потреблении активной мощности, т. е. при преобразовании одного вида энергии в другой. Поэтому удельные затраты (руб/квар) на выработку реактивной мощности генератором и двигателем практически равны нулю, так как капитальные затраты на их установку отно­сятся по прямому назначению машин.

Конденсаторные батареи применяются в качестве дополнительного источника РМ.

Достоинства статических конденсаторов: малые потери акт энергии 0,3-5%; монтаж и эксплуатация просты; мощность легко изменяется в результате изменения количества конденсаторов.

Недостатки: неустойчивы к динамическим усилиям, возникающим при КЗ; при включении возникают большие пусковые токи 10·Iном; после отключения остаётся заряд; чувствительны к повышению U; трудно ремонтировать.

Конденсаторная батареи (БК) включённая параллельно нагрузке — является поперечной компенсацией, а при последовательном включении — продольной ком­пенсацией.

Достоинства поперечной компенсации:

1. простота устройства и схемы включения;

2. уменьшается ток нагрузки, т е происходит разгрузка линии по току, соответственно снижается установленная мощность трансформаторов;

3. это позволяет уменьшить сечение проводов;

4. малые удельные потери активной и реактивной энергии;

5. невысокая стоимость.

Недостатки:

1- отсутствие плавного регулирования РМ;

2- выдаваемая РМ зависит от напряжения сети;

3- токо – и пожароопасность;

4-вероятный выход из строя в электросетях с U и I-ми высших гармоник из-за возникающих резонансных явлений.

Если мощность БК слишком велика, то ток БК будет больше индуктивной нагрузки потребителя, коэффициент мощности перейдёт через значение 1. Получается перекомпенсация. Ток в линии будет увеличиваться по мере роста ёмкости. Такие случаи имеют место при наличии протяжённых КЛ высокого напряжения, в периоды снижения нагрузки.

Поперечная емкостная компенса­ция выполняется комплектными кон­денсаторными установками (ККУ), которые устанавливаются в цехе рядом с КТП или около крупных электроприёмников. ККУ собирается в шкафах с аппаратурой защиты, измерения, управления и с разрядным устройством.

Подбор конденсаторов для батареи мощностью Q _БК производится по формуле

Q _БК = 3 n m Q_ном.к (15)

где 3 — число фаз БК; n и m — число последовательно и параллельно включаемых однофазных конденсаторов; Q_нom,k — номинальная мощность одного конденсатора.

Продольная компенсация-УПК

В зависимости от соотношения между индуктивным и емкостным сопротивлениями вектора диаграмма цепи R, L, С имеет три вида: 1) при индуктивном характере цепи X_L>X_C -ток отстает от напряжения; 2) при емкостном характере цепи, когда X_C > X_L, угол φ < 0 ток опережает напряжение ; 3) при равенстве xL= xc угол φ = 0, ток совпадает по фазе с напряжением, а падение напряжения в индук­тивности и в емкости равны и компенсируются, так как взаимно противоположны по направлению. Этот случай, называемый резонансом напряжений, харак­теризуется максимальным значением тока в цепи.

В системах электроснабжения промышленных предпри­ятий, где Rc невелико по сравнению с индуктивным сопро­тивлением трансформаторов, при резонансе напряжений в режиме КЗ может быть очень большим ток КЗ и недопусти­мы повышения напряжений на индуктивности и емкости. Поэтому в применяемых установках продольной ком­пенсации емкость выбирается из расчета, чтобы напряже­ние Uc = Ixc составляло 5—20 % Uном сети. Поэтому ем­кость УПК компенсирует лишь часть потерь реактивной мощности.

Следовательно, установка продольной конденсации УПК практически не является источни­ком мощности. Шунтирующее со­противление Rш, превышающее сопротивление кон­денсаторов примерно в 10 раз, устраняет резонансные явления в УПК. Главное назначение продоль­ной компенсации: частичная компенсации индуктивного сопро­тивления участков электрической сети для уменьшения потери на­пряжения в них и способ регулирования и стабилизации напряжения в эл сетях с резкопеременными нагрузками.

В сетях со специфическими нагрузками ни СД, ни БК не могут обеспечить высокой скорости и пофазного регулирования РМ и напряжения. Поэтому применяются: фильтрокомпенсирующие, симметрирующие и фильтросимметрирующие устройства динамической и статической компенсации РМ и быстродействующие ССК.