3.9.2. Розподіл конденсаторів в магістральній мережі

На сучасних підприємствах широко застосовують магістральні схеми електропостачання, тому існує проблема розподілу конденсаторів поперечної компенсації в такій мережі. Безпосередньо використати формули, отримані для радіальної мережі у випадку магістральної мережі, розрахункова схема якої наведена на рис. 3.22, неможливо. Для кожного приєднання повинні виконуватись умови:

– для точки 1,

– для точки 2,

– для точки 3,

і для останньої точки

(3.32)

Рис. 3.22. Розрахункова схема магістральної мережі

Величини еквівалентних опорів r_e3, r_e2 та r_e1 визначають за виразами

(3.33)

Після визначення еквівалентних опорів розрахункову схему можна представити у вигляді (рис. 3.23).

Рис. 3.23. Розрахункові схеми для визначення оптимальної потужності конденсаторів в точках 1, 2, 3

Таким чином, для точки 1 оптимальна потужність конденсаторів визначається за формулою

де ; (3.34)

для другої точки (рис. 3.23, б)

де ; (3.35)

для третьої точки (рис. 3.23, в)

де ; (3.36)

і для четвертої

. (3.37)

Можливі випадки, коли на окремих радіусах або відгалуженнях магістральної мережі значення потужності конденсаторної батареї має знак “мінус”. У таких випадках слід виключити відповідний радіус або відгалуження з розрахункової схеми, а розрахунок повторити.

В результаті розрахунків в проектній практиці може виникнути необхідність корекції перерізів струмовідних частин, потужностей трансформаторів в бік їх зменшення за рахунок зменшення повних струмів після компенсації (на величину до 30 - 40 %). Після такої корекції необхідно також повторити розрахунок з новими значеннями опорів радіусів. Отримані результати є основою для вибору стандартних конденсаторних установок, номінальні потужності яких мають певну дискретність, що в значній мірі утруднює забезпечення їх відповідності розрахунковим значенням потужності компенсувальних пристроїв. Можна рекомендувати приймати ближні більші значення номінальних потужностей стандартних конденсаторних установок і на відповідну величину зменшити встановлену потужність компенсувальних пристроїв попереднього рівня розподілу електроенергії.

3.9.3. Розподіл конденсаторів в мережі двох напруг

За умови забезпечення певного рівня компенсації реактивної потужності в точці приєднання мережі промислового підприємства до енергосистеми виникають різні можливості конкретного вирішення задачі. Рівень компенсації визначається системою для кожного підприємства, закладається в умови електропостачання і задається відносним значенням реактивної потужності в режимі максимуму системи tg _с або безпосередньо значенням реактивної потужності підприємства в режимі максимуму системи Q_c.

В мережі підприємства компенсувальні пристрої можуть бути використані на середній і на низькій напрузі. Очевидно, що реактивні навантаження споживачів СН (потужність двигунів СН, субабонентів, тощо) можливо компенсувати конденсаторними установками і синхронними двигунами цієї ж напруги. За наявності споживачів з особливими режимами реактивної потужності, які вимагають глибокого і швидкого регулювання (дугові електропечі, реверсивні прокатні стани, тощо) слід розглянути доцільність використання статичних тиристорних компенсаторів або подібних їм.

Для компенсації реактивного навантаження споживачів НН можна застосовувати конденсаторні установки як низької так і середньої напруги. Відомо, що конденсатори СН потужності вдвоє дешевші від конденсаторів НН і мають менші втрати активної потужності. У випадку їх використання встановлена потужність трансформаторів СН/НН та іншого обладнання визначається за повною потужністю розрахункового навантаження НН.

Для випадку компенсації навантажень НН тільки конденсаторними установками НН вартість і втрати потужності конденсаторів будуть майже вдвоє більшими, ніж для конденсаторів СН, а встановлена потужність трансформаторів ТП і обладнання НН, а також їх вартість і втрати електроенергії зменшуються. Між цими двома крайніми варіантами теоретично існує безліч проміжних варіантів, для яких повинна виконуватись умова

(3.38)

де Q_к – необхідна загальна потужність конденсаторів для компенсації реактивної потужності споживачів НН;

Q_кс – потужність конденсаторів СН для компенсації частини реактивної потужності споживачів НН;

Q_кн – потужність конденсаторів НН для компенсації решти реактивної потужності споживачів НН.

Необхідна загальна потужність конденсаторів може бути визначена за формулою

(3.39)

де Р_р.н – розрахункова потужність споживачів НН;

tg _м – розрахунковий коефіцієнт реактивної потужності споживачів НН в режимі максимуму ;

tg _с – коефіцієнт реактивної потужності, який задає підприємству система в режимі свого максимуму;

K_ом – коефіцієнт одночасності максимумів системи і споживача.

Визначити оптимальне співвідношення потужностей Q_кс і Q_кн з врахуванням економічних показників мережі можна на основі дослідження та мінімізації функції розрахункових річних витрат

(3.40)

де С_о – вартість втрат електричної енергії;

S_ТП– загальна потужність ТП.

В загальному вигляді це зробити неможливо внаслідок того, що реальні стандартні потужності установок компенсації НН та СН, номінальні потужності трансформаторів, обладнання тощо, та їх питома вартість мають велику дискретність і до того ж нелінійну залежність від потужності. Тому ця задача на практиці вирішується шляхом порівняння конкретних можливих варіантів, причому одночасно вибираються цехові ТП. Розрахункова схема показана на рис. 3.24.

Рис. 3.24. Розрахункова схема для вибору потужності ТП та розподілу конденсаторів в мережі двох номінальних напруг

Як базовий перший варіант доцільно прийняти випадок встановлення всієї потужності Q_к на стороні НН, тобто .

В цьому випадку, зважаючи на те, що величина tg _с = 0,2 - 0,3 і її вплив на повну потужність навантаження НН з врахуванням компенсації не перевищує 5 %, сумарну потужність цехових ТП можна визначити тільки за активною потужністю навантаження із формули

. (3.41)

де  – коефіцієнт завантаження трансформаторів, який можна прийняти рівним 0,9 - 1,0 - для споживачів 3-ої категорії за надійністю, 0,7 - 0,8 - для споживачів 2-ої категорії та 0,6 - 0,7 - для споживачів 1-ої категорії.

Наступним кроком є вибір трансформаторів, розміщення ТП та розподіл навантаження. Ця задача сама по собі є досить складною і трудомісткою, тому на цьому етапі доцільно вибрати одиничну потужність трансформаторів, керуючись відповідністю її значення розрахунковим потужностям окремих цехів та їх угрупувань, а також існуючими обмеженнями. Кількість трансформаторів після цього визначають із формули

(3.42)

та округляють до ближчого цілого числа, бажано парного, якщо передбачається використання двотрансформаторних ТП. В окремих випадках можуть бути використані трансформатори з різною номінальною потужністю, але сумарна потужність всіх ТП повинна наближатись до величини S_ТП. Після цього необхідно вибрати конденсаторні установки загальною потужністю, близькою до величини Q_кн1=Q_к в кількості установок, яка дорівнює кількості трансформаторів N_Т1. Одинична потужність установки Q_укн1 повинна бути наближеною до величини

. (3.43)

Бажано скорегувати одиничні потужності конденсаторних установок на кожній підстанції у відповідності з конкретними даними реактивних навантажень за умови забезпечення заданого рівня компенсації, який визначається значенням tg _с.

Після того, як остаточно вибрані трансформатори, конденсаторні установки і, таким чином, сформований базовий перший варіант, можна визначити дисконтовані витрати цього варіанту

(3.44)

де – вартість ТП та конденсаторних установок НН першого варіанту;

Е_д – норма дисконту;

В_е.кн= а_е.кнK_кн, В_е.ТП= а_е.ТПK_ТП, а_е.кн, а_е.ТП, – відрахування та норма відрахувань на експлуатацію (технічне обслуговування та поточний ремонт) відповідно трансформаторних підстанцій та конденсаторних установок НН;

В_втр.Т1, В_втр.кн1 – вартість втрат електричної енергії в трансформаторах та конденсаторах НН за рік, які визначаються за формулами (якщо всі трансформаторні і конденсаторні установки однакові):

, (3.45)

, (3.46)

де – втрати неробочого ходу трансформатора, кВт;

– втрати короткого замикання трансформатора, кВт;

– розрахунковий коефіцієнт завантаження в максимальному режимі;

– час увімкнення трансформаторів, год;

– час найбільших втрат трансформаторів, год;

– середній час увімкнення конденсаторів, год;

– відповідні значенням часу питомі вартості втрат електроенергії, грн/кВт·год;

– питомі втрати потужності в конденсаторах НН, кВт/Мвар,

Під час формування варіанта для порівняння слід керуватись одним із головних положень техніко-економічних розрахунків: варіанти, що порівнюються, повинні мати однаковий енергетичний ефект. В даному випадку це означає, що повинні бути однаковими сумарна потужність компенсувальних пристроїв СН та НН, а також коефіцієнти завантаження трансформаторів, уточнене значення якого з врахуванням компенсації становить .

Формування конкуруючого варіанту слід починати зі збільшення встановленої потужності трансформаторів. Це можна зробити, якщо просто збільшити кількість однотипних підстанцій, або збільшити номінальну потужність трансформаторів на одній з підстанцій. Сумарна потужність трансформаторів цехових ТП другого варіанту стає . При цьому за першою умовою однаковості енергетичного ефекту ,

де – потужність конденсаторних установок НН другого варіанту;

– потужність конденсаторних установок СН другого варіанту.

З другої умови однаковості енергетичного ефекту варіантів можна записати

(3.47)

де – потужність конденсаторів НН другого варіанту.

Розв’язуючи рівняння відносно , отримуємо

. (3.48)

Цю потужність слід розподілити на нову кількість трансформаторів.

, (3.49)

вибрати нові конденсаторні установки для кожної підстанції другого варіанту та скоректувати величину . Потужність конденсаторних установок на середній напрузі визначається із формули

. (3.50)

Таким чином, другий варіант характеризується більшою загальною потужністю трансформаторів , меншою потужністю конденсаторів НН та наявністю конденсаторів СН. Розрахункові зведені витрати цього варіанту визначаються як сума розрахункових витрат на трансформатори, конденсатори НН та СН за формулою:

(3.51)

де – капітальні вкладення в конденсаторні батареї СН.

Вартість втрат електричної енергії в них визначається за формулою:

, (3.52)

де – питомі втрати потужності в конденсаторах СН;

С_ок – питома вартість втрат електроенергії в них.

Оптимальний варіант відповідає мінімуму зведених витрат. Якщо це перший варіант, то він і приймається до виконання і розрахунки на цьому закінчуються. В іншому випадку формується ще один, третій варіант з новим приростом трансформаторної потужності і розрахунки повторюють, поки попередній варіант не стане економічним від наступного. Досвід таких розрахунків показує, що в абсолютній більшості випадків найекономічнішим є перший варіант з компенсацією реактивної потужності навантажень НН повністю на стороні НН та мінімальною потужністю трансформаторів.