Тема 8.2. Компенсирующие устройства и их размещение

В отличие от активной мощности, вырабатываемой на электростанциях, реактивную мощность несложно генерировать в любом узле электрической сети с помощью установки в этом узле компенсирующих устройств (КУ). В качестве этих устройств используются батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели и статические источники реактивной мощности.

Конденсаторные батареи выпускаются в виде комплектных устройств, состоящих из параллельно и последовательно включенных конденсаторов, коммутационной и защитной аппаратуры.

При включении фаз C_ф конденсаторной батареи треугольником генерируемая одной фазой реактивная мощность в соответствии с рис. 8.1 составляет

Q_кб = UI, (8.9)

где U, I – линейные напряжение и ток.

При включении фаз С_ф конденсаторной батареи в звезду генерируемая одной фазой реактивная мощность составляет

Q_кб = U_фI_ф = UI/3, (8.10)

где U_ф, I_ф – фазные напряжение и ток.

Рис. 8.1. Схемы включения конденсаторных батарей

Поскольку при включении конденсаторной батареи треугольником генерируемая реактивная мощность будет в три раза больше, в большинстве случаев фазы конденсаторной батареи соединяют в треугольник.

Синхронный компенсатор представляет собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу без активной нагрузки на валу. ЭДС компенсатора Е_q определяется величиной тока возбуждения. В режиме перевозбуждения (E_q > U) синхронный компенсатор выдает в сеть реактивную мощность, в режиме недовозбуждения (E_q < U) – потребляет реактивную мощность из сети.

Синхронный двигатель потребляет из сети активную мощность. Как и синхронный компенсатор, синхронный двигатель в зависимости от режима возбуждения выдает (E_q > U) или потребляет (E_q < U) реактивную мощность.

Батареи статических конденсаторов являются самыми дешевыми из всех компенсирующих устройств, просты в эксплуатации, имеют малые потери активной мощности (0,0025...0,005 кВт/квар). Однако конденсаторы имеют зависимость выработки реактивной мощности от величины напряжения U в точке подключения. При снижении напряжения U в узле генерируемая конденсаторами реактивная мощность уменьшается. Батареи конденсаторов допускают лишь ступенчатое регулирование реактивной мощности, чувствительны к перегрузке, перенапряжениям и высшим гармоникам.

Синхронные компенсаторы и двигатели за счет регулирования тока возбуждения имеют возможность плавного регулирования реактивной мощности, возможность работы в режиме, как выдачи, так и потребления реактивной мощности и возможность увеличения генерации реактивной мощности при снижении напряжения в узле подключения.

В качестве компенсирующих устройств на промышленных предприятиях обычно используют синхронные двигатели на напряжение 6-10 кВ. Синхронные компенсаторы, по сравнению с конденсаторами, более дорогие, более сложные в обслуживании и имеют на порядок большие удельные потери активной мощности. Поэтому в настоящее время синхронные компенсаторы в энергосистемах применяются редко.

Размещение компенсирующих устройств. На начальной стадии проектирования определяются наиболь­шие суммарные расчетные нагрузки промышленного предприятия при естественном (т.е. до установки КУ) коэффициенте реактивной мощности Р_{р ПП} и Q_{р ПП}.

Наибольшая суммарная нагрузка промышленного предприятия, принимаемая для определения мощности компенсирующих устройств,

Q_maxПП = К_{max Q} Q_{р ПП}; Р_maxПП = К_{max Р} Р_{р ПП}; (8.11)

где К_{max Q} и К_{max Р} – коэффициенты, учитывающие несовпадение по времени максимума нагрузки энергосистемы и максимума нагрузки предприятия; для разных отраслей про­мышленности К_max = 0,75...0,95.

Питающая энергосистема Энергоснабжающая организация для режима максимальной нагрузки устанавливает предприятию предельную величину реактивной мощности Q_э, которая может быть передана предприятию, или предельный коэффициент мощности на границе раздела с энергоснабжающей организацией tgj_э.

По установленным энергосистемой значениям Q_э или tgj_э вычисляется суммарная мощность компенсирующих устройств предприятия

Q_КУ = Q_maxПП – Q_э или Q_КУ = Q_maxПП – Р_{max ПП} tgj_э. (8.12)

После определения суммарной мощности компенсирующих уст­ройств Q_КУ, требуемых к установке, решается задача размещения и выбора типа компенсирующих устройств в сетях промышленного предприятия.

Величина Q_КУ обеспечивается использо­ванием на предпри-ятии располагаемой реактивной мощности высоковольтных синх-ронных двига­телей Q_СД и установкой в сетях батарей конденсаторов напряжени­ем до 1 кВ(Q_БН) и выше 1 кВ (Q_БВ)

Q_КУ = Q_СД + Q_БН + Q_БВ. (8.13)

Наибольшая суммарная реактивная мощность, которая может быть передана через трансформаторы со стороны 10 кВ в сеть низкого напряжения составляет

, (8.14)

где N – количество трансформаторов; k_з – коэффициент загрузки трансформаторов; S_ном – номинальная мощность трансформатора; Р_{расч НН} – расчетная суммарная нагрузка на стороне низкого напряжения трансформаторов.

По условию баланса реактивной мощности на шинах низкого напряжения цеховых подстанций мощность батарей конденсаторов напряжени­ем до 1 кВ составит

Q_БН = Q_{расч НН} – SQ_т. (8.15)

где Q_{расч НН} – расчетная суммарная нагрузка на стороне низкого напряжения.

При количестве N трансформаторов одинаковой номинальной мощности через один цеховой трансформатор протекает реактивная мощность

. (8.16)

Мощность батареи конденсаторов на стороне низкого напряжения конкретного i-го трансформатора с реактивной нагрузкой Q_{расч i} cоставит

Q_БНi = Q_{расч i} – Q_т. (8.17)

По полученному значению выбирается стандартная мощность низковольтной конденсаторной установки. Если выражение (8.17) даст отрицательный результат, конденсаторная установка не выбирается.

Если в системе электроснабжения имеются высоковоль­тные синхронные двигатели, которые могут быть использованы как источники реактивной мощности, то опреде­ляется их располагаемая реактивная мощность Q_СД. Если эта реактивная мощность недостаточна для соблюдения ба­ланса, то определяется мощность батарей конденсаторов высоко­го напряжения

Q_БВ = Q_КУ – Q_СД – Q_БН. (8.18)

Конденсаторные установки напряжением выше 1 кВ целесо­образно устанавливать на вторичном напряжении ГПП, а также на РП 6-10 кВ в системе электроснабжения предприятия.

Не рекомендуется чрезмерное дробление мощности конденсатор­ных установок. В частности, на напряжение до 1 кВ не рекомендуется применять установки мощностью менее 30 квар.