19

М инистерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Кузбасский государственный технический университет имени Т. Ф. Горбачёва»

_______________________________________________________

Институт энергетики

Кафедра электроснабжения горных и промышленных предприятий

Р. В. Беляевский

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой

Рекомендовано для использования в учебном процессе учебно-методической комиссией направления

140400 «Электроэнергетика и электротехника»

Кемерово 2013

Рецензенты:

Ефременко В. М., доцент кафедры ЭГиПП

Каширских В. Г., профессор кафедры ЭПА, председатель УМК направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника»

Беляевский Роман Владимирович. Компенсация реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой [Электронный ресурс] : метод. указания к практическим занятиям по дисциплине «Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения» для магистрантов направления 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электроснабжение» очной формы обучения / Р. В. Беляевский. – Электрон. дан. – Кемерово : КузГТУ, 2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) ; зв. ; цв. ; 12 см. – Систем. требования : Pentium IV; ОЗУ 32 Мб ; Windows ХР ; мышь. – Загл. с экрана.

Рассмотрены особенности применения компенсирующих устройств в электрических сетях с нелинейной нагрузкой. Представлены основные технические средства защиты компенсирующих устройств от высших гармоник тока и напряжения. Рассмотрены конструкция и принцип работы комплектных фильтрокомпенсирующих устройств. Приведены общие основы расчетов параметров вентильных преобразователей и компенсирующих устройств, применяемых для компенсации реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой.

© КузГТУ

© Беляевский Р. В.

1. Цель работы

1. Изучить особенности применения компенсирующих устройств в электрических сетях с нелинейной нагрузкой.

2. Ознакомиться с основными техническими средствами защиты компенсирующих устройств от высших гармоник.

3. Ознакомиться с конструкцией и принципом работы комплектных фильтрокомпенсирующих устройств.

4. Приобрести практические навыки расчетов параметров вентильных преобразователей и компенсирующих устройств, применяемых для компенсации реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой.

2. Теоретические положения

2.1. Применение компенсирующих устройств в электрических сетях с нелинейной нагрузкой

Увеличение количества и повышение установленной мощности электроприемников с нелинейным характером нагрузки сделали несинусоидальные режимы неотъемлемой чертой современных систем электроснабжения. Искажение синусоидальности кривых токов и напряжений вызывается работой электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой. К числу таких электроприемников относятся: вентильные преобразователи, дуговые сталеплавильные печи, электросварочные установки, индукционные печи, газоразрядные лампы и др. При их работе в электрической сети возникают высшие гармоники тока и напряжения, как результат искажения формы синусоидальной кривой при наличии нелинейных нагрузок.

Искажения кривых токов и напряжений в сети приводят к целому ряду отрицательных последствий: к появлению дополнительных потерь в линиях электропередачи, трансформаторах и компенсирующих устройствах, ускорению процессов старения изоляции, ухудшению точности электрических измерений, наводкам и помехам в силовых цепях как каналах передачи информации и др. Высшие гармоники оказывают влияние на показания электроизмерительных приборов, в том числе счетчиков электрической энергии, увеличивая их погрешность. Имеют место также случаи ложных срабатываний релейной защиты с фильтрами токов обратной последовательности.

Наибольшие потери активной мощности возникают в силовых трансформаторах, асинхронных двигателях и генераторах, увеличение активного сопротивления которых с ростом частоты происходит приблизительно пропорционально квадратному корню из номера гармоники . Эти потери могут вызывать недопустимый нагрев обмоток электрических машин, и, кроме того, приводят к дополнительным потерям электроэнергии, которые могут быть весьма значительными.

Серьезное влияние высшие гармоники оказывают также на работу компенсирующих устройств (КУ), применяемых для компенсации реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой. Они чаще выходят из строя по причине ускорения износа диэлектриков, вызванного интенсификацией под действием высоких частот электрического поля физико-химических процессов, обусловливающих старение диэлектриков, и по причине перегрузки конденсаторов КУ токами высших гармоник, которая возникает, как правило, при появлении в сети резонансного режима на частоте какой-либо из гармоник.

Рис. 1. Система электроснабжения с ВП:

а – принципиальная схема; б – схема замещения

Сущность данного явления рассмотрим на примере простой системы электроснабжения с мощным вентильным преобразователем (ВП). Это может быть привод экскаватора, дуговая сталеплавильная печь и т. д. На схеме (рис. 1) показаны элементы, участвующие в резонансном процессе: вентильный преобразователь – источник высших гармоник тока и напряжения, имеющий активное сопротивление R_пр и индуктивное сопротивление X_пр, питающая сеть с активным сопротивлением R_с и индуктивным сопротивлением X_с и компенсирующее устройство с активным сопротивлением R_КУ и емкостным сопротивлением X_КУ.

Угол сдвига между основными гармониками напряжения и тока вентильного преобразователя определяется, в основном, глубиной регулирования выпрямленного напряжения:

, (1)

где U_в – среднее значение выпрямленного напряжения, В; U_в0 – выпрямленное напряжение идеального холостого хода, В:

, (2)

где U₂ – напряжение на входе вентильного преобразователя, В; P – число пульсаций за период.

Реактивная мощность, потребляемая вентильным преобразователем:

, (3)

где I_в – среднее значение выпрямленного тока, А.

Действующее значение тока на входе вентильного преобразователя определяется по формуле:

, (4)

где ν = Pn ± 1 – номер гармоники; n = 1, 2, 3, …

Фазные напряжения на стороне переменного тока определяются по формуле:

, (5)

где X_экв – эквивалентное сопротивление питающей сети, Ом.

На рис. 2 приведены частотные характеристики питающей сети. При отключенном КУ частотная характеристика индуктивного сопротивления сети линейна (прямая 2 на рис. 2), активным сопротивлением в данном случае можно пренебречь ввиду его малости. Следовательно, глубина коммутационных искажений и величина напряжения отдельных гармоник уменьшаются линейно по мере удаления от точки коммутации.

Рис. 2. Частотные характеристики питающей сети:

1 – частотная характеристика емкостного сопротивления сети при отключенном КУ; 2 – частотная характеристика индуктивного сопротивления сети при отключенном КУ; 3 – частотная характеристика питающей сети при включенном КУ

Включение компенсирующего устройства резко меняет линейный характер частотной характеристики питающей сети (кривая 3 на рис. 2). Нелинейность частотной характеристики объясняется тем, что при включении КУ образуется параллельный LC-контур, состоящий из индуктивного сопротивления сети и емкостного сопротивления конденсаторов.

Нелинейность частотной характеристики питающей сети в значительной степени зависит от добротности контура элементов сети, под которой понимается отношение реактивного сопротивления питающей сети к активному:

. (6)

Из рис. 2 видно, что с увеличением добротности контура на определенной частоте, соответствующей резонансной f_рез (что, в свою очередь, соответствует резонансной гармонике ν_рез), значительно возрастает относительное сопротивление параллельного контура z_ν/z₁, где z₁ – полное сопротивление сети на основной гармонике. При любой емкости КУ всегда найдется такая группа гармоник, называемая резонансной, при которых КУ вступает в резонанс токов с индуктивностью сети.

С увеличением сопротивления параллельного контура в области резонанса токи резонансной группы гармоник, генерируемые в сеть вентильным преобразователем, уменьшаются, и можно говорить о том, что напряжения гармоник резонансной группы U_ν приложены к КУ непосредственно за вычетом малого падения напряжения в преобразовательном трансформаторе. Следовательно, напряжения гармоник резонансной группы в этом случае значительно увеличиваются.

В то же время емкостное сопротивление КУ снижается с увеличением номера гармоники. Это приводит к тому, что через КУ протекают значительные токи резонирующих гармоник, соизмеримые, а иногда и значительно превосходящие по величине ток первой гармоники:

, (7)

где X_ку – номинальное сопротивление КУ, Ом.

На практике перегрузка КУ токами высших гармоник может достигать значительной величины (до 400 %) и может стать причиной выхода их из строя. Вместе с тем, Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей установлена максимальная допустимая перегрузка по току для конденсаторных установок, которая составляет 1,3I_ном. Это означает, что непосредственное применение КУ (без дополнительной защиты) в электрических сетях с нелинейной нагрузкой сопряжено с определенными трудностями, и в ряде случаев установка КУ может оказаться недопустимой.

2.2. Защита компенсирующих устройств от высших гармоник

Для защиты компенсирующих устройств от высших гармоник, возникающих при использовании их в электрических сетях с нелинейной нагрузкой, и создания нормальных условий для их работы применяются индуктивные реакторы (рис. 3), которые включаются в сеть последовательно с КУ.

Рис. 3. Схема включения реактора для защиты КУ от высших гармоник

Индуктивное сопротивление реактора рассчитывается таким образом, чтобы в цепи создавался резонанс напряжений на частоте, меньшей минимальной гармоники, возникающей при работе нелинейной нагрузки, т. е. должно выполняться условие:

, (8)

где ν_р – гармоника, на которую необходимо настроить последова­тельную LC-цепь; ν_min – минимальная гармоника, возникающая при работе нелинейной нагрузки; ω – угловая частота, с^–1; L – индуктивность реактора, Гн; C – емкость КУ, Ф.

Индуктивное сопротивление реактора на частоте 50 Гц определяется из условия:

, (9)

где Q_КУ.ном – номинальная мощность КУ, кВАр; U_КУ.ном – номинальное напряжение КУ, кВ; ν_min = 5 – для вентильных преобразователей с любой пульсностью выпрямления; ν_min = 3 – для дуговых сталеплавильных печей.

При неправильном выборе сопротивления реактора могут возникать резонансные явления, обусловленные тем, что цепь, состоящая из последовательно включенных реактора и конденсатора, уменьшает гармоники порядка выше резонансной (имеет место индуктивный характер цепи) и увеличивает гармоники порядка ниже резонансной (емкостный характер цепи). Для правильной защиты КУ необходимо, чтобы эта цепь имела индуктивный характер для всех гармоник.

В связи с малым индуктивным сопротивлением высоковольтных реакторов в сетях 6 (10) кВ часто применяют низковольтные реакторы. Их применение возможно в связи с тем, что к реактору приложено напряжение основной частоты:

, (10)

где U₁ – напряжение сети на основной частоте (50 Гц), приложенное к LC-цепи, кВ.

Для защиты реактора от перенапряжений в момент включения или при пробое конденсатора параллельно с реактором устанавливается разрядник FV многократного действия.

Одним из наиболее эффективных способов уменьшения токов и напряжений высших гармоник в электрических сетях является применение силовых фильтров высших гармоник, представляющих собой последовательное соединение индуктивного и емкостного сопротивлений, настроенных в резонанс на фильтруемую гармонику (рис. 4). При установке силовых фильтров частично или полностью решается проблема компенсации реактивной мощности, поскольку КУ, входящие в фильтры, являются источниками реактивной мощности на основной частоте.

Рис. 4. Схемы фильтров высших гармоник:

а – соединение в звезду; б – соединение в треугольник

Емкостные элементы фильтров высших гармоник могут быть причиной резонансных явлений в электрических сетях. Для эффективной работы фильтров их необходимо рассчитывать, начиная с гармоники самого низшего порядка, возникающей при работе нелинейной нагрузки (с 5-й гармоники для полупроводниковых преобразователей и с 3-й гармоники для дуговых сталеплавильных печей). Если фильтры имеют отдельные выключатели, то включают их, начиная с фильтра 5-й гармоники и выше, а отключение производят в обратном порядке.

При аварийном отключении фильтра 5-й гармоники должны быть немедленно отключены все фильтры высших гармоник. В случае если остаются включенными один или два фильтра, a другие отключены, то коэффициент несинусоидальности в точке их подключения не только не уменьшается, но и может значительно увеличиваться. Возникает перегрузка КУ в цепи фильтра токами высших гармоник, которая приводит к выходу его из строя. Аналогичные резонансные явления в питающей сети могут возникать и при правильно включенных фильтрах из-за отклонения частоты энергосистемы (особенно в меньшую сторону), а также при отклонении параметров элементов фильтров.

При выполнении расчетов, как правило, принимают следующие пределы отклонения индуктивностей и емкостей фильтров от номинальных значений:

(11)

где L_ф.ном и C_ф.ном – номинальные индуктивность и емкость фильтра в режиме резонансной настройки.

2.3. Фильтрокомпенсирующие устройства

Сегодня все большее применение в электрических сетях с нелинейной нагрузкой находят комплектные фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), обеспечивающие одновременно компенсацию реактивной мощности основной частоты, а также фильтрацию высших гармоник тока и напряжения. ФКУ целесообразно размещать в узле подключения нелинейной нагрузки. Они состоят из регулятора реактивной мощности и силовых фильтров, обеспечивающих фильтрацию высших гармоник. Варианты принципиальных схем ФКУ приведены на рис. 5.

Основным элементом силовых фильтров ФКУ являются последовательные резонансные цепи, состоящие из конденсаторов, соединенных с дросселем, и настроенные на частоты определенных высших гармоник (как правило, 5-ю, 7-ю, 11-ю и 13-ю).

Количество параллельно включенных резонансных цепей силовых фильтров должно быть таким, чтобы коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения не превышал допустимого значения по ГОСТ Р 54149-2010.

Рис. 5. Принципиальные схемы ФКУ

Параметры фильтров определяются также значением и характером нелинейной нагрузки, дефицитом реактивной мощности в узле и характеристиками питающей сети. Эффективность фильтрации высших гармоник с помощью ФКУ в значительной мере определяется правильным выбором частотных характеристик X = f(ω) системы электроснабжения, рассчитанных с учетом подключения к ней дополнительных фильтров.

На рис. 6 приведена конструкция автоматического ФКУ для сетей низкого напряжения.

Рис. 6. Конструкция ФКУ для сетей низкого напряжения:

1 – регулятор реактивной мощности; 2 – контактор;

3 – термореле; 4 – дроссель; 5 – блок конденсаторов

Фильтры высших гармоник заключаются в стальной корпус. В каждом из них предусмотрен контактор 2, термореле максимального тока 3, дроссель 4 и блок конденсаторов 5. Устройство обычно подключается к питающим кабелям главного распределительного щита, защищенным плавкими предохранителями.

ФКУ управляются при помощи регулятора реактивной мощности 1 в соответствии с потребностью в реактивной мощности. Благодаря современным специализированным контакторам, управляемым с помощью микропроцессорного регулятора реактивной мощности, осуществляется автоматическая регулировка подключенной емкости, исключающая эффекты недокомпенсации и перекомпенсации. В схемотехнических решениях предусмотрено плавное включение ступеней конденсаторов, исключающее броски тока и напряжения в сети.

В современных ФКУ применяются самовосстанавливающиеся металлопленочные конденсаторы с полипропиленовым или полиэфирным диэлектриком, обладающие уменьшенными габаритными размерами и позволяющие существенно снизить потери электроэнергии. Конденсаторы ФКУ оборудованы встроенной системой защиты от избыточного давления. Разрядные резисторы позволяют снизить остаточное напряжение до безопасного уровня за время, не превышающее 1 мин.

На рис. 7 приведены осциллограммы напряжения и тока в сети до и после установки ФКУ.

Рис. 7. Осциллограммы тока и напряжения в сети:

а – до установки ФКУ; б – после установки ФКУ

Из рис. 7 видно, что включение ФКУ значительно снижает уровень высших гармоник в электрической сети.

К основным достоинствам ФКУ относятся:

• быстрая реакция на изменение высших гармоник в электрической сети и их подавление;

• динамическая компенсация широкого спектра гармоник;

• возможность плавного регулирования реактивной мощности;

• малые потери электроэнергии;

• простота монтажа и настройки;

• низкий уровень шума в процессе работы;

• длительный срок службы.

Таким образом, ФКУ являются перспективным средством уменьшения вредного влияния нелинейных динамических нагрузок на системы электроснабжения, позволяющим обеспечить одновременно фильтрацию высших гармоник и компенсацию реактивной мощности в электрических сетях.