90644 / Вопросы компенсации реактивной мощности

21

вать потери мощности в электрической сети, т. е. должен соблюдаться баланс вырабатываемой и потребляемой мощностей. Эти условия можно записать следующим образом:

где ΣРг и ΣQг – активная и реактивная мощности, генерируемые электростанциями энергосистемы за вычетом собственных нужд; ΣРн и ΣQн – активная и реактивная мощности потребителей; ΣΔР и ΣΔQ – суммарные потери активной и реактивной мощностей в электрических сетях; ΣРп и ΣQп – суммарное потребление активной и реактивной мощностей.

Уравнения (10) и (11) являются уравнениями баланса активной и реактивной мощностей.

При неизменном составе нагрузок энергосистемы потребляемая активная мощность связана с частотой переменного тока. При нарушении исходного баланса активной мощности частота принимает новое значение. Снижение генерируемой активной мощности приводит к уменьшению частоты, в то время как ее возрастание обусловливает рост частоты. Иными словами, при ΣРг < ΣРп частота понижается, при ΣРг >ΣРп – возрастает. Причинами нарушения баланса активной мощности могут быть: аварийное отключение генератора, неожиданный рост нагрузки, аварийное отключение линий электропередачи или трансформаторов связи.

Понятие баланса реактивной мощности связано с влиянием реактивной мощности, передаваемой по элементам электрической сети, на режим напряжения. Нарушение баланса реактивной мощности приводит к изменению уровня напряжения в сети. Если генерируемая реактивная мощность становится больше потребляемой (ΣQг > ΣQп), то напряжение в сети повышается. При дефиците реактивной мощности (ΣQг < ΣQп) напряжение в электрической сети снижается.

В дефицитных по активной мощности энергосистемах уровень напряжения, как правило, ниже номинального. Недостаю-

22

щая для выполнения баланса активная мощность передается в такие системы из соседних энергосистем, в которых имеется избыток генерируемой мощности. Обычно энергосистемы, дефицитные по активной мощности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не передавать из соседних энергосистем, а генерировать в компенсирующих устройствах, установленных в данной энергосистеме.

1.3. Компенсация реактивной мощности

Как было отмечено выше, реактивная мощность необходима для создания переменных магнитных полей в индуктивных электроприемниках и не выполняет непосредственно полезной работы. Вместе с тем, реактивная мощность оказывает существенное влияние на такие параметры системы электроснабжения, как потери мощности и электроэнергии, пропускная способность и уровни напряжения в узлах электрической сети.

При передаче реактивной мощности возникают дополнительные потери мощности и электроэнергии в элементах системы электроснабжения, обусловленные их загрузкой реактивной мощностью. Кроме того, загрузка реактивной мощностью линий электропередачи и силовых трансформаторов снижает их пропускную способность и требует увеличения сечений проводов и кабелей, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов и т. п. При передаче реактивной мощности также возникают дополнительные потери напряжения в элементах системы электроснабжения.

В целях снижения перетоков реактивной мощности в электрических сетях должна осуществляться компенсация реактивной мощности. В общем случае под компенсацией реактивной мощности понимается снижение реактивной мощности, циркулирующей между источником и потребляющими ее электроприемниками. Компенсация реактивной мощности обеспечивает соблюдение условия баланса реактивной мощности, снижает потери мощности и электроэнергии в сети, а также позволяет осуществлять регулирование напряжения посредством применения компенсирующих устройств.

23

Мероприятия по компенсации реактивной мощности могут быть разделены на две группы: организационные и технические. Организационные мероприятия связаны с естественным уменьшением реактивной мощности, потребляемой электроприемниками, и не требуют применения специальных компенсирующих устройств. Технические мероприятия заключаются в установке компенсирующих устройств в соответствующих точках системы электроснабжения.

Значительного экономического эффекта от компенсации реактивной мощности можно достичь при правильном сочетании различных мероприятий, которые должны быть технически и экономически обоснованы.

24

2. ОСНОВНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Большинство электроприемников наряду с активной мощностью потребляет также и реактивную. К основным потребителям реактивной мощности относятся: асинхронные двигатели, силовые трансформаторы, электропечные установки, преобразовательные установки, электросварочные установки, линии электропередачи и распределительные сети, осветительные установки с газоразрядными лампами и др.

2.1. Потребление реактивной мощности асинхронными двигателями и силовыми трансформаторами

Асинхронные двигатели и силовые трансформаторы потребляют 60–80 % реактивной мощности в системах электроснабжения. Рассмотрим потребление ими реактивной мощности, основываясь на схемах замещения асинхронного двигателя и трансформатора. Эти схемы идентичны, отличаются только ветвью, имитирующей нагрузку, поэтому воспользуемся одной Г-образной схемой замещения (рис. 8).

Рис. 8. Схема замещения асинхронного двигателя

В обоих случаях реактивная составляющая тока нагрузки

25

и соответственно потребляемая реактивная мощность:

где I0 – ток холостого хода; Q0 и Qр – реактивные мощности холостого хода и короткого замыкания.

Реактивная мощность Q0 не зависит от нагрузки, в то время как реактивная мощность Qр изменяется пропорционально квадрату нагрузки: активной мощности для асинхронных двигателей и полной мощности для силовых трансформаторов.

Таким образом, реактивная мощность, потребляемая асинхронными двигателями, складывается из двух составляющих: реактивной мощности намагничивания и реактивной мощности полей рассеяния, и определяется по формуле:

где Qном – потери реактивной мощности в асинхронном двигателе на рассеяние при номинальной нагрузке; kз = P/Pном – коэффициент загрузки асинхронного двигателя по активной мощности.

При номинальной загрузке асинхронного двигателя значения обеих составляющих реактивной мощности примерно равны

и QАД = 2Q0. При kз = 0, очевидно, QАД = Q0.

Асинхронными двигателями используется большая часть реактивной мощности в промышленности (около 40 %). Режимы работы асинхронных двигателей зачастую оказывают существенное влияние на общую реактивную мощность, потребляемую промышленными предприятиями.

Для уменьшения потребления реактивной мощности асинхронными двигателями выбирают электродвигатели с небольшим запасом по мощности, выполняют переключения статорных обмоток с треугольника на звезду при их загрузке ниже 45 % номинальной мощности, ограничивают режим холостого хода и др.

26

Реактивная мощность, потребляемая силовыми трансформаторами, также состоит из двух составляющих: реактивной мощности намагничивания и реактивной мощности полей рассеяния.

При расчете составляющих реактивной мощности Q0 и Qр силовых трансформаторов используют их паспортные данные:

где Sном.т – номинальная мощность трансформатора; I0 – ток холостого хода трансформатора, %; uк – напряжение короткого замыкания трансформатора, %; β = S/Sном – коэффициент загрузки трансформатора по полной мощности.

Для трехобмоточных трансформаторов потребляемая реактивная мощность определяется с учетом напряжений короткого замыкания uкi и коэффициентов загрузки βi каждой из обмоток в отдельности:

i 1

По сравнению с асинхронными двигателями трансформаторы потребляют значительно меньше реактивной мощности. Реактивная мощность намагничивания силовых трансформаторов меньше, что объясняется отсутствием воздушного зазора в магнитной цепи трансформаторов, благодаря чему для создания основного магнитного потока требуются меньшие значения намагничивающего тока I0р и реактивной мощности Q0. Однако, несмотря на это, общее потребление реактивной мощности силовыми трансформаторами (около 30 % от всей потребляемой в промышленности реактивной мощности) соизмеримо с ее потреблением асинхронными двигателями, поскольку суммарная установленная мощность трансформаторов, как правило, во много раз больше, чем асинхронных двигателей. При этом основная часть потребляемой силовыми трансформаторами реактивной мощности расходуется на намагничивание.

27

Для уменьшения потерь реактивной мощности в силовых трансформаторах рекомендуется производить отключение в резерв трансформаторов, загруженных менее 30 % номинальной мощности, а также осуществлять перевод нагрузки на другие трансформаторы, либо замену на трансформаторы меньшей номинальной мощности.

2.2. Потребление реактивной мощности преобразовательными установками

Внастоящее время значительная часть электроэнергии, поставляемой промышленным предприятиям, преобразуется с помощью выпрямителей и инверторов. Эти устройства именуются вентильными преобразователями. Вентильные преобразователи являются крупными потребителями реактивной мощности, на долю которых приходится около 10 % всей реактивной мощности, потребляемой в промышленности.

Вбольшинстве случаев на промышленных предприятиях используются трехфазные мостовые схемы вентильных преобразователей (рис. 9).

Рис. 9. Схема 6-пульсного вентильного преобразователя

Потребление реактивной мощности вентильными преобразователями обусловлено двумя причинами: естественным коммутационным процессом и искусственной задержкой момента от-

28

крытия очередного вентиля относительно времени естественного открывания в целях регулирования выпрямленного напряжения. Эти факторы создают сдвиг тока в цепях вентильных преобразователей и повышают tgφ в сетях, питающих выпрямители относительно низким напряжением, что приводит к увеличению потребляемой ими реактивной мощности.

На рис. 10 приведена кривая тока в фазе вентильного преобразователя.

Рис. 10. Кривая фазного тока

Наличие горизонтального участка кривой i(t) имеет место при работе вентильного преобразователя на индуктивность. Угол коммутации γ обусловлен наличием индуктивности в цепи вентильного преобразователя. Изменением угла управления α, определяющего задержку включения очередного вентиля относительно времени естественного открывания, обеспечивается регулирование выпрямленного напряжения преобразователя.

Задержка открытия создается искусственно для снижения выпрямленного напряжения. При этом возникает сдвиг анодного тока относительно кривой напряжения на время, измеряемое углом α. Угол сдвига по фазе между током и напряжением определяется по формуле:

29

Коэффициент мощности вентильного преобразователя определяется также с учетом несинусоидальности первичного тока по соотношению:

где γi – коэффициент искажения кривой тока:

где Iν – действующее значение тока ν-ой гармоники.

Для 6-пульсных вентильных преобразователей γi = 0,955, а для 12-пульсных γi = 0,988.

Общая реактивная мощность, потребляемая вентильными преобразователями, складывается из потерь в преобразовательном трансформаторе и потерь на коммутацию и регулирование напряжения в выпрямителе, и приближенно может быть определена по формуле:

где Sном.т – номинальная мощность преобразовательного трансформатора; I0 – ток холостого хода преобразовательного трансформатора, %; uк – напряжение короткого замыкания преобразовательного трансформатора, %; Pп – номинальная мощность выпрямителя.

Вопросы рациональной компенсации реактивной мощности регулируемых вентильных преобразователей являются особенно важными на предприятиях металлургической промышленности, где установлены значительные мощности преобразовательных установок, характеризующиеся глубоким регулированием напряжения, а, следовательно, и большим потреблением реактивной мощности и высоким tgφ.

30

Отличительной особенностью силовых электроприемников при работе их на металлургических предприятиях является наличие резкопеременных нагрузок. Мощные вентильные преобразователи, применяемые для электроприводов прокатных станов, характеризуются резкопеременными циклическими изменениями не только активной, но и реактивной мощности. При пусках и торможениях таких приводов возникают достаточно большие броски реактивной мощности. В связи с этим компенсирующие устройства, устанавливаемые в сетях с мощными вентильными преобразователями, должны не только быть значительными по реактивной мощности, но и обладать высоким быстродействием при обязательном условии плавного регулирования выработки реактивной мощности.

2.3. Потребление реактивной мощности электропечными установками

Электропечные установки применяются в различных отраслях промышленности: в металлургии, машиностроении, деревообрабатывающей промышленности и др.

Дуговые сталеплавильные печи (ДСП) и руднотермические печи для выплавки черных и цветных металлов относятся к числу крупных потребителей реактивной мощности, на долю которых приходится около 7 % всей потребляемой в промышленности реактивной мощности. В значительной мере это объясняется необходимостью обеспечить непрерывность горения электрической дуги в процессе плавки, что возможно только при наличии индуктивности в цепи питания печи. Кроме того, реактивная мощность необходима им для покрытия потерь реактивной мощности в элементах печной установки. На рис. 11 показана упрощенная схема дуговой электропечной установки.