90644 / Вопросы компенсации реактивной мощности

31

Рис. 11. Схема подключения ДСП:

1 – дроссели насыщения, служащие для регулирования режима работы ДСП; 2 – печной трансформатор; 3 – короткая сеть, представляющая собой токопровод низкого напряжения;

4 – дуговые трехфазные печи

Потребление реактивной мощности ДСП обусловлено необходимостью обеспечения достаточно большого угла сдвига по фазе между током и напряжением φп в цепи питания печи.

Если угол φп будет равен нулю, то дважды за один период переменного тока дуга прервется на время t в моменты одновременного прохождения синусоид тока и напряжения через нуль и затем загорится вновь (рис. 12, а). Это приведет к существенному снижению температуры в межэлектродном пространстве, уменьшению производительности печи и ухудшению качества выплавляемого металла.

Для обеспечения непрерывного горения дуги в цепь питания ДСП включают последовательно индуктивность (дроссель), благодаря чему горение дуги в момент прохождения напряжения через нуль поддерживается за счет энергии, накопленной в индуктивности (рис. 12, б).

32

Рис. 12. Характеристики работы ДСП:

а – до включения дросселя; б – после включения дросселя

Величину индуктивности подбирают таким образом, чтобы обеспечить достаточный для непрерывного горения дуги угол сдвига по фазе между током и напряжением φп, который определяется по выражению:

Значение угла φп должно удовлетворять также следующему соотношению, равнозначному предыдущему:

sin п U g ,

Um

где Ug – минимальное необходимое напряжение для горения дуги; Um – амплитудное значение напряжения источника питания.

Наличие автоматических регуляторов, позволяющих воздействовать на уровни Ug и Um, делает возможным работу ДСП с углами φп < 32,5Å. Таким образом, минимально возможное соотношение между активной и реактивной мощностями, потребляемыми ДСП без применения регуляторов, позволяющих изменить соотношение Ug и Um, составляет:

Qп 0,637Pп .

33

На практике в большинстве случаев Qп > 0,637Pп, что объясняется наличием большой индуктивности в цепи питания ДСП.

Максимальное значение реактивной мощности имеет место при так называемом эксплуатационном коротком замыкании:

где Sп.т – номинальная мощность печного трансформатора; kэ.к.з – кратность эксплуатационного короткого замыкания, соответствующего режиму соприкосновения электродов с плавящимся металлом (среднее значение kэ.к.з составляет 3,2–3,5 – для печей ДСП-12–ДСП-25; 1,5–2,3 – для печей ДСП-100–ДСП-200).

По мере роста объема печи и мощности печных трансформаторов приходится увеличивать индуктивность, что приводит к повышению tgφп ДСП и увеличению потребляемой ими реактивной мощности.

Реактивная мощность в ДСП необходима не только для обеспечения процесса заряда-разряда индуктивности при поддержании непрерывного горения дуги, но и для покрытия потерь в печном трансформаторе и токопроводе. Поэтому минимально необходимое напряжение Ug и угол φп еще более возрастают, а, следовательно, увеличивается и tgφп.

ДСП относятся к резкопеременным несимметричным нагрузкам. В наибольшей мере резкие изменения нагрузки наблюдаются в начальный период плавки (расплавление). Его продолжительность обычно составляет несколько процентов от общей длительности плавки. В последний, самый продолжительный период (рафинирование) изменения нагрузки небольшие. Нагрузку ДСП регулируют в широких пределах изменением высоты электродов печи.

Во время расплава металла резко возрастает потребление реактивной мощности из-за ее потерь в печном трансформаторе

пропорционально квадрату коэффициента загрузки kз2 I Iном 2 . Потребляемый ток в этот период возрастает до 2,5Iном, а поэтому увеличиваются потери реактивной мощности.

34

Средние значение tgφп за весь период плавки для печей различной емкости составляют:

По рассмотренным причинам на промышленных предприятиях, где имеются ДСП, вопрос компенсации реактивной мощности приходится решать путем применения специальных мер.

Индукционные печи предназначены для расплавления металлов индукционными токами, возникающими под действием сильных магнитных полей. Для создания магнитных полей требуется значительный расход реактивной мощности.

На промышленных предприятиях применяются в основном однофазные индукционные печи мощностью до 6 МВт для выплавки цветных металлов и до 2 МВт – сталеплавильные печи. Для генерирования токов высокой частоты (до 10 кГц) используют, главным образом, тиристорные преобразователи частоты на напряжения 0,38 кВ и 6(10) кВ.

Коэффициент реактивной мощности индукционных печей очень высок, поэтому в комплект индукционной печи входят также регулируемые конденсаторные установки.

2.4. Потребление реактивной мощности электросварочными установками

Электросварочные установки широко применяются в промышленности, особенно, при строительстве и монтаже. Характеристики электросварочных установок как потребителей реактивной мощности близки к характеристикам электропечных установок. Это установки однофазные и трехфазные с резкопеременной нагрузкой и высоким потреблением реактивной мощности.

При дуговой сварке основным потребителем является дуговой разряд, являющийся мощным сосредоточенным источником тепла. Источником электроэнергии при этом служит сварочный трансформатор, к которому подключаются электроды. Сварочные трансформаторы состоят из трансформатора и регулирующего устройства (реактора), служащего для регулирования тока

35

на вторичной стороне трансформатора. Сварочный ток регулируется за счет изменения индуктивного сопротивления реактора путем изменения воздушного зазора магнитопровода. При увеличении воздушного зазора величина индуктивного сопротивления уменьшается и растет сварочный ток.

Повышенное индуктивное сопротивление сварочного контура необходимо для получения крутопадающей внешней характеристики вторичного контура трансформатора с целью стабилизации величины сварочного тока, обеспечения устойчивости сварочной дуги и улучшения формирования сварочного шва. Сварочные трансформаторы потребляют реактивную мощность, величина которой превышает активную. Вследствие этого значение tgφ сварочных трансформаторов велико и составляет 2,68–3,18 при дуговой сварке, 1,33–4,9 – при контактной.

Большое распространение в сварочном производстве в качестве источников питания сварочных установок получили тиристорные преобразователи, которые также являются потребителями реактивной мощности. Их нагрузка по реактивной мощности более стабильна, чем у сварочных трансформаторов переменного тока. Однако эти преобразователи являются источниками высших гармоник тока и напряжения. Особенно высокий уровень высших гармоник имеет место при подключении сварочных преобразователей к сети 380–660 В.

2.5.Потери реактивной мощности в линиях электропередачи

Влиниях электропередачи и распределительных сетях наряду с потерями активной мощности имеют место также потери реактивной мощности. Под потерями реактивной мощности в данном случае условно понимается реактивная мощность, определяющая магнитное поле вокруг проводов линий при передаче по ним электрической энергии.

Потери реактивной мощности в линиях электропередачи определяются по формуле:

36

где P и Q – активная и реактивная мощности, передаваемые по линии; Uном – номинальное напряжение линии, xл – реактивное сопротивление линии.

Следовательно, величина потерь реактивной мощности в линиях электропередачи зависит от нагрузки электроприемников, напряжения в линиях, их реактивного сопротивления, а также от величины передаваемой по ним реактивной мощности.

Вместе с тем, следует учитывать, что в линиях электропередачи имеет место также генерация реактивной мощности, обусловленная наличием емкостной проводимости линии:

где b0 – удельная емкостная проводимость линии. Зарядная мощность линии определяется по формуле:

На потери в линиях электропередачи приходится около 5 % от общей величины потребляемой реактивной мощности, однако зарядная мощность линий частично компенсирует эти потери.

2.6. Потребление реактивной мощности осветительными установками

Осветительные установки с газоразрядными лампами также являются значительными потребителями реактивной мощности. Вольтамперная характеристика всех газоразрядных ламп, кроме ксеноновых, žпадающая¤. Это означает, что при включении газоразрядной лампы непосредственно в сеть ток через нее неограниченно возрастает, и лампа выходит из строя. Поэтому для обеспечения нормальной работы лампа включается в сеть последовательно с индуктивным балластным сопротивлением, которое ограничивает ток через лампу и позволяет получить благоприятный сдвиг фаз между напряжением и током, а также обеспечивает малые потери активной мощности. Балластное сопротивление является одним из элементов пускорегулирующей аппаратуры газо-

37

разрядных ламп. Однако наличие индуктивного балластного сопротивления приводит к тому, что большая часть мощности, потребляемой газоразрядными лампами, является реактивной. В результате этого значение tgφ газоразрядных ламп достигает 1,73.

С целью снижения потерь реактивной мощности в газоразрядных лампах и уменьшения их tgφ применяют конденсаторы, которые включаются последовательно с балластным сопротивлением. На рис. 13 в качестве примера приведена схема включения люминесцентной лампы.

Рис. 13. Схема включения люминесцентной лампы

Дроссель LL наряду с основной функцией – стабилизацией напряжения на лампе – обеспечивает возникновение импульса напряжения (за счет появления ЭДС самоиндукции) на электродах лампы в момент размыкания стартера VL. Наличие дросселя в схеме лампы значительно повышает коэффициент реактивной мощности сети. Для снижения tgφ параллельно с лампой включается конденсатор С1. Для устранения радиопомех, создаваемых лампой, параллельно со стартером включаются конденсатор С4 и конденсаторы С2 и С3 – для подавления помех, распространяющихся по питающей сети.

Поскольку газоразрядные лампы имеют широкое применение, как в промышленности, так и в общественных и административных зданиях, то компенсация реактивной мощности таких осветительных установок имеет важное значение для повышения экономичности их работы.

39

Характер этих зависимостей определяется типами электроприемников, подключенных к рассматриваемому узлу энергосистемы, и режимом их работы. Зависимости, представленные на рис. 14, соответствуют смешанной нагрузке, состоящей в основном, из силовых (преимущественно асинхронных двигателей) и осветительных электроприемников. Из рисунка видно, что в области нормальных значений напряжения, лежащих правее Uкр, каждому значению напряжения соответствует только одна определенная величина нагрузки.

В связи с тем, что процессы производства и потребления электроэнергии совпадают по времени, генерируемая в каждый момент времени мощность жестко определяется ее потреблением и наоборот. Из этого следует, во-первых, что в энергосистеме небаланс между суммарной генерируемой мощностью и суммарной потребляемой мощностью (с учетом потерь в сетях) в установившемся режиме не может существовать и, во-вторых, что в каждый момент времени активная и реактивная мощности, генерируемые в энергосистеме, определяются значениями частоты и напряжения на зажимах электроприемников.

Если на рис. 14 горизонтальная прямая Рн характеризует поступление мощности в рассматриваемый узел энергосистемы, то пересечение ее с характеристикой нагрузки P = f(U) определяет уровень напряжения Uп, которое может установиться при наличии источников, способных выдать в тот же узел реактивную мощность Qн. При отсутствии таких источников напряжение Uп в рассматриваемом узле сети установлено быть не может.

Таким образом, величина напряжения в узле нагрузки зависит от наличия в сети необходимых источников реактивной мощности. В случае если мощность этих источников недостаточна для покрытия нагрузки при заданном напряжении, произойдет снижение напряжения. При этом в соответствии со статическими характеристиками нагрузки понизятся и величины нагрузки до тех значений, которые может обеспечить источник.

Соответствие между реактивной мощностью, необходимой для поддержания той или иной величины напряжения, и мощностью имеющихся источников может быть выявлено путем составления уравнения баланса реактивной мощности (19).

40

Каждому конкретному значению величин этого уравнения соответствует свое значение напряжения (в пределах значений, близких к номинальному). Поясним это следующим образом.

Рис. 15. Схема сети

Пусть имеется сеть, изображенная на рис. 15. В каком-то установившемся режиме в сети имел место баланс реактивной мощности, которому соответствовало напряжение в месте присоединения нагрузки Uп. Этому напряжению по статическим ха-

где U – потеря напряжения в сети при нагрузках Pн и Qн и напряжении Uп; R и X – активное и реактивное сопротивления сети.

Понизим теперь уставку регулятора возбуждения генератора. Напряжение источника при этом понизится до Uи , а напряжение в месте присоединения нагрузки – до Uп . При этом мощность

на источнике и в месте присоединения нагрузки будут связаны уравнением:

Uп Uи U Uи Pн R Qн X ,

Uп

где U – потеря напряжения в сети при нагрузках Pн и Qн и напряжении Uп .