90644 / Вопросы компенсации реактивной мощности

61

При соединении фаз БК в звезду мощность БК

2

QБК 3 U С U 2 С , (46) 3

а при соединении в треугольник

где U – линейное напряжение сети; – угловая частота; C – емкость фаз БК.

Таким образом, при соединении фаз БК в треугольник мощность БК оказывается в 3 раза больше, чем при соединении

взвезду. Поэтому низковольтные БК обычно включаются в сеть по схеме треугольника.

Батарея конденсаторов, оборудованная коммутационной аппаратурой, средствами защиты и управления, называется конденсаторной установкой.

Внастоящее время выпускаются комплектные конденсаторные установки на различные номинальные напряжения для внутренней и наружной установки. Диапазон номинальных мощностей таких установок достаточно широк, причем большинство типов современных комплектных конденсаторных установок оборудовано устройствами для одноступенчатого или многоступенчатого регулирования мощности.

На рис. 18 приведена конструкция комплектной автоматической конденсаторной установки напряжением 0,4 кВ.

Автоматические конденсаторные установки напряжением 0,4 кВ представляют собой сварную каркасную металлоконструкцию, в которой размещены аппаратура управления, измерения и сигнализации, а также модули с конденсаторами и контакторами. Конденсаторы и контакторы смонтированы в модулях, соединенных между собой по определенной схеме в зависимости от мощности ступени. Размещение конденсаторов и контакторов

вмодулях обеспечивает простоту их монтажа и замены. Кроме того, установленная мощность конденсаторных установок при необходимости может быть легко расширена.

62

Рис. 18. Конструкция комплектной автоматической конденсаторной установки напряжением 0,4 кВ:

1 – вентилятор; 2 – подъемные ушки; 3 – регулятор реактивной мощности; 4 – модуль с конденсаторами и контакторами;

5 – кабельный ввод

Автоматические конденсаторные установки состоят из нескольких ступеней, управляемых микропроцессорным регулятором реактивной мощности, который обеспечивает подключение к сети требуемой величины реактивной мощности. Благодаря современным специализированным контакторам, управляемым с помощью 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.

На рис. 19 приведена конструкция комплектной автоматической конденсаторной установки напряжением 6–10 кВ.

Автоматические конденсаторные установки напряжением 6–10 кВ состоят из вводной ячейки и конденсаторных ячеек, количество которых зависит от номинальной мощности установки. Ячейки соединены между собой электрически сборными шинами. В вводной ячейке смонтированы главный выключатель, выключатель заземления и реле управления и защиты. В конденсаторных ячейках установлены конденсаторы, реакторы, предохрани-

63

тели и контакторы. На двери шкафа размещается микропроцессорный регулятор реактивной мощности.

Рис. 19. Конструкция комплектной автоматической конденсаторной установки напряжением 6–10 кВ

Автоматические конденсаторные установки состоят из нескольких ступеней. Они могут улучшать tgφ сети, обеспечивая необходимую величину реактивной мощности в условиях изме-

с потребностью в реактивной мощности. Регулятор также обеспечивает обработку данных сети и отслеживает возникновение аварийных ситуаций.

В современных конденсаторных установках применяются самовосстанавливающиеся конденсаторы, изготавливаемые с использованием так называемой MKP-технологии. Это металлопленочные конденсаторы, электродами которых является металлизированная с одной стороны полипропиленовая пленка. Полипропиленовая пленка выполняет в конденсаторах роль диэлектрика. Специальная структура напыленного металлического слоя и полноповерхностный контакт обеспечивают необходимую коммутационную прочность. MKP-конденсаторы характеризуются уменьшенными габаритами и малыми удельными потерями активной мощности (0,1–0,5 Вт/кВАр) и позволяют существенно снизить потери электроэнергии. Конденсаторы оборудованы встроенной системой защиты от избыточного давления. Разряд-

64

ные резисторы позволяют снизить остаточное напряжение до безопасного уровня за минимальное время.

К основным достоинствам БК относятся:

малые удельные потери активной мощности;

простота производства монтажных работ (малые габариты, масса, отсутствие фундаментов);

простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся

итрущихся частей);

возможность установки БК в любой точке сети, что позволяет размещать их непосредственно у мест потребления реактивной мощности и даже внутри некоторых электроприемников (например, светильники для газоразрядных ламп);

возможность использования для установки БК любого сухого помещения;

возможность увеличения установленной мощности БК. Недостатками БК являются:

зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения;

отрицательный регулирующий эффект, т. е. при снижении напряжения в сети БК снижают выдаваемую реактивную мощность, что приводит к еще большему уменьшению напряжения;

недостаточная прочность, особенно при коротких замыканиях и перенапряжениях;

чувствительность к искажениям формы кривой питающего напряжения;

ступенчатое регулирование реактивной мощности.

5.1.2. Синхронные компенсаторы

Синхронные компенсаторы (СК) представляют собой синхронные двигатели, работающие в режиме холостого хода, т. е. без нагрузки на валу. Они предназначены только для генерации или потребления реактивной мощности. Поэтому по сравнению с обычными синхронными двигателями СК изготовляются с облегченным валом, имеют меньшие габариты и массу.

СК могут работать как в режиме генерации реактивной мощности, так и в режиме ее потребления. Режим работы СК оп-

65

ределяется величиной подаваемого в обмотку ротора тока возбуждения. При перевозбуждении СК работает как источник реактивной мощности и выдает ее в сеть. При недовозбуждении СК потребляет реактивную мощность из сети.

Схема замещения СК и соответствующие ей векторные диаграммы показаны на рис. 20.

Рис. 20. Схема замещения и векторные диаграммы СК:

а– схема замещения; б – режим перевозбуждения;

в– режим недовозбуждения

Напряжение сети в точке подключения СК Uс равно сумме обратной ЭДС Eq и падения напряжения в сопротивлении xd:

66

СК потребляет реактивную мощность из сети. Достоинствами СК являются:

положительный регулирующий эффект, который заключается в том, что при уменьшении напряжения в сети генерируемая мощность компенсатора увеличивается;

возможность плавного и автоматического регулирования реактивной мощности;

широкий диапазон регулирования;

достаточная термическая и электродинамическая стойкость обмоток СК при коротких замыканиях;

возможность восстановления поврежденных СК путем проведения ремонтных работ.

К недостаткам СК относятся:

высокая стоимость;

усложнение эксплуатации (по сравнению с БК);

высокие эксплуатационные расходы;

значительные потери активной мощности (10–30 Вт/кВАр);

значительный шум во время работы.

67

5.1.3. Синхронные двигатели

Синхронные двигатели (СД), установленные на промышленных предприятиях, могут быть использованы как источники реактивной мощности. СД, в основном, изготовляются с номинальным опережающим cosφ = 0,9 и могут являться достаточно эффективным средством компенсации реактивной мощности.

Характер и значение реактивной мощности СД, также как и СК, определяются величиной тока возбуждения в обмотке ротора. На рис. 21 приведена так называемая U-образная характеристика СД, представляющая собой зависимость тока статора I от тока возбуждения Iв при P = const

Рис. 21. U-образная характеристика СД

Левая ветвь характеристики соответствует режиму недовозбуждения СД. В этом режиме СД, как и асинхронный двигатель, потребляет из сети реактивную мощность. Правая ветвь характеристики соответствует режиму перевозбуждения СД. В этом режиме СД работает не только как двигатель, но и как источник реактивной мощности, т. е. выдает реактивную мощность в сеть. Минимальное значение тока статора имеет место при cosφ = 1.

Наибольший верхний предел возбуждения СД определяется допустимой температурой обмотки ротора с выдержкой, достаточной для форсировки возбуждения при кратковременном снижении напряжения.

68

Величина генерируемой СД реактивной мощности зависит от загрузки двигателя активной мощностью, напряжения на его зажимах и технических данных двигателя.

Основным критерием для выбора рационального режима возбуждения СД, являются дополнительные удельные потери активной мощности на генерацию реактивной мощности. Удельные потери активной мощности на генерацию реактивной мощности существенно зависят от номинальной мощности и частоты вращения СД и могут достигать от 10 до 50 Вт/кВАр. С уменьшением номинальной мощности и частоты вращения СД величины удельных потерь значительно возрастают.

5.1.4.Статические тиристорные компенсаторы

Вкачестве источников реактивной мощности все более широкое применение находят статические тиристорные компенсаторы (СТК).

Основные требования, предъявляемые к СТК, следующие:

высокое быстродействие при изменении реактивной мощ-

ности;

достаточный диапазон регулирования реактивной мощно-

сти;

возможность производства и потребления реактивной мощности;

минимальные искажения питающего напряжения.

Основными элементами СТК являются конденсаторы и дроссели – накопители электромагнитной энергии, а также тиристоры, обеспечивающие ее быстрое преобразование. Схемы СТК весьма разнообразны и позволяют генерировать или потреблять реактивную мощность в зависимости от вида схемы и режима работы. СТК могут работать по принципу прямой или косвенной компенсации реактивной мощности.

Прямая компенсация предусматривает генерирование реактивной мощности статическим компенсатором. Различают ступенчатое и плавное регулирование реактивной мощности. В первом случае различное количество секций БК подключается с помощью тиристорных ключей. Во втором случае используются

69

преобразователи частоты, а также преобразователи с искусственной коммутацией тиристоров.

При ступенчатом регулировании по мере увеличения потребления электроприемниками реактивной мощности необходимое количество секций БК подключается тиристорными ключами (рис. 22). С увеличением числа ступеней БК регулирование реактивной мощности становится более плавным.

Рис. 22. Установка прямой компенсации реактивной мощности со ступенчатым регулированием

Всвязи с тем, что включение БК осуществляется в строго определенные моменты времени, быстродействие рассматриваемого компенсатора невелико. Максимальное запаздывание при частоте сети 50 Гц может достигать 10 мс.

Для плавного регулирования реактивной мощности применяются непосредственные преобразователи частоты (НПЧ). Такой компенсатор представляет собой нерегулируемый генератор высокой частоты, включенный через НПЧ (рис. 23).

Взависимости от соотношения напряжения сети и напряжения на выходе НПЧ компенсатор может генерировать или потреблять реактивную мощность. При этом от генератора высокой частоты реактивная мощность потребляется в любом случае.

70

Учитывая это обстоятельство, в качестве генератора может быть использовано статическое устройство, содержащее LC-контуры.

Рис. 23. Установка прямой компенсации реактивной мощности

снепосредственным преобразователем частоты и LC-контурами

Вкачестве источников реактивной мощности для прямой компенсации также используются СТК с искусственной коммутацией тиристоров. Такой компенсатор представляет собой параллельное соединение двух трехфазных вентильных преобразователей. Изменение знака угла управления тиристоров достигается искусственной коммутацией тока в вентильных контурах напряжением коммутирующих конденсаторов, а не напряжением сети.

Косвенная компенсация реактивной мощности заключается

втом, что параллельно нагрузке включается стабилизатор реактивной мощности, обеспечивающий неизменную величину суммарной реактивной мощности

где Qн(t) – реактивная мощность нагрузки; Qст(t) – реактивная мощность стабилизатора.

Суммарная реактивная мощность QΣ компенсируется с помощью БК. В качестве стабилизаторов в настоящее время используются СТК. Наиболее широкое распространение получили компенсаторы с фазоуправляемыми тиристорными ключами.