5 / 2773

3

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1.Изучить особенности применения конденсаторных установок в электрических сетях с нелинейной нагрузкой.

2.Ознакомиться с основными техническими средствами защиты конденсаторных установок от высших гармоник.

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

4.Овладеть практическими навыками расчета параметров вентильных преобразователей и компенсирующих устройств, применяемых для компенсации реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой.

2.ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Применение конденсаторных установок 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 напряжений и токов вызывается работой электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой. К числу таких электроприемников относятся: преобразовательные установки, дуговые сталеплавильные печи, электросварочные установки, индукционные печи, газоразрядные лампы и т. д. При их работе в электрических сетях возникают высшие гармоники напряжения и тока, как результат искажения формы синусоидальной кривой при наличии нелинейных нагрузок.

Искажения кривой напряжения 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 тока и напряжения оказывают влияние на показания электроизмерительных приборов, в том числе счетчиков

5

Сущность данного явления рассмотрим на примере простой схемы с мощным вентильным преобразователем (ВП). Это может быть привод экскаватора, дуговая сталеплавильная печь и т. д. На принципиальной схеме (рис. 1) показаны элементы, участвующие в резонансном процессе: вентильный преобразователь – источник высших гармоник тока и напряжения, имеющий активное сопротивление Rпр и индуктивное сопротивление Xпр, питающая сеть с активным сопротивлением Rс и индуктивным сопротивлением Xс и конденсаторная установка с активным сопротивлением RКУ и емкостным сопротивлением XКУ.

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

где Uв – среднее значение выпрямленного напряжения, В; Uв0 – выпрямленное напряжение идеального холостого хода, В:

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

Реактивная мощность, потребляемая вентильным преобразователем:

где Iв – среднее значение выпрямленного тока, А.

Действующее значение тока на входе вентильного преобразователя определяется по формуле:

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

6

Фазные напряжения на стороне переменного тока определяются по формуле:

где Xэкв – эквивалентное сопротивление питающей сети, Ом.

На рис. 2 приведены частотные характеристики питающей сети. При отключенной 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 отключенной КУ; 2 – частотная характеристика индуктивного сопротивления сети при отключенной КУ; 3 – частотная характеристика питающей сети при включенной КУ

Включение конденсаторной установки 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.

7

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

Из рис. 2 видно, что с увеличением добротности контура на определенной частоте, соответствующей резонансной fрез (что,

всвою очередь, соответствует резонансной гармонике νрез), значительно возрастает относительное сопротивление параллельного контура zν/z1, где z1 – полное сопротивление сети на основной гармонике. При любой емкости КУ всегда найдется такая группа гармоник, называемая резонансной, при которых КУ вступает

врезонанс токов с индуктивностью сети.

Сувеличением 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

Uν 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:

где Xку – номинальное сопротивление КУ, Ом.

8

На практике перегрузка КУ токами высших гармоник может достигать значительной величины (до 400 %) и может стать причиной выхода их из строя. Вместе с тем, ПТЭЭП установлена максимальная допустимая перегрузка по току для конденсаторных установок, которая составляет 1,3Iном. Это означает, что непосредственное применение КУ (без дополнительной защиты) в системах электроснабжения при наличии нелинейной нагрузки сопряжено с определенными трудностями, и в ряде случаев установка КУ может оказаться недопустимой.

2.2. Защита конденсаторных установок от высших гармоник

Для защиты конденсаторных установок от высших гармоник, возникающих при использовании их в 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:

9

где νр – гармоника, на которую необходимо настроить последовательную LC-цепь; νmin – 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:

где QКУ.ном – номинальная мощность КУ, кВАр; UКУ.ном – номинальное напряжение КУ, кВ; νmin = 5 – для вентильных преобра-

зователей с любой пульсностью выпрямления; νmin = 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:

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 трубчатый разрядник FV многократного действия.

10

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 отключают 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 значи-