Дослідження роботи конденсаторної установки на моделі тп

Мета роботи: дослідити режими роботи конденсаторної установки.

1 Основні теоретичні положення

Поняття реактивної потужності. Поняття реактивної потужності (РП) надає можливість відобразити ма­тематично чи подати графічно у вигляді хвильових або векторних діаграм багато процесів, що відбуваються в електроустановках, зокрема в електричних мережах. Досвід проектування та експлуатації електричних мереж стверджує, що за допомогою поняття реактивної потужності можна розв'язувати важливі завдання, а саме: підвищення економічності мережі загалом та окремих частин (шляхом компенсації реактивної потужності), регулювання напруги, підвищення стійкості вузлів навантажень, сприяння стійкості паралельної роботи генераторів станцій та систем. Відомо, що в умовах дефіциту реактивної потужності знижується рівень напруги в електричній мережі і спроби підтримати його зміною коефіцієнтів трансформації здебільшого не покращують становища. За подальшого збільшення дефіциту реактивної потужності можливі порушення статичної стійкості. Отже, під час аналізу та синтезу електричних мереж необхідно використовувати реактивну потужність як фізичне поняття та математичну величину.

Однак інколи використання РП спричиняє деякі труднощі, наприклад, під час інтегрування її в часі, пофазного додавання в несиметричних режимах, аналізу вищих гармонік тощо.

Разом з деякою аналогією з поняттям активної потужності використання поняття реактивної потужності вимагає враховувати її істотні відмінності та особливості. Найважливішими її властивостями є рівність нулю середнього значення за період у будь-якій фазі та точці мережі; рівність нулю суми миттєвих значень РП усіх трьох фаз у будь-який момент часу; можливість забезпечення балансу реактивної потужності вузлів електричної мережі та споживачів без участі електростанцій.

Розглянемо співвідношення та залежності значень струму I, напруги и, повної, активної та реактивної потужностей в колі змінного синусоїдного струму.

Якщо миттєві значення напруги и та струму i подати через діючі значення U та I у вигляді

, (7.1)

. (7.2)

Середнє значення потужності:

. (7.3)

Отже значення середньої потужності складається із двох складових і нуля. Рівність певного середнього значення нулю говорить проте що частина енергії не виконує корисної роботи а пульсує з подвійною частотою між споживачем і джерелом енергії. Перша складова рівняння називається активною корисною роботою а друга складова ніякої роботи не виконує. Вона являє собою потужність обміну між електромагнітним полем індуктивності та електричним полем ємності. Споживання реактивної енергії впливає на втрати активної потужності, на втрати напруги, на статичну стійкість ЕЕС.

Споживання та генерування реактивної потужності. Електричну енергію від електроенергетичних систем отримують промислові підприємства, транспорт, сільськогосподарські та комунально-побутові споживачі. Найпоширенішим електроприймачем практично в усіх галузях є асинхронний двигун. Електроенергію споживають також електропечі різного призначення, перетворювачі, зварювальні агрегати, прилади електричного освітлення тощо. Одночасно з активною потужністю всі вони споживають і реактивну. Відносне значення змінюється в широких межах і залежить від принципу дії і конструкції електроприймача, режиму його роботи, підведеної напруги тощо. Для асинхронних двигунів, завантажених на 50 %, може бути від 0,85 (для двигуна потужністю 2000 кВт) до 2,5 (для двигуна потужністю 1 кВт) за номінальної напруги; зі збільшенням напруги значення зменшується, а збільшується.

Для перетворювачів коефіцієнт потужності залежить від кутів комутації та керування (та ), а також від значення реактивної потужності, що споживається на намагнічення та втрати розсіяння трансформатора .

У промисловості широко використовують різні електропечі: дугові руднотермічні, сталеплавильні, електрошлакового переплаву, індукційні плавильні та нагрівальні тощо. Усі вони мають таке споживання реактивної потужності, яке на фоні активної потужності печі в десятки і навіть сотні мегават виглядає дуже великим. Без відповідного вирішення питання компенсації таких потужностей неможливо забезпечити нормальну роботу цих електроприймачів.

Значне навантаження в промисловості створюють також зварювальні агре­гати, коефіцієнт потужності яких становить від 0,2-0,3 до 0,4-0,7 залежно від конструкції та режиму роботи.

Загалом у промисловості природний коефіцієнт потужності оцінюється на рівні 0,6-0,7 з тенденцією до зниження.

Реактивна потужність в електричній мережі. Реактивні навантаження в електричних системах забезпечуються генераторами електричних станцій, генеруванням ємнісної потужності лініями електро­передачі, а також спеціальними так званими компенсувальними пристроями. Встановлена потужність цих пристроїв визначається, з одного боку, потужністю споживачів та режимами їх роботи, а з іншого, — можливостями і режимами реактивної потужності в самій системі.

У споживачів електричної енергії знаки похідних активної і реактивної потужностей за навантаженням, як правило, однакові. Це означає, що зі збіль­шенням споживання активної потужності збільшується споживання реактивної потужності, і навпаки. При цьому розмах зміни споживання активної потужності більший, ніж реактивної.

Значний вплив на режими реактивної потужності має сама електрична мережа. Для аналізу розглянемо роботу ділянки мережі. У режимі неробочого ходу мережа генерує реактивну потужність, значення якої визначають за формулою

, (7.4)

де - ємнісна провідність лінії.

В індуктивності лінії існують втрати реактивної потужності, залежність яких від навантаження S визначає формула

, (7.5)

де , - індуктивний опір лінії.

На рис. 1.1 показано зарядну ємнісну потужність лінії , залежності втрати реактивної потужності та сумарного значення (власної реактивної потужності) лінії від її завантаження. У режимі роботи від до існує надлишок реактивної потужності, тобто лінія її генерує. Режим, для якого називається режимом натуральної потужності. З подальшим збільшенням навантаження лінія сама починає споживати реактивну потужність. На фоні збільшення її споживання споживачами таке явище збільшує дефіцит реактивної потужності в системі, який повинен бути усунений сторонніми джерелами, інакше існуватимуть істотні зміни параметрів режиму і насамперед зниження напруги до рівнів, за яких буде досягнутий баланс реактивної потужності. У крайніх випадках можливе порушення стійкості роботи системи.

Рисунок 7.1 - Залежність втрат реактивної потужності та реактивної потужності лінії від завантаження лінії

У лініях електропередачі напругою 220 кВ і більше власна реактивна потужність досягає величин, сумірних з потужністю навантаження.

Отже, власна реактивна потужність ліній у системі та реактивна потужність споживачів мають важливе і часто визначальне значення в роботі електричної системи.

Визначальним режимом для забезпечення балансу реактивної потужності є режим максимального навантаження, для якого потужність компенсувальних пристроїв повинна бути максимальною. Тому енергосистема обмежує максимальне значення споживаної реактивної потужності для кожного підприємства під час свого максимуму. У мінімальних режимах роботи системи в ній виникають надлишки реактивної потужності, яку потрібно спожити, щоб забезпечити баланс. Тому системі в цьому режимі доцільно встановлювати для кожного підприємства мінімальне значення споживаної реактивної потужності.

Негативні явища, пов'язані з передаванням реактивної потужності. Зважаючи на особливості реактивної складової потужності, враховувати її вплив на вибір обладнання та параметри режиму необхідно вже на стадії проектування ЕПС. Якщо не передбачати компенсації реактивної потужності, то елементи мережі (трансформатори, лінії електропередач тощо) потрібно вибирати за повною потужністю навантаження, яке визначається активною і реактивною складовими

. (7.6)

Оскільки природний коефіцієнт реактивної потужності в промисловості оцінюється на рівні =(1,02…1,33), це означає, що значення реактивної потужності може бути більшим від активної, тобто реактивна потужність більше впливатиме на вибір параметрів обладнання, ніж активної.

Передавання електричної енергії супроводжується втратами напруги, потуж­ності та енергії. Втрату напруги в розрахунках часто прирівнюють до поздовжньої складової спаду напруги за формулою

, (7.7)

із якої зрозуміло, що одна її частина залежить від активної потужності Р та активного опору R, а друга - від реактивної потужності Q та реактивного опору X. З врахуванням опорів трансформаторів поздовжні параметри мережі мають таке співвідношення, коли активний опір R майже завжди значно менший від реактивного опору X. Тому вплив реактивної потужності на втрати напруги значно більший від впливу активної потужності. Отже, передавання реактивної потуж­ності призводить до значних втрат напруги, це знижує загалом рівень напруги в мережі, що, своєю чергою, знижує коефіцієнти запасу статичної стійкості навантажень

, (7.8)

де – критичний рівень напруги за умовою статичної стійкості.

Знижуються також рівні статичної та динамічної стійкості паралельної роботи генераторів системи.

Вплив реактивної потужності на втрати активної потужності, а відповідно й енергії, можна продемонструвати з аналізу формули

, (7.9)

де — складова втрат активної потужності в елементі мережі з активним опором R від протікання через нього реактивної потужності Q.

Із цієї формули зрозуміло, що за однакових значень Р і Q втрати активної потужності вдвічі більші, ніж за наявності лише активної потужності Р.

Внаслідок недооцінювання проблеми компенсації реактивної потужності протягом багатьох років у мережах енергосистеми існує досить високий рівень втрат активної енергії, який оцінюється в 9,5-10 % від виробленої, тоді як в європейських країнах це значення знаходиться у межах 5%. Рівень наявних компенсувальних пристроїв у мережах у нас становив величину 0,24 кВар на один кіловат максимуму навантаження і навряд чи істотно змінився. У той самий час в розвинених країнах він характеризувався значенням 0,8—1 кВар/кВт і менше. Зв'язок рівня втрат енергії в мережах з рівнем компенсації реактивної потужності очевидний.

Заходи щодо зменшення споживання реактивної потужності. Зменшення споживання реактивної потужності споживачами можна досягти за рахунок організаційних та технічних заходів. Організаційні заходи необхідно розглядати та застосовувати найперше, оскільки вони не вимагають витрат значних коштів. Зважаючи на те, що основними споживачами реактивної потужності є асинхронні двигуни, трансформатори та вентильні перетворювачі, то насамперед необхідно проаналізувати їх роботу та схеми в таких аспектах:

заміна малозавантажених асинхронних двигунів двигунами меншої потужності; можливість зниження напруги на двигунах з систематичним недо­вантаженням; обмеження тривалості неробочого ходу двигунів та зварювальних трансформаторів; застосування синхронних двигунів замість асинхронних; заміна малозавантажених трансформаторів на менш потужні; застосування оптимальних силових схем та систем керування перетво­рювачів; оптимізація технологічних процесів із збільшенням коефіцієнтів використання основного обладнання.

Заміна малозавантажених асинхронних двигунів та трансформаторів завжди доцільна, якщо коефіцієнт використання менший від 0,45. Під час завантаження з коефіцієнтом використання, більшим від 0,7, заміна не доцільна. За умов завантаження в межах від 0,45 до 0,7 доцільність заміни необхідно обґрунтувати спеціальним розрахунком. Цей розрахунок враховує не тільки зменшення втрат активної потужності, але і вартість двигунів та роботи щодо їх заміни, витрати на компенсацію реактивної потужності тощо.

Зниження напруги на двигуні на практиці здійснити доволі важко, тому що ця операція потребує відповідних пристроїв. Але, якщо двигун завантажений менше ніж на 30 % від номінальної потужності, доцільно переєднати обмотки з "трикутника" на "зірку", якщо це можливо. Споживання реактивної потужності при цьому зменшиться майже в три рази.

Обмеження тривалості неробочого ходу двигунів та зварювальних транс­форматорів зменшує відносне споживання реактивної потужності, його застосовують на підприємствах з нестабільним технологічним процесом, коли можливі тривалі режими неробочого ходу обладнання.

Застосування синхронних двигунів замість асинхронних завжди зменшує споживання реактивної потужності, але далеко не завжди можливе за технічними умовами, особливо за умовами пуску. Крім того, необхідно зважати на те, що синхронний двигун значно дорожчий. Тому така заміна може бути доцільною лише тоді, коли одночасно досягається збільшення продуктивності агрегата за рахунок збільшення швидкості приводного механізму на величину ковзання або це надає інші переваги.

Регульовані перетворювачі постійного струму споживають реактивну потуж­ність із мережі, що характеризується кутом зсуву фази між першими гармоніками напруги U та струму І, який визначається кутами регулювання та комутації у із виразу

. (7.10)

З достатньою для практики точністю можна вважати, що коефіцієнт потужності за основними гармоніками струму та напруги дорівнює

, (7.11)

де – середнє значення випрямленої напруги; – напруга ідеального неробочого ходу випрямляча. Похибка у визначенні кута за цією формулою не перевищує 1°.

Точніше з врахуванням спотворень форм кривих струмів і напруг коефіцієнт потужності перетворювача визначається співвідношенням потужностей

, (7.12)

де – повна потужність, що визначається основними гармоніками напруги і струму з боку шин живлення.

З врахуванням того, що і , отримаємо

, (7.13)

де - коефіцієнт спотворення, який характеризує відхилення кривих струму і напруги від синусоїдної форми.

Тобто на коефіцієнт потужності перетворювача впливає не тільки значення кута зсуву фаз перших гармонік напруги та струму , а ще й коефіцієнт спотворення . Отже, з метою зменшення споживання реактивної потужності керовані перетворювачі в тривалих режимах бажано експлуатувати з мінімальним кутом керування .

Засоби компенсації реактивної потужності. У якості джерел реактивної потужності використовують синхронні двигуни в режимі перезбудження, нерегульовані і регульовані конденсаторні установки високої та низької напруг, статичні тиристорні компенсатори реактивної потужності.

Сучасні конденсаторні батареї характеризуються малими діелектричними втратами (0,25 Вт/кВАр для 0,4 кВ і 0,07 Вт/кВАр для 10кВ), терміном служби більше 100 000 годин, високою стабільністю пускового струму, широким діапазоном робочих температур від -40 °С до 50 °С, наявністю сухого екологічного діелектрика, мають вмонтовані розрядні опори та захист від перенапруг, який може мати місце в момент комутації. Це забезпечує їх високу надійність роботи. Розширено діапазон номінальних потужностей конденсаторних батарей: напругою 0,4 кВ - від 1,5 кВАр і напругою 6,3 кВ - від 25 кВАр. Використання сучасних матеріалів дозволило зменшити габаритні розміри конденсаторів.

Система регулювання реактивної потужності синхронного двигуна (СД) дозволяє регулювати збудження груп синхронних двигунів за умовами максимальної компенсації реактивної потужності, чи стабілізації напруги вузла навантаження. Система діє на входи необхідної кількості тиристорних збудників СД, забезпечуючи оптимальний режим роботи.

Тиристорні компенсатори реактивної потужності 6 і 10 кВ забезпечують швидкодіючу компенсацію реактивної потужності , стабілізацію напруги на шинах споживача, фільтрацію вищих гармонік, приєднуються без трансформатора. їх номінальна потужність - 6.3 , 12.5 , 20 і 40 МВАр. Вони обладнані фільтрами 3,5,7,11,13 гармонік, мікропроцесорним керуванням.

За місцем приєднання розрізняють наступні схеми компенсації:

загальна – на вводі підприємства або структурного підрозділу;

групова – на лінії групи однотипних електроприймачів;

індивідуальна – в безпосередній близькості до електро-приймача.

Найбільш ефективними є засоби автоматичного регулювання потужності компенсуючих пристроїв (КП) – автоматичні регулятори потужності конденсаторних установок чи автоматичні регулятори збудження синхронних двигунів.

За типом регулювання потужності конденсаторних батарей установки бувають:

- звичайні (релейні) – у яких комутація конденсаторів виконується за допомогою електромеханічних реле;

- статичні (тиристорні) – у яких використовуються тиристорні ключі.

У статичних установках комутація конденсаторів проходить в момент нульової напруги , завдяки чому вони забезпечують високу швидкодію (до 14 комутацій на секунду); малий рівень електромагнітних завад; малий знос конденсаторів; високу надійність ключів; зниження втрат у конденсаторах.

Останнім часом для керування конденсаторними установками широко застосовуються мікропроцесорні регулятори, які використовують оптимальні алгоритми роботи з мінімальним числом комутацій. Використовуючи ступені конденсаторів різної потужності, вони зводять до мінімуму споживання реактивної електроенергії.

Класифікацію компенсувальних пристроїв за різними ознаками зображено на рис. 7.2. За цією класифікацією розглянуто їхні конструкції, принцип дії, основні техніко-економічні показники, переваги та недоліки.

Рисунок 7.2 – Класифікація компенсувальних пристроїв

Конденсаторна установка КУ. Найбільш поширеним і порівняно дешевим способом зменшення втрат активної потужності є компенсація реактивній потужності із застосуванням конденсаторних установок. Цей спосіб, при його раціональному застосуванні, дає можливість:

- зменшити споживання реактивної потужності з мережі енергосистеми і, тим самим, знизити оплату за її споживання;

- зменшити втрати активної потужності і енергії в системі електропостачання підприємства, що знижує загальне споживання електроенергії і оплату за неї;

- зменшити потужність заводських підстанцій і перерізу повітряних і кабельних ліній, що понизить їх вартість;

- збільшити пропускну спроможність системи електро-постачання, що дозволить підключити додаткові навантаження без збільшення вартості мереж;

- поліпшити якість електроенергії за рахунок збільшення рівнів напруги у вузлах мережі.

Компенсація реактивній потужності є одним з найбільш доступних, ефективних і простих способів енергозбереження і зниження собівартості продукції, що випускається. Конденсаторні установки призначені для роботи в закритих приміщенні.

Конструктивно конденсаторна установка складається із захищеної шафи з передніми дверима, в якій встановлені конденсаторні елементи, комутаційні (рубильник, контактори), захисні (запобіжники, автоматичні вимикачі, реле), управляючі (реле, перемикач) і контрольно-вимірювальні (амперметр, трансформатор струму) апарати, система струмопровідних шин. На дверях шафи розміщені: автоматичний мікропроцесорний регулятор реактивної потужності, світлосигнальна і управляюча апаратура. Конденсаторна установка комплектується сучасною комутаційною і пуско-регулюючої| апаратурою виробництва підприємств України, Білорусії Австрії, Німеччини, Польщі.

Конденсаторна установка має два режими роботи - автоматичний і ручний. У автоматичному режимі управління комутацією конденсаторів здійснюється контакторами КС1 ... КС12 за допомогою регулятора А1, що здійснює заданий алгоритм роботи (див. рисунок 7.3).

Вимикач SA1 призначений для включення - відключення установки в нормальному або аварійному режимах роботи установки. Сигнальні лампи HL1...HL3 інформують про стан установки. Захист мережі здійснюється запобіжниками і автоматичними вимикачами. Контроль споживаного установкою струму здійснюється амперметром РА1, в періоди контролю і наладки. На вхід регулятора А1 подаються струмові сигнали від трансформаторів струму, встановлених на введенні вузла розподільної електричної мережі споживача. Шафа установки обладналася системою природної вентиляції.

Ручне управління установкою здійснюється відповідними органами управління на передній панелі регулятора.

Оперативні вимірювання проводяться на блоці затисків ХТ1:

- струму установки - на затисках И1-И2 із знятою перемичкою;

- струму датчика (трансформатора струму) споживача - на затисках И4-И5 із знятою перемичкою;

- лінійної напруги - між затисками L1-L2, L2-L3, L1-L3;

- фазної напруги - між затисками L1 -N, L2-N, L3-N;

- напруга на корпусі – корпус - заземлювач.

Програмування регулятора передбачає визначення порядку і кількості включених конденсаторів в процесі поточного функціонування конденсаторної установки. При цьому настройки можуть бути виконані як по типових графіках навантаження, так і по графіках конкретного споживача. Алгоритм роботи регулятора передбачає поступове наближення до оптимуму, коректне завантаження і чергування конденсаторних елементів з метою їх рівномірного зносу і збільшення життєвого ресурсу.

Табло регулятора відображає таку поточну інформацію (по виклику):

• напруга навантаження;

• величина потрібного ;

• струм навантаження фази 1;

• струм навантаження фази 2;

• струм навантаження фази 3;

• активну потужність;

• реактивну потужність;

• дефіцит реактивної потужності;

• струм конденсаторної установки;

• кількість підключених конденсаторів, і ін.

Окрім контролю перелічених вище параметрів мережі регулятор контролює струм конденсаторної установки. Якщо струм КУ більше номінального струму КУ на 30%, регулятор відключає з витримкою 1 хвилина ступеня від мережі, при цьому на передній панелі спалахує світлодіод ПЕРЕВАНТАЖЕННЯ.

Рисунок 7.3 –Принципова схема конденсаторної установки