Группа вопросов 2 Регулирование реактивной мощности и напряжения в электрических сетях.
1 Понятие о реактивной мощности.
Мощность, которая не была передана в нагрузку, а привела к потерям на нагрев и излучение, называется реактивной мощностью. Она равна произведению действующих значений тока и напряжения на синус угла сдвига фаз между ними (sin φ)
Таким образом, реактивная мощность является величиной характеризующей нагрузку. Она измеряется в вольт амперах реактивных (вар, var). На практике чаще встречается понятие косинус фи, как величины характеризующей качество электроустановке с точки зрения экономии электроэнергии. Действительно, чем выше cos φ , тем больше энергии, подаваемой от источника, попадает в нагрузку. Значит можно использовать менее мощный источник и меньше энергии пропадает зря.
Способы компенсации реактивной мощности
Из сказанного выше вытекает, если нагрузка индуктивная, то следует компенсировать ее с помощью емкостей (конденсаторов) и наоборот емкостную нагрузку компенсируют с помощью индуктивностей (дросселей и реакторов). Это помогает увеличить косинус фи (cos φ) до приемлемых значений 0.7-0.9. Этот процесс называется компенсацией реактивной мощности.
Экономический эффект от компенсации реактивной мощности
Экономический эффект от внедрения установок компенсации реактивной мощности может быть очень большим. По статистике он составляет от 12 до 50% от оплаты электроэнергии в различных регионах России. Установка компенсации реактивной мощности окупается не более чем за год.
Для проектируемых объектов внедрение конденсаторной установки на этапе разработки позволяет экономить на стоимости кабельных линий за счет снижения их сечения. Автоматическая конденсаторная установка, например, может поднять cos φ с 0.6 до 0.97.
Выводы
Итак, установки по компенсации реактивной мощности приносят ощутимые финансовые выгоды. Они также позволяют дольше сохранять оборудование в рабочем состоянии.
Вот несколько причин, по которым это происходит.
1. Уменьшение нагрузки на силовые трансформаторы, увеличение в связи с этим срока их службы.
2. Уменьшение нагрузки на провода и кабели, возможность использования кабелей меньшего сечения.
3. Улучшение качества электроэнергии у электроприемников.
4. Ликвидация возможности штрафов за снижение cos φ.
5. Уменьшение уровня высших гармоник в сети.
6. Снижение уровня потребления электроэнергии.
2 Режимы потребления и генерации чисто активной, реактивной и смешанной мощности
3 Источники и потребители реактивной мощности
Рассмотрим более подробно составляющие баланса реактивной мощности в ЭЭС. В уравнении баланса к мощности генераторов электростанций должна быть добавлена реактивная мощность компенсирующих устройств QКУ, а также реактивная мощность, генерируемая емкостью высоковольтных линий электропередачи QС
|
Генераторы электростанций являются основными источниками реактивной мощности. Номинальный коэффициент мощности генераторов, равный отношению активной мощности генератора Рг к его полной мощности Sг(cos г = Pг/Sг), составляет 0,85—0,9, и, значит, выработка реактивной мощности генераторами не может превышать 0,5—0,6 генерируемой ими активной мощности. Это означает, что генераторы электростанций не могут обеспечить всей потребности в реактивной мощности. Поэтому в ЭЭС широко применяются компенсирующие устройства. К ним относятся:
конденсаторные батареи (КБ), применяемые в основном на напряжении 0,22—10 кВ. Будучи установленными в узлах нагрузки, они позволяют частично разгрузить электрические сети от передачи по ним реактивной мощности;
синхронные компенсаторы (СК) — синхронные машины, работающие без нагрузки на валу, т.е. в режиме холостого хода. Синхронные компенсаторы выпускаются сравнительно большой мощности (50—320 MB · А) и устанавливаются, как правило, на районных подстанциях, где график нагрузки меняется в широких пределах, в связи с чем существенно изменяется баланс реактивной мощности. Как правило, это подстанции напряжением 330—500 кВ и выше, где СК устанавливаются на шинах низшего напряжения (10—20 кВ). Синхронный компенсатор может быть снабжен устройством автоматического регулирования возбуждения, и при снижении напряжения он автоматически будет увеличивать выработку реактивной мощности, тем самым стабилизируя напряжение;
статические тиристорные компенсаторы (СТК) состоят из параллельно включенных управляемых реакторов и КБ, которые подключаются к сети высокого напряжения через трансформатор. Для регулирования реактивной мощности используются тиристоры. Такое сочетание реакторов и КБ позволяет использовать СТК как для генерации (при преобладании емкостного элемента), так и для потребления реактивной мощности (при преобладании индуктивного элемента). Статические тиристорные компенсаторы выпускаются большой номинальной мощности и устанавливаются на промежуточных и конечных подстанциях мощных электропередач, а также в крупных узлах нагрузки для стабилизации режима сети при резкопеременном характере нагрузки. Использование СТК в питающих сетях позволяет: стабилизировать напряжение в месте подключения СТК; уменьшить потери активной мощности в электропередаче; увеличить пропускную способность линии и тем самым устранить необходимость сооружения новой линии; улучшить условия регулирования напряжения; демпфировать колебания мощности и напряжения;
шунтирующие реакторы (ШР) используются для потребления излишней реактивной мощности в ЭЭС и ввода напряжений в допустимую область. Реакторы абсолютно необходимы при наличии в ЭЭС протяженных воздушных линий сверхвысокого напряжения, которые, как указывалось выше, генерируют реактивную мощность, вследствие чего возможно увеличение напряжений на элементах ЭЭС сверх допустимых значений. Устанавливаются реакторы на конечных и промежуточных подстанциях длинных линий электропередач, их включение и отключение производится дежурным персоналом по распоряжению диспетчера ЭЭС. Использование регулируемых ШР позволяет осуществить стабилизацию напряжения в точке подключения реактора.
Потребители реактивной мощности. Каждый потребитель электроэнергии характеризуется потребляемой активной мощностью Р, преобразуемой механизмами и приборами в другие виды энергии (механическую, тепловую, световую и др.). Потребление реактивной мощности Q нагрузкой определяется коэффициентом мощности tg = Q/P. Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели (tg = 0,75—1,3), индукционные печи (tg = 1—2,7), вентильные преобразователи (tg = 0,75—1,2), сварочные агрегаты (tg = 1,5—2,7) и т.д. Промышленные предприятия — это основные потребители реактивной мощности, и доля асинхронной нагрузки в потребляемой ими реактивной мощности достигает 60—70 %. В городских электрических сетях потребление реактивной мощности меньше. Реактивная нагрузка квартир зависит от насыщенности электробытовой техникой и типа плит для приготовления пищи. В часы вечернего максимума нагрузки для квартир с газовыми плитами tg = 0,5, для квартир с электроплитами tg = 0,35. Силовая нагрузка общедомовых электроприемников (лифты, насосы, вентиляция и т. п.) увеличивает потребление реактивной мощности на вводе в дом, так как для привода этих электроприемников используются асинхронные электродвигатели.
4 ВЛ и КЛ, как источники и потребители реактивной мощности
5 Понятие зарядной мощности ВЛ(КЛ)
Значение зарядной мощности для всей ЛЭП определяется через действительные (расчетные) напряжения начала и конца линии, Мвар,
либо приближенно по номинальному напряжению линии
Для кабелей 6-35 кВ с бумажной изоляцией и вязкой пропиткой известны генерации реактивной мощности q0 на один километр линии, с учетом которой общая генерация КЛ определится в виде
ЛЭП с поперечной емкостной проводимостью, потребляющая из сети опережающий напряжение емкостной ток, следует рассматривать как источник реактивной (индукционной) мощности, чаще называемой зарядной. Имея емкостной характер, зарядная мощность уменьшает индуктивную составляющую нагрузки, передаваемой по линии к потребителю.
В схемах замещения ВЛ, начиная с номинального напряжения 110 кВ, и в КЛ-35 кВ и более следует учитывать поперечные ветви (шунты) в виде емкостных проводимостей Вс , или генерируемых мощностей Q C .
Расстояние между фазами ЛЭП в каждом классе напряжения, особенно для ВЛ, практически одинаково, что и определяет неизменность результирующего потокосцепления фаз и емкостного эффекта линий, Поэтому для ВЛ традиционного исполнения (без глубокого расщепления фаз и специальных конструкций опор) реактивные параметры мало зависят от конструктивных характеристик линии, так как отношение расстояний между фазами и сечения (радиуса) проводов практически неизменны, что в приведенных формулах отражено логарифмической функцией.
При выполнении фаз ВЛ 35-220 кВ одиночными проводами их индуктивное сопротивление в узких пределах: Х0 =(0,40-0,44)Ом/км, а емкостная проводимости лежит в пределах b0 =(2.6-2.8)10-6 См/км. Влияние изменения площади сечения (радиуса) жил кабеля на Х0более заметно, чем в ВЛ. Поэтому для КЛ имеем более широкое изменение индуктивного сопротивления: Х0≈(0,06-0,15) Ом/км. Для кабельных линий всех марок и сечений напряжением 0,38-10 кВ индуктивное сопротивление лежит в более узком интервале (0,06-0,1 Ом/км) и определяется из таблиц физико-технических данных кабелей.
Среднее значение зарядной мощности на 100 км для ВЛ 110 кВ составляет около 3,5 Мвар, для 220 кВ – 13,5 Мвар, для ВЛ 500 кВ-95 Мвар.
Учет этих показателей позволяет исключить значительные ошибки при расчете параметров линий или использовать указанные параметры в приближенных расчетах, например для оценки по реактивным параметрам ВЛ ее протяженности (км) в виде
