КОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
Работа машин и аппаратов переменного тока, основанная на принципе электромагнитной индукции, сопровождается процессом непрерывного изменения магнитного потока в их магнитопроводах и полях рассеяния. Поэтому подводимый к ним поток мощности должен содержать не только активную составляющую Р, но и реактивную составляющую индуктивного характера Q, необходимую для создания магнитных полей, без которых процессы преобразования энергии, рода тока и напряжения невозможны. Существует несколько определений реактивной мощности. Например, в курсе ТОЭ сказано, что реактивная мощность, потребляемая индуктивностью и емкостью, идет на создание магнитного и электрического полей. Индуктивность рассматривается как потребитель реактивной мощности, а емкость — как ее генератор.
Передача значительной реактивной мощности по элементам СЭС невыгодна но следующим основным причинам:
1. Возникают дополнительные потери активной мощности и энергии во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью.
2. Возникают дополнительные потерн напряжения.
3. Загрузка реактивной мощностью линий электропередачи и трансформаторов требует увеличения площади сечений проводов воздушных и кабельных линий, номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и оборудования ячеек распределительных устройств.
Технически и экономически целесообразно предусматривать дополнительные мероприятия по уменьшению потребляемой реактивной мощности, которые можно разделить на две группы:
1. снижение потребления реактивной мощности приемниками электроэнергии без применения компенсирующих устройств;
2. применение компенсирующих устройств.
К мероприятиям по снижению потребления реактивной мощности относятся следующие:
упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования;
замена малозагруженных асинхронных двигателей двигателями меньшей мощности;
понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой;
ограничение продолжительности холостого хода двигателей;
применение синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности в случаях, когда это возможно по условиям технологического процесса;
повышение качества ремонта двигателей;
замена и перестановка малозагруженных трансформаторов;
отключение в резерв части трансформаторов в периоды снижения их нагрузки (например, в ночное время).
Мероприятия второй группы по уменьшению передачи реактивной мощности предприятиями от энергосистемы предусматривают установку специальных компенсирующих устройств (КУ) на предприятиях для выработки реактивной мощности в местах ее потребления. Примером КУ может быть конденсаторная батарея (С), подключаемая параллельно активно-индуктивной нагрузке (RL), например асинхронному двигателю. Принцип компенсации при помощи емкости поясняет векторная диаграмма (рис. 1). Из диаграммы видно, что подключение конденсатора С уменьшило угол сдвига фаз между током и напряжением нагрузки и соответственно повысило коэффициент мощности нагрузки. Уменьшился потребляемый из сети ток от I1 до I2, т. е. на ΔI.
Рис. 1. Схема замещения (а) и векторная диаграмма цепи линия – приемник электроэнергии (б) при параллельном включении конденсатора.
Для компенсации реактивной мощности используются батареи конденсаторов, синхронные машины и специальные статические источники реактивной мощности.
Батареи конденсаторов (БК) — специальные емкостные конденсаторные установки (КУ), предназначенные для выработки реактивной мощности. В настоящее время выпускаются комплектные конденсаторные установки (ККУ) серии УК-0,38 на напряжение 380 В мощностью 110...900 квар (табл. 1) и серии УК-6/10 мощностью 450...1800 квар (табл. 2). ККУ собирается в шкафах с аппаратурой защиты, измерения, управления (рис. 2).
Рис. 2. Установка УК-0,38-110: 1 – амперметр; 2 – вольтметр; 3 – предохранитель; 4 – контактор; 5 – панель управления; 6 – трансформатор тока; 7 – заземляющий болт; 8 – конденсатор.
Таблица 1. Технические данные статических
конденсаторных установок напряжением до 1000 В.
Таблица 2. Технические данные статических
конденсаторных установок напряжением выше 1000 В.
При отключении конденсаторы сохраняют напряжение остаточного заряда, представляющее опасность для персонала и затрудняющее работу выключателей. По условиям безопасности требуется применение разрядных устройств. В качестве разрядных устройств применяются два однофазных трансформатора напряжения (НОМ) (рис. 3). В батареях на 380...660 В вместо НОМ 4 для той же цели включают сопротивления или лампы накаливания (две лампы и более, последовательно в каждой разрядной ветви). В новых конденсаторах применяют встроенные разрядные сопротивления. При индивидуальной компенсации электроприемника разрядные сопротивления не требуются.
Измерение силы тока в цепи БК осуществляется тремя амперметрами (для контроля за целостью предохранителей и нормальной работой каждой фазы) и счетчиком реактивной энергии. Для автоматического отключения батареи при повышении напряжения в данном узле сети свыше заданного значения и для включения при понижении напряжения предусматривается специальная автоматика.
Рис. 3. Конденсаторная установка на напряжение 6…10 кВ мощностью 450 квар: 1 – конденсатор; 2 – предохранитель; 3 – шины; 4 – НОТ; 5 – металлическая конструкция установки.
Основной недостаток конденсаторов — при понижении напряжения в сети они снижают выдачу реактивной мощности пропорционально квадрату напряжения, в то время как требуется ее повышение. Регулирование мощности конденсаторной батареи осуществляется только ступенями, а не плавно и требует установки дорогостоящей коммутационной аппаратуры.
Синхронные машины могут генерировать и потреблять реактивную мощность, т. е. оказывать на электрическую сеть воздействие, тождественное емкости и индуктивности. Известно, что при перевозбуждении синхронной машины генерируется реактивная составляющая тока статора и ее значение растет при увеличении силы тока возбуждения. Векторная диаграмма подведенного от сети напряжения и тока в статоре синхронной машины имеет тот же вид, что и диаграмма подведенного напряжения и тока в конденсаторной батарее (см. рис. 1, б). Перевозбужденная синхронная машина генерирует передающий ток, подобно емкости.
В системах электроснабжения предприятий используют синхронные машины всех видов. Наиболее широкое применение находят синхронные двигатели (СД) в приводах производственных машин и механизмов, не требующих регулирования частоты вращения.
Синхронные генераторы (СГ) обладают, как и СД, плавным и автоматическим регулированием генерации реактивной мощности в функции напряжения сети. В отличие от СД передача реактивной мощности от генераторов осуществляется на значительное расстояние (даже от собственных электростанций предприятий). Поэтому использвание генераторов в качестве источников реактивной мощности ограничивается технико-экономическими условиями режима энергосистемы.
Синхронные компенсаторы (СК) предназначены специально для выработки и потребления реактивной мощности. Удельная стоимость (в руб/квар) и удельные потери (в кВт/Мвар) в СК значительно больше, чем в СД, так как они целиком приходятся на реактивную мощность, кроме того, добавляются расходы на их эксплуатацию. При большом дефиците реактивной мощности в точке подключения потребителей, когда требуется в некоторых случаях плавное и быстродействующее средство регулирования напряжения, оказывается выгодным ввод СК. При наличии резкопеременной реактивной нагрузки зона применения СК расширяется.
Недостатки СК связаны с его худшими по сравнению с конденсаторами экономическими показателями:
повышенные потери активной мощности;
повышенные удельные капитальные вложения;
большая масса и вибрация, из-за чего необходима установка СК на массивных фундаментах;
необходимость применения водородного и воздушного охлаждения с водяными охладителями;
необходимость постоянного дежурства эксплуатационного персонала на подстанциях с синхронными компенсаторами.
Кроме того, заданную мощность конденсаторов можно дробить для максимального приближения их к потребителям или при необходимости наращивать мощность БК в процессе роста нагрузок, что невозможно для СК.