Основные положения


Чтобы посмотреть этот PDF файл с форматированием и разметкой, скачайте его и откройте на своем компьютере.







КОМПЕНСАЦИЯ

РЕАКТИВНЫХ

НАГРУЗОК


онструктивные особенности элементов электрических сетей и
подстанций, а также электрических цепей электроприемников
связаны с наличием в них реактивных элементов (индукти
в
ностей и
емкостей), которые препя
тствуют изменению параметров электрич
е
ской энергии. Так, индуктивности препятс
т
вуют любому изменению
тока в них, а емкости


изменению напряжения. Указанное препятс
т
вие выражается в том, что эти элементы в определенные интервалы
времени запасают и отдаю
т электрическую энергию. При выр
а
ботке, преобразовании, передаче и потреблении электрической эне
р
гии на переменном напряжении наличие реактивных элементов прив
о
дит к колебательному процессу обмена энергией между ними.
Реактивности рассредоточены между эле
ментами электрических ста
н
ций, подстанций, линий электропередачи и электроприемниками.

Указанная выше доля электрической энергии называется реакти
в
ной энергией. При этом реактивная энергия не преобразуется в другие
виды энергии, но ее потоки по элементам э
лектрических цепей сопр
о
вождаются дополнительной загрузкой этих элементов, а также допо
л
К

нительными потерями активной энергии на их активных сопротив
-
лениях.

Поскольку реактивная энергия не преобразуется в другие виды
энергии, на ее производство не расходуе
тся первичный энергонос
и
тель на электрических станциях. Общеприняты понятия, что реакти
в
ности индуктивного характера являются потребителями реактивной
энергии, а реактивности емкостного характера


источниками реа
к
тивной энергии.

Установка источников реакт
ивной мощности (ИРМ) вблизи ее п
о
требителей носит название компенсации реактивной мощности. Ра
с
пределением ИРМ по узлам электрической сети и регулированием их
мощности изменяются потоки реактивной мощности по ее элементам,
что приводит к изменению потерь а
ктивной энергии на элементах и
напряжению в узлах. Указанные процессы формируют актуальные з
а
дачи при управлении режимами работы электроэнергетических систем
и систем электроснабжения.

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Простейшая эквивалентная схема замещения для любого
участка
сети приведена на рис.

8.1, где
напряжение в центре электрич
е
ского питания данной сети;


напряжение в точке подключения н
а
грузки, имеющей индуктивный характер;



полное эквив
а
лентное сопротивление участка сети;




полный ток
нагрузки, содержащий активную и индуктивную составляющие.


Пусть напряжение

и ток

синусоидальны (не содержат высших
гармоник и пос
тоянной составляющей) (рис.

8.2):


,
,

где
,



амплитуды напряжения и тока соответственно;



фаза
тока.

Для упрощения расчетов прим
ем
 2 о.е.,
 2 о.е. (в относ
и
тельных единицах) и зададимся для удобства конкретным значением

=
.



Мгновенные значения полной мо
щ
ности, передаваемой нагрузке
, могут
быть получены перемножением по то
ч
кам напряжения на ток:

.


(
1)

При
,
,

и
; при
,
,
 0 и
.

Между этими двумя точками полная
мощность

имеет отриц
а
тельный
знак, так как

положительно, а

отрицателен. Это означает,
что
мощность на данном интервале поступает от нагрузки к источнику
электрического питания.

При


положительна и мощность передается от и
с
точника потребителю.

Для упрощения анализа и расчетов синусоиду тока
предста
в
ляют в виде суммы двух синусоид (рис.

2
):


,


(
2)

где



активная составляющая тока, совпадающая по фазе с н
а
пряжением;



реактивная составляющая ток
а, отстающая от н
а
пряжения

на угол

или опережающая его;



амплитуда а
к
тивного тока;



амплитуда реактивного тока.

Подставив

это выражение в формулу (
1), мож
но получить:


,


(
3)


Рис.
1

Эквивалентная схе
ма
замещения сети


где

названа активной мощностью, а



реактивной мощностью.


Рис.
2.

Кривые мгновенных значений напряжения, тока,

активной, реактивной и полной мощности



Акти
вная мощность
. Мг
новенные значения равны (рис.

2):




.


(
4)

Среднее значение за период:


,


(
5)

где

и



действующие значения н
апряжения и полного тока;



действующее значение активного тока.

Реактивная мощность.

По аналогии с активной мощностью для
реактивной
мощности можно записать (рис.

2):


,
,
.

Среднее за период значение полной мощности


.

(
6)

Таким образом, активная мощность


это пульсирующая с двойной
частотой положительная величина
, характеризующая передачу
электрической

энергии по сети. Реактивная мощность


четверть п
е
риода поступает от источника к потребителю, затем четверть периода
от потребителя к источнику и так далее. Среднее за период значение
реактивной мощности равно нулю.

Для действующих значений тока:

принято, что

отстает от напряжения на угол

(потребитель реактивной мощности),

опережает напряжение на угол

(источник реактивной мощ
-
ности)
.

Все изложенное выше относится к синусоидальным напряжениям и
токам. Если напряжение и ток несинусоидальны, то это справедливо
только для первой гармоники напряжения и тока. Понятия активной и
реактивной мощности для высших гармоник не существует.

2. АКТУ
АЛЬНОСТЬ КОМПЕНСАЦИИ


РЕАКТИВНЫХ НАГРУЗОК

При передаче реактивной мощности по сети возникают три нег
а
тивных аспекта:



требуется увеличивать сечения проводников и мощность тран
с
форматоров (увеличивать затраты на сеть), так как растет величина
модуля переда
ваемого по сети тока;



имеются дополнительные потери мощности и электроэнергии,
так как


,

где



потери активной мощности в сети, обусловленные передачей
активной мощности;



потери
активной мощности в сети, об
у
словленные передачей реактивной мощности;



имеются дополнительные потери напряжения в сети


.


(
7)

Влияние указанных негативных аспектов на электрические сети
снижают с помощью компенсации реактивных
нагрузок (КРН).

КРН


это использование в отдельных узлах сети или непосредс
т
венно у потребителей реактивной мощности так называемых компе
н
сирующих устройств (КУ) или источников реактивной мощности
(ИРМ)


электрооборудования, потребляющего из сети опереж
ающий
ток (угол



положительный) (рис.

8.3). При этом уменьшается пер
е
даваемая по сети или потребляемая в узле нагрузки реактивная соста
в
ляющая тока (уменьшается загрузка сети током) и снижаются потери
активной мощности и потери на
пряжения:


,


(
8)



.

К компенсирующим устройствам относится специально изгота
в
ливаемое электрооборудование, предназначенное для КРН: силовые
конденсаторы и конденсаторные батареи, фильтрокомпенсирующие


устройства и активные фильтры, используемые для уменьшения вы
с
ших гармоник в электрических сетях, синхронные компенсаторы, а
также статические КУ.


Рис.
3.

Компенсация реактивных

нагрузок


ИРМ


более широкое понятие. Это все виды

КУ и электроприе
м
ники, которые по своему принципу работы помимо выполнения прои
з
водственных функций, могут вырабатывать реактивную мощность:
синхронные генераторы, синхронные электродвигатели в режиме

перевозбуждения, естественные емкости воздушных лин
ий электроп
е
редачи, вентильные преобразователи с искусственной коммутацией
вентилей или выполненные с использованием высокочастотных по
л
ностью управляемых полупроводниковых приборов.




3. ПОТРЕБИТЕЛИ

РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Если рассматривать системы электр
оснабжения в широком смысле
(начиная с шин генераторного напряжения и заканчивая всеми эле
к
троприемниками), то можно отметить следующее: 45

% всей реакти
в
ной мощности потребляется трансформаторами, 35

%


асинхронными
двигателями, 13

%


электрическими сет
ями и 7

%


прочими потреб
и
телями. При этом потребляемая реактивная мощность в режиме ма
к
симума нагрузок в 2 раза превышает суммарную активную мощность
генераторов электрических станций.

В электрических сетях систем электроснабжения промышленных
предприят
ий около 60

% реактивной мощности потребляется аси
н
хронными двигателями, 20

%


трансформаторами и 20

%


прочими
электроприемниками (вентильными преобразователями, установками
электрического освещения, электротехнологическими установками и
др.). Основным
параметром потребителей реактивной мощности явл
я
ется коэффициент мощности (

или
), характеризующий соо
т
ношение потребляемой активной и реактивной мощности.

Зависимости реактивной и активной мощности асинхронн
ого дв
и
гателя от величины напряжения (статические характеристики) для ра
з
ных коэффициентов загрузки двигателя приведены на рис.

8.4, 8.5.

Таким образом, для незагруженных асинхронных двигателей целес
о
образна работа с пониженным относительно номинального н
апряж
е
нием. Этого можно достичь, используя для каждого такого двигат
е
ля
индивидуальный регулятор напряжения, реализующий регулирово
ч
ную характеристику


,

где


оптимальное с точки зрения минимума реактивной
мощн
о
сти напряжение на зажимах двигателя.

Активная мощность на валу

асинхронного двигателя при пост
о
янстве момента

мало зависит от напряжения в сети, что объясн
я
ется двумя факторами. Первый


при изменении
напряжения мало и
з
меняются скольжение и соответственно скорость вращения вала
двигателя (
)



.

Второй


активные потери

изменяются незначительно при н
е
больших изменениях напряжения


,

где



мощность, потребляемая двигателем из сети;



мощность
на валу двигателя, передаваемая механизму;



вращающий м
о
мент на валу двигателя.


Рис.
4.

Статические характеристики по реактивной мощности

асинхро
нног
о
двигателя


Рис.
5
. Зависимость коэффициента мощности от
напряжения в сети асинхронного двигателя

Реактивная мощность (реактивные потери) существенно зависит от
напряжения. Это

объясняется тем, что в большинстве случаев аси
н
хронные двигатели работают с коэффициентом загрузки, меньшим
единицы. Например, средний коэффициент загрузки

асинхронных двигателей металлорежущих станков за период наиболее
загруженн
ой смены не превосходит величины 0,2.

При

зависимость реактивной мощности от напряжения

имеет минимум при

(рис.

8.4). При

эта зависимость
имеет минимум при
. В этом случае реакти
в
ная мощность двигателя пропорциональна квадрату напряжения, что
обусловливает так называемый регулирующий эффект асинхронной
нагрузки. Например, если по каким
-
либо причинам напряжение в сети
возросло, то пропо
рционально квадрату напряжения возрастет потре
б
ляемая двигателем реактивная мощность и увеличатся потери напр
я
жения в сети (
7). При снижении напряжения реактивная мощность
двигателя уменьшится пропорционально квадрату напряжения, что
уменьшит потери напряж
ения в сети.

Таким образом, асинхронные
двигатели способствуют стабилизации напряжения в сети.

Регулирующий эффект асинхронных двигателей

имеет два аспекта: позитивный, способствующий стабилизации н
а
пряжения
, и негативный, препятствующий встречному регулированию
напряжения.

Зависимости коэффициента мощности (

или
) от напр
я
жения в сети для разной загрузки двигателя приведены на рис.

8.5.

Вторым по значимости по
требителем реактивной мощности в си
с
темах электроснабжения являются трансформаторы. Суммарная мо
щ
ность трансформаторов превышает генераторные мощности в 5

6 раз.
Потери реактивной мощности в трансформаторах:


,


где



реактивные потери холостого хода трансформатора,
пропорциональные квадрату напряжения;



реакти
в
ные потери короткого замыкания;



индуктивное сопротивление
цепи намагничивания трансформатора;



индуктивное продольное
сопротивление трансформатора;



номинальный ток трансформ
а
тора;



коэффициент загрузки трансформатора.

Из прочих потребителей реактивной мощности следует отмет
ить
регулируемые вентильные преобразователи с естественной коммут
а
цией вентилей. Для них угол нагрузки равен


,

где



угол коммутации вентилей,



угол управления.

Создание и освоение

промышленностью в середине 90
-
х годов
ХХ

века нового поколения полностью управляемых и быстродейс
т
вующих полупроводниковых приборов (запираемых тиристоров и с
и
ловых высоковольтных транзисторов) позволяет обеспечить коэфф
и
циент мощности вентильных преобраз
ователей, равный единице
(
) во всем диапазоне регулирования. Особенно актуально испол
ь
зование такого подхода в конструировании источников питания масс
о
вой электронной аппаратуры, что исключает потребление ими реа
к
тивной мощности.

В
низковольтных распределительных сетях напряжением 380/220 В
значимым потребителем реактивной мощности являются газоразря
д
ные лампы (люминесцентные, ртутные). Это обусловлено наличием
дросселя в пускорегулирующем аппарате этих ламп. При необходим
о
сти для ко
мпенсации реактивной мощности светильника в него
встраивается индивидуальный конденсатор.

4. ИСТОЧНИКИ РЕАКТИВ
НОЙ МОЩНОСТИ

Проблема компенсации реактивных нагрузок значима лишь для
промышленных систем электроснабжения, т.

е. там, где имеется знач
и
тельная а
синхронно
-
двигательная нагрузка. В системах электросна
б
жения городов и сельскохозяйственных районов эта проблема не во
з
никает. Кроме трансформаторов там нет серьезных потребителей реа
к
тивной мощности.

Источниками реактивной мощности в системах электроснаб
жения
промышленных предприятий являются следующие: электрические с
е
ти энергоснабжающей организации, синхронные электродвигатели в
режиме перевозбуждения и специальные компенсирующие устройства
(батареи силовых конденсаторов, фильтрокомпенсирующие установки

и статические компенсирующие устройства, выполненные на базе с
о
временных силовых полупроводниковых приборов). Синхронные ко
м
пенсаторы используются в качестве КУ в электрических сетях энерг
о
систем на крупных узловых подстанциях при требуемой мощности КУ
не

менее 10

000 квар.

Важнейшей характеристикой ИРМ являются расчетные затраты:


,


(
9)

где



коэффициент эффективности капитальных вложений;



капитальные вложения в КУ, руб.;



годовые издержки на эксплу
а
тацию КУ, руб.;



постоянная составляющая затрат, не зависящая
от мощности ИРМ, руб.;



удельные затраты, пропорциональные
мощности ИРМ,
;



удельные затраты, пропорциональные
квадрату мощности ИРМ,
;



реактивная мощность ра
с
сматриваемого ИРМ, квар.

Синхронные генераторы.

Устанавливаются на электростанциях для
в
ыработки активной мощности. Поэтому для них
, а расчетные
затраты определяются как стоимость годовых потерь
, обусло
в
ленных выработкой реактивной мощности
:


,

где



удельная стоимость потерь мощности в электрических сетях,
;



,


(
10)

где

и



паспортные параметры синхронного генератора;



номинальная реактивная мощность генератора.

Синхронные компенсаторы.

Это специальные синхронные маш
и
ны, работающие в режиме холостого хода и предназначенные только
для выработки реактивной мощности в сетях энергосистем или очень
круп
ных промышленных предприятий.

Синхронные электродвигатели.

Получили широкое распростран
е
ние при требуемой мощности электропривода более 300 кВт, как более
экономичные. Работают в режиме перевозбуждения, являясь ИРМ.
Номинальные параметры синхронного двигат
еля:

,

,
,
.

Если двигатель не полностью загружен, то он может вырабатывать
реактивную мощность больше номинальной. Такой режим нецелес
о
образно использова
ть на практике из
-
за того, что возрастают потери в
двигателе и его нагрев за счет увеличенного тока статора.

Потери в синхронном двигателе на выработку реактивной мощн
о
сти определяются аналогично пот
ерям в синхронном генераторе (
10).

При изменении напряжен
ия в сети активная мощность двигателя не
изменяется (если не учитывать потери), а реактивная изменяется н
е
значительно.

В формуле расчетных затрат (
9) постоянная составляющая равна
нулю, а потери в двигателе, обусловленные выработкой реактивной
мощн
ости, вы
числяются по формуле (
10).

Конденсаторные батареи (БК).

Это наиболее широко применяемые
КУ, особенно в системах электроснабжения промышленных предпр
и
ятий. Из всех БК 20

% установлены в электрических сетях энергосистем,
а 80

%


в системах электроснабжения
промышленных предприятий.

Расчетные затраты на БК:


,

где



постоянная составляющая капитальных вложений, независ
я
щая от мощности БК (например, стоимость ячейки распределительного
устройства для подключения
БК);



удельная стоимость БК,
;



стоимость потерь электроэнергии в БК за
год, руб.;



удельная стоимость потерь мощности в электрических
сетях,
;


удельные потери мощности в БК,
.

При схеме соединения конденсаторов в треугольник мощность
трехфазной батареи:


, квар,


(
11)

где
U



линейное напряжение на зажимах
батареи, В;



угл
о
вая частота напряжения в сети;



суммарная по всем трем фазам
емкость конденсаторов, соединенных в треугольник и образу
ющих БК, Ф.

Следует отметить особенности БК как источника реактивной

мо
щ
ности (по сравнению с синхронными двигателями):



в формуле расчетных затрат (
9) для БК
, т.е. нет потерь,
зависимых от квадрата вырабатываемой мощности. Величина удел
ь
ных потерь на выработку 1 квар реактивной мощности почти на по
р
я
док меньше, чем для синхронных машин. В синхронных машинах р
е
активная составляющая тока протекает по статорным обмоткам,
имеющим существенное активное сопротивление, а в БК по коротким
токоведущим частям, соединяющим зажимы батареи с силовыми ко
н
денсаторами;



БК не имеют вращающихся частей и поэтому не требуют фунд
а
ментов, решения вопросов звукоизоляции и виброзащиты;



БК имеют малые габариты и вес, что обеспечивает возможность
их установки не только в электротехнических помещениях, но и в пр
о
изводс
твенных среди технологического оборудования;



при необходимости иметь регулирование мощности батарей они
выполняются многоступенчатыми и, как правило, должны оснащаться
автоматическими регуляторами. Это естественно увеличивает их
стоимость;



мощность БК за
ви
сит от квадрата напряжения (
11), что негати
в
но сказывается на стабилизации напряжения в узлах сети при дефиц
и
те реактивной мощности в сети. При снижении напряжения по каким
-
либо причинам реактивная мощность, вырабатываемая БК, уменьш
а
ется пропорционально к
вадрату напряжения. При этом увел
и
чиваю
тся
потери напряжения в сети (
7), что способствует дальнейшему умен
ь
шению напряжения. Это обстоятельство можно скомпе
н
сировать для

многоступенчатых регулируемых БК включением допо
л
нительных
ступеней, что должно обеспе
чиваться применением соо
т
ветствующих
регуляторов;



в режиме минимальных нагрузок мощность БК может оказаться
больше реактивной мощности нагрузки и возможен нежелательный
режим перекомпенсации:

(см. рис.

8.3). При этом реактивная
мо
щность выдается в сеть, величина

в выражении (
7) меняет
знак, уменьшаются

вплоть до отрицательных значений и напр
я
жение

значительно возрастает. Пропорционально квадрату этого
возрас
тания увеличится мощность БК, что еще сильнее повысит н
а
пряжение
, величина которого может стать недопустимо большой.
Второе негативное обстоятельство, возникающее в режиме переко
м
пенсации


увеличение потерь мощности в сети, третье



перегрузка
самой БК, вызывающая ее перегрев и сокращение срока службы. По
этим причинам не допускается применение низковольтных БК без а
в
томатических регуляторов мощности;



при несинусоидальности напряжения в сети БК могут перегр
у
жаться токами высших гар
моник вплоть до возникновения резонанса
токов, что делает работу БК невозможной. В таких случаях в качестве
КУ можно использовать фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ),
которые на частоте фильтруемой гармоники имеют близкое к нулю
сопротивление, а на част
оте первой гармоники являются эквивален
т
ной БК.

Статические КУ
, выполняемые на базе современной силовой п
о
лупроводниковой техники, например, на базе управляемого выпрям
и
теля с полностью управляемыми тиристорами, нагрузкой которого в
цепи постоянного тока
является индуктивность. Такие устройства
имеют возможность плавного регулирования вырабатываемой реа
к
тивной мощности, а также обладают высоким быстродействием. П
о
следнее обстоятельство позволяет дополнительно эффективно испол
ь
зовать их для уменьшения колеб
аний напряжения в сети с ударными
нагрузками. При ударных (резкопеременных) нагрузках величина

в
выражении (
7) быстро изменяется, что приводит к быстрому измен
е
нию

и соответственно
.

Компенсацией быстрых изменений

достигается снижение колебания напряжения в сети. Пока единстве
н
ным недостатком таких КУ является их высокая стоимость, которая в
соответствии с технологическим прогрессом в области силовой пол
у
пров
одниковой техники должна со временем снижаться.

5. КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТ
ИВНЫХ НАГРУЗОК

В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНА
БЖЕНИЯ

ПРОМЫШЛЕННЫХ ПРЕДПРИ
ЯТИЙ

Задача оптимальной компенсации реактивных нагрузок для систем
электроснабжения из
-
за большой размерности решается в два

этапа.

На первом этапе рассчитываются оптимальные мощности ИРМ для
различных узлов электроэнергетической системы и значения эконом
и
чески целесообразных реактивных мощностей
, передаваемых из
сетей энергосистемы в сети потребителей

в режиме максимальных н
а
грузок. Для каждого потребителя определяется величина экономич
е
ски целесообразного


,

где



максимальная активная нагрузка потребителя в часы ма
к
симума нагру
зки энергосистемы.

Критерием решения данной задачи является минимум расчетных
затрат. Постановку задачи выбора оптимальной мощности КУ ра
с
смотрим на примере использования БК.

На рис.
6 представлена обобщенная схема электроэнергетической
системы по отношени
ю к входному узлу системы электроснабжения
предприятия.

Чем больше мощность БК, тем больше затраты на их установку и тем
меньше затраты на потери в сети. Целью оптимизационной задачи явл
я
ется определение такой мощности БК, при которой суммарные затраты


принимают возмож
ное наименьшее значение (рис.

7).

Оптимальная (экономическая) мощность БК


, при которой
, соответствует точке 0. Мощность

целесообра
з
но перед
авать в данный узел от электростанций или других источн
и
ков реактивной мощности энергосистемы, так

как ее компоненты пр
и
водят к увеличению суммарных затрат. Для нахождения оптимального

решения используют тот факт, что в точке 0 производная


а
сательная к кривой З принимает горизонтальное положение). Поэтому



Рис.
6.

Расчетная схема


Рис.
7
. Зависимость целевой функции от мощности КУ


для получения оптимального решения необходимо зап
исать аналит
и
ческое выражение целевой функции, взять ее производную по реа
к
тивной мощности, приравнять к нулю и из полученного выражения
найти

и соответствующее ему
. Выражение для суммарных г
о
довых затрат и
меет вид:


,


(
12)

где



мощность, передаваемая по сети при установке в
узле мощности БК, равной
;



удельная стоимость потерь мо
щ
ности;



годовые удельные приведенные затраты на установку БК.

Оптимальное значение
Q
, обозначаемое
, находим, приравнивая
к нулю производную от 3 по
Q
. Не учитывая для простоты влияние
Q

на
U
, получаем



откуд
а


.


(
13)

Из (
13) видно, что экономическое значение некомпенсируемой (п
о
лучаемой от системы) мощности не зависит от ее начального знач
е
ния
, а зависит лишь от соотношения стоимостных показателей

и

и параметров сети
R

и
U
, по которой передается реактивная мо
щ
ность.
Значение

не зависит и от активной мощности
, поэтому норм
и
ров
ание потребления реактивной мощ
ности
должно произв
о
диться в
абсолютных единицах (квар), а не в относительных, испол
ь
зующих

(таких как
,

и т.п.). Но для упрощения взаим
о
отношений
между потребителем и энергоснабжающей орг
анизацией используются

значения
, которые указываются в технических условиях на пр
и
соединение потребителей к энергосистеме (для проектируемых пре
д
приятий) или в договоре на электроэнергию (для действующих потр
е
бителей).

На втором э
тапе


при проектировании систем электроснабжения
производится расчет оптимальной КРН при обеспечении условия:


,


(
14)

где



естественный тангенс φ, определяемый при расчете эле
к
трических нагрузок проекти
руемого объекта.


При эксплуатации действующих предприятий возможны две ситу
а
ции. Первая


когда условие (
14) выполняется и дополнительных р
а
бот
по КРН не требу
ется. Вторая


когда условие (
14) не выполняется, то
необходимо произвести работы по КРН. Если эт
и работы не выпо
л
нить,
то для данного потребителя вводится дополнительная оплата реакти
в
ной мощности в соответствии с установленными правилами.

Суммарная мощность источников реактивной мощности, которую
необходимо иметь в системе электроснабжения промышлен
ного пре
д
прия
тия, чтобы выполнить условие (
14), равна


, квар


(8.15)


, квар,

где



максимальная активная нагрузка предприятия в период
максимума нагрузки энергосистемы;



суммарная мощность
всех БК в электрической сети предприятия;



суммарная реа
к
тивная мощность синхронных электродвигателей, если они имеются.

Далее при проектировании оптимальной КРН намечаются места
установки конде
нсаторных батарей в сети, учитываются синхронные
двигатели и формируется целевая функция посредством суммирования
зат
рат, определяемых по формуле (
9), и записываются уравнения


о
г
раничения. С помощью математических методов оптимизации рассч
и
тываются такие

значения мощностей намеченных ИРМ, которые соо
т
ветствуют минимуму затрат при выполнении уравнений
-
ограничений.
Здесь необходимо помнить, что целевая функция затрат является пол
о
гой в области минимума, а исходные данные (капитал
ь
ные затраты,
стоимость поте
рь и др.) имеют погрешность. Поэтому большой точн
о
сти расчетов не требуется и на практике эти расчеты сводятся к опр
е
делению оптимальной мощности высоковольтных и низковольтных
БК, которые следует установить в электрической сети пр
омышленного
предприятия (
рис.

8).

Высоковольтные батареи (БКВ) имеют номинальное напряжение
10,5 или 6,3 кВ, подключаются к шинам РУ с помощью отдельной
ячейки и устанавливаются в электротехнических помещениях рас
-
пределительных устройств. Диапазон номинальных мощностей
500...3000

квар. Низковольтные батареи (БКН) имеют номинальное
напряжение 0,4 кВ, подключаются к сети 0,38 кВ и могут размещаться
как в электротехнических помещениях, так и среди технологического
оборудования в цехах промышленных предприятий. Диапазон ном
и
нальных мо
щностей от десятков до нескольких сотен квар.


Рис.
8
. Распределение компенсиру
ю
щих
устройств в системе электроснабжения
промышленного предприятия


Поскольку мощность БК за
висит от квадрата напряжения (
11),
удельная стоимость БКВ примерно в два раза ниже
удельной стоим
о
сти БКН. Поэтому с точки зрения минимума капитальных затрат на
и
более выгодной является установка БКВ. Но в этом случае (при

) не происходит уменьшение потерь мощности в трансформ
а
торах ТП и высоковольтной распределите
льной сети.

При установке БК на низкой стороне ТП реактивная мощность, п
е
редаваемая из сети 10 кВ в сеть 0,38 кВ, уменьшается и снижаются п
о
тери в трансформаторах ТП и в питающих трансформаторы кабелях


.

Для определения мощности ко
мпенсирующих устройств, до вел
и
чины
которой целесообра
зна установка конденсаторных батарей

на
стороне 0,4 кВ ТП (
), записывается функция годовых расчетных
з
а
трат




,

(
16)

где
Е


к
оэффициент отчислений от капитальных вложений;




удельная стоимость конденсаторных установок высокого и ни
з
кого напряжения;



удельные потери активной мощности в
конденсаторных уста
новках установок высокого и низкого напряж
е
ния;



удельная стоимость потерь активной мощности;


пр
и
веденное к напряжению 10 кВ сопротивление трансформатора цеховой
ТП и питающей его ЛЭП.

Целевая функция, з
а
писанная на основе выражения (
16), имеет вид


,


(
17)

где λ



неопределенный множитель Лагранжа;



б
а
ланс по реактивной мощности.

Взяв частные производные от (
17) по
,

, λ и приравняв их
нулю, можно получить выражение для оценки
:


.


(
18)

Величина

определяется исходя из условия баланса по реакти
в
ной мощности.

6. СХЕМЫ И КОНСТРУКЦ
ИИ

КО
НДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВ
ОК

Различают два вида компенсации реактивных нагрузок: индивид
у
альная и групповая. При индивидуальной компенсац
ии (рис.

9,
а
) с
и
ловые конденсаторы или БК подключаются непосредственно к заж
и
мам электроприемника (ЭП). Здесь не требуется о
тдельного защи
т
но
-
коммутационного аппарата, разряд конденсаторов после отключ
е
ния
производится на входные цепи электроприемника (не требуется спец
и
ального разрядного устройства), что приводит к значительному
уменьшению потерь мощности и напряжения.

Пример
ом использования такой компенсации является электр
о
снабжение уличного освещения с использованием длинных возду
ш
ных линий напряжением 380 В, когда для уменьшения потерь в этих
линиях в каждый пускорегулирующий аппарат уличных светильников
встраивается индив
идуальный конденсатор. Единственным недоста
т
ком индивидуальной КРН является малое по времени использование
установленной мощности БК, т.

е. этот вариант КРН


самый затра
т
ный. При отключении ЭП отключается и БК.

Групповая компенсация менее затратная и поэт
ому применяется
наиболее часто. Но здесь требуются отдельный защитно
-
коммутацион
-
ный аппарат и разрядное устройство
R

(рис.
9,
б
).



Рис.
9.

Виды компенсации реактивных нагрузок:

а



индивидуальная,
б



групповая


В зависимост
и от способа управления различают нерегулируемые и
регулируемые БК. Конденсаторные установки низкого напряжения
всегда выполняются многоступенчатыми и оснащаются автоматич
е
скими регуляторами для исключения перекомпенсации в минимальном
режиме. Принципы рег
улирования могут быть различными: по врем
е
ни суток, по величине реактивной мощности, по напряжению, по вел
и
чине полного тока, а также комбинированные (например, одновреме
н
но по реактивной мощности и напряжению).

Типовая схема конденсаторной установки низко
го напряжения
(БКН), оснащенной автоматическим регулятором по величине реа
к
тивной мощности, и ее подключения к РУ 0,4 кВ подс
танции показана
на рис.

10.


Рис.
10
. Типовая схема БКН и ее подключения к РУ 0,4 кВ


Конденсаторная установка подключена кабельно
й линией через а
в
томат
QF

к РУ 0,4 кВ ТП (или к РП в сети 380 В). Автомат обеспеч
и
вает защиту кабельной линии от коротких замыканий и перегрузок и
является резервной защитой от коротких замыканий внутри БКН. Р
у
бильник
QS

служит для отключения батареи и соз
дания видимого ра
з
рыва при ремонтах и профилактике. Плавкий предохранитель
FU


защищает от коротких замыканий во внутренних цепях БК. В батарее
имеется
n

(от 3 до 14) ступеней Ст каждая мощностью
.Ступени
набираются из трехфазных
силовых (косинусных) конденсаторов. Н
о
минальная мощность батареи
. Каждая ступень подключ
а
ется к сети отдельным магнитным пускателем
KM

и имеет разрядное
сопротивление
R
, служащее для разряда соответствующей ступени при
отключении е
е от сети. Это необходимо для обеспечения электробез
о
пасности и для предотвращения опасной возможности включения п
и
тания на неразряженные конденсаторы.

Работа БК, управляемой автоматическим регулятором по величине
реактивной мощности, происходит следующим
образом. На вход рег
у
лятора с трансформатора тока поступает величина тока ввода на сбо
р
ные шины (
) и величина напряжения с шин БК (
U
). В регуляторе
вычисляется реактивная мощность, поступающая по вводу


.

Пр
и

все ступени БК отключены. При увеличении

во
з
растает
. Если возрастающая

становится больше уставки рег
у
лятора
, то регулятором включ
ается первая ступень БК и реакти
в
ная мощность ввода уменьшается на величину мощности одной
ступени
. При дальнейшем увеличении

аналогично включается
вт
о
рая ступень и так далее до
n
-
й ступени. При снижении
, при

отключается старшая по номеру из включенных ступеней. При
дал
ь
нейшем уменьшении

отключается следующая ступень и так
далее. При уменьшении

до нуля последн
ей отключается первая
ступень. Чтобы отстроиться от кратковременных толчков реакти
в
ной
нагрузки и дать время на разрядку конденсаторов ступени, включ
е
ние ее производят с выдержкой времени около 40 секунд. Выдержка
времени на отключение ступеней составляе
т несколько секунд и служит
для о
т
стройки

регулятора от кратковременных провалов напряжения в
сети.

Силовые низковольтные конденсаторы имеют трехфазное испо
л
нение


три конденсатора, соединенных внутри корпуса в треугольник.

Корпус заполнен изолирующей жид
костью и снабжен тремя выводами.
Современные в технологическом плане низковольтные конденсаторы
содержат внутри корпуса узел прерывания тока, который выполняет
две функции. Первая


механически отрывает выводы конденсатора от
внутренних цепей в случае взду
тия корпуса, предотвращая возмо
ж
ность взрыва конденсатора при повышении давления внутри его ко
р
пуса. Вторая


является своеобразным плавким предохранителем.

Допустимая перегрузка силовых конденсаторов составляет по току
30

%, по напряжению 10

%. Причины пе
регрузки


превышение н
а
пряжения в сети относительно номинального или наличие в сети вы
с
ших гармоник напряжения.

Конденсаторные установки низкого напряжения оснащаются защ
и
той от коротких замыканий и от перегрузок. Защита от коротких зам
ы
каний реализуется
предохранителями (рис.

8.10). Номинальный ток
плавких вставок отстраивается от пикового тока включения по усл
о
вию
, поэтому защитить БКН от перегрузки плавкие
предохранители не могут. Чаще всего защита БКН от перегрузки в
ы
полняется
с помощью теплового реле, включенного в цепь первой ст
у
пени. При перегрузке первой ступени автоматически отключаются и
все остальные ступени.

Разряд конденсаторов после отключения ступени БК производится
обычно с помощью резисторов
R

(рис.
10), глухо подклю
ченных к в
ы
водам конденсаторов. Величина сопротивления этих резисторов выб
и
рается с учетом двух противоположных требований: чем больше с
о
противление, тем меньше потери активной энергии в резисторах, но и
тем больше время разряда. Поэтому сопротивление рези
сторов выб
и
рают исходя из максимально допустимого времени разряда конденс
а
торов около 40 секунд.

Высоковольтные силовые конденсаторы имеют однофазное испо
л
нение и соединяются в треугольник. Для предотвращения возможн
о
сти взрыва и пожара каждый такой конде
нсатор оснащается индивид
у
альным токоограничивающим плавким предохранителем (например,
типа ПК
-
10), что усложняет и утяжеляет конструкцию высоковоль
т
ных БК.



Рис.
11
. Схема подключения БКВ


Типовая схема конденсаторной установки высокого напряжения с
рег
улировани
ем мощности приведена на рис.

11. На этой схеме БКВ,
содержащая
n

ступеней, подключена с помощью кабельной линии к
шинам РУ 10 кВ. При этом длина КЛ невелика, так как конденсаторная
установка размещается в электротехническом помещении, входящем в
конструкцию распределительного устройства 10 кВ, и потери в этой
линии можно не учитывать. На вводе в БКВ может быть установлен

выключатель, но возможен вариант и без него, когда защита установки
и линии вынесена в ячейку распределительного устройства 10 к
В. К
а
ждая из
n

ступеней БКВ оснащается своим защитно
-
коммутационным
аппаратом и разрядным устройством (двумя однофазными трансфо
р
маторами напряжения НОМ
-
10). Так как в системах электроснабжения
многих промышленных предприятий имеется постоянный обслуж
и
ваю
щий персонал, то возможно ручное управление ступенями БКВ,
хотя автоматическое управление в современных условиях предпочт
и
тельнее.








Приложенные файлы

  • pdf 5934126
    Размер файла: 564 kB Загрузок: 0

Добавить комментарий