устройства продольной компенсации конденсаторные батареи включенные в рассечку линии
Продольная компенсация реактивной мощности — физический смысл и техническая реализация
Установки синхронной компенсации реактивной мощности
Установки синхронной компенсации реактивной мощности используются в энергосетях развитых стран мира уже более 50 лет, однако из-за больших потерь в сравнении с статическими устройствами компенсации реактивной мощности и стоимости (в том числе систем защиты от токов короткого замыкания) установки синхронной компенсации реактивной мощности постепенно заменяются более прогрессивными устройствами. Кроме того, установки синхронной компенсации реактивной мощности, а по факту — синхронные двигатели специальной конструкции, работающие на холостом ходу и в режиме перевозбуждения обмотки генерирующие реактивную мощность — являются средствами пассивной компенсации и не могут быть адаптированы в системах FACTS.
Переключаемые тиристорные установки компенсации реактивной мощности типа TSC. Это статические конденсаторные установки с различным числом ступеней, управляемые тиристорными переключателями, обеспечивающими быстрое подключение/отключение ступеней в момент равенства напряжений на конденсаторных блоках и в сети. Впервые статические установки компенсации реактивной мощности типа TSC были использованы ASEA в 1971 году, имели среднюю задержку переключения от половины до цикла колебаний по току/напряжению, по факту не генерировали гармоник и отличались простотой конструктивных решений.
Рис. Переключаемая тиристорами конденсаторная установка компенсации реактивной мощности. Вместе с тем, устройства типа TSC остались ступенчатыми, а значит дискретными по потокам генерируемой мощности, а каждая батарея конденсаторов оборудовалась своим тиристорным переключателем, что делало установку материалоемкой и финансово затратной.
Отчасти недостатки финансовой доступности установок типа TSC были устранены применением тиристорно-диодных схем, к тому же выгодно отличающихся почти полным отсутствием импульсных токов при переключении, однако имеющих запаздывание включения/отключения ступени не менее одного цикла в сравнении половиной цикла у установок TSC.
Рис. Бинарные тиристорно-диодные переключатели статических установок компенсации реактивной мощности.
Рис. Диаграммы токов бинарной тиристорно-диодной установки компенсации реактивной мощности, где: а — d — токи по В1 — В4; е — результирующая кривая тока установки. Управляемые тиристорами реакторы.
Управляемые тиристорами реакторы (тип TCR), как правило, имеют батареи статических конденсаторов, фильтры гармоник низшего порядка и управляемую тиристорами индуктивность (собственно реактор), интегрируемую в каждую фазу питающей сети. Управляемая тиристорами индуктивность используется для демпфирования избытка реактивной мощности, генерируемой конденсаторами, что исключает риски перенапряжения. В то же время тиристорное управление, как конденсаторными блоками, так и индуктивностью позволяет формировать достаточно плавную компенсацию реактивной мощности, хотя для получения реально плавной на практике компенсации используют:
дорогие управляемые тиристорные генераторы, построенные по трех-, шести и более импульсной топологии.
Рис. Трех импульсные (слева) управляемые тиристорами реакторы с пассивными фильтрами низкоуровневых гармоник и двенадцати импульсные (справа) управляемые тиристорами реакторы типа TCR с трансформатором для смещения фаз, позволяющего устранить гармоники 5 и 7 порядка без использования пассивных фильтров.
комбинированные установки компенсации реактивной мощности TSC-TCR с управлением тиристорным переключением ступеней батарей статических конденсаторов и реакторов.
Рис. Типовая топология комбинированной установки компенсации реактивной мощности TSC-TCR.
тиристорно-управляемые установки последовательной (продольной) компенсации TCSC (ThyristorControlledSeriesCompensator).
Рис. Типовая топология тиристорно-управляемой установки последовательной (продольной) компенсации TCSC.
Основные компоненты УКРМ
Для компенсации индуктивной составляющей реактивной мощности применяют конденсаторные установки. Иногда их объединяют в целые батареи и оснащают различной коммутирующей аппаратурой. Она необходима для автоматического переключения конденсаторов с целью повышения или понижения конечной ёмкости батареи. Дополнительно требуется к.л. измерительный прибор для отслеживания коэффициента мощности cosф и прочих параметров УКРМ. На сегодняшний день такие контроллеры выполняются на основе микропроцессоров, которые делают всю работу без вмешательства человека.
Конденсаторный компенсатор
Ёмкостная составляющая компенсируется похожим образом. Здесь уже в качестве выравнивающего cosф устройства выступают синхронные двигатели или специальные реакторы (катушки, дроссели). Ёмкостная составляющая свойственна протяжённым кабельным и воздушным линиям, а не самому промышленному оборудованию.
Определение емкости конденсаторов
При проектировании УКРМ следует уделить внимание расчету ёмкости и мощности конденсаторных установок
Важно это по той причине, что в случае неправильного выбора этих параметров установка может нанести электросети больше вреда, чем пользы. Формула для расчета необходимой ёмкости конденсатора имеет следующий вид
Формула для расчета необходимой ёмкости конденсатора имеет следующий вид.
Переменная Q, в свою очередь, определяется по следующему выражению.
Реактивная мощность конденсатора
Таблица для расчёта УКРМ
Дополнительная информация. На просторах интернета полно ресурсов, содержащих в себе калькуляторы для онлайн расчета различных параметров компенсаторов.
Виды компенсаторов и их принцип действия
Чаще всего в роли компенсирующего устройства применяется либо батареи конденсаторов, либо двигатели. При этом может использоваться как один компенсатор, так и множество подключенных параллельно.
В течение дня баланс мощности в сети может изменяться, на что УКРМ должно реагировать соответствующим образом. С этой точки зрения компенсаторы бывают:
В зависимости от условий эксплуатации выделяют следующие типы коммутирующих устройств:
Риски перекомпенсации реактивной мощности в промышленных сетях электроснабжения
Двигателя мощных электронасосов сетей водо-/теплоснабжения, трансформаторы электропечей с технологическими процессами изменения температуры во времени, электродвигатели клетей прокатных станов, компрессоры и трансформаторы автоклавов для синтезного твердения ячеистых бетонов, трансформаторы индукционных печей и т.д. и т.п. работают в режимах с быстрым, часто скачкообразным изменением потребляемого тока нагрузки, как правило зависящим от внешних условий и сложно прогнозируемым.
Это в итоге определяет динамичность соотношения активного тока (тока нагрузки), синфазного напряжению и реактивного тока, синусоида которого смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан и идущего на намагничивание обмотки трансформатора/двигателя, нагрев, преодоление сил трения и пр., а значит и динамичность угла запаздывания общей синусоиды тока относительно синусоиды напряжения и величины косинуса (тангенса) этого угла — по факту коэффициента реактивной мощности.
Т.е., как при групповой, так и при индивидуальной компенсации трансформаторов и электродвигателей (групп трансформаторов/электродвигателей) оборудования/производственных линий и простых и сложных технологических процессов в подавляющем большинстве случаев коэффициент мощности не является статичной величиной. Поэтому при использовании для коррекции коэффициента мощности компенсационных установок с ручным управлением (нерегулируемых в автоматическом режиме) велики риски, как недокомпенсации, так и перекомпенсации реактивной мощности с «выбросом» в сеть емкостных токов, так же негативно влияющих на уровень сетевого напряжения и качество электроэнергии, как и реактивные токи.
Определение
Реактивная мощность не выполняет полезной работы. Она обусловлена наличием у потребителя индуктивной или ёмкостной составляющей нагрузки. На предприятиях реактивная мощность возникает при работе электрических двигателей, трансформаторов или ламп ДРЛ. В домашних условиях это моторы пылесосов, стиральных машин или компрессоров холодильников. На корпусе данных агрегатов часто можно увидеть параметр cosф, называемый коэффициентом мощности. Он количественно характеризует долю реактива.
Обратите внимание! Cosф – параметр крайне нестабильный. Он способен меняться в широком диапазоне с течением года и временем суток
Также коэффициент мощности тесно связан с будними и выходными днями.
Бирка на двигателе
Все перечисленное служит примером источников индуктивной составляющей. Гораздо реже встречается ёмкостная. К её примерам относятся мощные импульсные блоки питания и всё, что во входной части содержит конденсаторы.
Продольная компенсация
Продольная компенсация
Из расчетной формулы потери напряжения в сети:
ΔU = (((P·R0 + Q·X0) · l) / Uн), видно, что одним из ее членов является произведение реактивной мощности или тока Iр на реактивное сопротивление XL, состоящее из индуктивных сопротивлений трансформатора и проводов линий.
Известно, что в последовательной цепи, состоящей из индуктивного и емкостного сопротивления: Xc = 1 / (2·π·f·C), суммарное реактивное сопротивление будет определяться их разностью, то есть: Xобщ = XL — XC.
Такой способ уменьшения реактивного сопротивления в электрических сетях получил название «продольной компенсации», а установки конденсаторов, включенных последовательно в рассечку каждого из проводов линии, названы установками ПЕК или УПК. Изменяя число и емкость конденсаторов, то есть влияя на емкостное сопротивление Xc, можно получить любую величину потери напряжения в линии, и даже отрицательную величину, когда напряжение в конце линии окажется выше, чем в начале.
При равенстве индуктивного сопротивления линии емкостному сопротивлению конденсаторов величина потери напряжения в сети определяется только ее активным сопротивлением. Последовательное включение конденсаторов сеть для получения надбавки напряжения является целесообразным при относительно невысоких коэффициентах мощности и в сетях со сравнительно крупными сечениями проводов, так как при малых сечениях проводов потеря напряжения в линии определяется в основном ее активным сопротивлением и включение конденсаторов мало повлияет на величину отклонений напряжения у потребителей.
В тех случаях, когда потребитель имеет резко переменный режим, включение последовательных конденсаторов является почти единственным средством сглаживания пульсаций напряжения, так как все другие средства требуют для перехода от одного режима к другому некоторого времени, что приводит к запаздыванию эффекта их действия. Конденсаторные батареи при их установке в рассечку линии должны рассчитываться на проходную мощность линии, так как напряжение между их обкладками определяется не рабочим напряжением сети, а произведением тока на сопротивление. В том случае, если в рассечку линии, например, напряжением 10 кВ включаются конденсаторы на более низкое напряжение, все конденсаторы батарей должны быть надежно изолированы от земли. Следует отметить, что продольная компенсация приводит к увеличению токов короткого замыкания и может оказаться причиной резонансных перенапряжений, однако в местных и заводских сетях это не может служить препятствием к применению.
Пример к теме. Определить число и общую мощность батареи конденсаторов, применяемых для получения надбавки напряжения в воздушной сети, если известно, что в режиме максимальной нагрузки потери напряжения за счет конденсаторов должны быть снижены на 50 %. Напряжение сети 3 кВ. Активное сопротивление R=4 Ом. Реактивное сопротивление XL = 4 Ом. Передаваемая по линии мощность P = 100 кВт. Коэффициент мощности нагрузки равен 0,8. Проверить возможность использования трансформаторов КОМ-6-8-1, имеющих рабочее напряжение 600 В, типовую мощность 8,5 кВАр, емкость 75 мкф.
Решение. Используя исходные данные и формулу потерь напряжения
Потеря напряжения до компенсации:
ΔU = (100·4 + 75·4) / 3, где Q = P·tgϕ = 100·0,75
Потеря напряжения после компенсации определится из формулы
((100·4 + 75·4) / 3) ·0,5 = ((100·4 + 75· [4 — XC]) / 3),
отсюда искомое емкостное сопротивление XC = 350/75 = 4,67 Ом.
Необходимая емкость одной фазы может быть определена из выражения: Xc = 1 / (2·π·f·C), где с учетом размерности емкость в микрофарадах:
C = 10 6 / (2·π·f ·Xc), откуда C = 1000000 / (314·4,67) = 682 мкф.
Зная емкость одного конденсатора С0 = 75 мкф, определяем нужное число их при параллельном соединении:
N = C / C0 = 682 / 75 = 9; nобщ = 3·n = 3·9 = 27.
Рабочий ток в линии электропередачи будет:
Iраб = P / (1,732·Uн·cosϕ) = 100 / (1,732·3·0,8) = 24 А.
Ток в каждой ветви батареи будет: Iс = Iраб / n = 24 / 9 = 2,67 А.
Сопротивление каждого конденсатора:
Xc0 = 1 / (2·π·f·C0) = 10 6 / 314·75 = 42,5 Ом, а напряжение на конденсаторах в рабочем режиме: Uс = Iс·Xc0 = 2,67·42,5 = 113 В.
Общая мощность батареи конденсаторов:
Отсюда следует, что никакой необходимости устанавливать для компенсации индуктивного сопротивления конденсаторы, рассчитанные на рабочее напряжение сети. Последовательно включенные конденсаторы в УПК по сравнению с широко распространенной схемой их параллельного включения имеют ряд особенностей, одной из которых является необходимость применения конденсаторов типа КМП. Установка состоит всегда из однофазных бумажно-маслянных конденсаторов.
В фабрично-заводских условиях конденсаторы можно устанавливать в закрытом помещении на опорных изоляторах в виде трех отдельных групп. Каждая группа конденсаторов должна иметь средства управления и для защиты от перенапряжений — разрядник. В качестве разрядника используются тарельчатые искровые промежутки стандартного вентильного разрядника, установленные в корпусе низковольтного разрядника РВН. Разрядник защищающий УПК от перенапряжений, возникающих при затяжных коротких замыканиях. В соответствии с заводскими данными конденсаторы допускают 2-4-кратное повышение напряжения сверх номинального на время, достаточное для отключения линии защитой.
С целью повышения эффективности работы уже существующих линий электропередач, а так же для улучшения их пропускной способности, применяют устройства продольной компенсации реактивной мощности. На сегодняшний день обилие разнообразных генерирующих источников различной мощности, как и высоковольтных линий, особенно тех, что передают электроэнергию на большие расстояния, приводит к возрастающему спросу на повышение не только надежности энергосистем в целом, но и на улучшение их экономичности.
Известно, что при передаче по проводам реактивной мощности, имеют место значительные падения напряжения и возрастания тока в участках электрических сетей, и это создает ограничения для передачи полезной, активной мощности.
Продольная компенсация реактивной мощности предполагает дополнительное включение конденсаторов последовательно с нагрузкой через вольтодобавочный или разделительный трансформаторы, что позволяет достичь автоматического регулирования напряжения в зависимости от текущей величины тока нагрузки.
Конечно, при продольной компенсации неизбежны и аварийные режимы, причинами которых могут стать:
расшунтирование конденсаторов, могущее вызвать перенапряжение;
повреждения конденсаторов изнутри.
Чтобы избежать повреждений от резкого повышения напряжения конденсаторы в такие моменты должны автоматически шунтироваться высоковольтным выключателем или мгновенно разряжаться через искровой промежуток.
Так как конденсаторы для продольной компенсации реактивной мощности включаются последовательно в цепь переменного тока, то через них течет полный ток линии, и следовательно, ток короткого замыкания, в случае возникновения такового, тоже потечет через них.
Для увеличения пропускной способности, продольная компенсация применяется в высоковольтных линиях, чем обеспечивает устойчивость энергосистем, которые включают в себя эти линии.
При продольной компенсации ток конденсатора равен текущему через него полному току нагрузки I, и мощность батареи конденсаторов Q является величиной переменной, зависящей от нагрузки в каждый конкретный момент времени. Эту реактивную мощность можно вычислить по формуле:
И поскольку мощность на конденсаторах в процессе продольной компенсации не остается постоянной, то и напряжение повышается на величину, которая оказывается пропорциональна изменению реактивной нагрузки данной линии, то есть напряжение на конденсаторах так же отнюдь не постоянно, как это имеет место при поперечной компенсации реактивной мощности.
Сегодня пользуются большой популярностью переключаемые установки емкостной продольной компенсации. Такие установки применяются с целью снижения влияния индуктивной составляющей реактивного сопротивления трансформаторов тяговых сетей и тяговых подстанций на напряжение, прикладываемое к токоприемнику электровоза. Здесь, как говорилось выше, последовательно с токоприемником включается емкость.
На российских тяговых подстанциях монтируют данные установки в отсасывающую линию, в которой установка продольной компенсации служит для повышения напряжения, предотвращения эффекта опережения или отставания фаз, получаются симметричные напряжения с равными токами в плечах питания, снижается общий класс напряжения для рабочего оборудования, а конструкция установки упрощается.
На приведенном рисунке показана схема, где изображена лишь одна секция конденсаторов продольной компенсации, которых на самом деле несколько, подключенных параллельно между собой.
Напряжение на низковольтные обмотки трансформаторов Т1 и Т2, соединенных последовательно, подается от одного ряда конденсаторов через тиристорный ключ и ограничительный резистор. При этом высоковольтные обмотки данных трансформаторов соединены встречно, и при сквозном коротком замыкании напряжение на конденсаторах растет.
В момент, когда напряжение достигает уставки, тиристорный ключ срабатывает, и тут же зажигается дуга трехэлектродного разрядника. Когда вакуумный контактор включается, дуга в разряднике гаснет.
К достоинствам таких установок продольной компенсации относятся:
симметричное напряжение на шинах;
снижение колебаний напряжения и повышение его уровня на электроприемниках.
тяжелые рабочие условия для конденсаторов установки в сравнении с поперечной компенсацией, поскольку ток короткого замыкания тяговой сети протекает через конденсаторы, и здесь нужна надежная сверхбыстродействующая защита;
перегрузка конденсаторов в опасных режимах: вынужденном, аварийном, послеаварийном.
Чтобы достичь лучшего эффекта от компенсации реактивной мощности, следует применять регулируемые установки с совместной работой продольной и поперечной компенсации.
К преимуществам применения установок продольной компенсации в целом относятся:
увеличение передаваемой по линии мощности;
повышение стабильности работы энергосистем при пиковых нагрузках;
значительное снижение потерь активной мощности;
повышение качества электроэнергии в сетях;
высокая экономичность распределения мощности в параллельных линиях;
исчезает необходимость возведения генерирующих источников на удаленных территориях;
межсистемные сечения и технические параметры линий не нуждаются в увеличении.
Главное экономическое достоинство применения устройств продольной компенсации заключается в энергосбережении. Мало того, что повышается качество электроэнергии, так еще и количество линий электропередач может быть снижено, если применяется продольная компенсация реактивной мощности. Защита окружающей среды становится естественным следствием внедрения данной технологии, особенно в крупных масштабах.
Стоимостные показатели установок таковы, что новая линия электропередач обходится в 10 раз дороже, чем устройство продольной компенсации, дающее ту же пропускную способность. В итоге окупаемость такой системы составляет лишь несколько лет, по сравнению с традиционными ЛЭП.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети: