Компенсация реактиваной мощности

До заходів щодо природної компенсації  відносяться:

• впорядкування технологічного процесу, що веде до покращення енергетичного режиму обладнання та вирівнювання графіка навантаження (рівномірне розміщення навантажень по фазах, зміщення часу обідніх перерв, початку і закінчення зміни окремих цехів і дільниць, переклад енергоємних великих електроприймачів на роботу поза годин максимуму енергосистеми, вивід в ремонт потужних електро-приймачів в години максимуму енергосистеми);
• створення раціональної схеми електропостачання за рахунок зменшення кількості ступінів трансформації;
• заміна електрообладнання старих конструкцій на нове з меншими втратами на перемагнічування;
• заміна малозавантажених трансформаторів і двигунів меншими за потужністю або їх повне завантаження;
• застосування синхронних двигунів замість асинхронних, коли це допустимо за умовами технологічного процесу;
• обмеження тривалості холостого ходу двигунів і зварювальних трансформаторів;
• скорочення тривалості і розсередження в часі пуску великих електроприймачів;
• поліпшення якості ремонту електродвигунів;
• відключення при малому навантаженні частини силових трансформаторів.

Частина заходів щодо природної  компенсації реактивної потужності не вимагає великих матеріальних витрат і повинна проводиться на підприємствах в першу чергу. Проблема компенсації реактивної потужності включає в себе цілий ряд техніко-економічних завдань, до числа яких можна віднести:

• організацію заходів для реалізації природної компенсації;
• вибір видів і типів компенсувальних пристроїв;
• розміщення компенсувальних пристроїв в мережах;
• оптимізацію режимів роботи компенсувальних пристроїв.

 

Вибір найбільш ефективного  варіанту компенсації, необхідної потужності і типу компенсувального пристрою повинен спиратися на аналіз схеми мережі електропостачання промислового підприємства.

 

 

 

 

 

 

2. Послідовна компенсація реактивної потужності

При послідовній компенсації конденсатори включаються в мережу послідовно. Через них проходить повний струм лінії. Схема установки поздовжньої компенсації (УПК) лінії із зазначенням-ем складу її обладнання показана на рис. 9. Схема заміщення КПК, в якій послідовно з опорами лінії і Х_L включено ємнісний опір Х_С, наведена на рис.10а. Діючі значення струму і напруги на ділянках послідовного ланцюга визначаються виразами:

В залежності від співвідношення між індуктивним і ємнісним опорами векторна діаграма , , - ланцюга має три види:

• при індуктивному характері ланцюга, коли , кут                  , струм відстає від наруги (рис. 10б)
• при ємнісному характері ланцюга, коли , кут , струм випереджає наругу (рис. 10в)
• при , кут , струм збігається за фазою з наругою , а падіння напруги в індуктивності й ємності рівні між собою і компенсуються, так як взаємно протилежні за напрямком (рис.10г).

Рис. 9. Схема установки з послідовною  компенсацією

 

Рис. 10. Схема заміщення й векторні діаграми УПК

 

 

Останній випадок називається резонансом напруг, характеризуется максимальним значенням струму в ланцюзі при :

 

У системах електропостачання, де активний опір невеликий в порівнянні з індуктивним опором трансформаторів, при резонансі напруг в режимі короткого замикання може бути дуже великим струм КЗ і неприпустимі підвищення напруги на ін-дуктівності і ємності: при ,  = → ∞.Тому в установках поздовжньої компенсації ємність вибирається з розрахунку, щоб напруга на конденсаторах = I ⋅ становило 5-20% номінальної напруги мережі. При цьому ємність УПК компенсує лише частину втрат реактивної потужності:

 

тобто УПК практично не є джерелом потужності. Опір шунта (рис. 9), що перевищує опір конденсаторів приблизно на порядок, обмежує резонансні явища в установках поздовжньої компенсації. Головне призначення поздовжньої компенсації - часткова компенсація індуктивного опору ділянок електричного кола для зменшення втрати напруги в них. Вплив УПК на співвідношення напруг на початку і в кінці ділянки мережі ілюструє векторна діаграма на рис. 11. При наявності в ланцюзі тільки опорів і напруга в кінці лінії менше напруги на її початку на величину падіння напруги на активному і індуктивному опорах (суцільна лінія на рис. 11б), при цьому > , > . Якщо включити послідовно ємність , то з'явиться ще одна складова падіння напруги. Її напрямок на діаграмі протилежний індуктивній складовій (пунктирні лінії на рис. 4.11б). Вибором значення можна знизити різниця напруг та . Найбільш істотний вплив УПК робить на напруги при низькому . Компенсація індуктивного опору кола ємністю привозводить до підвищення струмів КЗ у всіх елементах трансформаторної підстанції. Причому це особливо небезпечно для самих конденсаторів УПК, так як напруга на них при наскрізних струмах короткого замикання зростає пропорційно кратності струму КЗ

.

Рис. 11. Вплив поздовжньої компенсації на співвідношення напруг на початку і в кінці лінії: а - схема включення ємності в навантажувальну ланцюг; б - векторна діаграма

 

Для захисту конденсаторів  шляхом їх шунтування при наскрізних струмах КЗ можуть застосовуватися, наприклад, іскрові спікаючі розрядники (див. рис. 9), які після спрацювання тимчасово виводяться з роботи за допомогою роз'єднувачів QS1, QS2 і QS3 для відновлення розрядних властивостей.

Перевагою УПК є здатність стабілізації напруги при зміні навантаженні. Якщо, наприклад, при струм різко збільшиться, то зміниться лише величина ⋅ (рис. 11), що несуттєво при малому значенні опору . Збільшення падіння напруги в індуктивності ⋅ компенсується збільшенням падіння напруги на ємності (- ⋅ ).

 

 

 

3. Особливості послідовної компенсації

Схема включення ємності  в навантажувальний ланцюг при поздовжній компенсації наведена на рис. 4.11а. Потужність конденсатора визначається співвідношенням:

 

з іншого боку

 

де  - струм, що протікає через конденсатор. З цього виразу випливає:

 

Підставимо у формулу вище й  отримаємо:

 

Так як при поздовжній компенсації струм конденсатора дорівнює струму, що проходить через нього повному струму навантаження лінії (рис. 11а), то

 

Таким чином, потужність конденсаторів  при поздовжньій компенсації є величиною змінною і залежить від мінливого у часі струму навантаження лінії.

До компенсації втрати напруги в трифазній лінії  рассчіти-вають за висловом

 

а після компенсації

 

Зменшення втрати напруги складає:

 

З цього виразу випливає, що рівень напруги підвищується не на постійну величину, а на величину, що змінюється пропорційно зміні реактивного навантаження лінії (при незмінному значенні для встановлених конденсаторів). Вибором потужності конденсаторів можна домогтися рівності напруг на початку і приймальному кінці лінії.

Розглянемо як впливає зміна навантаження на втрати напруги в мережі. До компенсації втрати напруги:

• при повному навантаженні:

 

•  при неповному навантаженні:

 

де  k – коефіцієнт, який враховує пропорційне зменшення навантаження.

• зменшення втрат напруги:

 

Втрати напруги з урахуванням  послідовної компенсації:

• при повному навантаженні:

 

• при неповному  навантаженні:

 

• зменшення втрат  напруги:

 

Так як a – величина постійна для певного ступіню завантаження лінії, то

 

З цього випливає, що при зміні навантаження лінії коливання напруги в ній при наявності поздовжньої компенсації будуть меншими, ніж при її відсутності. Якщо підбором опорів домогтися рівності напруги на початку і приймальному кінці лінії (), то при будь-якій зміні навантаження ніякої зміни напруги на приймальному кінці лінії не буде - напруга буде стабільною, так як в цьому випадку

 

Ступінь стійкості системи  при всіх інших рівних умовах обернено пропорційна величині реактивного опору системи. Так як при поздовжній компенсації зменшується реактивний опір лінії, а отже, і системи, то стійкість останньої підвищується. Поздовжня компенсація, яка підвищує стійкість системи, підвищує ще й рівень і зменшує коливання напруги, може розв’язати труднощі, які пов'язані з великою протяжністю ліній електропередачі

 

4. Спрощений метод визначення опору конденсаторних установок послідовної компенсації

Основним параметром УПК є ємнісний опір конденсаторів . При його виборі необхідно виходити з величини підвищення напруги . З векторної діаграми установки послідовної компенсації (рис. 12) виводиться рівняння

 

  де  - напруга на виході установки; - лінійна напруга на вході установки; - опір установки; - струм навантаження; - кут між струмом і напругою установки. З цього рівняння можна визначити умови для

Рис. 12. Векторна діаграма УПК

, щоб при заданих  , і співвідношення напруг мало б максимальне значення. Для цього вирішується рівняння

і знаходимо необхідну умову  для ємнісного опору устаткування:

 

При такому значенні досягається максимальне значення відношення напруг:

 

З рівняння видно, що установка поздовжньої компенсації має ряд характерних особливостей, які виражаються в тому, що відносне підвищення напруги залежить в основному від характеру навантаження, який визначається величиною струму і коефіцієнтом потужності навантаження і їх взаємною зміною в часі. Відносне підвищення напруги збільшується з ростом струму навантаження і зменшенням коефіцієнта потужності. Зі збільшенням ємнісного опору збільшується, досягаючи при виконанні умови максимального значення. При цьому максимальне значення відносного підвищення напруги залежить тільки від коефіцієнта потужності навантаження, збільшуючись зі зменшенням його значення.

За рис.16 можна встановити зв'язок між коефіцієнтами потужності навантаження до і після установки поздовжньої компенсації, яка визначається залежністю

 

Установка поздовжньої  компенсації покращує коефіцієнт потужності тим більше, чим більше вона підвищує напругу мережі.

Для більш точного визначення необхідно враховувати вплив небажаних режимів, поздовжню і поперечну складові падіння напруги в мережі і статичні характеристики споживачів електроенергії.

 

ВИСНОВОК

Значну частину електроустаткування  будь-якого підприємства становлять пристрої, обов'язковою умовою нормальної роботи яких є створення в них  магнітних полів, а саме: трансформатори, асинхронні двигуни, індукційні печі та інші пристрої, які можна узагальнено  охарактеризувати як «індуктивне навантаження». Оскільки однією з особливостей індуктивності є властивість зберігати незмінним струм, що протікає через неї, то при протіканні струму навантаження з'являється фазовий зсув між струмом і напругою (струм «відстає» від напруги на фазовий кут). Різні знаки у струму і напруги на період фазового зсуву, як наслідок, призводять до зниження енергії електромагнітних полів індуктивностей, яка заповнюється з мережі. Для більшості промислових споживачів це означає наступне: по мережах між джерелом електроенергії і споживачем крім активної енергії, яка є корисною, протікає і реактивна енергія, котра не здійснює корисної роботи і спрямована лише на створення магнітних полів в індуктивному навантаженні. Активна і реактивна енергії складають повну енергію, при цьому частка активної енергії по відношенню до повної визначається косинусом кута зсуву фаз між струмом і напругою - cosφ. Однак, протікаючи по кабелях і обмотках трансформаторів, реактивний струм знижує в межах їх пропускної спроможності частку активного струму, що по них протікає, цим самим викликаючи значні додаткові втрати в провідниках на нагрівання - тобто активні втрати. З цього випливає, що відповідно до сучасних правил розрахунку електроенергії, споживач змушений як мінімум двічі платити за одні й ті самі непродуктивні витрати. Один раз - безпосередньо за спожиту із мережі реактивну енергію (за лічильником реактивної енергії) і другий раз - за неї ж, але побічно, оплачуючи активні втрати від протікання реактивної енергії, що враховуються лічильником активної енергії. Змінити дану ситуацію можна шляхом розміщення джерела реактивної енергії безпосередньо у споживачів - це дає можливість розвантажити мережі від реактивного струму і практично виключити всі вищеописані недоліки - тобто «компенсувати» індуктивну реактивну потужність. Таким джерелом слугують інші фазозсувальні елементи - конденсатори. На противагу індуктивності, конденсатори зберігають незмінну напругу на своїх затискачах, тобто для них струм «випереджає» напругу. Оскільки величина споживаної електроенергії на будь-якому підприємстві ніколи не є постійною і може змінюватися в істотному діапазоні за досить малий проміжок часу, то, відповідно, може змінюватися і співвідношення активної споживаної енергії до повної, тобто cosφ. Причому, чим менше активне навантаження якогось індуктивного споживача (асинхронного двигуна, трансформатора), тим нижче cosφ. З цього випливає, що для компенсації реактивної потужності необхідний набір обладнання, що забезпечує адекватне регулювання cosφ в залежності від зміни умов роботи устаткування - тобто пристрої компенсаторів реактивної потужності (ПКРП). Основні компоненти пристроїв компенсації реактивної потужності: