Компенсация реактивной мощности

ВВЕДЕНИЕ

 

Вопросы экономного использования всех видов энергии, в том числе электрической, и  повышения экономичности работы электроустановок являются важной государственной  проблемой.

Электроэнергия, как особый вид продукции, обладает определенными характеристиками, позволяющими судить о ее пригодности в различных производственных процессах. Совокупность таких характеристик, при которых приемники электроэнергии способны выполнять заложенные в них функции, объединены под общим понятием качества электроэнергии.

В последние  годы повышению качества электроэнергии уделяют большое внимание, т.к. качество электроэнергии может существенно  влиять на расход электроэнергии, надежность систем электроснабжения, технологический  процесс производства.

При решении  задачи повышения качества электроэнергии выделяют экономические, математические и технические аспекты.

Экономические аспекты включают в себя методы расчета  убытков от некачественной электроэнергии в системах промышленного электроснабжения. Математические аспекты представляют собой обоснование тех или иных методов расчета показателей качества электроэнергии.

Технические аспекты  включают в себя разработку технических  средств и мероприятий, улучшающих качество электроэнергии, а также  организацию системы контроля и  управления ее качеством.

Качество электроэнергии можно улучшить средствами питающей сети или применением соответствующего дополнительного оборудования на основе имеющегося опыта проектных и  эксплуатационных организаций.

Часть решений, в основном обусловленных техническими требованиями, является общей и должна приниматься на основе имеющихся указаний. В других случаях учитывают специфику конкретных условий.

Количественные  и качественные изменения, происходящие в промышленном электроснабжении за последние годы, придают этому вопросу особую значимость. В настоящее время прирост потребления реактивной мощности существенно превосходит прирост потребления активной мощности. При этом передача реактивной мощности на значительные расстояния от мест генерации до мест потребления существенно ухудшает технико-экономические показатели систем электроснабжения.

Вопросы качества электроэнергии требуют тщательной разработки и изучения происходящих при этом явлений.

Особые трудности  связаны с отсутствием требуемых  измерительных приборов в электрических сетях, а также сложностью и необходимостью изменения методов измерений.

 

Методы и  средства компенсации реактивных мощностей

 

Вопросы генерирования  реактивной мощности имеют большое  значение, так как потребность  в ней возрастает в связи с широким применением электроприемников с довольно низким коэффициентом мощности: больших дуговых электропечей, мощных вентильных преобразователей, крупных электросварочных агрегатов.

 «Баланс реактивной мощности должен обеспечиваться при всех режимах работы системы электроснабжения: нормальном, послеаварийном, ремонтном. При послеаварийном и ремонтном режимах используются все средства генерации реактивной мощности независимо от их экономичности. Компенсирующие устройства используются также в качестве одного из средств регулирования напряжения с целью обеспечения оптимального режима напряжений в электрических сетях.

 Для стимулирования  мероприятий по компенсации реактивной  мощности установлены скидка (—)  и надбавка (+) к тарифу на электроэнергию, зависящие от степени компенсации реактивной мощности.

Суммарная мощность компенсирующих устройств QK, которые  устанавливаются на предприятиях, зависит  от их реактивных нагрузок QM и от той  наибольшей реактивной мощности Qc, которая  может быть передана из сети энергосистемы в сеть предприятия в период наибольших активных нагрузок системы и которая задается последней (с приближенным учетом потерь электроэнергии также и в сети предприятия).

 где QM —  реактивная нагрузка предприятия  в период наибольших активных  нагрузок энергосистемы.

 Так как  режимы наибольших реактивных  нагрузок предприятия и наибольших  активных нагрузок энергосистемы  могут не совпадать по времени,  то при существенных расхождениях  в расчете нужно вносить поправки  по результатам анализа графика  нагрузки. Для выбора оптимальных режимов работы источников реактивной мощности на предприятии и определения условий регулирования их мощности энергоснабжающая организация кроме величины Qc в режиме наибольшей активной нагрузки задает также допустимые по техническим условиям величины реактивных мощностей Qc в режиме наименьших активных нагрузок энергосистемы (ночной минимум) и в послеаварийном режиме»¹.

 

1.1. Средства компенсации.

 

«Для уменьшения затрат на установку специальных компенсирующих устройств проводятся следующие мероприятия:

 упорядочение  технологического процесса, ведущее  к улучшению энергетического  режима оборудования и к повышению  коэффициента мощности;

 выбор электродвигателей  и трансформаторов с оптимальной  их загрузкой;

 преимущественное  применение синхронных электродвигателей, когда это возможно и целесообразно по условиям сети и производства;

 применение  устройств, ограничивающих холостой  ход электроприемников (асинхронных  электродвигателей, трансформаторов), в частности широкое внедрение  ограничителей холостого хода для устранения холостой работы асинхронных двигателей в тех случаях, когда продолжительность межоперационного периода превышает 10 с;

 применение  переключателей с треугольника  на звезду у тех асинхронных  двигателей напряжением до 1000 В, которые систематически загружаются не более чем на 40%.

 При реконструкции  электроснабжения производится  замена незагруженных трансформаторов  и электродвигателей и замена  асинхронных двигателей синхронными,  если последнее технически возможно  и экономически целесообразно.

Принципиальная  схема компенсационного преобразователя»².

«Основным средством компенсации на промышленных предприятиях являются батареи силовых конденсаторов (КБ), подключаемые параллельно к электросети, т. е. поперечная компенсация. К их преимуществам относятся: простота, относительно невысокая стоимость, недефицитность материалов, малые удельные собственные потери активной мощности, а к недостаткам — отсутствие плавного регулирования отдаваемой в сеть реактивной мощности, пожароопасность, наличие остаточного заряда.

Конденсаторные  батареи устанавливаются вблизи от места потребления реактивной мощности, при необходимости снабжаются автоматическим регулированием для  изменения присоединенной мощности при разных режимах нагрузок.

 Неблагоприятное  влияние на работу конденсаторных  установок оказывает наличие в сети высших гармоник.

 Конденсаторы  применяются также в схемах  крупных компенсационных ртутно-выпрямительных  агрегатов, например на заводах  электролиза алюминия. На стороне катодов вентилей включается уравнительный реактор, к которому присоединяются конденсаторы.

При периодическом  заряде и разряде конденсаторов  они создают дополнительные напряжения, которые заставляют ток переходить на очередную фазу раньше, чем это было бы при отсутствии в схеме конденсаторов, в результате чего преобразователь генерирует компенсирующую мощность Qn.

Следовательно, конденсаторы выполняют в основном только функцию коммутирующего звена; общий компенсирующий эффект Кэ от их применения значительно превышает их номинальную мощность

 На подстанциях  с несколькими преобразователями  обычно применяется не более  одного – двух компенсационных преобразователей, что обычно достаточно для улучшения общего коэффициента мощности всей установки. Разрабатывается схема компенсации с тиристорными преобразователями.

К широкому применению для генерации реактивной мощности рекомендуются синхронные электродвигатели в большом диапазоне их мощностей. Они способны отдавать реактивную мощность в сеть на месте потребления при полезной нагрузке на валу, допускают форсировку возбуждения и широкие пределы регулирования отдаваемой реактивной мощности, меньше зависят от колебаний напряжения, чем косинусные конденсаторы, повышают устойчивость системы.

 Значение  реактивной мощности, генерируемой СД, зависит от их загрузки по активной и реактивной мощности и от относительного напряжения на их зажимах»³.

 «Целесообразно применять синхронные двигатели совместно с конденсаторами, которые осуществляют в основном компенсацию базисной части суточного графика реактивной нагрузки, а синхронные двигатели, главным образом, снижают пики графика.

 Синхронные  компенсаторы (СК) на промышленных  предприятиях применяются редко  — при больших мощностях компенсирующих  устройств, на подстанциях, имеющих районное значение, а также иногда на крупных электропечных установках (дуговых и руднотермических).

 Использование  реактивной мощности генераторов  заводских станций экономически  целесообразно, если это не  вызывает увеличения числа или  сечения питающих линий, числа устанавливаемых трансформаторов и других сетевых затрат, связанных с передачей реактивной мощности от генераторов.

 При определенных  условиях учитываются также реактивные  мощности, генерируемые воздушными  линиями и токопроводами напряжением выше 20 кВ и кабельными линиями напряжением 6 кВ и выше, которые пропорциональны их длине и квадрату напряжения.

Средние значения реактивной мощности, генерируемой различными линиями.

 Распределение  мощности компенсирующих устройств  в сетях производится в основном из условия наибольшего снижения потерь активной мощности от реактивных нагрузок. Установка конденсаторов относительно большей мощности производится в местах наибольших реактивных нагрузок и сопротивлений питающих линий. Это обеспечивает повышение напряжения в тех частях сети, где это напряжение ниже расчетного уровня.

 Не рекомендуется  чрезмерное разукрупнение конденсаторных  установок, так как это приводит  к значительному увеличению удельных  затрат на отключающую аппаратуру, измерительные приборы и конструкции на установленный 1 кВАр батареи.

Единичная мощность батарей на напряжение 6—10 кВ принимается  не менее

400 кВАр, если  присоединение выполняется с  помощью отдельного выключателя.  В сетях низкого напряжения  не рекомендуется снижать мощность конденсаторных батарей до величины менее 30 кВАр. Если расчетная мощность батареи на отдельных участках получается менее указанных величин, то конденсаторы на них не устанавливаются, а полученная по расчету мощность конденсаторов перераспределяется между близко расположенными другими более мощными батареями путем пропорционального увеличения их мощности»⁴.

 «В сетях 6—10 кВ в первую очередь следует полностью использовать для компенсации реактивную мощность работающих СД.

При отсутствии СД или недостаточности их реактивной мощности дополнительно применяются конденсаторы, которые устанавливаются либо на цеховых подстанциях, имеющих РУ 6—10 кВ, либо на РП. Целесообразна также установка конденсаторов на вторичном напряжении ПГВ 110—220 кВ, которые в данном случае выполняют функции РП и от которых непосредственно производится распределение электроэнергии по цеховым подстанциям.

 Не рекомендуется  устанавливать конденсаторы напряжением  6—10 кВ на бесшинных цеховых  подстанциях, на которых трансформаторы  присоединены наглухо или только через разъединитель, так как присоединение конденсаторных батарей к этим подстанциям вызовет их усложнение и удорожание.

 В сетях  380—660 В для компенсации реактивной  мощности также следует в первую  очередь использовать свободную реактивную мощность СД 6—10 кВ, оставшуюся после компенсации реактивных нагрузок в сети 6—10 кВ, если это экономически целесообразно. Передача реактивной мощности от СД 6—10 кВ в сеть напряжением до 1000 В, как правило, оказывается невыгодной, если это вызывает увеличение числа понижающих трансформаторов.

Это, в основном, объясняется тем, что стоимость  комплектных трансформаторных подстанций очень велика. По этой же причине  может оказаться нецелесообразной передача в сеть низкого напряжения реактивной мощности от генераторов заводской ТЭЦ.

Нерегулируемые  конденсаторные батареи на напряжение 380—660 В обычно устанавливаются на цеховых распределительных пунктах  или присоединяются к магистральным  токопроводам, если этому не препятствует окружающая среда. Получается значительно лучшее использование конденсаторов, чем при индивидуальной компенсации, и разгружаются питательная сеть и трансформаторы цеховых подстанций. Место установки регулируемых конденсаторных батарей в сетях до 1000 В выбирается с учетом требований регулирования напряжения или реактивной мощности.