Сравнение основных типов компенсирующих устройств



Проблема компенсации реактивной мощности (КРМ) вызвана высокой загрузкой элементов систем распределения электрической энергии (ЭЭ) потоками реактивной мощности (РМ) вследствие значительного её потребления из сетей. [1]

В сетях напряжением 6–10 кВ технологические потери достигают около 8–12 % от отпущенной в сеть электроэнергии. Потери электроэнергии зависят от параметров электрической схемы, а также от конструкции сетей и режимов нагрузки. По данным произведенных расчетов для реальных сетей 6–10 кВ, потери электроэнергии зависят от передаваемой потребителям величины реактивной мощности. Например, при изменении коэффициента реактивной мощности (tgφ) от 0,5 до 0,8 потери электроэнергии увеличиваются примерно на 20 %.

По произведенному анализу показаний счетчиков активной и реактивной мощности установлено, что на шинах 6–10 кВ источника питания коэффициент реактивной мощности в процессе эксплуатации изменяется и достигает значения 0,77–0,85, из-за чего потери электроэнергии достигают существенных значений.

Наиболее эффективным способом снижения потерь электрической энергии в сетях 6–10 кВ является компенсация реактивной мощности. [2]

Помимо изменения потерь электроэнергии и tgφ, посредством генерации реактивной мощности регулируется величина напряжения у потребителя по формуле:

(1)

где: U_ЦП — напряжение центра питания;

Р_Н и Q_Н — активная и реактивная мощность нагрузки потребителя;

R_Э и X_Э — эквивалентное активное и индуктивное сопротивление между центром питания и потребителем.

Из приведенной формулы видно, что можно влиять на напряжение у потребителя, изменяя реактивную мощность Q_Н, например, регулируя ее с помощью батареи статических конденсаторов.

Существует три вида компенсации:

1. Индивидуальная компенсация применяется при большой единичной мощности электроприемников. В этом случае компенсирующие устройства устанавливаются у электроприемников и присоединяются к зажимам электроприемников. Однако подобная компенсация хорошо подходит лишь для постоянной нагрузки, то есть в тех случаях, где РМ каждой из нагрузок меняется незначительно с течением времени.
2. Групповая компенсация применяется для случая компенсации нескольких расположенных рядом и включаемых одновременно индуктивных нагрузок, подключенных к одному распределительному устройству. Устройства компенсации реактивной мощности устанавливаются в узлах нагрузки.
3. Централизованная компенсации используется в системах, имеющих большое количество потребителей (нагрузок) с большим разбросом суточного коэффициента мощности, то есть для переменных нагрузок. В системах такого типа индивидуальная компенсация не используется, так как резко возрастает стоимость (из-за большого количества конденсаторов) и возникает большая вероятность перекомпенсации. Устройства компенсации реактивной мощности устанавливаются в центре питания.

Рис. 1 Виды компенсации

Рассмотрим основные типы компенсирующих устройств:

1. Батареи статических конденсаторов (БСК);
2. Фильтро-компенсирующие устройства (ФКУ);
3. Синхронные компенсаторы;
4. Синхронные двигатели (СД).

БСК состоит из групп силовых конденсаторов, путем параллельно — последовательного соединения их в звезду или треугольник в зависимости от режима работы нейтрали.

Рис. 2 Принципиальные схемы батарей конденсаторов: а — соединение конденсаторов по схеме треугольник, б — соединение конденсаторов по схеме звезда

При соединении конденсаторов звездой реактивная мощность батареи:

(2)

При соединении конденсаторов треугольником реактивная мощность батареи:

(3)

Из приведенных формул видно, что существенным недостатком БСК является квадратичная зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения, что может являться причиной лавины напряжения.

Батареи конденсаторов бывают регулируемые (управляемые) и нерегулируемые. В нерегулируемых БСК число конденсаторов неизменно, а величина реактивной мощности зависит только от величины напряжения. При выборе БСК, суммарная мощность нерегулируемых батарей конденсаторов не должна превышать наименьшей реактивной нагрузки сети, иначе переток реактивной мощности в режиме минимума нагрузок может быть направлен в систему.

В регулируемых батареях конденсаторов в зависимости от режима автоматически или вручную изменяется число включенных конденсаторов. При этом изменяется емкость БСК и мощность, выдаваемая в сеть.

БСК очень чувствительны к высшим гармоникам, которые значительно снижают ее электрическую прочность. Поэтому были созданы специальные фильтро-компенсирующие устройства, которые могли работать в сетях с высшими гармониками. Конструктивно ФКУ это БСК с использованием специальных фильтров.

В режиме перевозбуждения синхронные двигатели генерируют реактивную мощность, а в режиме недовозбуждения — потребляют реактивную мощность, что является их главным достоинством. Но, по сравнению с БСК, СД имеют более сложную конструкцию и систему включения. Обычно СД участвуют в технологическом процессе предприятии и для компенсации реактивной мощности их специально приобретать не нужно.

Существует специальная конструкция синхронного двигателя, когда он не несет активной нагрузки, а используется только для выработки реактивной мощности, такое устройство получило название синхронный компенсатор.

Если СД уже установлены на промышленном предприятии по условиям технологии, их следует в первую очередь полностью использовать для КРМ. Поэтому при необходимости выполнения КРМ на напряжение 6–10 кВ следует рассматривать возможность получения дополнительной реактивной мощности от СД, если их коэффициент загрузки К_СД <1

Минимальную величину реактивной мощности, которая соответствует условию устойчивой работы СД, определяют по формуле:

(4)

где Р_ном.СД — номинальная мощность двигателя; tgф_ном — номинальный коэффициент реактивной мощности.

Если номинальная активная мощность СД равна или больше указанной в табл. 1, экономически целесообразно использовать полностью располагаемую реактивную мощность СД, определяемую по формуле:

(5)

где α_м — коэффициент допустимой перегрузки СД, зависящий, от его загрузки по активной мощности (определяется по номограмме рис. 6.2); Q_ном.СД — номинальная реактивная мощность СД.

Таблица 1

Номинальные мощности синхронных двигателей, обеспечивающих полное использование располагаемой реактивной мощности

Объединенная энергосистема	Число рабочих	Номинальная активная мощность СД, кВт, при частоте вращения, об/мин
	смен	3000	1000	750	600	500	375	300	250
1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Центра, Северо-Запада, Юга	1 2	1000 2500	1000 5000	1600 6300	1600 5000	1600 6300	2000	2000	2500
	3	2500	5000	6300	5000	6300	-	-	-
Средней Волги	1	1250	1600	2000	2000	2000	2500	2500	3200
	2	2000	2500	3200	3200	4000	-	-	-
	3	2500	5000	6300	5000	6300	-	-	-
	1	1000	1000	1600	1600	1600	2000	2000	2500
Урала	2	2000	2500	3200	3200	4000	-	-	-
	3	2500	5000	6300	6300	-	-	-	-
Северного	1	2000	2500	3200	3200	4000	6300	6300	-
Кавказа,	2	2000	3200	4000	4000	4000	6300	6300	-
Закавказья	3	2500	5000	6300	5000	6300	-	-	-
	1	2000	2500	3200	3200	4000	-	-	-
Сибири	2	2000	2500	3200	3200	4000	-	-	-
	3	2000	2500	3200	3200	4000	-	-	-
	1	5000	6300	8000	10000	10000	-	-	-
Дальнего	2	5000	6300	8000	10000	10000	-	-	-
Востока	3	5000	6300	8000	10000	10000	-	-	-

Рис. 3 Номограмма определения располагаемой реактивной мощности синхронных двигателей при номинальном токе возбуждения в зависимости от коэффициента загрузки двигателя по активной мощности

Если реактивная мощность, вырабатываемая СД, оказывается недостаточной, дополнительно устанавливают конденсаторные батареи на напряжение 6–10 кВ. [3]

Для наглядности основные характеристики наиболее распространенных источников реактивной мощности сведены в табл. 2.

Таблица 2

Сравнение БСК сСД

Сравнительные характеристики	БСК	СД
Срок службы	8–10 лет	15–20 лет
Система включения	Простая	Сложная
Потери активной мощности на выработку 1 квар реактивной мощности	0,003–0,005 кВт [4]	0,013–0,015 кВт [5]
Конструкция	Простая (без вращающихся частей)	Более сложная
Регулирование РМ	Ступенчатое	Плавное (определяется плавностью изменения тока возбуждения)
	Может только генерировать РМ	Может генерировать и потреблять РМ
Чувствительность к высшим гармоникам	Высокая чувствительность	Менее чувствительны
Зависимость генерации РМ от напряжения	Квадратичная зависимость	Не зависит от напряжения

Из приведенной выше информации видно, что у каждого из основных типов компенсирующих устройств есть достоинства и недостатки, поэтому выбор типа такого устройства будет зависеть от мощности и распределения реактивной нагрузки.

В случае, когда на предприятии установлены синхронные двигатели, то целесообразно в первую очередь использовать их для компенсации реактивной мощности, если же их будет недостаточно, то только тогда устанавливают дополнительные компенсирующие устройства.

Устанавливать маломощные СД лишь для компенсации реактивной мощности экономически невыгодно, поэтому в таких случаях рекомендуется применять БСК.

Литература:

1. Нешатаев В. Б., Оптимальный выбор источников реактивной мощности в системах распределения электрической энергии [Текст]: автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. тех. наук (05.14.02) / Нешатаев Владимир Борисович; ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» — Красноярск, 2012. — 21 с.
2. Компенсация реактивной мощности [электронный ресурс] — Режим доступа: http://www.matic.ru/
3. Электроснабжение. Версия 1.0 [электронный ресурс]: учеб. Пособие по дипломному проектированию / Л. С. Синенко, Е. Ю. Сизганова, Т. П. Рубан, Ю. П. Попов. — Электрон. Дан. (3 Мб). — Красноярск: ИПК СФУ, 2008.
4. Конденсаторные установки [электронный ресурс] — Режим доступа: http://forca.ru/
5. Компенсирующие устройства [электронный ресурс] — Режим доступа: http://allrefs.net/