Снижение потерь электроэнергии за счет регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности



В статье авторы рассматривают вопрос совершенствования режимов электрических сетей, на основе компенсации реактивной мощности.

Ключевые слова: компенсация, электропотребление, напряжение, реактивная мощность, ток.

Одним из основных мероприятий по повышению эффективности электропотребления до сих пор является снижение потерь за счет регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности позволяет повысить эффективность использования электроэнергии в трех основных направлениях: увеличение пропускной способности линий и трансформаторов, снижение потерь активной энергии, нормализация напряжения. Установка компенсирующих устройств позволяет снизить активные потери за счет снижения полного тока [1, с. 12]. Таким образом, компенсация реактивной мощности может быть в полной мере названа одной из технологий энергосбережения.

Состав потребителей реактивной мощности показывает, что основную часть реактивной мощности потребляют устройства четырех типов: асинхронные двигатели — 40 % (а также бытовые, сельскохозяйственные электродвигатели и асинхронные электроприводы для собственных нужд электростанций), электроустановки. — 8 %; вентильные преобразователи — 10 %, трансформаторы всех ступеней трансформации (потери в них) — 35 %, линии электропередачи (потери в них) — 7 %. Поскольку преобладает индуктивная нагрузка, реактивная мощность индуктивного характера должна передаваться вместе с активной мощностью по сети.

Реактивная мощность не связана с полезной работой электроприемника и расходуется на создание электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах и линиях.

Компенсацией реактивной мощности называют ее выработку или потребление с помощью компенсирующих устройств [2, с.3].

Принцип компенсации реактивной мощности следующий.

Было обнаружено, что ток через конденсатор на 90 ° опережает приложенное напряжение, в то время как ток через катушку индуктивности на 90 ° отстает от приложенного напряжения. Таким образом, емкостной ток противоположен индуктивному току, и реактивная мощность будет создавать электрическое поле, противоположное в том смысле, что реактивная мощность создает магнитное поле. Следовательно, емкостной ток и емкостная мощность считаются обычно отрицательными по сравнению с током намагничивания и мощностью намагничивания, которые обычно считаются положительными.

Таким образом, численно равные реактивная емкость и мощности намагничивания взаимно «разрушаются» (QC — QL = 0), и сеть разгружается от потока реактивной составляющей тока нагрузки.

Рис. 1. Принцип компенсации реактивного тока намагничивания [3, с.5]

Для уменьшения перетоков реактивной мощности по линиям и трансформаторам источники реактивной мощности следует располагать вблизи мест ее потребления. В то же время передающие элементы сети разряжены по реактивной мощности, что снижает потери активной мощности и напряжения.

Таким образом, за счет использования компенсирующих устройств на подстанции с постоянной мощностью нагрузки, реактивная мощность и ток в линии снижаются — линия разряжается по реактивной мощности [3, с. 22].

Принимаемые меры по компенсации реактивной мощности эксплуатируемых или проектируемых электроустановок потребителей можно разделить на следующие три группы:

1) не требующие использования компенсирующих устройств;

2) связанные с применением компенсирующих устройств;

3) допускается как исключение.

Реактивная мощность, генерируемая в сети, регулируется путем изменения угла управления тиристорами. Это изменяет величину и продолжительность протекания тока через компенсационные реакторы, то есть потребление реактивной мощности компенсационными реакторами при постоянной реактивной мощности, генерируемой блоками конденсаторных фильтров.

Устройство работает следующим образом.

Измеряются мгновенные значения тока и напряжения в сети, вычисляется фактическое значение коэффициента мощности в сети и сравнивается с предварительно определенным требуемым значением.

Если реальное значение коэффициента мощности равно (с учетом мертвой зоны) заданному значению cos , то устройство не изменяет количество реактивной мощности, генерируемой в сети, а возвращается к мониторингу сетевых параметров для обнаружения возможна аварийная работа устройства или изменение количества потребляемой реактивной мощности в сети [4, с. 17].

Когда же окажется, что фактическое значение cos  отлично от заданного, вырабатывается напряжение управления U _упр для блока управления системы импульсно-фазового управления (СИФУ) тиристорами. В СИФУ происходит формирование опорных напряжений и сравнение U _упр и U _оп . И, наконец, моменты переключения компараторов СИФУ преобразуются в импульсы управления тиристорами. Импульсы, подаваемые на тиристоры, смещены относительно моментов естественного отпирания тиристоров на угол , значение которого зависит от величины U _упр .

Если значение угла управления  находится в допустимых пределах, управляющие импульсы тиристоров, генерируемые СИФУ, изменяют интервал срабатывания тиристоров и, как следствие, значение реактивной мощности, генерируемой в сети..

Если в результате регулирования реактивной мощности фактическое значение напряжения в сети превышает заданный предел, формируется управляющий сигнал нелинейного регулятора реактивной мощности. Активируется нелинейный регулятор, который снижает напряжение в сети до допустимого значения (перенапряжения в системе электроснабжения не допускаются), даже если это достигается за счет снижения фактического значения коэффициента мощности в сети.

В систему управления фазой импульса вводится опорное напряжение, снимаемое с источника, обеспечивающего цепь питания. Генерация запускающего импульса для тиристора происходит на одном из фронтов соответствующего опорного напряжения в момент, когда опорное напряжение совпадает с управляющим напряжением. При изменении управляющего напряжения импульс сдвигается относительно опорного и, следовательно, относительно напряжения силовой цепи [5, с. 36].

При смещении импульсов разблокировки изменяется временной интервал, в течение которого через реактор, входящий в группу тиристор-реактор, протекает ток и изменяется среднее напряжение на реакторе. Следовательно, значение реактивной мощности, потребляемой реактором, изменяется.

Таким образом осуществляется контроль коэффициента мощности и компенсация реактивной мощности в системе электроснабжения.

Система регулирования фазы импульса имеет следующие технические данные:

– максимальное входное напряжение, В, — 10

– входной ток, мА, не более

– напряжение синхронизации с трехфазной сетью, В80

– тепловой дрейф характеристики на коробке передач

– температура от 1 до 40 ° С, %, не более

– диапазон изменения угла градусов — 170

– асимметрия импульсов отдельных каналов, град, ± 3

Система импульсного регулирования фазы гальванически отделена от силовой части проектируемого устройства.

Используемая в работе импульсная система фазового регулирования имеет следующие характеристики: косинусоидальное опорное напряжение, шестиканальное устройство фазосмещения.

Система управления фазой импульса работает следующим образом.

Трехфазная система напряжений из сети поступает на фильтр, который обеспечивает формирование опорных напряжений A _F , B _F , C _F , сдвинутых на 60. Эти напряжения используются в формирователях, обеспечивающих получение сигналов А ₀ , В ₀ , С ₀ , служащих для ограничения угла  _min , и сигналов А _m , В _m , С _m , служащих для ограничения угла  _max .

Блок сравнения, на вход которого поступают напряжение управления U _упр , напряжение смещения U _o и опорные напряжения A _F , B _F , C _F , выдает напряжения A _S , -A _S , B _S , -B _S , C _S , -C _S . Эти напряжения положительны, когда напряжение управления меньше опорного напряжения.

Напряжения ограничения угла  _max (А _m , В _m , С _m ),  _min (А ₀ , В ₀ , С ₀ ), выходные напряжения блока сравнения (A _S , -A _S , B _S , -B _S , C _S , -C _S ) поступают на формирователи, с выходов которых снимаются сигналы A', -A', B', -B', C', -C'. Моменты появления этих сигналов совпадают с моментами равенства U _упр и U _{o п} для каждой из фаз (при условии, что  _min << _max ).

Из этих сигналов преобразователем кодов формируются сигналы A, B, C, -A, -B, -C, моменты появления которых соответствуют углу . С выхода кодопреобразователя сигналы поступают на выходные усилители, которые формируют последовательность импульсов, подаваемых на тиристоры.

Реактивная составляющая неизбежна в работе многих промышленных устройств, поэтому полностью исключить ее нельзя, однако целесообразно использовать средства, предназначенные для снижения ее потребления из питающей сети.

Для этого необходимо приблизить источники защиты реактивной мощности к местам ее потребления и снизить поступление реактивной мощности от энергосистемы. Это в значительной степени снижает реактивную мощность на линиях электропередач и трансформаторах.

Снижение потребления реактивной мощности на предприятии достигается за счет компенсации реактивной мощности как естественными мерами (суть которых заключается в ограничении влияния приемника на питающую сеть путем воздействия на сам приемник), так и за счет специальных компенсирующих устройств (реактивной мощности) в соответствующих точках системы электроснабжения.

Использование устройств компенсации реактивной мощности и мощности искажений должно предшествовать тщательному технико-экономическому анализу из-за высокой стоимости и достаточной сложности этих устройств.

Литература:

1. Федоров А. А., Каменева В. В. Основы электроснабжения промышленных предприятий: Учебник для вузов. — М.: Энергоатомиздат, 1984. — 472с.
2. Минин Г. П. Реактивная мощность. — М.: Энергия, 1978. — 88с.
3. Коновалова Л. А., Рожкова Л. Д. Электроснабжение промышленных предприятий и установок. — М.: Энергоатомиздат, 1989. — 528с.
4. Липкин Б. Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок: Учебник для учащихся техникумов. — М.: Высшая школа, 1981. — 376с.
5. Дирацу В. С. и др. Электроснабжение промышленных предприятий. — К.: Вища школа, 1974. — 280с.