[Разделы] [Оглавление раздела] [Главная страница СПЭТ] [Назад] [Дальше]

Как известно, значительная часть электроприемников, присоединенных к электрической системе, потребляет, помимо активной мощности, еще и реактивную мощность. Основными потребителями реактивной мощности является асинхронные двигатели. Часть реактивной мощности теряется в обмотках трансформаторов, а также в реактивном сопротивлении линий электропередачи. Таким образом, генераторы электростанций должны вырабатывать, наряду с активной мощностью, также и реактивную, передаваемую по электрический сети потребителям.

Полная мощность, выдаваемая генераторами в сеть.

где Р и Q — активная и реактивная мощности приемников с учетом потери мощности в сетях; cos j — результирующий коэффициент мощности приемников электроэнергии.

Генераторы рассчитываются для работы с их номинальным коэффициентом мощности, равным 0,8—0,85, при котором они способны выдавать номинальную активную мощность. Снижение cos j у потребителей ниже определенного значения может привести к тому, что cos j генераторов окажется ниже номинального и выдаваемая ими активная мощность при той же полной мощности будет меньше номинальной. Таким образом, при низких коэффициентах мощности у потребителей для обеспечения передачи им заданной активной мощности приходится вкладывать дополнительные затраты в сооружение более мощных электростанций, увеличивать пропускную мощность сетей и трансформаторов и вследствие этого нести дополнительные эксплуатационные расходы.

Так как в современные электрические системы входит большое количество трансформаторов и протяженных воздушных линий, то реактивное сопротивление передающего устройства получается весьма значительным, а это вызывает немалые потери напряжения и реактивной мощности.

Передача реактивной мощности по сети приводит к дополнительным потерям напряжения, из выражения

видно, что передаваемая по сети реактивная мощность Q и реактивное сопротивление сети Х существенно влияют на уровень напряжения у потребителей.

Размер передаваемой реактивной мощности влияет также на потери активной мощности и энергии в электропередаче, что следует из формулы:

Величиной, характеризующей передаваемую реактивную мощность, является коэффициент мощности cos j = Р /O Р² + Q² • Подставляя в формулу потерь значение полной мощности Р + Q, выраженной через cos j , получаем:

откуда видно, что потери активной мощности обратно пропорциональны квадрату коэффициента мощности.

Для уменьшения потерь электроэнергии в сети и повышения напряжения у потребителей следует стремиться к уменьшению величины передаваемой реактивной мощности. Этого можно достигнуть, повышая коэффициент мощности потребителей путем:

а) рационализации работы электрооборудования, установленного у потребителей;

б) компенсации реактивной мощности у потребителя. Повысить напряжение у потребителей и одновременно уменьшить потери передачи можно, применив также продольную компенсацию.

Основным условием рационального электроснабжения предприятия является точное соответствие типов и мощностей электродвигателей характеристикам и потребляемым мощностям механизмов, приводимых этими электродвигателями в движение. Для выполнения этого условия надо обеспечить на стадии проектирования правильный подбор электродвигателей, а в процессе эксплуатации — замену малозагруженных асинхронных электродвигателей менее мощными или повысить загрузку технологических агрегатов с большим использованием их по времени и с большим коэффициентом мощности. Во всех случаях, когда это возможно, следует отдавать предпочтение электродвигателям с короткозамкнутым ротором.

Эти мероприятия существенно повышают cos j установки, так как работа асинхронного электродвигателя с мощностью, меньшей номинальной, значительно снижает его коэффициент мощности. Так, например, если электродвигателю, имеющему при номинальной нагрузке cos j == 0,8, дать нагрузку в 50% от номинальной, то его cos j снизится примерно до 0,6.

Там, где по технологическим условиям электродвигатели длительно работают на холостом ходу, надо применять их автоматическое отключение на время холостой работы и последующее автоматическое включение. Следует также, где это возможно, заменять тихоходные электродвигатели быстроходными, переключать обмотки в зависимости от загрузки электродвигателя с треугольника на звезду и т. п.

Снизить потребление реактивной мощности можно также, заменив асинхронные электродвигатели там, где это позволяют условия работы механизмов (запуск, регулирование числа оборотов и пр.), синхронными или синхронизированными асинхронными электродвигателями. Синхронные электродвигатели при перевозбуждении могут работать с коэффициентом мощности, близким к единице, и даже иметь опережающий cos j , т. е. выдавать реактивную мощность в сеть. Асинхронные двигатели, снабженные устройством для подвозбуждения, обладают свойствами, сходными со свойствами синхронных электродвигателей, и поэтому для повышения cos j их применение дает те же результаты.

Для обеспечения работы генераторов с номинальными параметрами и для разгрузки сети от реактивной мощности целесообразно часть этой мощности генерировать на месте ее потребления.

Основными источниками реактивной мощности, устанавливаемыми на месте потребления, являются синхронные компенсаторы и статические конденсаторы. Кроме них, в промышленных установках для этих же целей внедряются компенсационные преобразователи и статические источники реактивной мощности с применением тиристоров.

Наиболее широко используют статические конденсаторы на напряжении до 1000 В и 6—10 кВ.

Синхронные компенсаторы устанавливаются на напряжении 6—10 кВ приемных подстанций.

Рис 11-1 Схемы электропередачи, а—без компенсации; б — с компенсацией.

Все эти устройства являются потребителями опережающей (емкостной) реактивной мощности или, что то же самое, — источниками отстающей реактивной мощности, выдаваемой ими в сеть.

Сказанное иллюстрируется схемами рис. 11-1. Так, на схеме рис. 11-1, а изображена передача электроэнергии от электростанции А к потребительской подстанции Б. Передаваемая мощность составляет P + jQ. При установке у потребителя статических конденсаторов мощностью Qk (рис. 11-1, б) мощность, передаваемая по сети, будет Р + j(Q — Q₁).

Мы видим, что реактивная мощность, передаваемая от электростанции, уменьшилась или, как говорят, стала скомпенсированной на величину мощности, вырабатываемой конденсаторной батареей. Эту мощность потребитель получает теперь в значительной части непосредственно от компенсирующей установки.

При компенсации реактивной мощности уменьшаются и потери напряжения в электропередачах. Если до компенсации мы имели потерю напряжения в местной сети

то при наличии компенсации она будет снижена до величины

где R и Х — сопротивления сети.

Применяемые в местных сетях конденсаторы для компенсации реактивной мощности выпускаются на напряжения 220, 380 и 660 В в трехфазном исполнении мощностью от 3 до 10 квар и на напряжения 1,05; 3,15; 6,3 и 10,5 кВ — в однофазном исполнении мощностью от 13 до 75 квар.

Так как мощность отдельных конденсаторов сравнительно невелика, то обычно их соединяют параллельно в батареи, размещаемые в комплектных шкафах. Часто применяют установки, состоящие из нескольких групп или секций батарей конденсаторов, что делает возможным ступенчатое регулирование мощности конденсаторов, а стало быть, и напряжения установки.

Конденсаторные установки, применяемые на промышленных предприятиях, бывают либо индивидуальными, либо групповыми, либо централизованными. Первые подключают к цеховым сборкам, непосредственно у электродвигателей, вторые — к групповым шинам напряжением до 660 В, третьи, рассчитанные на напряжение 6—10 кВ, — к сборным шинам подстанций или к вводам трансформаторов. Обычно конденсаторы включают на линейное напряжение (треугольником), причем каждый конденсатор или группу из 3—5 конденсаторов защищают плавким предохранителем. Всю батарею конденсаторов подключают к сборным шинам через автоматический выключатель (высокого или низкого напряжения) Примерная схема включения конденсаторной батареи, рассчитанной на напряжение 6—10 кВ, изображена на рис 7-2.

Батарея конденсаторов должна быть снабжена разрядным сопротивлением, наглухо присоединенным к ее зажимам. Разрядным сопротивлением для конденсаторных установок напряжением 6—10 кВ служат трансформаторы напряжения ТН, а для конденсаторных батарей напряжением до 380 В — лампы накаливания. Необходимость в разрядных сопротивлениях диктуется тем, что при отключении конденсаторов от сети в них остается электрический заряд и сохраняется напряжение, близкое по величине к напряжению сети. Будучи же замкнутыми (после отключения) на разрядное сопротивление, конденсаторы быстро теряют свой электрический заряд, спадает до нуля и напряжение, что обеспечивает безопасность обслуживания установки. От других компенсирующих устройств конденсаторные установки выгодно отличаются простотой устройства и обслуживания, отсутствием вращающихся частей и малыми потерями активной мощности. К недостаткам конденсаторных батарей следует отнести зависимость их мощности от квадрата напряжения сети и невозможность плавного регулирования реактивной мощности, а следовательно, и напряжения установки.

Рис 7 2 Схема включения конденсаторной батареи.

Современные конденсаторные установки применяются в виде комплектных устройств, собираемых в шкафах с аппаратами защиты, управления, измерительными приборами и аппаратурой для автоматического регулирования мощности, а также разрядными устройствами На напряжение 380 В подобные устройства изготовляются типа УК—0,380 мощностью от 150 до 300 квар, а на напряжение 6 и 10 кВ—типа КУ-6 и КУ-10 внутренней и КУН-6 и КУН-10—наружной установки мощностью от 200 до 400 квар.

При выборе мощности компенсирующих устройств надо стремиться к правильному распределению источников реактивной мощности и к наиболее экономичной загрузке сетей.

Различают.

а) мгновенный коэффициент мощности, подсчитываемый по формуле.

исходя из одновременных показаний ваттметра (Р), вольтметра (U} и амперметра (I) для данного момента времени или из показаний фазометра,

б) средний коэффициент мощности, представляющий собой среднее арифметическое значение мгновенных коэффициентов мощности за равные промежутки времени, определяемый по формуле:

где п — число промежутков времени;

в) средневзвешенный коэффициент мощности, определяемый по показаниям счетчиков активной Wa и реактивной Wr энергии за определенный промежуток времени (сутки, месяц, год) с помощью формулы:

Значениями мгновенного коэффициента мощности пользуются при нахождении мощности компенсирующих устройств для определенных режимов (например, максимальной или минимальной нагрузки предприятия). Средние и средневзвешенные значения коэффициентов мощности служат для определения показателей работы предприятий для расчетов за электроэнергию, использованную за определенный период времени (обычно за месяц).

Рис. 11-3. Векторная диаграмма компенсации мощности.

Определим, какова должна быть мощность компенсирующего устройства электроустановки потребителя электрической энергии (т. е. одного или группы приемников электрической энергии предприятия), имеющего нагрузку, равную Р + jQ, чтобы естественный коэффициент мощности cosj ₁.был повышен, например, в часы максимальных нагрузок до значения, равного cosj .

На рис. 11-3 изображена векторная диаграмма компенсации мощности. До компенсации мощность изображается треугольником ОАВ, где вектор 0В = Р обозначает заданную активную мощность потребителя, а вектор АВ = Q соответствует реактивной мощности потребителя. Задача состоит в том, чтобы найти такую мощность компенсирующего устройства Qк == АА', чтобы после его включения фазовый сдвиг уменьшился с величины j ₁ до заданной величины j ₂.

Потерями активной мощности в компенсирующем устройстве пренебрегаем. Из диаграммы рис. 11-3 получаем:

Исключая из этих выражений величину Q/P, получаем:

Такова формула мощности компенсирующего устройства для любого значения Р и j ₁, необходимой для доведения мгновенного коэффициента мощности до нормированной величины. Так, ПУЭ 1965 г. в качестве нормированной величины рекомендовало средневзвешенное значение не ниже 0,52—0,95.

С 1974 г. основными исходными данными для определения мощности компенсирующих устройств Q_К в распределительных сетях устанавливаются предельные величины реактивной мощности системы Qc, которые по техническим условиям могут быть переданы потребителю от энергосистемы в режиме наибольших активных нагрузок.

При реактивной нагрузке потребителя Q_М в часы максимума мощность компенсирующего устройства определяется:

Определение мощности компенсирующих устройств решается комплексно вместе с проектированием всех элементов питающих и распределительных сетей (6—10 кВ и до 1000 В). Энергосистема должна выдать организации, проектирующей присоединяемую к сети системы электроустановку, значения величин реактивной мощности, которая может быть передана из системы в режимах наибольшей и наименьшей активных нагрузок системы, а также в послеаварийных режимах. Выбор средств компенсации должен производиться для режима наибольшего потребления реактивной мощности в сети проектируемой электроустановки.

Выбор типа, мощности, места установки и режима работы компенсирующих устройств должен обеспечивать наибольшую экономичность при соблюдении:

а) допустимых режимов напряжения в питающей и распределительных сетях;

б) допустимых токовых нагрузок во всех элементах сети;

в) режимов работы источников реактивной мощности в допустимых пределах;

г) необходимого резерва реактивной мощности.

Критерием экономичности является минимум приведенных затрат, при определении которых следует учитывать:

а) затраты на установку компенсирующих устройств и дополнительного оборудования к ним;

б) снижение стоимости оборудования трансформаторных подстанций и сооружения распределительной и питающей сети, а также потерь электроэнергии в них и

в) снижение установленной мощности электростанций, обусловленное уменьшением потерь активной мощности.

Ниже рассматривается наиболее часто практически встречающийся случай выбора средств компенсации промышленного предприятия, электроснабжение которого производится от распределительной сети 6—10 кВ через цеховые подстанции с трансформаторами, преобразующими электроэнергию с указанного выше напряжения на напряжение до 1000 В. Должен быть решен вопрос о наивыгоднейшем месте расположения компенсирующих устройств (6—10 кВ или до 1000 В), определение их мощности и числа и мощности трансформаторов цеховых подстанций.

Исходными данными для расчета являются:

Р + jQ — расчетная нагрузка предприятия на стороне до 1000 В;

Q_М — реактивная нагрузка предприятия на обоих напряжениях в максимальном режиме;

О_К — предписанная энергосистемой реактивная мощность, подлежащая компенсации;

минимальное число трансформаторов цеховых подстанций при полной компенсации

где Р — активная мощность на стороне до 1000 В; b _ТР — коэффициент загрузки трансформаторов; S_ТР — номинальная мощность одного трансформатора.

Для сопоставления приведенных затрат для вариантов установки компенсирующих устройств на высшем или низшем напряжении определяются удельные их значения в тыс. руб., отнесенные на 1Мвар, по формулам:

где р_Н = Е_Н + a _a + a _p — годовые отчисления от стоимости конденсаторов, равные 1/100(12+6,3+4)==0,223; Р — стоимость электроэнергии; К_К._В и К_КН — стоимость конденсаторов, тыс. руб./Мвар, устанавливаемых соответственно на высшем и низшем напряжении; D Р_КВ и D Р_КН — потери в конденсаторах на высшем и низшем напряжениях, кВт/Мвар.

Приведенные затраты для каждого рассматриваемого варианта определяются по формуле:

где Q_КН и Q_КВ — выбранные мощности конденсаторных батарей на низшем и высшем напряжении; К_ТР — стоимость дополнительно устанавливаемых трансформаторов и Кл — стоимость линейной части, отнесенной к батарее конденсаторов, присоединяемой на высшем напряжении.

Приведенные затраты при передаче этой мощности через трансформаторы, число которых увеличивается на D N , могут быть определены по формуле:

где D Р_Д — потери в синхронных двигателях,

Эти затраты должны сравниваться с затратами, получаемыми при установке конденсаторов на НН при сокращении числа трансформаторов на D N :

Следует отметить, что передача реактивной мощности синхронных двигателей 6—10 кВ в сеть НН оказывается невыгодной, если при установке конденсаторной батареи на НН представляется возможным сократить число трансформаторов, а реактивную мощность синхронных двигателей в значительной части использовать для компенсации в сети высшего напряжения.

Для наиболее эффективного использования компенсирующих устройств некоторая их часть должна оборудоваться устройствами для регулирования мощности (в первую очередь — использоваться синхронные двигатели). Суммарная мощность нерегулируемых батарей не должна превышать наименьшую реактивную нагрузку сети.

При выборе места установки компенсирующих устройств следует иметь в виду, что наибольший экономический эффект достигается при их установке в непосредственной близости от потребляющих реактивную мощность приемников. Передача реактивной мощности из сети 6—35 кВ в сеть до 1000 В, как правило, оказывается экономически невыгодной, особенно, если это приводит к увеличению числа понижающих трансформаторов. Для электроустановок небольшой мощности, присоединяемых к действующим сетям 6—10 кВ, как правило, целесообразно иметь полную компенсацию на стороне до 1000 В.

Продольная компенсация индуктивности линий обеспечивается включением последовательно в линию обратного по знаку емкостного сопротивления в виде конденсаторов. Это сопротивление компенсирует индуктивное сопротивление линий, вследствие чего в ней уменьшается потеря напряжения.

Рассмотрим простейший случай линии с нагрузкой на конце и с параметрами, указанными на рис. 11-4, а.

Продольная и поперечная составляющие падения напряжения по формулам (6-11) и (6-12) для рассматриваемой линии определяются выражениями:

Векторная диаграмма напряжений представлена для этого случая на рис. 11-5, а. При заданном векторе фазного напряжения у потребителя U_2Ф напряжение на источнике питания определяется вектором U_1Ф (точка а). Если в линию включить последовательно конденсаторы с реактивным сопротивлением Хс (рис. 11-4, б), то падение напряжения в реактивном сопротивлении составит I (X — Хс). Составляющие падения напряжения будут равны:

Рис. 11-5. Векторные диаграммы линий с применением продольной компенсации.

Требуемое напряжение на источнике питания теперь будет равно вектору U'_1Ф, определяемому при Хс < Х на рис. 11-5, а точкой а'. Его величина по сравнению с первоначальной уменьшилась, так как D U'_Ф и d U_Ф снизились благодаря уменьшению реактивного сопротивления линии.

Если подобрать емкость конденсаторов так, чтобы Хс = X, т. е. обеспечить полную компенсацию индуктивного сопротивления линии, то падение напряжения будет определяться только активным сопротивлением линии R и составляющие этого падения будут

На рис. 11-5, б этот случай представлен точкой b,

Наконец, если имеет место перекомпенсация, т.е. Хс > X, то в этом случае напряжение на источнике питания должно быть равно вектору U''_1Ф и определится на рис. 11-5, б точкой b'. Можно определить такое значение сопротивления Хс, при котором U_1Ф » U_2Ф, т. е. потеря напряжения имеет значение, близкое к нулю. Так как потерю напряжения в местных сетях мы определяем по продольной составляющей падения напряжения, то указанному условию будет соответствовать выражение:

Реактивное сопротивление конденсаторов в этом случае компенсирует не только индуктивное сопротивление линии, но в некоторой степени и падение напряжения в активном сопротивлении.

Полученная формула (7-6) может служить для выбора сопротивления установки продольной компенсации в тех случаях, когда желают, чтобы значение потери напряжения в линии было минимальным.

Мощность конденсаторов определяют по формуле:

где I — наибольший рабочий ток линии.

Ток конденсаторов выбирают по каталожным данным, приведенным в приложении 4 (табл. П.4-3); правильность выбора проверяют по номинальному току. При этом следует иметь в виду, что мощность конденсаторов, указанная в каталоге, отнесена к их номинальному напряжению (0,6 или 1 кВ), поэтому при подборе конденсаторов следует руководствоваться их номинальным сопротивлением, определяемым для однофазных конденсаторов по формуле:

где Qсн. Iн и Uн — номинальные мощности, тек и напряжение конденсаторов.

Рассмотрим случай, когда предварительными расчетами сети установлено, что при сечении проводов, выбранных по экономической плотности тока, потери напряжения превышают допустимую величину. Для осуществления компенсации включим конденсаторы в некоторой точке линии по схеме, изображенной на рис. 11-6.

Пусть напряжение на входных (со стороны питания) зажимах конденсаторов равно U', а на выходных (в сторону потребления)—U". Активная мощность, проходящая через конденсатор, равна Р (потерями активной мощности в конденсаторах ввиду их незначительности пренебрегаем), коэффициент мощности со стороны потребителя равен cosj , а со стороны питания cosj '. Тогда можно написать:

Рис. 11-6. Схема включения продольной компенсации

Мощность конденсаторной батареи должна быть равна разности реактивных мощностей до и после установки продольной компенсации, т, е.

Подставив в полученное выражение значение tg j из формулы (7-9) и произведя преобразования, получим окончательную формулу для мощности конденсаторов по заданным напряжениям U' и U":

В сетях с несколькими нагрузками место установки продольной компенсации выбирают так, чтобы, скомпенсировав потерю напряжения в наиболее загруженном участке сети, в то же время обеспечить допустимые уровни напряжения во всех остальных точках и не превысить верхнего допустимого предела в точках, близких к конденсаторам, и нижнего предела в наиболее удаленных точках.

Следует отметить, что в распределительных сетях высокого напряжения установки продольной компенсации применяют, чтобы снизить отклонения напряжения, вызываемые переменной нагрузкой, Эта мера особенно эффективна в перегруженных радиальных линиях с большой реактивностью и с нагрузками, имеющими низкий cosj .

Рис. 11-7. Схема установки продольной компенсации.

На рис. 11-7 приведена примерная схема установки продольной компенсации. Здесь Л₁—Л₂—линия; С—конденсатор; РШ— шунтирующий разъединитель, служащий для вывода конденсаторов из работы; разъединители Р и Р — для отключения их на ремонт; Рр — спекающийся быстродействующий разрядник с токоограничивающим резистором R для защиты от перенапряжений при сверхтоках; ТН — трансформатор напряжения, служащий для измерения напряжения, а также для разрядки конденсаторов при снятии напряжения.

Основное достоинство устройств продольной компенсации заключается в автоматическом и безынерционном регулировании напряжения. Отсутствие механически движущихся частей и контактов делает эти установки весьма простыми и надежными в эксплуатации. При одинаковом регулирующем эффекте мощность конденсаторов получается в 4—5 раз меньше, чем мощность обычной конденсаторной батареи поперечной компенсации, выбранной только для регулирования напряжения.

К числу недостатков этих установок относится появление в определенных условиях резонансных явлений, вызывающих качания роторов двигателей, мигание света ламп накаливания и т. п. Более серьезным недостатком является опасность появления на зажимах конденсаторов

недопустимо высокого напряжения при сквозных коротких замыканиях в линии (I к.з, Хс), что может привести к повреждению конденсаторов и выходу установки из строя. Компенсация части индуктивного сопротивления линии последовательно включенными конденсаторами вызывает также повышение общего уровня токов короткого замыкания. Влияние указанных недостатков в значительной мере устраняется применением быстродействующих разрядников, шунтирующих батарею конденсаторов при появлении на ее зажимах высоких напряжений при сверхтоках.