Виды и назначения устройств

Рассматриваются устройства, компенсирующие реактивную мощность: статические конденсаторные батареи, шунтирующие реакторы, статические тиристорные компенсаторы (СТК) и синхронные компенсаторы (СК), а также устройства, компенсирующие реактивные сопротивления сетей: конденса­торные установки и реакторы продольного включения.

Компенсирующие устройства (КУ) в зависимости от их типа и режима работы могут генерировать или потреблять реактивную мощность Q _ку, ком­пенсируя её дефицит или избыток в электрической сети, уменьшать или уве­личивать индуктивное сопротивление. Например, включение КУ в какой-либо точке сети изменяет реактивную составляющую нагрузки. В итоге из­меняется полная мощность узла нагрузки в соответствии с векторными диа­граммами (рис. 7.3).

Так, в результате включения КУ, генерирующих или потребляющих реактивную мощность (например, СК или СТК), изменяется передаваемая по участкам сети реактивная мощность и, следовательно, потери напряжения

(7.8)

создаются возможности регулирования напряжения в узлах сети и на зажи­мах электропотребителей:

Реактивная мощность, передаваемая от электростанции и других цен­тральных источников, загружает все элементы электрической сети, уменьшая возможность передачи активной мощности. Поэтому по экономическим со­ображениям потребность в реактивной мощности (в большей её части) необ­ходимо удовлетворять за счёт установки местных источников реактивной мощности. В этом случае уменьшается передача реактивной мощности по участкам сетей:

снижаются потери активной и реактивной мощности в них:

(7.9)

и потери электроэнергии в продольных элементах сети:

(7.10)

и создаются условия для передачи по сети больших потоков активной мощ­ности.

В электрических сетях с избытком реактивной мощности (активно-емкостная мощность), в частности, в узлах сетей 330 кВ и более, в периоды малых нагрузок напряжения могут превысить допустимые значения. Для удержания напряжения в допустимых пределах необходимо потребить (ком­пенсировать) избыточную реактивную мощность (рис. 7.3, б), что может быть осуществлено с помощью реакторов поперечного включения, СТК или синхронных машин, работающих в режиме недовозбуждения.

При включении компенсирующие устройства потребляют из сети неко­торую активную мощность, которая в случае приближённых расчётов не ока­зывает существенного влияния на результаты.

7.3. Конденсаторная батарея

Батарея статических конденсаторов является источником реактивной мощности. Реактивная мощность, генерируемая конденсаторной батареей (КБ), квадратично зависит от напряжения:

(7.11)

где С_КБ - ёмкость конденсаторной батареи, Ф; - угловая частота, рад.

Активная мощность, потребляемая КБ, пропорциональна генерации

(7.12)

и зависит от качества изоляции конденсаторов, определяемого тангенсом уг­ла диэлектрических потерь (tgS). Величина tgS составляет около 0,003­0,006 кВт/квар, поэтому собственное потребление (потери) активной мощно­сти в КБ незначительны, что в итоге определяет их высокую экономичность.

В первом приближении КБ задают в точке её присоединения ёмкостной (отрицательной) нагрузкой. Однако необходимо учитывать основной техни­ческий недостаток конденсаторов - отрицательный регулирующий эффект: значительное уменьшение генерации (выдачи) реактивной мощности КБ при снижении напряжения на её зажимах.

В результате компенсирующий эффект падает, что способствует даль­нейшему снижению напряжения. Поэтому при расчёте режимов работы сетей конденсаторную батарею необходимо учитывать проводимостью (шунтом) в узле (рис. 7.4, а)

(7.13)

т. к. f = 50 Гц, или ёмкостным сопротивлением:

(7.14)

где Q _Б - мощность батареи при номинальном напряжении сети.

Тогда реактивная мощность, генерируемая КБ, уточняется от фактиче­ского напряжения на входе батареи:

(7.15)

С помощью конденсаторной батареи покрывается (компенсируется) часть потребности нагрузки узла в реактивной мощности, тем самым умень­шается реактивная мощность, потребляемая узлом из сети, до величины

В результате коэффициент мощности cos улучшается до значения cos (рис. 7.3, а). В ряде случаев (в низковольтных, городских распредели­тельных сетях и др.) экономически целесообразна полная компенсация реак­тивной мощности. При этом Q_КБ = Q, и узел нагрузки потребляет из сети только активную мощность (cos = 1). При Q_KБ > Q возникают перекомпен­сация и избыток реактивной мощности, Q выдаётся в питающую сеть; узел нагрузки имеет опережающий коэффициент мощности.

В нерегулируемой конденсаторной батарее (НКБ) число включенных конденсаторов (блоков) неизменно. В регулируемой конденсаторной батарее (РКБ) число включенных конденсаторов изменяется в зависимости от режи­ма работы электрической сети автоматически или вручную.

Мощные конденсаторные установки напряжением 6 кВ и выше могут быть укомплектованы из стандартных конденсаторных блоков мощностью от 0,240 до 0,750 Мвар. Существует широкая номенклатура типовых проектов конденсаторных батарей 6-110 кВ, собираемых из указанных блоков.

Вследствие небольшой удельной стоимости (за 1 квар) и простоты об­служивания конденсаторные батареи и установки являются наиболее распро­странёнными местными источниками реактивной мощности. Диапазон их применения весьма широк - от индивидуальной компенсации на зажимах от­дельных потребителей (КБ в единицы, десятки квар) до централизованной компенсации на шинах главных понизительных подстанций энергосистем (КБ до 5-15 Мвар).

7.4. Установки продольной ёмкостной компенсации

Для уменьшения индуктивного сопротивления ВЛ применяются кон­денсаторы последовательного включения - установки продольной компенса­ции (УПК). УПК включают в рассечку фаз линий (рис. 7.5, а); установки по­лучили широкое распространение в сетях практически всех напряжений (от 0,38 до 500 кВ включительно).

При продольно-емкостной компенсации конденсаторы представляют в схеме замещения реактивным сопротивлением

(7.16)

где - угловая частота; С_к - ёмкость батареи.

Значение Х_к можно вычислить также по формуле

(7.17)

где U _ном, Q_к - номинальные значения реактивной мощности и напряжения

КБ соответственно (с учётом схем соединения конденсаторов).

При включении УПК компенсируется часть индуктивного сопротивле­ния линии X = X_L - X_K, тем самым уменьшается составляющая потерь напряжения

(7.18)

что равносильно введению некоторой добавки напряжения Последняя зависит и автоматически изменяется от величины реактивной составляющей тока нагрузки. Чем она больше, тем эффективнее для улучшения режима напряжения применение УПК.

Однако применение УПК для регулирования (изменения) напряжения экономически целесообразно только в сетях 35 кВ и ниже, питающие на­грузки с относительно низким коэффициентом мощности tg 0,75. В нор­мальном режиме через УПК течёт ток I_норм загрузки линии. В этом случае, например, при передаче проектной мощности, составляющей около 2,0 МВт по ВЛ 10 кВ протяжённостью 10 км с проводом АС 50/8 и 95 % компенсации индуктивного сопротивления, минимальная добавка напряжения

(7.19)

составит около 5,0%. Если реактивные нагрузки малы (tg близок к нулю), потеря напряжения определяется в основном активными нагрузками и сопро­тивлениями (составляющая U_a) и, значит, компенсация индуктивного со­противления нецелесообразна.

В сетях более высоких номинальных напряжений при существенном превышении величиной X значения R УПК применяются в первую очередь для повышения их пропускной способности, статической и динамической ус­тойчивости электроэнергетических систем.

Шунтирующий реактор (реактор поперечного включения) - это стати­ческое электромагнитное устройство, применяемое в электроэнергетических системах для регулирования реактивной мощности, напряжения и компенса­ции емкостных токов на землю. Обладает преимущественно индуктивным сопротивлением. Шунтирующие реакторы изготавливаются на напряжения 35-750 кВ. Во включенном состоянии реактивная мощность, потребляемая реактором, зависит (в зоне линейности его электромагнитной характеристи­ки) от квадрата напряжения:

(7.20)

где В_р - индуктивная проводимость реактора.

При расчёте режимов для учёта шунтирующего реактора вводится его индуктивная проводимость (положительный шунт)

(7.21)

получаемая из паспортных данных реактора: номинальных значений реак­тивной мощности Q_p и напряжения U_ном.

Для приближённых расчётов шунтирующие реакторы задают в точке их присоединения нагрузкой, равной номинальной мощности реактора (рис. 7.4, б).

Кроме шунтирующих реакторов, на подстанциях устанавливают зазем­ляющие реакторы, предназначенные для компенсации ёмкостных токов за­мыкания на землю.

7.5. Синхронный компенсатор

Синхронная явнополюсная вращающаяся (750 об/мин) машина, рабо­тающая в режиме холостого хода (СК). СК устанавливают на крупных под­станциях специально для генерирования и потребления реактивной мощно­сти. Представляется возможность стабилизировать напряжение в точке под­ключения СК и регулировать его в небольших пределах, управляя балансом реактивной мощности:

(7.22)

Влияние на режим напряжения, определяемое располагаемым диапазо­ном изменения реактивной мощности СК:

(7.23)

возрастает с увеличением этого диапазона.

Наибольшая реактивная мощность СК Q_max, генерируемая в режиме пе­ревозбуждения, называется его номинальной мощностью. В режиме недовозбуждения СК потребляет реактивную мощность, минимальное значение Q_min которой определяется режимным ограничением по устойчивости параллель­ной (синхронной) работы СК.

Поскольку СК потребляют относительно небольшую активную мощ­ность, расходуемую на потери в статоре и роторе, и на трение в подшипни­ках, его схему замещения можно представить упрощённо без активного со­противления (рис. 7.6, а). Ей соответствуют векторные диаграммы (рис. 7.6, б, в), на основании которых ток СК

(7.24)

и поскольку Р_ск 0, мощность на его зажимах

(7.25)

Отсюда следует, что значение и знак реактивной мощности СК зависят от со­отношения его ЭДС (E_q) и напряжения узла сети, где подключен СК (U_c). ЭДС определяется током возбуждения СК: росту тока возбуждения соответ­ствует увеличение E_q. Если E_q>U_c, то СК генерирует в сеть реактивную мощность и потребляет из сети опережающий напряжение ток (рис. 7.6, б).

(7.26)

составляющую около 50-60 % номинальной.

При некотором сниженном значении тока возбуждения, при котором E_q = U_c реактивная мощность СК Q_ск = 0 (cos = 1). Дальнейшее снижение

тока возбуждения переводит СК в режим недовозбуждения, при котором E_q < U_c, и CK потребляет из сети реактивную мощность и отстающий от на­пряжения ток (рис. 7.6, в). В режиме предельного недовозбуждения E_q = 0, включённый без возбуждения в сеть СК потребляет из неё реактивную мощ­ность.

Основное достоинство СК заключается в положительном регулирую­щем эффекте, т. е. в возможности плавно увеличивать выработку реактивной мощности и в результате стабилизировать или повысить напряжение при его снижении в часы максимума нагрузки или при аварии в электроэнергетиче­ской системе. Причём скорость (инерционность) регулирования определяется системой АРВ. Таким образом, СК обладает возможностями и конденсатора, и реактора: при работе в режиме перевозбуждения СК является генератором реактивной мощности, а в режиме недовозбуждения - потребителем (рис. 7.7).

В расчётах электрических режимов на ЭВМ СК представляется как опорный узел типа P, U- const, т. е. с заданными значениями U _ск = constи отрицательной мощностью генерации - Р_ск «АР_хх, принимаемой около 1 %

номинальной. Диапазон изменения реактивной мощности задаётся согласно (7.23), в пределах которого находится значение, обеспечивающее заданное напряжение U_ск. Если для обеспечения заданного напряжения необходимо значение реактивной мощности, выходящее за указанные пределы, то реактивная мощность СК закрепляется на нарушенном пределе Q_ск=Q_макс или Q_ск=Q_мин = const и вычисляется соответствующее этой реактивной мощности напряжение как для неопорного (нагрузочного) узла. При расчётах вруч­ную СК задаётся как неопорный генераторный узел (- Q_ск = const) или узел потребления (Q_ск = const) реактивной мощности, которому соответствует вы­числяемое значение напряжения.

Вместе с тем СК - это крупная вращающаяся электрическая машина мощностью до 320 Мвар, требующая высокого уровня эксплуатации, в част­ности, обеспечивать устойчивость параллельной работы СК в электроэнерге­тической системе. Работа СК сопровождается заметными потерями электро­энергии и расходом вспомогательных материалов. Всё это, несмотря на отра­ботанность конструкции и относительную дешевизну СК, способствует при­менению статических компенсаторов.

7.6. Статические тиристорные компенсаторы

Статические тиристорные компенсаторы - это комплексные устройст­ва, предназначенные как для выдачи, так и потребления реактивной мощно­сти. СТК за счёт тиристорного управления обладают исключительным быст­родействием и осуществляют плавное регулирование реактивной мощности. Устанавливаются на подстанциях энергосистем, имеют мощность 100, 150, 250, 300 и 400 Мвар и номинальные напряжения 10; 15,75; 20; 35; 110 кВ. СТК имеют различные схемы подключения к высоковольтной сети и управ­ления потребляемой реактивной мощностью. Основу СТК составляют нако­пительные элементы (ёмкости, индуктивности), реакторно-тиристорные и конденсаторно-тиристорные блоки.

На рис. 7.8 приведены две принципиальные схемы СТК. Схемы состоят из неизменных по мощности КБ (рис. 7.8, а) или реакторов (рис. 7.8, б). Плавное управление мощностью СТК осуществляется с помощью встречно-параллельно включенных управляемых вентилей - тиристоров, снабжённых устройством управления (УУ), с помощью которого регулируется момент открытия и закрытия тиристоров (угол регулирования 0) (рис. 7.9).

Такое регулирование позволяет изменять время включений реактора или конденсаторной батареи в сеть в течение каждого полупериода. Вследст­вие этого изменяются действующее значение напряжения U на зажимах со­ответствующего накопительного элемента и развиваемая ими мощность.

Мощность СТК Q_стк может изменяться от потребления до выработки (в пределах диапазона регулирования)

за 1-2 периода промышленной частоты при практически неизменном напря­жении Uc на выходе СТК.

При отключении КБ или реактора СТК потребляет или выдаёт реак­тивную мощность (рис. 7.8, а и рис. 7.8, б соответственно).

СТК в расчётах установившихся режимов может задаваться как син­хронный компенсатор: генерацией в неопорных узлах типа P, Q - const или в виде опорного узла типа P, U - const с небольшими значениями активной мощности P на потери в КБ и реакторе с пределами Q_min, Q_max, определяемые величиной компенсации реактивной мощности.

Вопросы для самопроверки

1. Когда целесообразно применение двухобмоточных трансформаторов с расщеплённой обмоткой низшего напряжения (НН)?

2. Какой вид имеет принципиальная схема и схема замещения двухоб-моточного трансформатора с расщеплённой обмоткой НН?

3. Укажите, в чём сходство и различие такого трансформатора по срав­нению с трёхобмоточным?

4. Сети каких номинальных напряжений могут соединять трансформа­торы с расщеплённой обмоткой НН? и

5. Какие схемы соединений и режимы нейтралей обмоток трансформа­тора с расщеплённой обмоткой?

6. Чем отличается расчёт сопротивлений схемы замещения трёхфазного трансформатора от расчёта трёхфазной группы, состоящей из однофазных трансформаторов с расщеплёнными обмотками НН?

7. Зависят ли проводимости трансформаторов от количества расщеп­лённых обмоток и как они рассчитываются для трансформаторов с расщеп­лёнными обмотками?

8. Почему трансформаторы с расщеплённой обмоткой НН рассматри­ваются как естественное средство ограничения токов короткого замыкания.

9. Как обозначаются типы силовых трансформаторов?

10. Как расшифровываются буквы в обозначениях типа трансформато­ров и автотрансформаторов?

11. Какие способы охлаждения и регулирования напряжения применя­ют в трансформаторах?

12. Какой стандартный ряд номинальных мощностей трансформаторов?

13. Какие виды компенсирующих устройств применяют в электриче­ских сетях и системах электроснабжения?

14. Каково назначение компенсирующих устройств?

15. За счёт чего установка компенсирующих устройств позволяет регу­лировать напряжение, снижать потери мощности и электроэнергии?

16. Как учитываются конденсаторные батареи в схемах замещения электрических сетей?

17. В чём заключается отрицательный регулирующий эффект батареи?

18. В каких электрических сетях и с какой целью устанавливаются уст­ройства продольной компенсации?

19. Когда эффективна установка УПК для регулирования напряжения?

20. Как учитываются реакторы в схемах замещения электрических сетей?

21. Каково назначение синхронных компенсаторов в электроэнергети­ческих системах?

21. Как учитываются синхронные компенсаторы в расчётах электрических режимов ЭЭС?

22. Каков принцип работы статического тиристорного компенсатора?

23. Как учитываются СТК в схемах замещения ЭЭС?

24. Какие достоинства и недостатки конденсаторных батарей, синхронных компенсаторов и статических тиристорных компенсаторов?