Компенсация реактивной мощности
Реактивная мощность – это технические потери электроэнергии, вызванные электромагнитными процессами в сетях. Недостаток её вызывает повышенный нагрев проводников и создает избыточную нагрузку на сеть, в результате чего источник электроэнергии работает в усиленном режиме. Если средства компенсации мощности не предусмотрены, то за потребление реактивной энергии из сети приходится переплачивать значительные суммы.
Существенные реактивные нагрузки становятся причиной понижения напряжения в электросети и ухудшения качества электропитания. Помимо того, чрезмерно нагружаются линии электропередач и трансформаторное оборудование, в результате чего увеличиваются капитальные затраты на обустройство и эксплуатацию электрораспределительных станций.
Исторический обзор решений для динамической компенсации реактивной мощности с начала применения переменного тока для передачи электроэнергии до наших дней
Передача электрической энергии с использованием переменного тока началась еще в конце 19 века, заменяя существовавшие небольшие локальные системы постоянного тока. При расширении локальных систем энергоснабжения и обеспечении передачи на дальние расстояния возникали различные проблемы с управлением напряжением и стабильностью, связанные в первую очередь с небалансом реактивной мощности в системах. Для управления напряжениями стационарной системы в основном использовалась коммутируемая компенсация реактивной мощности (шунтирующие конденсаторы и шунтирующие реакторы). Динамический способ основывался на вращающихся машинах, например синхронных компенсаторах.
В середине 60-х годов 20 века появились первые статические компенсирующие устройства реактивной мощности, то есть реакторы, управляемые постоянным током (ртутные вентили) и устройства, управляемые тиристорами (конденсаторы с тиристорным управлением, реакторы с тиристорным управлением).Малое время отклика, низкие потери и меньшие требования к техническому обслуживанию сняли многие ограничения, присущие вращающимся машинам и устройствам, управляемым постоянным током. Оценка рабочих потерь имеет своим результатом всё большее увеличение использования статических конденсаторных установок реактивной мощности, состоящих из комбинаций ветвей конденсаторов и реакторов с тиристорным управлением. Эти шунтирующие устройства совместно с последовательными конденсаторами с тиристорным управлением составили основу гибких систем передачи переменного тока (FACTS). FACTS позволяет более эффективно использовать системы передачи благодаря улучшенному динамическому управлению напряжением системы с одной стороны и более высокой пропускной способностью с другой стороны. В системах передачи переменного тока в настоящее время установлены статические конденсаторные установки реактивной мощности общей мощностью более 100 000 МВА.
В устройствах FACTS стали использоваться новые силовые электронные приборы (GTO, IGCT, IGBT), которые позволяют использовать преобразователи тока и напряжения для обеспечения быстродействующей компенсации реактивной мощности. На основе дальнейшего развития систем управления, совершенствования полупроводниковых приборов и новых технологий преобразователей напряжения в настоящее время компенсация реактивной мощности является ключевым фактором для надёжной передачи энергии переменного тока. В данной статье вашему вниманию предлагается обзор положений в области систем передачи от начала применения первых УКРМ до существующего в настоящее время положения. Также сравниваются ранние решения и современные устройства, приводятся основные факторы и этапы совершенствования установок и обсуждаются преимущества современных устройств.
Передача энергии переменного тока началась в конце 19 века. Развитие шло от низких уровней напряжения и ограниченных районов до больших расстояний, высоких мощностей и всё более возрастающего напряжения передачи. На рис. 1 приводится примерная картина возрастания напряжения систем передачи от года к году.
Генерация электрической энергии и её потребители обычно не находятся близко друг от друга. Большие города и большие промышленные регионы часто получают электроэнергию от источников, находящихся на большом расстоянии. Составляющие системы и нагрузка включают в себя источники реактивной мощности (конденсаторы и катушки индуктивности), которые оказывают влияние на профиль напряжения сети и стабильность системы. Линии передачи высоковольтных систем (735 кВ) могут иметь до 200 Мвар емкостной мощности на длину 100 км. Кабельные соединения могут давать даже большую реактивную мощность. Большие нагрузки, содержащие электрические дуговые печи или мощные приводы, могут иметь до 100 Мвар индуктивной реактивной мощности. Без соответствующей компенсации реактивной мощности в длинных линиях передачи могут наступить критические условия работы системы из-за сильных колебаний напряжения и проблем со стабильностью. Эти проблемы могут быть решены с помощью схем параллельной и последовательной компенсации.
Активная мощность
Если нагрузка чисто резистивная, без индуктивных или емкостных компонентов (реактивной мощности), например, электрический нагреватель, кривые напряжения и тока пересекают координатную ось (проходят через ноль) в одной точке (рис. 1.1).
В этом случае говорят, что напряжение и ток находятся «в фазе». Точки кривой мощности (P) рассчитывается как произведение мгновенных значений напряжения (V) и тока (I). Эта кривая имеет частоту в 2 раза выше частоты напряжения питания и полностью находится в положительной области, так как произведение двух отрицательных чисел является положительным числом, так же, как, естественно, произведение двух положительных чисел.
Рис. 1.1. Кривые напряжения, тока и мощности для чисто резистивной нагрузки (φ = 0°)
Активная или полезная мощность определяется как составляющая мощности, которая преобразуется в другую форму (например, тепло, свет, механическую энергию) и регистрируется счётчиком электроэнергии. При чисто резистивной или омической нагрузке она вычисляется путём перемножения эффективных значений напряжения [V] и тока [I]:
Активная и реактивная мощность
На практике, однако, чисто резистивные нагрузки не являются типичными, обычно также имеется и индуктивная составляющая. Это относится ко всем потребляющим электроэнергию устройствам, принцип работы которых основан на использовании магнитного поля, к примеру, электродвигателям, дросселям, трансформаторам. Также реактивный ток необходим для процессов коммутации в силовых преобразователях. Ток, используемый для создания и изменения магнитного поля, не рассеивается, а циркулирует туда и обратно как реактивный ток между генератором и потребителем.
Рис. 1.2. Напряжение, ток и мощность при резистивно-индуктивной нагрузке (φ = 45°)
Как показано на рисунке 1.2, кривые напряжения и тока уже не проходят через ноль в одной точке, а имеется смещение фазы. При индуктивной нагрузке ток отстаёт от напряжения, а при емкостной – ток опережает напряжение. При расчёте мгновенных значений мощности по формуле (P) = (V)·(I) теперь получаются отрицательные значения, если один из множителей отрицательный.
В этом примере фазовый сдвиг φ = 45°. Это соответствует индуктивному cosφ = 0,707. Как видим, часть кривой мощности находится в отрицательной области.
Активная мощность в этом случае определяется по формуле:
P (Вт) = V (В) · I (А) · cosφ
Реактивная мощность
Чисто индуктивная реактивная мощность потребляется двигателями и трансформаторами, работающими без нагрузки (если пренебречь потерями в меди, железе и, при их наличии, потерями на трение). Можно считать, что силовые конденсаторы RTR ENERGIA имеют чисто емкостную реактивную мощность, так как они имеют очень низкие потери (менее 0,05%).
Рис. 1.3. Напряжение, ток и мощность при чисто реактивной нагрузке (φ = 90°)
Если напряжение и ток имеют сдвиг по фазе на 90°, одна половина кривой мощности находится в положительной области, а другая – в отрицательной (рис. 1.3). Активная мощность равна нулю, так как положительная и отрицательная области уравновешивают друг друга.
Реактивная мощность определяется как мощность, которая циркулирует между генератором и нагрузкой на частоте питающего напряжения для обеспечения нарастания и спада магнитного поля.
Q (вар) = V (В) · I (А) · sinφ
Полная мощность
Значение полной мощности является основным параметром при выборе номинальных параметров сетей энергоснабжения. На полную мощность системы должны рассчитываться генераторы, трансформаторы, распределительные устройства, предохранители, автоматические выключатели и проводники.
Значение полной мощности – это результат произведения значений напряжения и тока без учёта фазового сдвига.
Полная мощность определяется как векторная сумма активной и реактивной мощностей.
Рис. 1.4. Треугольник мощностей
Коэффициент мощности (cosφ и tgφ)
Удобным параметром для определения активного и реактивного компонентов мощности, напряжения и тока является косинус угла сдвига фаз (фазовый угол) между током и напряжением. В электротехнической практике этот параметр получил название «коэффициент мощности».
Коэффициент мощности (cos) фазового угла φ при полной нагрузке маркируется на электрических машинах.
Тангенс (tg) фазового угла φ удобен для выражения отношения реактивной мощности к активной.
Два следующих выражения показывают соотношение между косинусом и тангенсом фазового угла φ.
Так как система распределения электроэнергии должна быть рассчитана на полную мощность, предпринимаются усилия для снижения её значения. Если параллельно потребителю электроэнергии установлены конденсаторы соответствующей величины, реактивный ток циркулирует между конденсатором и потребителями. Это значит, что этот дополнительный ток не протекает по остальной части распределительной сети. Если, таким способом, достигнут коэффициент мощности, равный единице, через систему распределения протекает только активный ток.
Реактивная мощность QC, скомпенсированная конденсатором, — это разность между индуктивной реактивной мощностью до компенсации Q1 и реактивной мощностью после компенсации Q2, то есть
QC (вар) = P (Вт) · (tgφ1 – tgφ2)
Рис. 1.5. Треугольник мощностей, иллюстрирующий действие компенсации реактивной мощности
Необходимость компенсации реактивной мощности
Реактивный ток, циркулирующий между генератором энергоснабжающей компании и потребителем, преобразуется в тепловую энергию в системе распределения электроэнергии, то есть создаётся дополнительная нагрузка на генераторы, трансформаторы, кабели и распределительное устройство.
Это приводит к потерям электроэнергии и падению напряжения. Если доля реактивного тока высока, имеющиеся сечения проводников не могут полностью использоваться для передачи полезной энергии, возможно, их нужно соответственно увеличить.
С точки зрения энергоснабжающей компании низкий коэффициент мощности приводит к увеличению затрат на инвестиции и обслуживание, и эти дополнительные затраты перекладываются на тех, кто за них ответственен, то есть на потребителей с низким коэффициентом мощности. Поэтому в дополнение к счётчику активной энергии устанавливается счётчик реактивной энергии.
Рис. 1.6. Активная и реактивная мощность в системе распределения электроэнергии без компенсации реактивной мощности
Рис. 1.7. Активная и реактивная мощности в системе распределения электроэнергии c компенсацией реактивной мощности
Преимущества компенсации реактивной мощности
- Эффективное использование:
- генераторов (энергоснабжающей компании);
- трансформаторов;
- кабельной сети;
- распределительного устройства.
Следовательно — более низкая стоимость электроэнергии!
Выгода применения установки компенсации реактивной мощности
Огромное количество потребителей электроэнергии постоянно нагружает сеть реактивной составляющей потребляемой мощности, причем эта нагрузка постоянно возрастает. Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности позволяет повысить надежность электропитающих сетей и увеличить пропускную способность энергосистемы.
Среди целого ряда преимуществ от применения устройств компенсации реактивной мощности можно выделить пять главных:
Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности дает существенный экономический эффект. Снижение уровня энергопотребления может составить до 40-50% от общего объема. При таких объемах срок окупаемости систем компенсации мощности составит не более одного года.
Средства компенсации увеличивают срок службы силовых трансформаторов, поскольку их использование снижает нагрузку на оборудование. Использование установок компенсации также снижает нагрузку на линии передач и нагрев проводов, что позволяет использовать токоведущие жилы меньшего сечения.
На этапе проектирования и строительства новых зданий монтаж системы компенсации реактивной мощности позволяет существенно сэкономить на обустройстве распределительной электросети.
Применение средств компенсации реактивной мощности дает возможность подавить сетевые помехи, избежать глубокой просадки напряжения и минимизировать несимметрию фаз. Кроме того, системы компенсации в составе пассивных фильтров позволяют снизить уровень высших гармоник.
Устройство компенсации реактивной мощности позволяет избежать штрафных санкций от поставщика электроэнергии за ухудшение показателей коэффициента мощности.
Поперечная компенсация реактивной мощности
В настоящее время используются коммутируемые конденсаторные установки для поперечной компенсации реактивной мощности и конденсаторные установки с непрерывным управлением. Емкостная мощность линий передачи или кабельной сети частично компенсируется параллельным шунтом из подключенных к линии реакторов, индуктивные нагрузки компенсируются шунтирующими конденсаторами. Линейные реакторы постоянно подключены к линиям передачи, чтобы обеспечить постоянную компенсацию в широком рабочем диапазоне. Шунтирующие конденсаторы обычно разделены на ступени для компенсации промежуточных нагрузок. Непрерывное управление реактивной мощностью ранее было возможно только с помощью регулирования возбуждения генераторов или специальных синхронных конденсаторных установок. Первые устройства статической компенсации строились на основе насыщенных реакторов, следующими были тиристорные установки. Основой последних устройств компенсации реактивной мощности стали преобразователи напряжения, использующие сначала запираемые тиристоры (GTO), а сейчас биполярные транзисторы с изолированным затвором (IGBT).
A. Синхронные компенсаторы
Поведение синхронного компенсатора определяется влиянием МДС возбуждения на реактивную мощность. В некоторых случаях с целью экономии средств для управления реактивной мощностью используются старые генераторы, демонтированные с турбин. Вновь изготовленные синхронные компенсаторы использовались в конкретных местах системы для улучшения профиля напряжения и увеличения мощности короткого замыкания особенно в точке подключения высоковольтных вставок постоянного тока. Время отклика машин было улучшено с внедрением систем возбуждения с управлением с помощью тиристоров. На рис. 2 показана схема подключения синхронного компенсатора к системе высокого напряжения.
На рис. 3 показана вольт-амперная рабочая характеристика. Наклон характеристики зависит от реактивного сопротивления двигателя и его сетевого трансформатора. Изменение опорного напряжения приводит к работе синхронного компенсатора в перевозбуждённом или недовозбуждённом режиме, то есть он отдаёт (как ёмкость) или поглощает (как индуктивность) реактивную мощность. Он реагирует сам, то есть без управляющего воздействия, и обеспечивает поддержание напряжения вне рабочей характеристики в установившемся режиме в условиях переходного процесса.
B. Статические компенсаторы на основе насыщающихся реакторов
Эти первые статические компенсаторы строились из статических (неподвижных) компонентов, то есть конденсаторов и реакторов. Реакторы работали в области насыщения, ограничивая при этом изменения напряжения. На рис. 4 показано устройство такого компенсатора и его рабочие характеристики.
Насыщающийся реактор (SR) обычно выполняется на 9-стержневом стальном магнитопроводе для нейтрализации гармоники третьего порядка. Наклон характеристики SR уменьшается благодаря конденсатору Cs, подключенному последовательно. Параллельно им подключен шунтирующий конденсатор Cp, который обеспечивает емкостной характер устройства. В правой части рис. 4 показана характеристика каждого компонента (SR, Cs и Cp), суммарная характеристика SR и Cs (SR+Cs) и окончательная характеристика SR+Cs+Cp после параллельного подключения Cp. Насыщающиеся статические компенсаторы по существу реагируют на изменения напряжения системы. Регулировка опорного напряжения производится при помощи переключателя ответвлений сетевого трансформатора. Демпфирующие фильтры подключаются параллельно конденсатору Cs для устранения возможности феррорезонанса совместно с защитой от перенапряжения конденсатора. Общий рабочий диапазон может быть установлен ступенчатым переключением шунтирующих конденсаторов. Статический компенсатор нормально работает в условиях симметричного напряжения системы.
C. Статические компенсаторы реактивной мощности
Статические конденсаторные установки составлены из статических компонентов (индуктивностей и емкостей), с быстродействующим управлением с помощью полупроводниковых устройств (тиристоров). Преимуществами статических компенсаторов по сравнению с синхронными компенсаторами являются более низкие требования к техническому обслуживанию (нет движущихся частей),простое трёхфазное или однофазное управление, другие опциональные возможности управления, а также меньшая стоимость при тех же номинальных параметрах. На рис. 5 показано типовое устройство статического компенсатора.
Необходимая емкостная мощность для системы может быть установлена в емкостных ветвях, которые могут быть фиксировано подключенными к шине низкого напряжения или коммутируемыми с помощью тиристорных вентилей (конденсаторы с тиристорной коммутацией). Фиксированные ветви обычно настраиваются с помощью последовательных реакторов для фильтрации гармоник. Индуктивная мощность устанавливается в одной фазе или комбинациях трёхфазных реакторов, которые плавно регулируются с помощью тиристорных вентилей. Ветви подключены к высоковольтной системе через специальный трансформатор. Трансформатор изменяет напряжение системы до уровня, оптимального для работы тиристора.
Ветви реакторов с тиристорным управлением (TCR)
Ветви реакторов с тиристорным управлением содержат реакторы, которые управляются по углу с помощью тиристорных ключей. Три однофазные ветви соединяются в треугольник для уменьшения генерации гармоник, кратных трём, при симметричной работе.
Ветви конденсаторов с тиристорной коммутацией (TSC)
Ветви конденсаторов с тиристорной коммутацией содержат конденсаторы и токоограничивающие реакторы и коммутируются с помощью тиристорных ключей. Ветви могут соединяться треугольником или звездой. При соединении звездой один ключ становится лишним и может не приниматься во внимание в одной из трёх фаз. При использовании тиристоров с таким же номинальным током, как для TCR, номинал ветви будет соответственно ниже.
Развитие технологий тиристоров большой мощности создало основу использования электронных устройств большой мощности в энергосистемах.
Процесс совершенствования тиристоров (см. рис. 6) начался в 70-х годах. Токопроводящая способность мощных тиристоров ступенчато возрастала от 800 А (эфф.) до 4000 А (эфф.) при использовании кремниевых подложек с диаметром от 40 до 125 мм. При этом величина максимально допустимого обратного напряжения увеличилась с 1,6 до 8 (10) кВ. Следующий этап дальнейшего увеличения номинальных токов тиристоров ожидается с 2009 г.
Конфигурации статической конденсаторной установки
Вначале в статических конденсаторных установках для соответствия условиям работы различных цепей, управляемых тиристорами, они устанавливались параллельно. Последовательное подключение тиристоров обуславливалось напряжением шины низкого напряжения (обычно до 36 кВ). 12-пульсное подключение использовалось для разделения ветвей, управляемых тиристорами, и уменьшения тока короткого замыкания цепи каждого вентиля, а также чтобы избежать 6-пульсных гармонических искажений в системе. На рис. 7 показан типовой статический компенсатор реактивной мощности в 12-пульсном соединении, использующий только одну ветвь TCR и фиксированную емкостную ветвь (FC).
Конфигурации статических компенсаторов изменялись со временем по мере повышения номинальных токов и в связи с обсуждающимися далее факторами, связанными с потерями, занимаемой площадью и мобильностью.
Величины потерь в статических компенсаторах с конфигурацией TCR/FC показаны на рис.8. Значение потерь не включает в себя нагрузку, потери трансформатора, потери реактора с тиристорным управлением и реактора фильтра, диэлектрические потери конденсаторов, потери в ключах, как в стационарном режиме, так и при переключении, потери в оборудовании охлаждения (трансформатор и вентили) и во вспомогательном оборудовании.
Средняя величина рабочих потерь в статических компенсаторах с конфигурацией TCR/FC составляет около 0,5 – 0,7% номинальной емкостной мощности. На рис. 9 показан график рабочих потерь установки с конфигурацией TCR/TSC/FC.
Средняя величина рабочих потерь в статических компенсаторах конфигурации TCR/TSC/FC составляет около 0,5 – 0,7% номинальной емкостной мощности компенсатора. Стоимость конфигурации компенсатора TCR/TSC/FC выше, чем конфигурации TCR/FC за счёт дополнительной стоимости конденсаторов с тиристорной коммутацией. Из-за того, что статический компенсатор должен работать основную часть времени при нуле на выходе, чтобы быть готовым к быстрому поддержанию напряжения при нештатных ситуациях в системе, стоимость потерь должна определяться в рабочей области.
Возможна следующая методика оценки:
Pveval = Pv1 x t1 + Pv2 x t2 + … + Pvn x tn, где
Pveval – значение общих рабочих потерь,
Pv1, 2, n – средние потери в рабочем диапазоне 1, 2, n для периодов работы t1, t2, tn.Суммарное время работы – до 8760 часов за год. Стоимость потерь определяется умножением Pveval на конкретную стоимость потерь ($/кВт) у потребителя, величина которой зависит от поставщика электроэнергии от 1500 до 8000 $/кВт.
Общая стоимость компенсации реактивной мощности состоит из стоимости инвестиций (составные части, установка) и стоимости потерь. Решение статического компенсатора конфигурации TCR/TSC/FC может оказаться более экономичным, чем более простое – TCR/FC. Последние установки статических компенсаторов реактивной мощности в основном имели конфигурации TCR/TSC/FC.
Несмотря на то, что конфигурации TCR/TSC/FC требуют больше места, так как имеют больше ветвей, требования по площади размещения могут быть уменьшены более чем на 50% (в настоящее время – до 8 м2/Мвар) по сравнению с ранними конструкциями. Требования по занимаемой площади также могут использоваться в качестве критерия оценки.
Процессы либерализации и приватизации могут приводить к изменениям потоков в некоторых высоковольтных системах в течение короткого времени. Некоторые ранее установленные конденсаторные установки реактивной мощности могут оказаться больше не эффективными в данном месте, и может потребоваться их установка в другой точке системы. Возможность перемещения установки также может быть использована в качестве критерия при оценке общей стоимости.
Переход от аналогового управления к цифровому
Со временем происходил переход от чисто аналоговых систем управления и защиты к цифровым системам. Преимуществами цифровых систем являются отсутствие дрейфа параметризации и сигнализации, программное управление функциональностью, графическое конфигурирование, самодиагностика и модульное построение. Современные системы управления конденсаторных установок имеют многообразные функции и позволяют полностью интегрироваться в систему. На рис. 10 показана схема блока управления, включающего в себя различные функции управления и замкнутую петлю обратной связи.
Выделенная на рисунке часть схемы показывает прохождение сигнала управления напряжением. Сигнал управления напряжением может быть модулирован быстродействующим сигналом управления для подавления качаний мощности (POD) в случае серьёзных проблем со стабильностью после аварии системы. Замедленное действие тракта управления реактивной мощностью помогает статической конденсаторной установке оперировать из заданной оптимальной рабочей точки, например 0 Мвар. Из этой оптимальной рабочей точки конденсаторная установка сможет быстро отдавать или поглощать реактивную мощность в критических условиях работы системы.
D. Преобразователи напряжения
Идея применить самокоммутирующиеся преобразователи для статической компенсации реактивной мощности долго обсуждалась перед созданием в 70-е годы 20 века первой конструкции на тиристорах со специальной схемой для ускорения коммутации. В принципе, могут быть использованы преобразователи с фиксированным постоянным напряжением или током. Тем не менее, при поддержке других отраслей, например, систем электроприводов, стал доступен широкий ряд полупроводниковых приборов с управляемым запиранием и полным максимальным обратным напряжением. В первых экспериментальных образцах статических компенсаторов STATCOM на базе преобразователей напряжения были использованы запираемые тиристоры (GTO).
На векторной диаграмме, на рис. 11, показан емкостной характер работы. Фаза и амплитуда тока могут регулироваться изменением VVSC. Для данного напряжения системы VN регулируется напряжение преобразователя VVSC, чтобы получить ток IN, который может находиться внутри зоны, обозначенной «максимальный ток преобразователя». Если пренебречь потерями, можно считать, что ток опережает напряжение или отстаёт от напряжения на 90°. Значение максимального тока симметрично при опережении или отставании по фазе. В широком диапазоне изменения напряжения системы ток может оставаться неизменным. Эта функция графически представлена на рис. 12, где сравниваются вольт-амперные характеристики STATCOM и статические конденсаторные установки. В условиях низкого напряжения STATCOM может обеспечить большую мощность, чем СКРМ, а при перенапряжении максимальная выходная мощность STATCOM меньше.
Развитие технологий преобразователей напряжения для компенсации реактивной мощности было нацелено на следующие задачи: улучшение поддержания работы системы в случае понижения напряжения, повышение скорости отклика при компенсации фликеров, создание более компактных и мобильных конструкций, уменьшение взаимного влияния гармоник с системой энергоснабжения. В настоящее время предлагается много технических решений, которые сводятся к концепции мультипреобразования, высоковольтным ШИМ-преобразователям или многоуровневым преобразователям. Причины сложившейся ситуации и перспективы можно увидеть из истории развития. В первых преобразователях напряжения количество последовательно соединённых запираемых тиристоров было ограничено в основном тем, что нельзя было обеспечить равномерное распределение напряжений между отдельными тиристорами. Это приводило к тому, что выходная мощность одиночного преобразователя была мала. Также высокие потери при коммутации препятствовали эффективному использованию широтно-импульсной модуляции (ШИМ) для получения синусоидальной формы тока. Эти ограничения были впервые преодолены сочетанием нескольких преобразователей при использовании подавления гармоник с помощью магнитных цепей.
Позднее появились полупроводниковые приборы с улучшенной коммутационной способностью. С внедрением коммутируемых по затвору запираемых тиристоров (IGCT) были созданы мощные преобразователи с номинальными мощностями до 10 МВА. С использованием высоковольтных биполярных транзисторов постоянного тока с изолированным затвором (IGBT) были созданы вентили на 300 кВ, что дало возможность реализации одиночных преобразователей диапазона 100 МВА.
В преобразователях на IGBT выходной синусоидальный ток формируется с помощью ШИМ с высокой частотой коммутации (в килогерцовом диапазоне). Кроме того факта, что высокая частота коммутации ведёт к значительным потерям преобразователя, наличие крутых фронтов высокого напряжения dv/dt требует применения специального оборудования для предотвращения воздействия высокой частоты и принятия мер по ограничению электромагнитных помех.
Дальнейшее увеличение предложения полупроводников высокой мощности и эффективных систем управления позволяют сегодня преодолевать проблемы, связанные с высокой частотой коммутации высоковольтных вентилей. Системы преобразования, появившиеся в последнее время, имеют модульное построение и генерируют выходное напряжение переменного тока, близкое к синусоидальному с большим количество уровней напряжения (многоуровневые преобразователи).
На рис. 13 показана конфигурация однофазного преобразователя, используемого для компенсации реактивной мощности. Три таких устройства могут быть соединены в треугольник. Напряжения и токи многоуровневых преобразователей аналогичны напряжениям и токам синхронных компенсаторов, но многоуровневые преобразователи имеют намного меньшие времена отклика. Благодаря сниженному взаимному влиянию гармоник с подключенной системой многоуровневые преобразователи на преобразователях напряжения по сравнению с другими типами статических компенсаторов имеют меньше компонентов и проще встраиваются в системы энергоснабжения. Потери энергии многоуровневого преобразователя значительно меньше по сравнению с преобразователями других типов, но всё-таки несколько больше, чем у компенсаторов на тиристорах.
На сегодняшний день общая мощность установленных статических компенсаторов составляет около 110 000 Мвар, из них мощность преобразователей напряжения, применяемых для систем передачи, достигает около 4000 Мвар.
Продольная компенсация реактивной мощности
Электростанции по экономическим причинам не строятся близко к нагрузкам, то есть выработанная энергия должна транспортироваться на большие расстояния. На рис. 14 показана зависимость напряжения на конце линии 345 кВ от передаваемой активной мощности для трёх величин длины линии (100, 200 и 300 км). Натуральная мощность этой линии – 410 МВт.
Чем длиннее линия, тем меньше максимальная передаваемая мощность. Электрическая длина линии может быть увеличена при установке последовательных конденсаторов. Этот принцип раньше использовался для компенсации импеданса трансформаторов, чтобы улучшить параметры напряжения при больших изменениях нагрузки, подключенной на стороне низкого напряжения.
A. Фиксированные последовательные конденсаторы
Последовательные конденсаторы могут быть установлены на обоих концах линии или в средней точке. Основное внимание уделяется профилю напряжения вдоль линии при передаче электроэнергии. Степень компенсации обычно не превышает 70% импеданса линии. Фиксированные последовательные конденсаторы могут быть установлены как один основной блок или в субблоках, чтобы обеспечить возможность ступенчатой адаптации степени компенсации для различных условий работы системы.
B. Последовательные конденсаторы с тиристорным управлением
В некоторых приложениях часть фиксированных последовательных конденсаторов может быть дополнена параллельными реакторами с тиристорным управлением, которые допускают плавное регулирование в пределах определённого диапазона угла управления. На рис. 15 показана установка с такими последовательными конденсаторами с тиристорным управлением и её возможная характеристика управления импедансом.
Последовательные конденсаторы с тиристорным управлением имеют ограниченный рабочий диапазон угла управления от около 150° до 180°. Продолжительность работы в индуктивном диапазоне невозможна из-за слишком больших токов тиристоров. Допустима только работа в режиме полной проводимости реактора, управляемого тиристором.
C. Преобразователи напряжения
Установки STATCOM с преобразователями напряжения, установленные последовательно в линию, формируют унифицированный контроллер потока мощности. В других станциях такие последовательно подключенные конфигурации преобразователей напряжения устанавливаются для целей распределения потоков мощности или нагрузки между параллельными линиями (трансформируемый статический компенсатор). Преимуществом установки последовательной компенсации реактивной мощности с преобразователем напряжения является возможность управления в индуктивной области.
Подведем итоги
Динамическая компенсация реактивной мощности с управлением при помощи силовой электроники обеспечивает улучшение работы систем передачи и теперь является признанным средством компенсации реактивной мощности среди других устройств.
Большое разнообразие технологий FACTS обеспечивает надёжные решения для большинства имеющихся и возникающих вновь требований при передаче электроэнергии.
Комбинация динамических и обычных коммутируемых устройств компенсации часто приводит к экономичным решениям для работы в установившемся режиме и при переходных процессах в электрической системе. FACTS на основе преобразователей напряжения будут использоваться более широко, особенно в диапазоне малых и средних мощностей.
В ближайшем будущем, вероятно, для преодоления имеющихся ограничений при работе систем передачи потребуется большее количество конденсаторных установок компенсации реактивной мощности, которые рассматриваются как важное средство для повышения стабильности системы и защиты от перебоев энергоснабжения.
Где устанавливаются компенсаторы реактивной мощности
Реактивная мощность — часть полной мощности, затрачиваемая на электромагнитные процессы в нагрузке имеющей емкостную и индуктивную составляющие. Не выполняет полезной работы, вызывает дополнительный нагрев проводников и требует применения источника энергии повышенной мощности.
Статьи по теме компенсации реактивной мощности
- Где необходима компенсация реактивной мощности
- Экономический эффект внедрения установок компенсации реактивной мощности
- Методика и калькулятор расчета необходимой компенсации реактивной мощности
- Теория о природе реактивной мощности
Реактивная мощность относится к техническим потерям в электросетях согласно Приказу Минпромэнерго РФ № 267 от 04.10.2005.
При нормальных рабочих условиях все потребители электрической энергии, чей режим сопровождается постоянным возникновением электромагнитных полей (электродвигатели, оборудование сварки, люминесцентные лампы и многое др.) нагружают сеть как активной, так и реактивной составляющими полной потребляемой мощности. Эта реактивная составляющая мощности (далее реактивная мощность) необходима для работы оборудования содержащего значительные индуктивности и в то же время может быть рассмотрена как нежелательная дополнительная нагрузка на сеть.
Для наглядности и лучшего понимания происходящих процессов, рекомендуем ознакомиться с роликом о реактивной мощности:
При значительном потреблении реактивной мощности напряжение в сети понижается. В дефицитных по активной мощности энергосистемах уровень напряжения, как правило, ниже номинального. Недостаточная для выполнения баланса активная мощность передается в такие системы из соседних энергосистем, в которых имеется избыток генерируемой мощности. Обычно энергосистемы дефицитные по активной мощности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не передавать из соседних энергосистем, а генерировать в компенсирующих устройствах, установленных в данной энергосистеме. В отличие от активной мощности реактивная мощность может генерироваться не только генераторами, но и компенсирующими устройствами – конденсаторами, синхронными компенсаторами или статическими источниками реактивной мощности, которые можно установить на подстанциях электрической сети.
Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения и снижения нагрузок на электросеть. По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает значительную величину в себестоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления предприятия, выработке методики и поиску средств для компенсации реактивной мощности.
Средства компенсации реактивной мощности
Индуктивной реактивной нагрузке, создаваемой электрическими потребителями, можно противодействовать с помощью ёмкостной нагрузки, подключая точно рассчитанный конденсатор. Это позволяет снизить реактивную мощность, потребляемую от сети и называется корректировкой коэффициента мощности или компенсацией реактивной мощности.
Установки компенсации реактивной мощности
Одной из причин возникновения дополнительных потерь в электрических сетях является вынужденная передача реактивной мощности, генерируемая основными индуктивными потребителями электрической энергии (электродвигателями, трансформаторами, реакторами и т.д.). Потребление реактивной мощности характеризуется коэффициентом мощности (cos φ). Чем больше значение коэффициента мощности, тем меньше дополнительных потерь в сетях. Таким образом, возникает проблема повышения коэффициента мощности как одно из важных мероприятий по уменьшению потерь в сетях, связанная с уменьшением потребления реактивной мощности электроприемниками.
Понятие об активной и реактивной мощностях
В электрический цепях, содержащих комбинированную нагрузку, полная мощность, потребляемая от сети, складывается из активной мощности, совершающей полезную работу, и реактивной мощности, расходуемой на создание магнитных полей и создающей дополнительную на грузку на силовые линии питания. Соотношение между полной и активной мощностью, выраженное через косинус угла между их векторами (cosφ), называется коэффициентом мощности.
В электрических сетях, содержащих только активную нагрузку (лампы накаливания, электронагреватели и др.) ток и напряжение изменяются синфазно, и из сети потребляется только полезная активная мощность.
Но в реальной жизни это бывает достаточно редко. Основной нагрузкой в промышленных электросетях являются асинхронные электродвигатели и распределительные трансформаторы. Эта индуктивная нагрузка в процессе работы является источником реактивной электроэнергии (реактивной мощности), которая совершает колебательные движения между нагрузкой и источником (генератором).
Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети.
Отставание тока по фазе от напряжения в индуктивных элементах обуславливает интервалы времени, когда напряжение и ток имеют противоположные знаки: напряжение положительно, а ток отрицателен и наоборот. В эти моменты мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора. При этом электроэнергия, запасаемая в каждом индуктивном элементе, распространяется по сети, не рассеиваясь в активных элементах, а совершает колебательные движения (от нагрузки к генератору и обратно).
Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ), численно равный косинусу угла (φ) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е. cos(φ)=P/S.
Появление реактивной составляющей в сети можно отобразить на векторных диаграммах следующим образом:
Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом.
Чем ближе значение cos(φ) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности
Для большинства промышленных потребителей наличие в сетях реактивной энергии означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем кроме совершающей полезную работу активной энергии протекает и реактивная энергия, не совершающая полезной работы и направленная только на создание магнитных полей в индуктивной нагрузке. Протекая по кабелям и обмоткам трансформаторов, реактивный ток снижает в пределах их пропускной способности долю протекаемого по ним активного тока, вызывая при этом значительные дополнительные потери в проводниках на нагрев — т.е. активные потери. Из этого следует, что согласно современным правилам расчета за электроэнергию, потребитель вынужден как минимум дважды платить за одни и те же непроизводительные затраты. Один раз — непосредственно за потребленную из сети реактивную энергию (по счетчику реактивной энергии) и второй раз — за нее же, но косвенно, оплачивая активные потери от протекания реактивной энергии, учитываемые счетчиком активной энергии.
Таким образом, наличие реактивной мощности является паразитирующим фактором, неблагоприятным для сети в целом. В результате этого:
- увеличиваются расходы на электроэнергию;
- приходится платить штрафы за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности
- возникают дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока;
- увеличивается нагрузка на трансформаторы и коммутационную аппаратуру, таким образом, снижается срок их службы
- увеличивается нагрузка на провода, кабели — приходится использовать большего сечения;
- отклоняется напряжение сети от номинала (падение напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).
- увеличивается уровень высших гармоник в сети
Конденсаторные установки
Для уменьшения реактивной мощности в сетях промышленных предприятий получили распространение конденсаторные установки.
Конденсаторная установка (КУ, или УКРМ — установка компенсации реактивной мощности) — согласно действующему ГОСТ 27389-87, это электроустановка, состоящая из конденсаторов и относящегося к ней вспомогательного электрооборудования (регулятора реактивной мощности, контакторов, предохранителей и т. д.).
Выбор режима компенсации
По месту установки КУ различают следующие виды компенсации: централизованная на высокой стороне (а), централизованная на низкой стороне (б), групповая (в) и индивидуальная (г) (см. рисунок ниже).
- При централизованной компенсации на стороне высокого напряжения , когда конденсаторная установка присоединяется к шинам 6-10 кВ трансформаторной подстанции, получается хорошее использование конденсаторов, их требуется меньше и стоимость 1 квар установленной мощности получается минимальной по сравнению с другими способами. При компенсации по этой схеме разгружаются от реактивной мощности только расположенные выше звенья энергосистемы, а внутризаводские распределительные сети и даже трансформаторы подстанции остаются не разгруженными от реактивной мощности, а следовательно, потери энергии в них не уменьшаются и мощности трансформаторов на подстанции не могут быть уменьшены.
- При централизованной компенсации на стороне низкого напряжения, когда конденсаторная установка присоединяется к шинам 0,4 кВ трансформаторной подстанции, от реактивной мощности разгружаются не только вышерасположенные сети 6—10 кВ, но и трансформаторы на подстанции, однако внутризаводские распределительные сети 0,4 кВ остаются неразгруженными.
- При групповой компенсации, когда конденсаторные установки устанавливаются в цехах и присоединяются непосредственно к цеховым распределительным пунктам (РП) или шинам 0,4 кВ, разгружаются от реактивной мощности и трансформаторы на подстанции и питательные сети 0,4 кВ Неразгруженными остаются только распределительные сети к отдельным электроприемникам. В целях равномерного распределения компенсирующих устройств целесообразно подключать конденсаторную установку к шинам РП таким образом, чтобы реактивная нагрузка этого РП составляла более половины мощности подключаемой конденсаторной установки.
- При индивидуальной компенсации, когда конденсаторная установка подключается непосредственно к зажимам потребляющего реактивную мощность электроприемннка, что является основным требованием создания реактивной мощности по возможности ближе к месту ее потребления, такой способ будет наиболее эффективным в отношении разгрузки от реактивной мощности питательной и распределительной сетей, трансформаторов и сетей высшего напряжения. При индивидуальной компенсации происходит саморегулирование выработки реактивной мощности, так как конденсаторные установки включаются и отключаются одновременно с приводными электродвигателями машин и механизмов.
Практически распространенными способами компенсации реактивной мощности электроснабжения промышленных предприятий является групповая компенсация, возможны также варианты комбинированного размещения конденсаторных установок.
Определение наивыгоднейших решений выбора способа компенсации реактивной мощности производится на основании технико-экономических расчетов тщательных исследований производственных условий, факторов конструктивного характера и т. д..
При выборе места размещения конденсаторной установки в распределительной сети необходимо учитывать ее влияние на режим напряжения и величину потерь энергии в сети. Как правило, компенсация реактивной мощности должна производиться в той же сети (на том же напряжении), где она потребляется, при этом будут минимальные потери энергии, а следовательно, и меньшие мощности трансформаторов.Выбор типа компенсации
В зависимости от требований к характеристикам оборудования и сложности управления, КРМ может быть следующих типов:
- нерегулируемой – путем подключения конденсаторной батареи фиксированной емкости;
- автоматической – путем включения различного количества ступеней регулирования для подачи требуемой реактивной энергии;
- динамической – для компенсации быстро изменяющихся нагрузок.
Нерегулируемая компенсация
В схеме используется один или несколько конденсаторов, обеспечивающих постоянный уровень компенсации. Управление может быть:
- ручным: с помощью автоматического выключателя или выключателя нагрузки;
- полуавтоматическим: с помощью кнопок и контактора;
- прямое подсоединение к нагрузке и включение/отключение вместе с ней.
- к вводным зажимам индуктивных нагрузок (в основном, электродвигателей);
- к шинам, питающим группы небольших электродвигателей или индуктивных нагрузок, для которых индивидуальная компенсация может быть довольно дорогостоящей;
- в случаях, когда коэффициент нагрузки должен быть постоянным.
Автоматическая компенсация
Данный тип компенсации предусматривает автоматическое поддержание заданного cos φ путем регулирования количества вырабатываемой реактивной энергии в соответствии с изменениями нагрузки.
Оборудование КРМ устанавливается и подключается к тем местам электроустановки, где изменения активной и реактивной мощности относительно велики, например:- к сборным шинам главного распределительного щита;
- к зажимам кабеля, питающего мощную нагрузку.
Нерегулируемая компенсация применяется там, где требуется компенсировать реактивную мощность, не превышающую 15% номинальной мощности трансформаторного источника питания. Если требуется компенсировать более 15%, рекомендуется устанавливать конденсаторную батарею с автоматическим регулированием.
Управление обычно осуществляется электронным устройством (контроллером реактивной мощности), которое отслеживает фактический коэффициент мощности и выдает команды на подключение или отключение конденсаторов для достижения заданного коэффициента. Таким образом, реактивная энергия регулируется ступенчато. Кроме того, регулятор реактивной мощности выдает информацию о характеристиках электросети (амплитуда напряжения, уровень искажений, коэффициент мощности, фактическая активная и реактивная мощность) и состоянии оборудования.
В случае неисправности подаются аварийные сигналы. Подключение обычно обеспечивается контакторами. Для быстрой и частой коммутации конденсаторов при компенсации сильно изменяющихся нагрузок следует использовать полупроводниковые ключи.Динамическая компенсация
Данный тип КРМ используется для предотвращения колебаний напряжения в сетях с изменяющимися нагрузками. Принцип динамической компенсации заключается в том, что вместе с нерегулируемой конденсаторной батареей используется электронный компенсатор реактивной мощности, обеспечивающий опережение или запаздывание реактивных токов относительно напряжения. В результате получается быстродействующая изменяющаяся компенсация, хорошо подходящая для таких нагрузок, как лифты, дробилки, аппараты точечной сварки и т. д.
Учет условий эксплуатации и содержания гармоник в сети
Конденсаторные установки следует выбирать с учетом условий эксплуатации на протяжении всего срока службы комплектующих, в первую очередь конденсаторов и контакторов.
Учет условий эксплуатации
Условия эксплуатации оказывают значительное влияние на срок службы конденсаторов.
Следует учитывать следующие параметры:- температура окружающей среды (°C);
- ожидаемые повышенные токи, связанные с искажением формы напряжения, включая максимальное непрерывное перенапряжение;
- максимальное количество коммутационных операций в год;
- требуемый срок службы.
Учет воздействия гармоник
В зависимости от амплитуды гармоник в электросети применяются различные конфигурации устройств КРМ:
- Стандартные конденсаторы: при отсутствии значительных нелинейных нагрузок.
- Конденсаторы увеличенного номинала: при наличии незначительных нелинейных нагрузок. Номинальный ток конденсаторов должен быть увеличен, чтобы они могли выдерживать циркуляцию токов гармоник.
- Конденсаторы увеличенного номинала с антирезонансными дросселями применяются при наличии многочисленных нелинейных нагрузок. Дроссели необходимы для подавления циркуляции токов гармоник и предотвращения резонанса.
- Фильтры высших гармоник: в сетях с преобладанием нелинейных нагрузок, где требуется подавление гармоник. Обычно фильтры конструируются для конкретной электроустановки, исходя из результатов измерений на месте и компьютерной модели электросети.
Комплектующие к УКРМ
Конденсаторы
Конденсаторы всходят в состав любой установки компенсации реактивной мощности (нерегулируемой или автоматической) и используются для корректировки коэффициента мощности индуктивных потребителей (трансформаторов, электрических двигателей, ректификаторов) в электрических сетях для напряжений до 660 В.
Конструкция
Самые популярные трехфазные конденсаторы компенсации реактивной мощности состоят из цилиндрического алюминиевого корпуса, внутри которого смонтированы три однофазных конденсатора соединенные по схеме «треугольник» (см.рис. вариант а). Подключение осуществляется через три клеммы. Также существуют модели (например от Legrand) с шестью клеммами (см.рис. вариант б) они позволяют подключать контактор в разрыв треугольника. Что в свою очередь позволяет взять контактор меньшего номинала.
В корпусе конденсатора установлен диэлектрик с тремя полипропиленовыми слоями, металлизированными алюминием и цинком. Данное покрытие обеспечивает низкий уровень потерь и высокую устойчивость к высоким импульсным токам, а также способствует самовосстановлению конденсатора при пробое. В зависимости от величины рабочего напряжения полипропиленовая пленка имеет различную толщину. При этом слои металлизации выступают в роли проводников тока (т.е. обкладок), а полипропилен является диэлектриком. После выполнения необходимых технологических операций и прохождения контроля качества емкостные элементы (рулоны) помещаются в алюминиевые цилиндрические корпуса и заливаются полиуретановой смолой, нетоксичной и обладающей высокими экологическими свойствами.
Технология производства и самовосстановление конденсаторов
Исходным материалом для производства конденсаторов служит полипропиленовая пленка. В начале технологического процесса происходит металлизация полипропиленовой пленки для формирования на ней токопроводящего слоя толщиной 10-50 нм из смеси цинка и алюминия. Применение материала с указанными характеристиками позволяет добиться получения эффекта самовостановления в случае возникновения пробоя диэлектрика между обкладками конденсатора. При этом электрическая энергия испаряет металл вокруг поврежденного места и тем самым предотвращает короткое замыкание. Потеря емкости в течении данного процесса, совсем незначительна (около 100pF). Способность к самовосстановлению гарантирует высокую операционную надежность и длительный срок эксплуатации конденсатора. Для сведения к минимуму тангенса угла диэлектрических потерь, на торцы конденсаторных секций наносится в два слоя покрытие из цинка, которое получило название цинковый крепленый край. За счет этого достигается более плотный контакт между выводами конденсатора и конденсаторной секцией.
Защита от избыточного давленияДля обеспечения защиты внутренних элементов конденсатора, у большинства производителей, применяется встроенный разъединитель, который срабатывает при возникновении избыточного давления. Назначением устройства является прерывание тока короткого замыкания при достижении конденсатором окончания срока службы и его неспособности к последующему восстановлению. Это устройство разрывает электрическую цепь конденсатора, используя внутреннее давление, которое возникает во время разрушения пленки от перегрева, вызванного током короткого замыкания.
Применение конденсаторов с номинальным напряжением выше 400В.
Так как напряжение напрямую влияет на реактивную мощность конденсатора, компании предлагают линейки конденсаторов с разными номинальными напряжениями Un — 400, 440, 460, 480, 525В.
В сетях 380В, со стабильными параметрами напряжения сети, рекомендовано применять конденсаторы с Un — 400В, в этом случае применение конденсаторов с Un — 440В и выше нецелесообразно, потому что номинальная мощность существенно уменьшается (примерные поправочные коэффициенты 230V — 1.74 / 440V — 0.91 / 480V — 0.83 / 525V — 0.76)
Согласно стандарта EN-60831.1-2, конденсаторы на промышленной частоте должны выдерживать напряжение величиной l,10*Un (1.10*400 = 440В) в течение не менее 8 часов в сутки. В случаях, когда повышенное напряжение сети сохраняется более 8 часов, необходимо применять конденсаторы с Un — 440В. Применение данного типа конденсатора гарантирует надежную работу в сети с повышенным напряжением и увеличение срока службы конденсатора.Внимание! Остаточное напряжение
После отсоединения конденсатора от сети на его выводах еще присутствует остаточное напряжение, которое представляет опасность для обслуживающего персонала. Для его устранения все трехфазные конденсаторы снабжены разрядными сопротивлениями, которые снижают уровень напряжения до уровня меньше чем 75В за 3 минуты.
Внимание! Защита от перегрева
Для обеспечения надежного естественного охлаждения, расстояние между конденсаторными батареями должно быть: 2,5 — 25 kVAr не менее 25мм. 30 — 50 kVAr не менее 50мм.
Предохранители
Предохранители всходят в состав любой установки компенсации реактивной мощности (нерегулируемой или автоматической) и используются для защиты от коротких замыканий. Наиболее применяемые предохранители имеют формат NH.
Внимание!
Предохранители не должны использоваться для защиты конденсаторов от перегрузки. Защита от перегрузки должна осуществляется посредством внутреннего разъединителя избыточного давления, установленного в конденсатор. Плавкие предохранители должны применяться только для защиты от внешнего или внутреннего короткого замыкания конденсаторов или конденсаторной установки. Игнорирование данного правила может привести к повреждению установки компенсации реактивной мощности, в результате разрушения корпуса предохранителя.
При выборе предохранителей для защиты конденсаторов необходимо соблюдать следующие правила:
— Предохранители должны продолжительно выдерживать максимальный рабочий ток конденсаторов, который составляет 1.5 х In. Исходя из данного требования, рекомендуется выбирать предохранитель номиналом 1,6 — 1,8 от значения номинального тока конденсатора (при cos φ не менее 0,7).
— Предохранители должны выдерживать пусковые токи конденсатора. При коммутации конденсаторов возникает большой пусковой ток, превышающий номинальное значение до 100 раз. Эти скачки тока постепенно уменьшают ресурс предохранителя, что в итоге может привести к его перегреву и ложному срабатыванию. Правильно подобранные предохранители (1,6 -1,8 от номинального тока конденсатора) с использованием электромеханических контакторов для коммутации трехфазных конденсаторов или полупроводниковых контакторов, которые активируются при пересечении напряжением нуля, позволяют избежать негативных воздействий пусковых токов.
— Не допустима продолжительная работа конденсаторов и предохранителей при наличии в сети высших гармоник или резонанса. При номинальной частоте питающей сети, конденсаторы имеют такое сопротивление, при котором исключается вероятность возникновения перегрузки. Устройства генерирующие высшие гармоники, оказывают дополнительную нагрузку на предохранители и конденсаторы. В промышленных сетях высшие гармоники могут достигать значений, сопоставимых с первой гармоникой. В данном случае предохранители, выбранные с меньшими, чем нужно, номинальными токами и напряжением могут перегреться и выйти из строя с последующим разрушением корпуса плавкой вставки. При наличии высших гармоник единственным решением является использование фильтрующих дросселей для защиты установки компенсации реактивной мощности от недопустимых перегрузок.
— Выбор предохранителей необходимо производить с учетом воздействия компенсационного (перетекающего) тока, который возникает между близлежащими конденсаторами установки. При переключении конденсатора или при возникновении неисправности, между конденсаторами, которые находятся рядом, начинает протекать компенсационный ток. В данной ситуации, номинальный ток предохранителей для защиты конденсаторов должен быть выбран на несколько порядков выше. Суммарный номинальный ток группы предохранителей должен быть выше минимум в 2,5 раза от номинального тока единичного предохранителя.
— Предохранители должны выдерживать высокое напряжение восстановления. Резонанс и повторное включение (заряд) при разряженных конденсаторах способен генерировать обратное напряжение, которое превосходит значение напряжения сети и как следствие номинальное значение напряжения предохранителей. При снижении тока до нуля, напряжение питания Ue и напряжение конденсатора Un достигают своего максимального значения. При отключении в момент прохождения тока через ноль, напряжение конденсатора остается неизменным, в тот момент, как напряжение питания достигает своего максимального значения с противоположным знаком. Амплитуда напряжения восстановления Uf, приложенного к предохранителю, увеличивается в 2 раза (максимум в 2,5 раз в трехфазных сетях) в течении
5 мс. При возникновении повторного заряда (включении), конденсатор мгновенно меняет свою полярность на противоположную, при этом напряжение восстановления продолжает возрастать. Многократная быстрая перезарядка конденсатора может привести к повреждению предохранителей и остального оборудования электроустановки. Риск отказа предохранителя из-за избыточного напряжения восстановления может быть минимизирован выбором предохранителя с большим значением параметра напряжения по отношению к рабочему напряжению системы, а также использование предохранителей больших габаритных размеров. Также необходимо учитывать требование к времени разряда конденсатора при его повторном включении (обычно это время составляет около 3 мин. и устанавливается управляющим установкой контроллером).Выбор предохранителей и сечения подключаемых проводников для 3-х фазной сети напряжением 400В / 50Гц в таблице 1
Примечание! Значения номинальных токов защитных предохранителей и сечений подключаемых проводников, указанные в таблице (ориентировочные) действительны для нормальных условий работы (при температуре окружающей среды не более 30°C, при отсутствии гармонических искажений в сети и при выполнении требований предъявляемых к сборке такого типа установок и т.п.). Во всех остальных случаях следует внимательно рассчитывать параметры защитных элементов с учетом поправочных коеффициентов и условий эксплуатации.
Значение номинального тока конденсатора при различном напряжении можно пересчитать по соответствующим коэффициентам: (230V — 1.74 / 440V — 0.91 / 480V — 0.83 / 525V — 0.76). Однако следует принять во внимание, что вышеперечисленные значения коэффициентов — условные, т.к. на них оказывают влияние: температура внутри шкафа, качество кабеля, максимальная температура изоляции кабеля, использование одно- или многожильного кабеля, а также его длина.Регуляторы реактивной мощности
Регуляторы реактивной мощности входят в состав только автоматических установок компенсации реактивной мощности.
Регуляторы корректировки коэффициента мощности в низковольтных системах определяют действительное значение cos φ и производят автоматическое подключение или отключение ступеней для достижения требуемого значения коэффициента мощности.
Принцип работы контроллера основан на системе FCP которая позволяет производить мгновенные измерения значений напряжения и тока, обеспечивая оптимальное управление системой компенсации реактивной мощности. При отсутствии необходимости автоматической настройки все параметры могут быть заданы вручную. Большинство контроллеров имеют возможность подключения и программирования внешнего вентилятора для охлаждения конденсаторных батарей, также в них предусмотрен аварийный сигнал превышения температуры. Обычно измерения реактивной мощности производится по 4 квадрантам, что обеспечивает максимальную степень компенсации потребляемой энергии.Для компенсации мощности при разных нагрузках регуляторы отслеживают активную и реактивную составляющую мощности путем измерения мгновенных значений напряжения и тока в электрической сети. На основе этих измерений вычисляется фазовый сдвиг между током и напряжением, и это значение сравнивается с предварительно заданной величиной cos φ. В зависимости от фактического отклонения коэффициента мощности контроллер подает команду на управление ступенями конденсаторных батарей с минимальным временем реакции от 4 секунд (программируется).
Методы регулирования
Регулятор реактивной мощности оцифровывает измеряемое линейное напряжение между двумя фазами и ток в третей фазе (чаще всего). Затем, из этих значений, прибор вычисляет: коэффициент мощности, эффективные значения напряжения и тока, гармоническое искажение по напряжению и току. Расчет необходимой мощности для компенсации производится при помощи установленного требуемого значения коэффициента реактивной мощности в приборе. На основании этих значений регулятор включает или отключает соответствующие конденсаторные ступени.
- APFR (регулирование среднего коэффициента мощности) или мгновенное регулирование cos φ : Контроллер отслеживает средний коэффициент мощности исходя из активной и полной мощности за определенный промежуток времени. Этот метод гарантирует, что контроллер правильно отследит изменение нагрузки с учетом уровня нагрузки и cos φ. Благодаря системе APFR, контроллер компенсации реактивной мощности уменьшает количество переключений ступеней, не внося при этом корректировок в настройки контроллера.
- SHTD: Этот метод использует замедление времени реакции в зависимости от величины разности между установленным коэффициентом мощности и измеренным мгновенным значением. За каждую секунду разница во времени по отношению к реакции уменьшается на квадрат разности до 0 (момент реакции).
- Мгновенного изменения коэффициента мощности: Этот метод реагирует на каждое мгновенное изменение коэффициента мощности путем подключения или отключения необходимой ступени конденсаторной установки исходя из наиболее подходящего по мощности шага ступени. Этот метод используется в основном для динамической системы корректировки коэффициента мощности на базе тиристорных модулей коммутации.
Дополнительные функции регуляторов
- Контроль повышения температуры — контроллер обеспечивает возможность выдачи аварийного сигнала при повышении температуры в двух уровнях. Первый уровень обеспечивает вентиляцию шкафа. Второй уровень отключает все ступени конденсаторной установки и выдает аварийный сигнал на дисплей. Многие типы регуляторов не имеют независимых аварийных сигнальных выходов, но последняя ступень, может быть использована как аварийный выход. В этом случае она применяется только как аварийный сигнальный выход и не используется для коммутации контакторных ступеней.
- Многие регуляторы оснащаются интерфейсами для передачи информации во внешние системы управления. Например интерфейсом RS485 с протоколом связи Modbus RTU.
- Декомпенсация — в контроллере может быть предусмотрена функция применения декомпенсирующих (индуктивных реакторов) ступеней при этом ступень может иметь как индуктивный, так и емкостной характер. Декомпенсирующие реакторные ступени применяются в двух случаях: на объектах, где есть только емкостная нагрузка — в таком случае все ступени регулятора работают индуктивными; и на объектах где есть индуктивная и емкостная нагрузки — в таком случае одна ступень может работать индуктивной, а остальные ступени будут емкостными.
- В некоторых регуляторах компенсации реактивной мощности предусмотрена возможность работы по двух тарифных планах cos φ. Настройка второго тарифа cos φосуществляется в сервисном меню контроллера и активизируется подачей питания на отдельный вход (например Tariff).
Контакторы для коммутации трехфазных конденсаторов
Контакторы для коммутации трехфазных конденсаторов также входят в состав только автоматических установок компенсации реактивной мощности.
В процессе эксплуатации конденсаторных установок компенсации реактивной мощности при регулировании ступеней конденсаторные батареи подвергаются частым переключениям. В отличии от других видов электрооборудования, при коммутации конденсаторных батарей кроме номинального рабочего тока, возникает большой пусковой ток, значительно (до 250 раз) превышающий номинальное значение. Поэтому для коммутации конденсаторов необходимо использовать специально сконструированные быстродействующие контакторы. В отличие от обычных они снабжены дополнительной контактной группой, установленной параллельно основной. К вспомогательным контактам с двух сторон последовательно подключены съемные токоограничивающие элементы, состоящие из нескольких витков проводника с высоким удельным сопротивлением. При коммутациях обе группы контактов приводятся в действие одновременно, но из-за меньшего расстояния, лимитируемого упором, вспомогательные контакты замыкаются на несколько миллисекунд раньше основных, пропускают пусковой ток через токоограничивающие элементы, тем самым ограничивая ток конденсаторной батареи и размыкаются через 5 миллисекунд после надежного замыкания основных силовых контактов.
В противном случае броски тока могут привести к повреждению (залипанию) силовой контактной группы и негативно повлиять на срок службы контактора. Ограничение пускового тока также позволяет избежать просадок напряжения во время переходных процессов. Такая особенность контактной группы гарантирует стабильную и эффективную работу на протяжении всего срока службы контактора.
Контакторы для конденсаторов часто снабжены нормально разомкнутыми и/или замкнутыми вспомогательными контактами.
Фильтрующие дроссели
Трехфазные дроссели предназначены для работы в составе конденсаторных установок, включаются последовательно с конденсаторами и используются как защитное, фильтрующее устройство от влияния высших гармоник на сеть потребителя и на конденсатор. При повышении частоты приложенного напряжения к конденсатору его сопротивление снижается, поэтому применяются дроссели, которые вместе с конденсатором образуют контур, отстроенный от частоты гармоники и подавляющий ее. Частота резонанса такого контура должна
быть ниже частоты самых низших гармоник, присутствующих в электросети. При наличии гармоник с частотами выше, чем частота контура, образованного конденсатором и дросселем, резонанс не возникает.
Стандартные значения коэффициента отстройки составляют 5,67%, 7% и 14% при резонансных частотах 210,189 и 134 Гц в сетях с номинальной частотой 50Гц. При таких стандартных значениях величин в трехфазной сети и симметричной нагрузке становится возможным устранить 5-ю (250Гц) и гармоники высших порядков. Это позволяет избежать резонанса между индуктивным сопротивлением и трехфазными конденсаторами, включенными для корректировки коэффициента мощности, и предотвращения перегрузки конденсаторных батарей.
Часто дроссели оборудованы биметаллическим тепловым реле, которое встроено в центральную обмотку и имеет выводы на отдельные клеммы. Датчик реле срабатывает при температуре выше 90°С.Установки компенсации реактивной мощности
Понижение коэффициента мощности – один из основных преобладающих факторов ухудшения показателей качества электроэнергии. Реактивный ток ведет к падению напряжения в электросети, из-за чего возрастает расход энергоресурсов для выработки электроэнергии и увеличивается ее себестоимость.
Установки компенсации реактивной мощности – это возможность эффективно решить вопрос энергосбережения на предприятии и, соответственно, повысить рентабельность производства. Ведь доля электроэнергии может занимать до 35-40% в структуре себестоимости производимых товаров. Этот аргумент – один из главных при принятии решения о проведении аудита потребления электроэнергии и необходимости применения установки компенсации реактивной мощности.
Повышение коэффициента мощности промышленного предприятия с помощью автоматической конденсаторной батареи
Общий коэффициент мощности современных производств очень низок из-за наличия индуктивных нагрузок, потребляющих реактивную мощность. В первую очередь это относится к промышленным предприятиям с мощными индуктивными нагрузками и большими колебаниями нагрузки, которые имеют очень низкий коэффициент мощности. Такие производства в наибольшей степени выигрывают от внедрения автоматических конденсаторных батарей. Эти батареи обеспечивают повышение коэффициента мощности и более высокий уровень напряжения на нагрузке, а также приводят к снижению начислений за электроэнергию. Кроме того, автоматические конденсаторные батареи позволяют отключать «лишние» конденсаторы в периоды низкой нагрузки и исключить нежелательные перенапряжения. В большинстве случаев потребитель устанавливает конденсаторную батарею, чтобы избежать начисления штрафов в счёте за электроэнергию. Без достаточной проработки это может привести к большому количеству технических проблем. При этом необходимо также учитывать, что конденсаторные батареи предназначены для долговременной эксплуатации.
На большинстве промышленных и коммерческих объектов основная часть электрического оборудования представляет собой индуктивную нагрузку: асинхронные двигатели, индукционные печи, трансформаторы и лампы с ПРА. Проблемы с качеством электроэнергии на промышленных предприятиях растут в связи с увеличением количества двигателей, питаемых от управляемых выпрямителей, а также общего увеличения уровня гармоник и интергармоник. Такие нагрузки являются причиной низкого коэффициента мощности на промышленных предприятиях. Низкий коэффициент мощности свидетельствует о неэффективном использовании электроэнергии и приводит к увеличению общих расходов на энергоснабжение. Эти проблемы решаются при правильном выборе и установке конденсаторов компенсации реактивной мощности.
Установки реактивной мощности – действенный метод уменьшения нагрузки на линии электропередач и электрораспределительные станции, их внедрение способствует повышению надежности всей электросети. Кроме того, установки реактивной мощности эффективно уменьшают перекос фаз, частотные и амплитудные скачки, снижают уровень высокочастотных гармоник.
Понятие о коэффициенте мощности
Коэффициент мощности является мерой эффективности использования системой электрической мощности. Для того чтобы понять, что такое коэффициент мощности, необходимо сначала уяснить, что мощность бывает трёх видов: активная, реактивная и полная. Активная мощность определяется реально потребляемыми током и напряжением. Она выполняет реальную работу, к примеру, создаёт тепло, свет и движение. Активная мощность измеряется в киловаттах (кВт) и регистрируется электрическим счётчиком в киловатт- часах. Реактивная мощность не выполняет полезную работу, но она необходима для поддержания электромагнитного поля, требуемого для работы многих коммерческих и промышленных нагрузок. Она измеряется в киловольт-амперах реактивных (квар). Общая требуемая мощность, включающая в себя активную и реактивную мощность, называется полной мощностью. Она измеряется в киловольт-амперах (кВА).
Коэффициент мощности – это отношение активной мощности к полной мощности. Коэффициент мощности может иметь значение от 0 до 1,00, при этом типовой диапазон значений – от 0,80 до 0,98. Коэффициент мощности ниже 0,8 считается низким.
Индуктивные нагрузки, приводящие к низкому коэффициенту мощности
Если на предприятии имеются индуктивные нагрузки, которым необходим ток намагничивания для создания магнитного поля, требуется коррекция коэффициента мощности. Индуктивные свойства наиболее явно выражены у двигателей и трансформаторов и чаще встречаются на коммерческих и промышленных объектах. Один из наихудших случаев – это малонагруженный асинхронный двигатель, такая ситуация встречается в циклическом режиме работы, к примеру, при работе пил, конвейеров и измельчителей, в которых двигатель должен быть рассчитан на максимальную нагрузку.
Другие нагрузки, являющиеся причинами низкого коэффициента мощности, включают в себя индукционные печи, большинство штамповочных машин, ткацкие станки, одноударные прессы, автоматизированные станки, сварочные устройства и пускорегулирующие устройства некоторых типов люминесцентных ламп. В таблице № 1 приводятся нескорректированные коэффициенты мощности некоторых производств.
Таблица № 1. Типовые значения коэффициента мощности в некоторых отраслях
Производство или отрасль
Нескорректированный коэффициент мощности
Пильные станки, молочная промышленность
