Компенсация реактивной мощности

Общие положения. Основные определения. В настоящее время потребления РМ существенно превосходит потребления активной мощности. Поэтому одним из основных вопросов, решаемых при проектировании и эксплуатации СЭС, является вопрос о компенсации реактивной мощности. Передача РМ на значительные расстояния от мест генерации до мест потребления существенно ухудшает ТЭП СЭС. Передача значительного количества РМ через СЭС невыгодна по следующим причинам: 1.Возникают дополнительные потери активной мощности и энергии во всех элементах СЭС, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью. Как, при передаче активной и реактивной мощностей через элемент сети с сопротивлением R потери активной мощности составят. Дополнительные потери активной мощности вызванные протеканием РМ Q, пропорциональные квадрату ее величины. 2.Возникают дополнительные потери напряжения, которые особенно существенны в сетях районного значения. Например при передаче мощностей Р и Q через элемент сети с активным и реактивным сопротивлениями потери напряжения составят: (9.2.) где - потери напряжения, обусловленные активной мощностью. - потери напряжения, обусловленные РМ. 3. Загрузка активной мощностью ЛЭП и трансформаторов сети ЭС уменьшает пропускную способность сети и требует увеличения сечений проводов ВЛ и КЛ, увеличение номинальной мощности и числа трансформаторов п/ст. Потребители реактивной мощности. Необходимость компенсации реактивной мощности Приведенные причины вынуждают, насколько это технически и экономически целесообразно, приближать источники реактивной мощности к местам ее потребления в сети. Это разгружает значительную часть ЛЭП и трансформаторов от РМ, что равносильно увеличению коэффициента мощности. Уменьшение потребителей РМ может быть достигнуто: улучшению режима работы приемников, применением двигателей более совершенных конструкций, устранением их недогрузки, а так же за счет установки специальных КУ. Основными потребителями РМ на промышленных предприятиях являются АД (60-65 % общего потребления), трансформаторы (20-25 %), вентильные преобразователи, реакторы. Поскольку основными потребителями РМ являются АД, Т, вентильные преобразователи, реакторы, то предметом всестороннего анализа должны быть следующие вопросы: 1) замена малозагруженных АД двигателями меньшей мощности. 2) ограничение ХХ двигателей и сварочных трансформаторов. 3) понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой. 4) применение СД вместо АД в случае, когда это возможна по условиям технологического процесса 5) применение наиболее целесообразной силовой схемы и системы управления вентильного преобразователя. 6) создание новых или модернизация существующих серий двигателей. Выбор компенсирующих устройств. Способы компенсации реактивной мощности При проектировании СЭС определяют наибольшие суммарные расчетные активную и реактивную составляющие электрических нагрузок предприятия. Наибольшая суммарная реактивная нагрузка предприятия, принимаемая для определения мощности КУ определяется по следующей формуле: (9.3.) где QР - расчетная реактивная нагрузка К - коэффициент, учитывающий несовпадение по времени наибольших активной нагрузки энергосистемы и РМ промышленного предприятия. Значения К коэффициента несовпадения для всех объединенных энергосистем принимаются в зависимости от отрасли промышленности и равны: Нефтеперерабатывающая, текстильная промышленность - 0,95 Черная и цветная металлургия, химическая, нефтедобывающая, строительные материалы, бумажная - 0,9 Угольная, газовая, машиностроительная и металлообрабатывающая - 0,85 Торфа перерабатывающая, деревообрабатывающая - 0,8 Прочие - 0,75 Значения наибольших суммарных реактивной и активной нагрузок сообщаются в энергосистему для определения значения экономически оптимальной реактивной (входной) мощности, которая может быть передана предприятию в режимах наибольшей и наименьшей активных нагрузка энергосистемы соответственно QЭ1 и QЭ2. По входной реактивной мощности QЭ1 определяется суммарная мощность КУ QК предприятия: (9.4) а в соответствии со значением QЭ2 - регулируемая часть КУ QНРЕГ: QК1РЕГ= QК1 - QЭ2 (9.5) Источниками РМ в сетях до 1 кВ могут быть синхронные двигатели и низковольтные конденсаторные батареи. Суммарная расчетная мощность НБК определяется по минимуму приведенных затрат выборам экономически оптимального числа трансформаторов ЦТП, а также определением дополнительной мощности НБК в целях оптимального снижения потерь в трансформаторах и в сетях напряжением 6 и 10 кВ предприятия, питающие эти трансформаторы. Суммарная расчетная мощность НБК, кВАр QНК= QНК1+ QНК2 (9.6) где QНК1 и QНК2 - суммарные мощности батарей, МВАр. Суммарная мощность НБК распределяется между отдельными трансформаторами цеха пропорционально их реактивным нагрузкам. Для каждой технологически концентрированной группы цеховых трансформаторов одинаковой мощности минимальное их число, необходимое для питания наибольшей расчетной активной нагрузки, находится по формуле: (9.7) где РmT - средняя суммарная расчетная нагрузка данной группы трансформаторов за наиболее загруженную смену, МВт. КЗ - коэффициент загрузки трансформаторов, Sm - принятая, исходя из удельной плотности нагрузки, ном. ∆N - добавка до ближайшего большого целого числа. Экономически оптимальное число трансформаторов: NT.Э=NT.min+m (9.8) где m - дополнительное число трансформаторов. По выбранному числу трансформаторов определяют наибольшую реактивную мощность, которую целесообразно передать через трансформаторы в сеть напряжением до 1 кВ. QT= (9.9) Суммарная мощность НБК, МВАр для данной группы трансформаторов. QНК1=QM.T-QT (9.10) где QM.T - суммарная расчетная реактивная нагрузка за наиболее загруженную смену. Если окажется, что QНК<0 то установка НБК не требуется, и QНК1 принимается равной нулю. Дополнительная суммарная мощность НБК для данной группы трансформаторов QНК2 в целях оптимального снижения потерь равна : QНК2=QM.T- QНК1 -γNTЭρТ (9.11) где γ - расчетный коэффициент определяемый в зависимости от коэффициента К1 и К2 и схемы питания п/ст (по справочным данным). Если окажется, что QНК2> 0, то для данной группы трансформаторов реактивная мощность QНК2 принимается равной 0 (нулю). Целесообразное распределение мощности батарей конденсаторов в цеховой сети (напряжением до 1 кВ) - дает возможность на дополнительное снижение приведенных затрат с учетом технических возможностей подключения отдельных батарей. Если распределительная сеть выполнена только кабельными линиями, то комплектные конденсаторные установки рекомендуется присоединять непосредственно к шинам цеховой ПС. При питании от одного трансформатора двух и более магистральных шинопорводов к каждому из них присоединяются только по одной НБК. Общая расчетная мощность батарей QНК распределяется между шинопроводами пропорционально их суммарной реактивной нагрузке. Для схем с магистральными шинопроводами ККУ единичной мощностью до 400 кВАр подключается к сети без дополнительной установки отключающего аппарата, а при мощности более 400 кВАр через отключающий аппарат с выполнением требований ПУЭ. На одиночном магистральном шинопроводе следует предусматривать установку не более двух близких по мощности ККУ суммарной мощностью QНК= QНК1 + QНК2 п/ст ШП Qh Qh+1 n h QНК QН1К Если реактивные нагрузки шинопорвода присоединены во второй его половине, следует устанавливать только одну НБК. Точка ее подключения определяется условием: Qh≥ Qn/2≥ Qn+1 (9.12) где Qn,Qn+1 - наибольшая реактивная нагрузка, кВАр, шинопровода перед узлом h и по него соответственно (рис 1). При присоединении к шинопорводам двух НБК точки их подключения находят из следующих условий: Qh Qh+1 Qf Qf+1 1 h f n QНК QНК1 QНК2 точка f подключения дальней НБК Qf≥ Qнк2≥ Qf+1 (9.13) точка h подключения близкой к трансформатору НБК. Qh- Qнк2≥ Qнк1 /2 ≥Qh+1- Qнк2 (9.14) Для каждой цеховой ПС определяется не скомпенсированная реактивная нагрузка на стороне 6 или 10 кВ каждого трансформатора: Qт.наг=Qм.т-Qнкф+∆QT (9.15) где Qм.т - наибольшая расчетная реактивная нагрузка трансформатора, Qнкф -фактически принятая мощность НБК, ∆QT -суммарные реактивные потери в трансформаторе при его коэффициенте загрузки КЗ с учетом компенсации. Суммарные реактивные потери в трансформаторах Номинальная мощность трансформатора, SТ кВАр Суммарные реактивные потери в трансформаторе QТ, кВАр при КЗ 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 400 630 1000 1600 2500 13 20 28 41 62 15 23 34 51 79 18 28 41 62 99 20 33 49 75 121 23 39 58 90 146 26 45 69 107 175 Для каждого РП определяется его не скомпенсированная нагрузка QР,П как сумма реактивных мощностей, питающихся от него цеховых ПС и других потребителей. Суммарная расчетная реактивная мощность ВБК для всего предприятия определяется из условия баланса реактивной мощности: Qвк= Qрпi-Qс.д.р+Qэ1 (9.16) где Qрпi - расчетная реактивная нагрузка на шинах 6 или 10 кВ ί-го распределительного пункта, Qс.д.р - располагаемая мощность СД n - число РП (или ПС) на предприятий; QЭ1 - входная реактивная мощность заданная энергосистемой на шинах 6 или 10 кВ Если окажется, сто мощность QВ,К < 0 следует принять ее равной нулю и по согласованию с энергосистемой, выдавшей технические условия на присоединение потребителей, установить значение входной мощности. Суммарная реактивная мощность ВБК распределения между отдельными РП или ПС пропорционально их нагрузке на шинах 6 или 10 кВ и округляется до ближайшей стандартной мощности ККУ. Источники реактивной мощности Для компенсации реактивной мощности, потребляемой электроустановками промышленного предприятия, используют генераторы э/ст и СД, а также дополнительно устанавливаемые компенсирующие устройства - синхронные компенсаторы, батареи конденсаторов и специальные статические источники реактивной мощности. Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные двигатели обычной конструкции без нагрузки на валу. Они могут быть работать как в режиме генерирования РМ, так и в режиме потребления. К достоинствам СК как источников РМ относятся: положительный регулирующий эффект, заключающийся в том, что при уменьшении напряжения в сети генерируемая мощность компенсатора увеличивается; возможность плавного и автоматического регулирования генерируемой РМ, что повышает устойчивость режимов работы системы и улучшает режимные параметры сети; достаточная термическая электродинамическая стойкость обмоток компенсаторов во время К.З; возможность восстановления поврежденных СК путем проведения ремонтных работ. К недостаткам СК относятся удорожание и усложнение эксплуатации и значительный шум во время работы. Конденсаторы - специальные емкости, предназначенные для выработки реактивной мощности. По своему действию они эквивалентны перевозбужденному СК и могут работать лишь как генераторы РМ. Конденсаторы изготовляют на номинальные напряжения 660 кВ и ниже мощностью 12,5-50 КВАр в трех и однофазном исполнениях, а на 1050 В и выше мощностью 25-1000 КВАр - в однофазном исполнении. Из таких элементов собирают батареи конденсаторов требуемой мощности, которые могут быть разделены на секции. Схема батареи конденсаторов определяется техническими данными конденсаторов и режимом работы в СЭС. Преимущества конденсаторов: 1) малые потери активной мощности. 2) простота эксплуатации 3) простота производства монтажных работ 4) возможность установки конденсаторов в любом сухом помещении. К недостаткам конденсаторов следует отнести: 1) зависимость генерируемого РМ от напряжения Q=Qном (9.17) 2) чувствительность к исполнения питающего напряжения 3) недостаточную прочность, особенно при К.З. и перенапряжениях. 380 В 6-10 кВ АВ Р В Рис.1 Рис.2 При соединение конденсаторов При соединение конденсаторов к шинам напряжение 380 В к шинам напряжение 6-10 кВ Литература 1.1. Федоров А.А. Каменева В.В. Основы электроснабжения промышленных предприятий. М. ЭАИ 1984. Стр 288-309 1.2. Ермилов А.А. Электроснабжение промышленных предприятий. М. Э 1990г стр. 268-295 1.3. Липкин Б.Ю. Электроснабжение промышленных предприятий и установок М.ВШ 1990 стр 389-319 1.4. Ю. Л. Мукосеев Электроснабжение промышленных предприятий, М. Энергия стр.32-150 1.5. Э. М. Ристхейн Электроснабжение промышленных установок, М. ЭАИ, 1991 стр 219-236 Контрольные вопросы. 1. Какие приемники потребляют реактивную мощность? 2. Для чего осуществляется компенсация реактивной мощности? 3. Как определяется необходимая мощность КУ? 4. Как определяется мощность КУ в сетях до и выше 1000В? 5. Потребители реактивной мощности 6. Перечислить способы компенсации реактивной мощности 7. Последствия передачи реактивной мощности