Компенсация реактивной мощности в СЭС

Большинство электроприемники потребляют из электрической сети определенную мощность S, т. е. по сети протекает активная мощность Р [кВт] и реактивная Q [кВАр].

Загрузка системы электроснабжения определяется полной мощностью S [кВА], активная составляющая которой Р [кВт] представляется полезно потребленной и обратно к источнику питания не возвращается. Реактивная составляющая Q [кВАр] полной мощности S [кВА] расходуется на создание магнитных полей в отдельных элементах электрической сети, в частности: трансформаторах, электрических двигателях, линиях электропередачи, газоразрядных источниках света, дуговых ста-леплавильных печах и др. Практически она не потребляется, а перетекает от ИП (генератора) к ЭП и обратно с частотой f= 2 f50. В электрической цепи, состоящей из индуктивности, в течение ¼ Т50 магнитный поток в ЭП возрастает, происходит накопление реактивной мощности (магнитной энергии), во второй четверти Т50 реактивная мощность (магнитная энергия) перетекает к ИП; в ¾ Т50 в ЭП опять происходит накопление энергии магнитного поля и в последней четверти реактивная мощность Q перетекает (в обратном на-правлении) к ИП (генератору). Для такой пульсации Q — от генератора к ЭП и обратно — не требуется никаких затрат. Но так как это перетекание Q совер-шается через элементы сети, содержащие активное сопротивление R, то на его нагрев расходуется мощность? Р = 3•12 R, т. е. от генератора требуется энергия, однако о расходе реактивной мощности речь не идет.

Потери ?Р можно разложить на составляющие, а именно:

Здесь первый член — потери активной мощности за счет передачи по электрической цепи активной мощности Р, второй — потери активной мощности за счет передачи по этой же цепи реактивной мощности Q. Потери за счет передачи реактивной мощности (а также и активной) тем больше, чем дальше расположен потребитель реактивной мощности от источников питания.

В балансе реактивных нагрузок потери реактивной мощности в элементах системы электроснабжения достигают 20%. Естественный коэффициент мощности электрических нагрузок различных промышленных предприятий изменяется в пределах cosцecm = 0,7−0,9. Это означает, что предприятия потребляют реактивную мощность Qp = Рр * tgцecm = (1,02 — 0,48). Оценим потери активной мощности в сетях от передачи Q.

Рассмотрим два случая:

1. Примем за единицу? Р, от передачи электроприемнику чисто активной нагрузки при Uсети, 05UH, равное.

2. Передается то же значение Рт и реактивная мощность с tgц = 0,8, при этом будет происходить снижение напряжения до 0,95 Рн. Потери? Р2 составят.

Таким образом, при принятых допущениях половина всех потерь активной мощности вызвана передачей реактивной мощности.

Из этого рассмотрения можно заключить следующее:

• — возникающие потери активной мощности и потери напряжения в сети за счет передачи Q увеличивают капитальные затраты в системе электроснабжения;
• — реактивная мощность излишне загружает все элементы сети, по-

сколько они выбираются по полной мощности и полному току;

— загрузка элементов сети реактивной мощностью уменьшает пропускную способность линии и трансформаторов по активной мощности и току.

Полные затраты на производство и передачу всей необходимой предриятию реактивной мощности от шин электростанций в большинстве случаев значительно больше, чем затраты на производство реактивной мощности непосредственно в системе электроснабжения предприятия. Поэтому экономически целесообразно от генераторов электростанций передавать часть реактивной мощности, а большую — компенсировать на шинах (присоединениях) 5УР-2УР, а в некоторых случаях и на 1УР.

Для выяснения причин проведения этих мероприятий необходимо ответить на вопрос: от чего зависят величины напряжения, устанавливающиеся в узлах нагрузки энергосистемы и у электроприемников?

Известно, что активная и реактивная мощности в сети, питающей ЭП, зависят от частоты и напряжения на зажимах этих ЭП. Хотя в действительности между значениями частоты в энергосистеме и значениями напряжения в ее узлах существует некоторая связь, при изложении будем для упрощения считать, что значение частоты является постоянным и зависимость между частотой и напряжением отсутствует. На рис. 2.1 изображены зависимости Р =f (U) и Q =f (U) для какой-то узловой точки сети. Эти зависимости называют статическими характеристиками нагрузки по напряжению. Приведенные на рис. 6.1 зависимости соответствуют смешанной нагрузке, состоящей из силовой (АД) и осветительной.

Из этого рисунка видно, что в области нормальных значений U, лежащих вправо от UKp, каждому значению напряжения соответствует только одна определенная величина нагрузки.

Рис. 2.1 Статические характеристики нагрузки по напряжению

Если на рис. 2.1 горизонтальная прямая Рн характеризует поступление мощности в рассматриваемый узел (подстанцию) от электростанции системы, то пересечение ее с характеристикой нагрузки Р =f (U) определяет уровень напряжения UH, который может установиться у ЭП при наличии источников, способных выдать в тот же узел QH .

При отсутствии таких источников напряжение Un в рассматриваемом узле сети не может быть установлено. Следовательно, на вопрос, поставленный в этом разделе, может быть дан следующий ответ: величина напряжения в узле нагрузки зависит от наличия в сети необходимых источников реактивной мощности. В случае, если мощность этих источников недостаточна для покрытия нагрузки при заданном напряжении, произойдет снижение напряжения. При этом в соответствии с рис. 2.1 понизятся и величины нагрузки до тех значений, которые может обеспечить источник питания.

Соответствие между Q, потребной для поддержания той или иной величины напряжения, и мощностью имеющихся источников питания может быть выявлено путем составления баланса реактивной мощности, а именно:

где QzУ — суммарная мощность ИП; Qn — суммарная реактивная нагрузка потребителей; ?Q л, Qt — соответственно потери мощности в линиях и трансформаторах сети.

Каждому конкретному значению величин этого уравнения соответствует свое значение напряжения. Поясним это на примере (рис. 2.2).

Рис. 2.2 Схема сети

Пусть в какой-то момент времени в установившемся режиме имеет место баланс по Q, которому соответствует напряжение в узле нагрузки Un. Этому Un по рис. 2.1 соответствовала нагрузка. Напряжение источника при этом было Uu, причем между Un и Uuсуществовала связь.

где ?U — потеря напряжения в сети при нагрузках PH и QH и напряжении Un; r и x — активное и реактивное сопротивления сети.

Понизим напряжение ИП до U’и, а напряжение в узле нагрузки до Un, при этом мощность потребителя уменьшится до напряжение на источнике и в месте присоединения нагрузки будут связаны уравнением.

где ?U'- потеря напряжения в сети при нагрузках P’н и QH и напряжении U’п.

Изменение напряжения на нагрузке произойдет под влиянием двух факторов: снижения напряжения на источнике и изменения потери напряжения в сети.

Изменение напряжения в узле нагрузки будет несколько меньше, чем у источника, т. е.

так как зависимости Р =f (U) и Q =f (U) нелинейны. Иначе говоря, в связи с изменением нагрузки происходит саморегулирование напряжения Un в соответствии, со статическими характеристиками потребителей.

Это явление называется регулирующим эффектом нагрузки по напряжению. В результате этого эффекта новым значением напряжений U’и и U’n будут соответствовать новые численные значения в уравнении баланса реактивной мощности.

Из рис. 2.1 видно, что наибольшим регулирующим эффектом по напряжению обладает реактивная мощность, так как зависимость Q = f (U) значительно круче зависимости Р =f (U).

Из рис. 2.1 также видно, что регулирующий эффект нагрузки будет проявляться только до некоторого значения напряжения, называемого крити-ческим UKp. Для промышленных систем UKp = 75−85%.

При Un < UKp снижение напряжения вызовет рост реактивной нагрузки потребителя и, как следствие этого, увеличение потерь напряжения в сети? U. Рост? U, в свою очередь, приведет к дальнейшему снижению Un. В этом случае возникает неустанно-вившийся переходный процесс снижения напряжения, длящийся несколько секунд и называемый лавиной напряжения, при котором баланс по Q нарушается. В результате происходит нарушение устойчивости нагрузки.

Как следствие этого процесса, происходит остановка и отключение электродвигателей (саморазгрузка потребителя).

При остановке ЭД их реактивный ток возрастает, что приводит к их отключению защитными устройствами. После этого напряжение в сети восстанавливается. Лавина напряжения может возникнуть как во всей энергосистеме, так и в отдельных ее узлах при авариях, вызывающих резкий общий или местный дефицит по Q. Для предотвращения лавины напряжения принимаются специальные меры: создание резерва Q в генераторах электростанций, форсировка возбуждения генераторов, разгрузка их по напряжению и т. п. Следовательно, с точки зрения поддержания необходимого режима напряжения у ЭП дефицит Q является недопустимым.

В энергосистемах — это генераторы электростанций. Реактивная мощность генератора при номинальных условиях его работы:

где Ргн — номинальная активная мощность генератора.

С увеличением Qz сверх номинальной увеличивается размагничивающая реакция якоря. Для компенсации этого увеличения необходимо увеличить ток возбуждения. Но увеличить его сверх номинального значения нельзя, так как это может привести к перегрузке и перегреву ротора и возбудителя. При номинальном же токе ротора и возросшей реакции якоря полная мощность генератора Sг меньше номинальной, равной SГH =PГH / cosцГH.

В связи с этим активная нагрузка генератора уменьшается не пропорционально уменьшению его cosц, а несколько быстрее и при снижении активной нагрузки генератора от него нельзя получить номинальную полную мощность Sгн. Это иллюстрируется зависимостями S, cosц и Q генератора от его активной нагрузки, приведенными на рис. 2.3.

Другими источниками реактивной мощности в энергосистемах являются ЛЭП. Линия обладает межпроводной емкостью и каждый провод — емкостью на землю. Под действием приложенного напряжения через эти емкости протекает ток, называемый зарядным током линии 1 В, и он опережающий. 1 В и напряжение линии U определяют величину зарядной мощности линии Q в, которая может рассматриваться как Q в, генерируемая линией. Q в зависит от напряжения линии, ее длины и конструкции.

ЛЭП является в то же время и потребителем Q, что связано с ее индуктивным сопротивлением. Это сопротивление и напряжение линии определяют величину реактивной мощности? Qл, называемой потерями Q в линии.

Очевидно, что знаки Q в и? Qл будут противоположны. Может быть, что они полностью компенсируют друг друга. Если предположить, что Qe=?Qл, то в соответствии с уравнением баланса по Q (6.2) генераторы электростанций будут обеспечивать полное покрытие всех реактивных нагрузок потребителей электроэнергии и реактивных потерь в трансформаторах? QT.

?QT численно равны примерно 10% нагрузки этой подстанции Sнazp, а в сетях с несколькими ступенями трансформации потери увеличиваются в w-раз (и — число ступеней трансформации):

Если генераторы электростанций выбраны из условия баланса активной мощности и работают в номинальном режиме, в системе будет существовать дефицит реактивной мощности SQ. Этот дефицит тем больше, чем больше число ступеней трансформации, чем выше cosцнazp и чем больше реактивная нагрузка ЭП.

Возможны два пути снижения или полного устранения дефицита реактивной мощности в системе:

• — установка в системе дополнительных генераторов активной мощности;
• — снижение реактивной нагрузки генераторов электростанции или компенсация реактивной мощности.

Второй путь — снижение реактивной нагрузки генераторов или компенсация реактивной мощности — предусматривает проведение двух взаимно дополняющих групп мероприятий снижение потребления Q электроприемниками и установка на предприятии специальных источников Q — компенсирующих устройств. Мероприятия по снижению потребления Q электроприемниками, проводимые на предприятиях (см. раздел 6.4), снижают суммарную реактивную нагрузку обычно не более чем на 10%. Поэтому основным при проведении мероприятий по компенсации Q является установка специальных компенсирующих устройств — источников реактивной мощности (ИРМ). Применение второго пути является предпочтительным с экономической точки зрения, так как специальные компенсирующие устройства, как правило, требуют при том же техническом эффекте меньших капитальных вложений и затрат на эксплуатацию, чем генераторы электростанций.