1. Теория компенсации реактивной мощности

В электрических цепях протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) с напряжением, если нагрузка имеет активный характер. Когда ток отстает от напряжения, нагрузка индуктивная (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), когда ток опережает напряжение, нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы).

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой

I = Ia + Ipu ,

где: Iа - активный ток;

Iри - реактивный ток индуктивного характера.

К этим токам привязаны мощности, потребляемые двигателем:

Р – активная мощность, привязана к Iа (по всем гармоникам суммарно);

Q – реактивная мощность, привязана к Iри (по всем гармоникам суммарно);

A – полная мощность, потребляемая двигателем (по всем гармоникам суммарно).

Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительное оборудование за счет снижения тока, потребляемого с силового трансформатора.

Параметр, определяющий потребление реактивной мощности, называется POWER FACTOR, коэффициент мощности или сos (φ).

P_1гарм - активная мощность первой гармоники 50 Гц; А_1гарм - полная мощность первой гармоники 50 Гц.

Пример:

При эксплуатации двигателя с активной мощностью 100 кВт при cos(φ)=0,7, потребляемая из сети полная мощность S = 142 кВА.

При номинальной реактивной мощности конденсаторной установки Q = 67 квар, потребляемая из сети полная мощность снижается до 105 кВА.

До компенсации:

После компенсации:

2. Способы компенсации реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности производится путем подключения конденсаторов. При этом уменьшается потребление реактивной мощности и повышается сos (φ).

Необходимо поддерживать сos (φ) в диапазоне 0,9..0,95 для того, чтобы избежать платежей за потребление реактивной мощности, снизить нагрузку на кабели и трансформаторы и в тоже время застраховаться от перекомпенсации (работы с генерацией реактивной энергии во внешнюю энергосистему), возможной при сos (φ)=0,97 и выше.

Более того, при повышении сos (φ) от 0,9 до 0,99 полный ток уменьшается всего на 3%, а мощность конденсаторной установки, необходимой для этого, увеличивается в 2 раза, ее стоимость - в 1,5 раза, что экономически нецелесообразно.

Компенсация реактивной мощности может быть общей (централизованной) и индивидуальной.

Индивидуальная компенсация – компенсация реактивной мощности каждой нагрузки отдельно (например, на клеммах двигателя).

Индивидуальная компенсация – это наиболее простое техническое решение. Конденсатор подбирается по мощности и сos (φ) двигателя, поэтому реактивная мощность двигателя компенсируется постоянно в течение всего дня, сos (φ) достаточно высок.

Дополнительное преимущество индивидуальной компенсации реактивной мощности заключается в том, что затраты на нее - самые низкие.

Общая (централизованная) компенсация – компенсация реактивной мощности с помощью одной конденсаторной установки, устанавливаемой на КТП или в составе главного распределительного щита (ГРЩ).

Дневной тренд (характер изменения нагрузки) является основным фактором, влия-ющим на выбор наиболее подходящей схемы компенсации реактивной мощности. На многих предприятиях не все оборудование работает одновременно, многие станки задействованы всего несколько часов в день.

Индивидуальная компенсация становится очень дорогим решением при большом количестве оборудования и, соответственно, большом числе устанавливаемых конденсаторов. Большинство этих конденсаторов не будут задействованы долгий период времени.

Индивидуальная компенсация наиболее эффективна, когда большая часть реактивной мощности генерируется небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени.

Централизованная компенсация применяется там, где нагрузка флюктуирует (перемещается) между разными потребителями в течение дня. При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется, поэтому использование автоматических конденсаторных установок предпочтительнее, чем нерегулируемых.

Можно назвать следующие технико-экономические преимущества установки конден-саторной батареи:

• уменьшение потерь в электрической сети и в трансформаторах, вследствие уменьше-ния потребляемого тока;

• уменьшение просадок напряжения в электрических линиях;

• уменьшение расчетной мощности системы.

Ток I, протекающий в системе, вычисляется по формуле:

где:

P- активная мощность,

V- падение напряжения.

Из этой формулы видно, что при одной и той же потребляемой мощности и увеличении cos(φ), происходит уменьшение величины протекающего тока и, следовательно, потерь в электрической сети и трансформаторе. Исходя из этого, получаем значительную экономию за счет оптимизации выбора оборудования. Применение конденсаторных батарей уменьшает просадки напряжения в сети. Это хорошо видно из формулы:

где:

P - активная мощность в электрической сети (кВт);

Q - реактивная мощность потребляемая из сети (квар);

R – активное сопротивление линии;

Х - реактивное сопротивление линии (R<<X).

Установка конденсаторной батареи уменьшает реактивную мощность (Q), поэтому уменьшаются и просадки напряжения. Если при неправильном расчете установленной конденсаторной батареи реактивная часть вышеприведенного уравнения станет отрицательной, то вместо уменьшения просадки напряжения произойдет увеличение напряжения в конце линии (эффект Ферранти), которое может иметь опасные последствия для подключенных потребителей.

В связи с быстрым ростом применения устройств использующих в своей схеме тирис-

торы, которые генерируют в сеть гармоники, появилось достаточно большое количество возмущений в электросетях.

Эти возмущения приводят к систематическому недопроизводству, а иногда и сбоям производственного оборудования. Поэтому необходимо использовать фильтры гармоник для предотвращения роста уровня нелинейных искажений в сети, поглощения (тепловыделения) гармоник, а также для рационального использования электроэнергии.

Проблема гармоник

Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети. Если вы сталкиваетесь с таким оборудованием или имеете опыт работы в сетях с гармониками, фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) могут прийти вам на помощь.

Происхождение гармонических искажений

Постоянно увеличивающиеся требования промышленности и народного хозяйства к стабильности, приспосабливаемости и точности контроля в электрическом оборудовании привело к появлению относительно дешевых силовых диодов, тиристоров, SCR (Silicon Controlled Rectifier) и других силовых полупроводников.

Сейчас широко используемые в выпрямительных цепях UPS полупроводники, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска, пришедшие на смену устаревшим устройствам, изменили форму тока и напряжения в электросетях. Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжающие сети, а также перегружать силовые конденсаторы, служащие для компенсации реактивной мощности (при увеличении частоты снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него). Общий ток через конденсатор, таким образом, будет равен сумме тока основной частоты и гармонических токов: I=I1+I2+...+In

Высшие гармоники в сети

Мы сфокусировали наше внимание на таких источниках гармоник, как твердотельные элементы силовой электроники, однако существует много других источников гармонических токов. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных типах:

1. Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты;

2. Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы);

3. Насыщаемые устройства: трансформаторы, двигатели, генераторы, и т.д. Гармонические амплитуды на этих устройствах проявляются обычно незначительно по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии, что насыщение не происходит.

Что такое гармоники?

Искаженная кривая тока или напряжения может быть разложена на фундаментальную синусоиду (50 Гц) и сумму определенного количества частот кратных 50 Гц. Например, 250 Гц – 5-я гармоника и 350 Гц - 7-я гармоника.

= + + +…

Совокупность определенного количества частот, которые могут быть добавлены к синусоиде 50 Гц для получения существующей формы тока или напряжения и называется гармониками. Соответственно, при изменении их амплитуды, фазы и частоты изменяется кривая тока или напряжения как результат синтеза гармоник.

Нелинейные искажения проявляются как изменение синусоидальности кривой тока или напряжения. Частоты выше фундаментальной (50 Гц) называются гармониками, частоты ниже фундаментальной называются субгармониками.

Для примера на рисунке искаженная кривая представлена как сумма фундаментальной частоты 50 Гц и суммы гармоник 5-ой (250 Гц) и 7-ой (350 Гц).

Искаженная кривая = 50 Гц основная частота + 5-я гармоника (250 Гц) + 7-я гармоника (350 Гц).

Проблемы, создаваемые гармониками:

- дополнительная вибрация в двигателях переменного тока, снижающая ресурс их экс-плуатации;

- повышенные потери на перегрев двигателя и возможное повреждение изоляцион-

ных материалов;

- повышенные потери в обмотках и магнитопроводе трансформатора, приводящие к

выходу последнего из строя;

- появление постоянной составляющей тока или напряжения может вызвать насыще-

ние обмоток и увеличение тока намагничивания;

- перегрев конденсаторов и увеличение тока через них, что снижает срок службы.

Необходим полный и всесторонний анализ электросети предприятия на предмет гар-моник перед внедрением установок компенсации реактивной мощности. Это необходимо потому, что даже если применить конденсаторы на повышенное напряжение и более стойкие к токам перегрузки, мы можем спровоцировать резонанс в сети.

Резонанс происходит, когда индуктивное сопротивление силового трансформатора равно емкостному сопротивлению конденсаторов.

Резонансы подразделяются на два основных типа: последовательный и параллель-ный. Электрическая эквивалентная схема представлена на рисунке.

Гармоника, на которой может произойти резонанс в сети, определяется формулой:

где: N – номер гармоники на которой вероятно возникновение резонансных явлений;

Pк.з. – мощность короткого замыкания в сети (МВА);

Q – мощность конденсаторной установки (квар);

S – номинальная мощность силового трансформатора;

Uк.з. – напряжение короткого замыкания (%), указано на шильдике трансформатора, либо заявляется производителем;

При параллельном резонансе в сети, напряжение и ток в цепи “силовой трансформатор – конденсаторная установка” резко возрастают при воздействии резонансной гармоники.

Пример:

S = 630 кВА мощность силового трансформатора ТМ -630/6/0,4

Uк.з. = 6 % – напряжение короткого замыкания трансформатора

Q = 300 квар – мощность конденсаторной установки КРМ (УКМ58)-0,4-300

Таким образом, мы видим, что система силовой трансформатор – конденсаторная установка имеет частоту параллельного резонанса 300 Гц = 50 Гц · 6. Поэтому оптимальным решением для этого случая будет использование расстроенных дросселей включенных последовательно с конденсаторами и сдвигающими частоту резонанса системы ниже самой низкой из частот присутствующих в сети гармоник.

Резонансная частота без расстроенного дросселя определяется как:

Резонансная частота с расстроенным дросселем определяется как:

Обычно резонансная частота между конденсатором и последовательно включенным расстроенным дросселем ниже 250 Гц и находится в интервале 135 – 210 Гц. Установка расстроенного дросселя последовательно с конденсаторной установкой определяет частоту последовательного резонанса.

Если в сети присутствует гармоника тока с частотой, равной частоте последовательного резонанса, то она полностью поглощается системой конденсатор – расстроенный дроссель. На этом принципе основана реализация настроенных фильтров. Такое применение необходимо, когда мы хотим снизить общее гармоническое искажение тока THD в системе, которое определяется по формуле:

,

где:

I1 – ток основной частоты 50 Гц

I2,3...n– токи гармоник.

Источники (усилители) гармоник:

• тиристорные контроллеры;

• частотные приводы;

• устройства плавного пуска двигателя;

• конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности (без фильтров);

• полупроводники;

• дуговая сварка;

• трансформаторы, реакторы;

• нелинейная нагрузка, искажающая форму кривой тока.

Процесс инжиниринга для подавления гармоник:

• сбор данных (состояние системы, гармонический спектр, THD предел);

• построение карты импедансов системы;

• расчет импеданса гармоник и определение порядка фильтра;

• расчет перетоков гармоник;

• моделирование на специализированном ПО;

• проверка возможных ненормальных резонансов в системе и вероятности усиления

гармоник;

• разработка и производство системы подавления гармоник;

• проверка системы после инсталляции;

• отчет о проделанных измерениях и внедренном оборудовании.

Искажения (возмущения) вносимые гармониками

Гармоники, генерируемые источниками, не остаются в системе, а проявляются в соседних связанных электросетях и могут приводить к катастрофическим последствиям в других системах.

• перегрев и выход из строя трансформаторов;

• увеличение тока или перегрузка током конденсаторов и шум;

• сбои в работе систем контроля;

• изменение напряжения;

• перегрузка вращающихся устройств;

• ошибки срабатывания автоматических выключателей;

• ошибки в коммуникационном оборудовании;

• большой ток в нейтрали и низкое напряжение между фазой и PE.

Фильтр гармоник – устройство, которое подавляет и потребляет гармоники, генерируемые различным оборудованием. Он состоит из резистора, катушки индуктивности (реактора) и конденсатора.

Типовой фильтр гармоник состоит из одиночных шунтирующих фильтров для гармоник низкого порядка (3-я - 15-я). Эти фильтры настроены на частоту гармоники, которую они подавляют. Для гармоник более высокой частоты устанавливаются дополнительные фильтры.

Эффективность фильтров гармоник

• улучшение cos (φ) в сети (уменьшаются перетоки реактивной мощности, улучшается эффективность использования электроэнергии и, как следствие, снижаются затраты);

• подавление гармоник сети;

• решение проблемы резонанса между индуктивностями и емкостями в системе;

• увеличение производительности и срока службы оборудования на производстве вследствие контроля за качеством напряжения.

Эти эффекты подавления гармоник тока фильтрами поясняются следующими схемами:

In - генерируемый гармонический ток;

Ifn - гармонический ток на входе в фильтрующую систему;

Isn - гармонический ток поступающий в цепь трансформатора (гененратора) - источ-

ника питания;

Zfn - входной импеданс фильтра (по отношению к гармоникам);

Zsn - входной импеданс трансформатора (по отношению к гармоникам);

Vn - напряжение гармоник на шине.

Нелинейные искажения по току могут проявляться как появление постоянной составляющей в синусоиде, что приводит к перегреву (перенасыщению) силовых трансформаторов постоянным током, поэтому применение однополупериодных схем выпрямления (конвертеров) недопустимо.

Контрольные вопросы:

1. Что такое реактивная мощность. Как она влияет на работу энергосистемы.

2. Для чего необходимо компенсировать реактивную мощность. Что представляет собой cos φ.

3. Способы компенсации реактивной мощности.

4. Что представляет собой гармоники.