Теоретические сведения

Компенсирующие устройства (КУ) поперечной компенсации предназначены для выработки или потребления реактивной мощности с целью обеспечения в сети баланса реактивной мощности (кроме дугогасящего реактора, предназначенного для компенсации ёмкостных токов в сетях с изолированной нейтралью).

Кроме того, КУ поперечной компенсации позволяют снизить потери мощности и электроэнергии в электрических сетях и улучшить качество напряжения в них по отклонению, несимметрии и несинусоидальности.

Существуют следующие виды устройств поперечной компенсации (кроме дугогасящего реактора):

– синхронные компенсаторы (СК);

– батареи статических конденсаторов (БСК);

– шунтирующие (ШР) и управляемые (УР) реакторы;

– статические тиристорные компенсаторы (СТК).

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные двигатели, работающие без механической нагрузки на валу. Потребляя из сети активную мощность на вращение, путем регулирования токавозбуждения в обмотке возбуждения в них можно изменять ре­жим реактивной мощности. Пренебрегая активным сопротивлением СК, для схемы замещения, приведенной на рис. 6.1, можно записать выражение для тока СК:

(6.1)

где E – ЭДС синхронного компенсатора;

U _СК – напряжение на выводах обмотки статора СК;

X _СК – напряжение на выводах обмотки статора СК в установившемся режиме.

Рис. 6.1. Схема замещения синхронного компенсатора

Тогда мощность СК

(6.2)

Отсюда следует, что при Е > U _СК реактивная мощность Q _СК > 0. Следовательно, СК будет выдавать реактивную мощ­ность в сеть. Такой режим называется режимом перевозбужде­ния СК. Уменьшая ЭДС путем снижения тока возбуждения, можно создать режим, в котором Е < U _СК и Q _CK < 0. Этот режим называется режимом недовозбуждения. В нем СК будет ра­ботать как потребитель реактивной мощности.

В предельном случае при Е = 0 СК будет потреблять максимальную реактивную мощность:

(6.3)

В эксплуатации находятся СК мощностью до 160 Мвар. Они установлены, как правило, на крупных районных подстанциях. Часть из них подключена к обмотке низшего напряжения автотрансформаторов, которые потребляют значительную реактивную мощность.

К преимуществам СК отно­сятся возможность выдачи и потребления реактивной мощности, плавного и автоматического регулирования, независимость вы­даваемой реактивной мощности от напряжения в сети. При снижении напряжения вы­даваемую реактивную мощность можно регулировать, изменяя ЭДС.

К недостаткам СК относятся наличие вращающихся час­тей, достаточно большие затраты активной мощности на их вра­щение (1, 5-3, 0% при номинальной нагрузке и до 5-8 % при сниженной нагрузке), большие удельные капи­тальные затраты, особенно при малых мощностях СК.

Батареи статических конденсаторов устанавливаются в узлах нагрузки и служат для выдачи реактивной мощности, необходимой потребителям. Они собираются из отдельных конденсаторов путём параллельного и последовательного соединения для обеспечения необходимой реактивной мощности и напряжения соответственно.

Мощность БСК определяется по формуле:

(6.4)

где U – напряжение в точке подключения БСК;

ω – угловая частота сети;

C _БСК – ёмкость БСК.

Конденсаторы, из которых собирают БСК, выпускают на но­минальное напряжение от 0, 22 до 10, 5 кВ единичной мощно­стью 10-125 квар. Для подключения БСК к трёхфазной сети их фазы соединя­ют по схеме звезды или треугольника (рис. 6.2).

Рис. 6.2. Схемы соединения БСК: а – в звезду; б – в треугольник

Если ёмкость одной фазы равна C, мощность трехфазной БСК, соединенной в звезду:

(6.5)

а при соединении в треугольник

(6.6)

где U _Л – линейное (междуфазное) напряжение.

К достоинствам БСК относят меньшие по сравнению с СК по­тери активной мощности (примерно 0, 5 %), про­стоту в обслуживании и производстве монтажных работ, возможность набрать из отдельных конденсаторов любую мощ­ность.

В то же время они не могут работать в режиме потребле­ния реактивной мощности.

Существенный недостаток БСК связан с зависимостью выдаваемой реактивной мощности от напряже­ния. Действительно, понижение напряжения обычно связано с дефицитом реактивной мощности в данном узле сети. Уменьше­ние же мощности БК при этом приводит к еще большему дефи­циту реактивной мощности – отрицательный регулирующий эффект БСК. При особо неблагоприятных усло­виях такое снижение мощности БК может привести к лавине на­пряжения.

К другим недостаткам БСК можно отнести возникновение сверхтоков и перенапряжений при коммутациях конденсаторов, значительные размеры при большой мощности, недостаточная надежность из-за отно­сительно частых повреждений при токах короткого замыкания и повышении напряжений более 1, 1 U _ном, невозможность восста­новления поврежденных конденсаторов, перегрев при наличии в сети высших гармоник, ведущий к выходу конденсаторов из строя.

В электрических сетях БСК широко используют при напряже­ниях от 0, 38 до 110 кВ включительно. Особенно большое рас­пространение они нашли в сетях промышленных предприятий.

Шунтирующие реакторы представляют собой индуктив­ную катушку с малым активным сопротивлением, намотанную на магнитопровод. Они могут только потреблять из сети реак­тивную индуктивную мощность. ШР уста­навливают для компенсации избытка реактивной мощности в сетях высоких классов напряжений до 750 кВ. С их помощью ограничиваются длитель­ные повышения напряжения в режимах малых нагрузок, кратко­временные повышения напряжения на линии при ее односто­роннем включении и перенапряжения, возникающие при комму­тации линии.

Реактивная мощность, потребляемая ШР из сети, определяется по формуле:

(6.7)

где U – напряжение в точке подключения ШР;

B _ШР – индуктивная проводимость реактора.

Шунтирующие реакторы могут подключаться непосредственно на напряжении линии либо на вторичном или третичном напряжении подстанции. Если ШР подключаются к сети через коммутационный аппарат, то они могут работать в двух режимах: при включённом ШР из сети потребляется номинальная или близкая к ней реактивная мощность, при отключённом ШР Q _ШР = 0.

Из формулы (6.7) следует, что потребляемая мощность за­висит от напряжения, что является достоинством ШР. При по­вышении напряжения, когда в сети имеется избыток реактивной мощности, ШР увеличивает потребляемую мощность и тем са­мым способствует снижению напряжения.

В ШР имеют место некоторые потери активной мощности, которые составляют 0, 2-0, 4 % его реактивной мощности.

Управляемый реактор – тот же ШР, но обладающий способностью регулирования потребляемой реактивной мощности в широких пределах.

Известны различные технические решения управляемых реакторов. Общим, однако, является то, что УР представляет собой электромагнитную систему, магнитопровод которой подмагничивается постоянным током. Потребляемая УР мощ­ность наименьшая при отсутствии подмагничивания, а номинальная – при номинальном токе подмагничивания.

Статические тиристорные компенсаторы представляют собой сочетание батарей конденсаторов и реактора с тиристорным ключом, обеспечивающим безинерционное регулирование мощности от выдачи Q _БСК до потребления Q _Р.

Сущность управления реак­тивной мощностью заключается во встречно-параллельном включении тиристоров в цепь реактора (рис.6.3, а) либо в цепь БСК (рис.6.3, б).

		в
	а		б

Рис. 6.3. Схемы СТК с управлением: а – в цепи реактора; б – в цепи БСК; в – в цепи реактора и БСК (комбинированные СТК)

 

При полностью открытых тиристорах ток в цепи реактора или БСК максимальный. Изменением угла управления тиристорами ток в цепях реактора и БСК можно уменьшить до нуля.

Путем последовательного и параллельного соединения от­дельных тиристоров можно получить требуемые напряжение и мощность устройства.

В СТК с управлением в цепи реактора (рис. 6.3, а) управляемые тиристоры Т со встречно-парал­лельным включением соединены последовательно с реактором Р. К шинам подключена нерегулируемая БСК. Мощность СТК определяется по выражению

(6.8)

Если мощность БСК в данный момент больше потребляемой мощности реактора (Q _БСК > Q _Р), то СТК выдает в сеть реактивную мощность. При обратном соотношении (Q _БСК < Q _Р) СТК являет­ся потребителем реактивной мощности. В этом устройстве БСК может работать в двух режимах: подключена к сети (выда­ваемая мощность Q _БСК) и полностью отключена от сети (мощ­ность Q _БСК = 0).

Схему СТК с управлением в цепи БСК обычно используют в режиме ключа, обеспечивая дискретное регулирование. Очевидно, что возможности таких СТК ограничены тем, что они не могут работать в режиме потребления реактивной мощности.

Комбинированные СТК при использовании встречно-параллельного включения тиристоров содержат одно­временно как управляемый реактор, так и управляемую БСК (рис.6.3, в).

К достоинствам СТК относятся: возможность работы в режи­мах как выдачи, так и потребления реактивной мощности, возможность осуществления ступенчатого и плавного регу­лирования, высокое быстродействие и неболь­шие потери активной мощности (0, 2-1%), многофункциональность.

Рассмотрим, каким образом КУ поперечной компенсации влияют на режимные параметры электрической сети.

Пусть в узле 2 (рис.6.4) существует дефицит реактивной мощности. Тогда по линии 1-2 будет передаваться мощность , причём её реактивная составляющая j Q ₂, так же, как и активная P ₂, будет направлена от узла 1 к узлу 2 (рис.6.4, а).

Для уменьшения дефицита реактивной мощности к узлу 2 подключим КУ, генерирующее реактивную мощность (например, БСК). Тогда, в соответствии с первым законом Кирхгофа, при неизменной мощности S ₂ в узле 2 поток мощности S _Л в линии 1-2 уменьшится на величину j Q _КУ, то есть (рис.6.4, б), что также видно из векторной диаграммы (рис.6.4, в).

Уменьшение дефицита реактивной мощности приводит к снижению падения напряжения в линии 1-2 () и, следовательно, повышению напряжения в узле 2 ().

 

 

 

 

б

 

 

Рис. 6.4. Компенсация дефицита реактивной мощности: а – линия без БСК; б – линия с БСК; в – векторная диаграмма

Если не учитывать поперечную составляющую падения напряжения, то напряжение в узле 2 до и после установки БСК будет равно соответственно:

(6.9)

Установка БСК в узле 2 приведёт также к снижению потерь мощности в линии1-2 (), а, следовательно, и потерь электроэнергии. Потери активной мощности в линии до и после установки БСК соответственно:

(6.10)

В случае избытка реактивной мощности в узле 2 (рис.6.5) по линии 1-2 мощность j Q ₂ будет теперь передаваться в направлении, противоположном активной мощности P ₂, т.е. от узла 2 к узлу 1, о чём говорит знак “–” перед j: (рис.6.5, а).

Чтобы компенсировать избыток реактивной мощности, в узел 2 необходимо включить КУ, которое способно её потребить. В этом качестве может выступить ШР (рис.6.5, б). Тогда по линии 1-2 станет протекать мощность , что так же, как и в случае с дефицитом, означает снижение потока реактивной, а, следовательно, и полной мощности в линии (рис.6.5, б, в).

Рис. 6.5. Компенсация избытка реактивной мощности: а – линия без ШР; б – линия с ШР; в – векторная диаграмма

Компенсация избытка реактивной мощности приводит к увеличению падения напряжения в линии 1-2 (), снижению напряжения в узле 2 () и уменьшению потерь мощности в линии ():

(6.11)

(6.12)