Компенсация реактивной мощности: компенсирующие устройства; размещение компенсирующие устройства.

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности (ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

Мощность электрооборудования электроэнергетической системы (генераторы, линии электропередач, трансформаторы, электроприемники и т. п.) определяется его полной мощностью. Полная мощность S при синусоидальной форме напряжения и тока связана с активной Р и реактивной мощностями квадратичной зависимостью S² = Р² + ². При этом полная мощность S = UI, активная Р = UI cos и реактивная = UI sin , где U и I — действующие значения синусоидального напряжения и тока; — угол между векторами напряжения и тока.

В конденсаторах, кабелях и других видах электрооборудования, которое характеризуется емкостным сопротивлением Х_C, реактивной мощностью = U²/Х_C, определяемой приложенным напряжением U, создаются электрические поля.

В индуктивных элементах системы, например в реакторах, трансформаторах, электродвигателях, создаются магнитные поля. В этом случае реактивная мощность = I²Х_L определяется током I и индуктивным сопротивлением элемента Х_L.

Емкостной ток в идеальном конденсаторе опережает приложенное к нему напряжение на 90 эл. град. Тогда мощность этого конденсатора _C = UI sin(– ) = –UI имеет отрицательный знак. В этом случае говорят, что конденсатор генерирует реактивную мощность.

Индуктивный ток в идеальном реакторе отстает от приложенного к нему напряжения на 90 эл. град. Мощность реактора _L = UI sin имеет положительный знак. В этом случае говорят, что реактор потребляет реактивную мощность.

Очевидно, что в понятиях «генерирование» и «потребление» реактивной мощности заложена определенная условность, но тем самым подчеркивается, что взаимодействие емкостных и индуктивных элементов в электрической сети имеет компенсирующий эффект = _L – _C. Это свойство элементов широко используется на практике для компенсации реактивной мощности, тем самым снижая падение напряжения в сети, потери электроэнергии.

Приведенные выше величины S, P, Q применяются при расчетах режимов в электроэнергетических системах, проектировании и выборе электрооборудования. Значения этих величин принимаются как независимые от времени, что позволяет существенно упростить расчеты.

Фактически же по цепи протекает переменный ток, мгновенное значение которого определяется выражением i = I_m sin( t – ). Под действием этого тока на элементах цепи устанавливается напряжение u_а = U_m cos sin( t – ) — активная составляющая и u_р = U_msin sin( t – ± /2) — реактивная составляющая. Здесь U_m и I_m — амплитуды синусоидальных напряжения и тока. При этом мощность, потребляемая активными элементами электрической цепи, определяется как функция времени выражением р_а = iu_а = UI cos [1 – cos(2 t – )], а реактивная мощность, потребляемая (генерируемая) реактивными элементами, –q_р = iu_р = ± UI sin sin2( t – ). Линейные диаграммы, отображающие мгновенные значения напряжения и тока в активно-индуктивной цепи, а также соответствующие им мощности приведены на рис. 8.1.

Амплитуды активной и реактивной мощностей, изменяющихся по синусоидальному закону с двойной частотой (2 ), соответственно составляют Р = UI cos и = UI sin , т.е. те самые значения мощностей, которыми пользуются при расчетах режимов и выборе оборудования. При этом мгновенные значения «потребляемой» в индуктивных элементах и «генерируемой» в емкостных элементах реактивной мощности в каждый момент времени имеют противоположный знак, в чем, как было отмечено выше, и проявляется их взаимокомпенсирующее действие.

Понятие источники реактивной мощности (ИРМ) обычно относят к любым устройствам, способным целенаправленно воздействовать на баланс реактивной мощности в электроэнергетической системе. Это воздействие может быть достигнуто увеличением (уменьшением) как генерируемой, так и потребляемой реактивной мощности. ИРМ — это обязательно регулируемое устройство, мощность которого изменяется вручную или автоматически, дискретно (ступенями), плавно или плавно-ступенчато. Основным параметром регулирования ИРМ является напряжение в точке его подключения или реактивная мощность нагрузки, для компенсации которой ИРМ предназначен, или и то, и другое одновременно. Для повышения чувствительности регулирования в регулятор ИРМ вводят каналы, реагирующие на скорость изменения напряжения или реактивной мощности. Структура органов регулирования ИРМ и реализуемый закон регулирования определяются его назначением.

В целом ИРМ является многофункциональным устройством именно благодаря возможности регулирования реактивной мощности — одного из основных режимных параметров электрической системы.

В электрических системах ИРМ применяют в сетях напряжением 110 кВ и выше для решения следующих задач:

• снижения потерь активной мощности и электроэнергии;
• регулирования напряжения в узлах нагрузки;
• увеличения пропускной способности электропередач;
• увеличения запасов статической устойчивости электропередач и генераторов электростанций;
• улучшения динамической устойчивости электропередач;
• ограничения перенапряжений;
• симметрирования режима.

В системах электроснабжения (СЭС) промышленных предприятий ИРМ применяют с целью компенсации реактивной мощности, потребляемой мощной резкопеременной нагрузкой, и симметрирования нагрузки. Кроме того, в СЭС с нелинейной (несинусоидальной) нагрузкой, генерирующей токи высших гармоник, ИРМ могут выполнять и роль фильтро-компенсирующих устройств.

Регулируемая компенсация реактивной мощности обеспечивается с помощью шунтовых устройств, подключаемых к шинам подстанции или нагрузки параллельно. Эти устройства можно разделить на две принципиально отличные друг от друга группы. К первой группе ИРМ относятся вращающиеся синхронные машины: синхронные генераторы электростанций, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели. Эти устройства позволяют плавно регулировать реактивную мощность как в режиме генерирования, так и потребления. Ко второй группе относятся статические ИРМ или статические компенсаторы реактивной мощности. К ним относятся конденсаторные батареи, реакторы, но не токоограничивающие, устройства на базе преобразователей (выпрямители, инверторы) с искусственной коммутацией тиристоров или их комбинации.

Конденсаторные батареи способны регулировать генерируемую ими мощность только ступенчато. Для их коммутации (включения, выключения) применяют в сетях до 1 кВ — обычные контакторы, в сетях 6—10 кВ и выше — выключатели либо тиристорные ключи (два тиристора или тиристорных блока, включенных встречно-параллельно).

Реактивную мощность, потребляемую реакторами, можно регулировать как ступенчато, используя для этого такую же, как и для конденсаторов, коммутационную аппаратуру, так и плавно с помощью тиристоров. К особой группе относятся насыщающиеся реакторы, способные плавно изменять потребляемую реактивную мощность параметрически без регулятора в зависимости от приложенного к нему напряжения в точке подключения.

В большинстве системных задач и тем более для систем электроснабжения промышленных предприятий должны применяться ИРМ, способные генерировать реактивную мощность. К таким ИРМ относятся синхронные машины и конденсаторные батареи. Однако первые, обладая способностью плавно регулировать реактивную мощность, что является их достоинством, обладают большой инерционностью, обусловленной постоянной времени системы возбуждения, что является их недостатком [8.3]. Конденсаторные батареи, особенно коммутируемые тиристорами, обладают высоким быстродействием (10—20 мс) при ступенчатом регулировании реактивной мощности. В ряде задач, например обеспечения статической устойчивости электропередач, ступенчатое регулирование практически неприемлемо. Решение проблемы находят в применении комбинированных ИРМ, которые способны при высоком быстродействии плавно регулировать реактивную мощность. Такие ИРМ обычно состоят из регулируемой ступенчато конденсаторной батареи и плавно регулируемого реактора, включенных параллельно.

В отличие от конденсаторной батареи, т.е. устройства прямой компенсации, комбинированные ИРМ называют устройствами косвенной компенсации, имея в виду, что реактор в таком ИРМ выполняет вспомогательную роль, обеспечивая плавность регулирования, тогда, когда ИРМ в целом генерирует реактивную мощность. Но ИРМ косвенной компенсации в зависимости от соотношения установленных мощностей конденсаторов и реакторов может не только генерировать, но и потреблять реактивную мощность при плавном переходе от одного режима к другому. Однако при относительно большой мощности регулируемых тиристорами реакторов комбинированные ИРМ становятся источниками высших гармоник тока. И это — их недостаток, устранение которого возможно путем установки фильтров высших гармоник тока. Обычно роль фильтрокомпенсирующих устройств выполняют секционированные конденсаторные батареи. Для этого последовательно с конденсаторами включают небольшие реакторы, обеспечивая условия, при которых сопротивление цепи конденсатор—реактор близко к нулю на частоте настройки на компенсируемую гармонику.