ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ НЕЛИНЕЙНЫХ И РЕЗКОПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК

1. ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ И УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПРИ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИИ НЕЛИНЕЙНЫХ И РЕЗКОПЕРЕМЕННЫХ НАГРУЗОК

1.1 Реактивная составляющая – неотъемлемая часть потребляемой из сети энергии

В реальных условиях электроснабжения звенья электропередачи и нагрузка потребителя всегда содержат наряду с активным сопротивлением составляющие индуктивного и емкостного сопротивлений. Устройства, потребляющие индуктивный ток, принято называть приемниками реактивной мощности (энергии), а устройства, потребляющие емкостный ток, – источниками реактивной мощности (энергии). Большая часть промышленных устройств потребляет реактивную мощность.

Состав потребителей реактивной мощности показывает, что основную часть реактивной мощности потребляют четыре вида устройств: асинхронные двигатели – 40 % (совместно с бытовыми, сельскохозяйственными электродвигателями и асинхронными электроприводами собственных нужд электростанций), электропечные установки – 8 %; вентильные преобразователи – 10 %, трансформаторы всех ступеней трансформации (потери в них) – 35 %, линии электропередачи (потери в них) – 7 %. Так как превалирует индуктивная нагрузка, то одновременно с активной мощностью по сети должна передаваться и реактивная мощность индуктивного характера[2].

При подключении к электросети с напряжением  активно-индуктивной нагрузки ток в ней отстает от напряжения на угол сдвига j:

.

Электроприемник с такой нагрузкой потребляет как активную

,

так и реактивную

мощность.

Текущий коэффициент мощности в каждый момент времени:

,

где P_i, Q_i, S_i – соответственно активная, реактивная и полная мощности в момент времени t_i (кВт, квар, кВА).

Активная и реактивная мощности предприятия изменяются не только в течение длительного промежутка времени (суток, месяца), но и в течение одной производственной смены.

Коэффициент реактивной мощности  наглядно выражает реактивную мощность в долях активной. Связь между коэффициентами такая:

[4].

Активная мощность, потребляемая электроприемником, может совершать работу и преобразовываться в другие виды энергии: механическую, тепловую, световую, химическую, энергию сжатого воздуха и газа и т.п. Определенная часть активной энергии расходуется на потери.

Реактивная мощность не связана с полезной работой электроприемника и расходуется на создание электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, линиях.

Следует сказать о некоторой условности толкования Q как мощности. Активная мощность обусловлена преобразованием энергии первичного двигателя, полученной от природного источника, в электроэнергию. Реактивная мощность не преобразуется в другие виды мощности, не требует для ее производства затраты других видов энергии, не совершает работу и поэтому условно называется мощностью.

Аналогия реактивной мощности с активной состоит в сходстве аналитического выражения; в том, что электроприемники потребляют не только активную, но и реактивную мощность, так как процессы передачи и потребления электроэнергии неразрывно связаны с возникновением магнитного и электрического полей; в зависимости и активной, и реактивной мощности от напряжения и частоты в соответствии со статическими характеристиками; в зависимости потерь в сетях от потоков и активной, и реактивной мощности; в одинаковом способе измерения активной и реактивной мощности. Для расчета режимов в цепях синусоидального тока реактивная мощность является очень удобной характеристикой, широко используемой на практике[22].

С точки зрения генерации и потребления между реактивной и активной мощностью существуют значительные различия. Если большая часть активной мощности потребляется приемниками и лишь незначительная теряется в элементах сети и электрооборудования, то потери реактивной мощности в элементах сети могут быть соизмеримы с реактивной мощностью, потребляемой приемниками электроэнергии. Из 100 % реактивной мощности, вырабатываемой в энергосистеме, 22 % теряется в повышающих трансформаторах электростанций и в автотрансформаторах повышения напряжения на подстанциях 110–750 кВ энергосистемы, 6,5 % теряется в линиях районных сетей системы, 13,5 % составляют потери в понижающих трансформаторах и лишь 58 % из всей выработанной реактивной мощности приходятся на шины 6–10 кВ потребителей.

Активную мощность электрической сети получают от генераторов электрических станций, которые являются единственным источником активной мощности.

Полная мощность, вырабатываемая генератором, включает активную и реактивную составляющие.

Синхронные генераторы на электростанциях вместе с другими источниками реактивной мощности обеспечивают и регулируют баланс реактивной мощности в современных электрических сетях. В номинальном режиме генератор вырабатывает номинальные значения активной и реактивной мощностей при cosj_ном.

При снижении активной мощности в сравнении с номинальным значением возможна выдача увеличенной реактивной мощности сверх номинальной. Возможность увеличения реактивной мощности за счет уменьшения активной допустимо использовать в случае избытка активной мощности, т.е. в режиме минимума активной нагрузки. В этом случае некоторая часть генераторов, несущих активную нагрузку, может переводиться на работу с пониженным коэффициентом мощности.

Увеличение же генерируемой реактивной мощности в режиме наибольших нагрузок за счет уменьшения генерации активной мощности экономически нецелесообразно. Эффективнее вместо снижения активной мощности генераторов электростанций применять для выработки реактивной мощности компенсирующие устройства. Поэтому, как правило, в сетях для покрытия потребности в реактивной мощности применяют компенсирующие устройства[20].

Прохождение в электрических сетях реактивных токов обуславливает дополнительные потери активной мощности в линиях, трансформаторах, генераторах электростанций, потери напряжения, требует увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов, снижает пропускную способность всей системы электроснабжения. Большая загрузка реактивной мощностью электростанций приводит к перегрузке по току генераторов, к необходимости их использования специально для выработки реактивной мощности даже в те часы, когда по активной нагрузке часть генераторов можно отключить в резерв. Реактивной мощностью дополнительно нагружаются питающие и распределительные сети предприятий, соответственно увеличивается общее потребление электроэнергии[3].

Концентрация производства реактивной мощности во многих случаях экономически нецелесообразна по следующим причинам.

1. При передаче значительной реактивной мощности возникают дополнительные потери активной мощности и электроэнергии во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью. Так, при передаче активной Р и реактивной Q мощностей через элемент системы электроснабжения с сопротивлением R потери активной мощности составят:

.

Таким образом, дополнительные потери активной мощности DP_p, вызванные протеканием реактивной мощности Q, пропорциональны ее квадрату.

2. Возникают дополнительные потери напряжения, которые особенно существенны в сетях районного значения. При передаче мощностей P и Q через элемент системы электроснабжения с активным сопротивлением R и реактивным Х потери напряжения составят:

,

где  - потери напряжения, обусловленные активной мощностью;  - потери напряжения, обусловленные реактивной мощностью.

Дополнительные потери напряжения увеличивают отклонение напряжения на зажимах приемника от номинального значения при изменениях нагрузок и режимов электросети. Это требует увеличения мощности, следовательно, и стоимости средств регулирования напряжения.

3. Загрузка реактивной мощностью систем промышленного электроснабжения и трансформаторов уменьшает их пропускную способность и требует увеличения сечений проводов воздушных и кабельных линий, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и т.п.

Поскольку реактивная составляющая неизбежна при работе многих промышленных устройств, она не может быть исключена полностью. Однако целесообразно применять средства, предназначенные для уменьшения ее потребления из питающей сети.

В какой-либо электрической цепи генерируемая реактивная энергия равна потребляемой реактивной энергии. В связи с тем, что большая часть промышленных устройств является потребителями реактивной энергии, потребность в реактивной мощности обычно превышает возможности покрытия ее рациональным способом генераторами электростанций. Поэтому возникает необходимость в исследовании дополнительных устройств, поставляющих в энергетическую систему реактивную мощность. Устройствами такого типа, называемыми компенсаторами, могут служить батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы и двигатели, а также статические источники реактивной мощности. При номинальной нагрузке генераторы вырабатывают лишь около 60% требуемой реактивной мощности, 20% генерируется в ЛЭП с напряжением выше 110 кВ, 20% вырабатывают компенсирующие устройства, расположенные на подстанциях или непосредственно у потребителя. Совместная работа компенсирующих устройств с сетью ведет к уменьшению потребления из нее реактивной составляющей тока[17].

Приведенные соображения вынуждают, насколько это технически и экономически целесообразно, приближать источники покрытия реактивной мощности к местам ее потребления и уменьшать получение реактивной мощности из энергосистемы. Это в значительной степени разгружает питающие линии электропередачи и трансформаторы от реактивной мощности.

1.2 Принципы компенсации реактивной мощности

Компенсацией реактивной мощности называют ее выработку или потребление с помощью компенсирующих устройств.

Принцип компенсации реактивной мощности заключается в следующем.

Как было установлено, ток, проходящий через конденсатор, опережает приложенное к нему напряжение на 90°, в то время как ток, проходящий через катушку индуктивности, отстает от приложенного напряжения на 90°. Таким образом, емкостный ток противоположен индуктивному току и реактивная мощность, идущая на создание электрического поля, противоположна по направлению реактивной мощности, идущей на создание магнитного поля. Поэтому емкостный ток и емкостная мощность считаются условно отрицательными по отношению к току намагничивания и мощности намагничивания, условно принятыми положительными.

Таким образом, численно равные реактивные мощности емкости и намагничивания взаимно "уничтожаются" (Q_C– Q_L= 0) и сеть разгружается от протекания реактивной составляющей тока нагрузки.

Принцип компенсации при помощи емкостного тока поясняет векторная диаграмма на рисунке 1.

Рисунок 1 – Принцип компенсации реактивного тока намагничивания[2]: а – схема до компенсации; б – схема с компенсацией

Емкость конденсатора С, подключенного параллельно нагрузке, содержащей R и L, подбирают такой, чтобы ток I_C, проходящий через конденсатор, был по возможности близок по абсолютной величине к намагничивающему току I_L, потребляемому индуктивностью L. Из векторной диаграммы видно, что подключение конденсатора С дало возможность уменьшить угол сдвига фаз между током и напряжением нагрузки с величины j₁ до величины j₂ и соответственно повысить коэффициент мощности нагрузки. Увеличивая емкость, можно полностью скомпенсировать реактивную мощность нагрузки, когда j = 0[2].

Компенсация реактивной мощности, как всякое важное техническое мероприятие, может применяться для нескольких различных целей. Во-первых, компенсация реактивной мощности необходима по условию баланса реактивной мощности. Во-вторых, установка компенсирующих устройств применяется для снижения потерь электрической энергии в сети. И, наконец, в-третьих, компенсирующие устройства применяются для регулирования напряжения.

Во всех случаях при применении компенсирующих устройств необходимо учитывать ограничения по следующим техническим и режимным требованиям:

1)  необходимому резерву мощности в узлах нагрузки;

2)  располагаемой реактивной мощности на шинах ее источника;

3)  отклонениям напряжения;

4)  пропускной способности электрических сетей.

Для уменьшения перетоков реактивной мощности по линиям и трансформаторам источники реактивной мощности должны размещаться вблизи мест ее потребления. При этом передающие элементы сети разгружаются по реактивной мощности, чем достигается снижение потерь активной мощности и напряжения.

Таким образом, вследствие применения компенсирующих устройств на подстанции при неизменной мощности нагрузки реактивные мощности и ток в линии уменьшаются – линия разгружается по реактивной мощности[20].

Уменьшение потребления реактивной мощности на предприятии достигается путем компенсации реактивной мощности как естественными мерами (сущность которых состоит в ограничении влияния приемника на питающую сеть путем воздействия на сам приемник), так и за счет специальных компенсирующих устройств (реактивной мощности) в соответствующих точках системы электроснабжения.

Мероприятия, проводимые по компенсации реактивной мощности эксплуатируемых или проектируемых электроустановок потребителей, могут быть разделены на следующие три группы:

1)  не требующие применения компенсирующих устройств;

2)  связанные с применением компенсирующих устройств;

3)  допускаемые в виде исключения.

Мероприятия первой группы направлены на снижение потребления реактивной мощности и должны рассматриваться в первую очередь, поскольку для их осуществления, как правило, не требуется значительных капитальных затрат.

Последние два мероприятия должны обосновываться технико-экономическими расчетами и применяться при согласовании с энергосистемой.

Мероприятия, не требующие применения компенсирующих устройств:

1)  упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования, а следовательно, и к повышению коэффициента мощности;

2)  переключение статорных обмоток асинхронных двигателей напряжением до 1000 В с треугольника на звезду, если их загрузка составляет менее 40%;

3)  устранение режима работы асинхронных двигателей без нагрузки (холостого хода) путем установки ограничителей холостого хода, когда продолжительность межоперационного периода превышает 10 мин;

4)  замена, перестановка и отключение трансформаторов, загружаемых в среднем менее чем на 30% от их номинальной мощности;

5)  замена мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности при условии, что изъятие избыточной мощности влечет за собой уменьшение суммарных потерь активной энергии в энергосистеме и двигателе;

6)  замена асинхронных двигателей синхронными двигателями той же мощности, где это возможно по технико-экономическим соображениям;

7)  применение синхронных двигателей для всех новых установок электропривода, где это приемлемо по технико-экономическим соображениям;

8)  регулирование напряжения, подводимого к электродвигателю при тиристорном управлении;

9)  повышение качества ремонта двигателей с сохранением их номинальных данных;

10)  применение преобразователей с большим числом фаз выпрямления;

11)  применение поочередного и несимметричного управления работой преобразователей;

12)  применение специальных преобразовательных систем с искусственной коммутацией вентилей (такие системы характеризуются сниженным потреблением реактивной мощности), а также систем с ограниченным содержанием высших гармоник в токе питающей сети.

Мероприятия, связанные с применением компенсирующих устройств:

1)  установка статических конденсаторов;

2)  использование синхронных двигателей в качестве компенсаторов;

3)  применение статических источников реактивной мощности;

4)  применение систем компенсации, состоящих из нескольких перечисленных устройств, работающих параллельно.

Применению устройств компенсации реактивной мощности должен предшествовать тщательный технико-экономический анализ в связи с высокой стоимостью и достаточной сложностью этих устройств.[4].

Компенсирующие устройства в зависимости от места их расположения в разветвленной электроэнергетической системе подразделяются на следующие виды: индивидуальные, групповые, централизованные компенсаторы. На рисунке 2 показаны различные схемы расположения компенсирующих устройств в электроэнергетической системе.

Рисунок 2 – Схемы подсоединения компенсирующих устройств:

а – индивидуальная компенсация; б – групповая компенсация; в – централизованная компенсация[17]

Индивидуальные компенсаторы – устройства, работающие непосредственно с приемником, потребляющим из питающей сети реактивную мощность. При полной компенсации приемник и устройство компенсации представляют для питающей сети устройства, потребляющие только активную мощность. Однако при выключенном потребителе компенсирующие устройства также не используются, что является главным недостатком индивидуальной компенсации. Такой вид компенсации лучше всего применять для компенсации мощности искажения приемников с нелинейными характеристиками.

Групповая и централизованная компенсация позволяет использовать устройства независимо от работы отдельных потребителей. Для реализации компенсации этого вида требуется дополнительная аппаратура – коммутационная и защитная; кроме того, компенсирующие устройства должны обеспечивать достаточный диапазон регулирования потребляемой мощности. Диапазон изменения мощности, потребляемой компенсирующими устройствами, должен быть определен на основе анализа суточной потребности в реактивной мощности для данной группы потребителей. Как правило, для группы потребителей характерно частое изменение нагрузки, что требует применения компенсирующих устройств с автоматическим регулированием мощности, отдаваемой компенсатором.

При непрерывном развитии электроэнергетических систем и наметившейся тенденции к созданию все более крупных энергоблоков значение централизованной компенсации снижается. При централизованной компенсации в крупных энергосистемах не обеспечивается компенсация во всех точках системы, особенно при размещении нелинейных нагрузок на большом расстоянии от электростанций и подстанций, причем, чем больше расстояние, тем больше потери в сети. Поэтому в настоящее время все чаще создают групповые компенсаторы, а для нелинейной нагрузки большой мощности – индивидуальные компенсаторы.

Важным моментом является соответствующее расположение компенсатора, и в особенности выбор мест подсоединения схем измерения. Компенсатор целесообразно располагать так, чтобы имелась возможность стабилизации реактивной мощности в точке подключения преобразователя. В этом случае достигается ограничение колебания напряжения в энергосистеме при изменении условий работы подключенных потребителей[17].

1.3 Влияние преобразовательных установок на сети промышленного электроснабжения

Интенсивное развитие силовой полупроводниковой преобразовательной техники и ее использование в тиристорных электроприводах переменного и постоянного тока, вентильных преобразователях для электротермических и электротехнологических установок различного назначения привело к ухудшению показателей качества электроэнергии, предусмотренных ГОСТ, а также к снижению естественного коэффициента мощности в сетях промышленного электроснабжения.

При всей своей прогрессивности и технологической эффективности тиристирные преобразователи являются одними из главных нарушителей качества электроэнергии в питающей сети, т.е. существует проблема электромагнитной совместимости их с питающей сетью. Это объясняется тем, что все изменения режима работы преобразовательных установок прямо передаются в питающую электрическую сеть.

Особенно заметно это проявляется в колебаниях напряжения (они могут достигать величины более 20 % в сети 10 кВ) и частоты питающей электрической сети. Это обуславливается резким изменением как активной (колебания частоты), так и реактивной (колебания напряжения) мощности. Кроме того, работа установок сопровождается большими искажениями напряжения, происходящими из-за коммутации вентилей.

Вентильные преобразователи оказывают все более сильное отрицательное воздействие на качество напряжения в питающей сети в связи с расширением их применения и увеличением единичной мощности. Как известно, это объясняется тем, что преобразователи, в особенности регулируемые, за счет сдвига первой гармоники тока относительно напряжения потребляют значительную реактивную мощность, зачастую с весьма неравномерным временным графиком, а за счет высших гармоник потребляемого тока являются источниками сильных искажений кривой напряжения сети. Оба этих фактора, кроме того, вызывают дополнительные потери мощности в питающей сети. Поэтому проблема улучшения коэффициента мощности преобразователей относится к числу одной из наиболее актуальных в современной преобразовательной технике и электроэнергетике.

Наряду с широко известными достоинствами (сравнительная простота регулирования, удобство эксплуатации, а также небольшие потери мощности) управляемые вентильные выпрямители имеют ряд серьезных недостатков, основным из которых является низкий коэффициент мощности при глубоком регулировании выпрямленного напряжения.

Потребление реактивной мощности преобразовательными агрегатами обусловлено в основном двумя причинами: естественным коммутационным процессом и искусственной задержкой момента открытия вентиля в целях регулирования выпрямленного напряжения. Именно эти факторы создают сдвиг тока в цепях вентилей относительно напряжения, понижают коэффициент мощности в сетях, питающих выпрямители, и повышают потребление реактивной мощности.

При работе трехфазного преобразовательного агрегата переход тока с фазы А на фазу В (рисунок 3) происходит не в момент равенства напряжений: U_A=U_B, а занимает некоторое время коммутации и происходит с запаздыванием на соответствующий этому времени угол коммутации g, в течение которого напряжение U_B превысит U_A на достаточное для перехода тока значение.

Рисунок 3 – Сдвиг по фазе тока и напряжения в вентильном преобразователе[22]

На рисунке 3 это учтено тем, что ток вентиля представлен в виде трапеции, наклон которой зависит от времени коммутации и от угла коммутации.

В управляемых вентилях искусственно создается задержка открытия вентиля для снижения выпрямленного напряжения. При этом возникает сдвиг анодного тока i₂ относительно кривой напряжения на время, измеряемое углом a. Угол сдвига по фазе тока i₂ относительно амплитуды напряжения U₂ равен:

.

Приблизительно на такой же угол j сдвинут в сторону отставания от напряжения U₁ и первичный ток I₁ преобразовательного трансформатора, чем и определяется реактивная нагрузка сети от преобразовательного агрегата.

Cosj – коэффициент сдвига тока I₁ относительно напряжения U₁ – можно представить так:

[22].

При работе в выпрямительном режиме вентильный преобразователь потребляет из сети переменного тока активную и реактивную мощность. При работе в инверторном режиме – отдает в сеть переменного тока активную мощность, потребляя реактивную. При a=90° вентильный преобразователь потребляет из сети переменного тока только реактивную мощность[7].

В наибольшей мере этот фактор проявляется при работе выпрямителя на противоЭДС и постоянстве тока нагрузки, например, в электроприводе с двигателем постоянного тока. Здесь при выпрямленном напряжении, близком к нулю, реактивная мощность максимальна. Таким образом, с уменьшением выпрямленного напряжения реактивная мощность выпрямителя растет, увеличивая загрузку электрических сетей реактивным током, что в свою очередь сопровождается значительными потерями активной энергии и напряжения в сети, а также снижением пропускной способности всей системы электроснабжения.

Жесткая связь между переменным током на входе выпрямителя и его выпрямленным током имеет своим следствием то, что, несмотря на уменьшение выпрямленного напряжения и соответствующее уменьшение мощности на выходе выпрямителя потребляемый им из сети ток сохраняет значение, пропорциональное выпрямленному току. При включении выпрямителя и малом значении его выпрямленного напряжения или при резком уменьшении этого напряжения происходит наброс реактивной мощности на сеть, что в случае значительной мощности нагрузки сопровождается провалом напряжения в сети и вредно отражается на остальных ее потребителях. В ряде случаев это нередко влечет за собой необходимость реконструкции сети.

Таким образом, преобразовательные агрегаты являются крупными потребителями реактивной мощности, режим потребления которых имеет особенности, связанные с нелинейностью и нестабильностью параметров нагрузки.

В условиях возрастающего использования вентильных преобразователей отмеченные их недостатки сопровождаются ощутимым технико-экономическим ущербом. Для их устранения существует два пути: внешняя и внутренняя компенсация.

Внешняя компенсация основана на применении различных компенсирующих устройств, генерирующих реактивную мощность в сеть – конденсаторных батарей, синхронных компенсаторов, регулируемых и нерегулируемых источников реактивной мощности. К ним относятся также фильтрокомпенсирующие устройства, выполненные на базе реакторов и конденсаторов.

Внутренняя компенсация предполагает уменьшение как потребления реактивной мощности, так и генерации высших гармоник тока посредством изменений в самом выпрямителе[18].

Эффективный способ компенсации реактивной мощности преобразовательных установок – создание компенсационного преобразовательного агрегата с искусственной коммутацией, который генерирует реактивную мощность.

Принципиальная схема такого устройства показана на рисунке 4.

Рисунок 4 – Принципиальная схема компенсационного преобразовательного агрегата

В данной схеме между фазами включена трехфазная группа конденсаторов (С_АВ, С_ВС, С_СА), которая создает опережающий сдвиг по фазе тока относительно вектора напряжения. В обычной трехфазной схеме преобразования переход тока с одной фазы на другую происходит в момент, когда сравниваются напряжения этих фаз: U_A=U_B. В компенсационном преобразователе благодаря действию конденсатора коммутация происходит раньше, в момент, когда U_A = U_B + U_ABемк, где U_ABемк – напряжение на конденсаторе С_АВ.

Регулируя емкость конденсатора, можно изменять в требуемых пределах значение U_ABемк и этим добиться коммутации тока при меньшем значении напряжения фазы U_B и при меньшем угле коммутации. Ток фазы будет опережать напряжение, и преобразователь будет генерировать реактивную мощность в сеть[22].

Проблема несинусоидальности – проблема высших гармоник – возникла в последнее время в связи с применением мощных электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой, таких, как электросварка, дуговые сталеплавильные печи, неуправляемые и, особенно, управляемые вентильные преобразователи. В настоящее время проблема высших гармоник является одной из важных частей общей проблемы электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей электрической сетью.

В электрических сетях промышленных предприятий со значительным удельным весом вентильных преобразователей несинусоидальность формы кривой напряжения может значительно превышать нормируемые ГОСТ пределы.

Для тиристорных преобразователей порядок высших гармоник определяется по формуле

n = mk ± 1,

где m – число фаз выпрямления; k – натуральный ряд чисел.

При 6-фазной схеме выпрямления n = 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, и т.д.

При 12-фазной схеме n = 11, 13, 23, 25, 35, 37 и т.д.

При 24-фазной схеме выпрямления n = 23, 25, 47, 49, 71, 73 и т.д.[21].

Токи, потребляемые из питающей сети вентильными преобразователями, имеют обычно искаженную форму, а основная гармоника тока сдвинута по фазе в сторону отставания по отношению к напряжению питания. Это означает, что в питающей сети появляются высшие гармоники тока и, кроме того, из сети потребляется реактивная мощность. Это ведет к возрастанию потерь электроэнергии в питающей сети и к ухудшению качества энергии, подводимой к другим потребителям. В дополнение к этому в мощных устройствах с быстрым изменением угла задержки вентилей (например, в преобразователях, питающих приводные двигатели прокатных станов) возникают большие кратковременные набросы реактивной мощности, неблагоприятно влияющие на других потребителей.

Несинусоидальный ток в сопротивлениях питающей сети создает несинусоидальные падения напряжения так, что даже при синусоидальной ЭДС источника энергии в сети с выпрямительной нагрузкой имеют место несинусоидальные токи и напряжения. Таким образом, нагрузка потребляет из питающей сети искаженный ток, в состав которого входят гармоники, с частотами, превышающими основную частоту. Падения напряжения, обусловленные этими токами, вызывают искажение кривой напряжения питания, что ведет к дополнительным потерям передаваемой мощности, может нарушить работу других приемников, создает опасность возникновения резонанса и перегрузку цепей, содержащих емкости. Поэтому выпрямительную нагрузку можно рассматривать как генератор высших гармонических напряжения. Вышесказанное объясняет необходимость применения устройств, противодействующих искажению тока, потребляемого из питающей сети[5,17].

Высшие гармоники оказывают отрицательное влияние на технологический процесс и режим работы электролизеров и т. п. Наличие пульсирующего напряжения с большим содержанием высших гармоник способствует увеличению обратимых восстановительных процессов в электролите, влияет на подвижность ионов, перенос заряда и, следовательно, приводит к снижению коэффициента полезного действия электролизных установок, ухудшению качества продукции.

При прохождении токов высших гармоник по элементам системы электроснабжения возникают дополнительные потери активной мощности и электроэнергии. Наибольшие дополнительные потери активной мощности имеют место в трансформаторах, двигателях и генераторах. В ряде случаев эти потери могут привести к недопустимому перегреву обмоток электрических машин и во всех случаях приводят к дополнительным потерям электрической энергии.

При наличии гармоник в кривой напряжения процесс старения изоляции протекает более интенсивно, что объясняется ускорением при высоких частотах электрического поля физико-химических процессов в диэлектриках, обусловливающих их старение.

Высшие гармоники тока и напряжения влияют на погрешности электроизмерительных приборов. В практике эксплуатации существенное значение имеет увеличение погрешностей индукционных счетчиков активной и реактивной энергии. В большинстве случаев эти приборы при несинусоидальных напряжениях и токах имеют довольно большую погрешность, которая может достигать 10%. Значения этих погрешностей существенно отражаются при учете потребления электрической энергии.

Наличие высших гармоник затрудняет и в ряде случаев делает невозможным использование силовых цепей в качестве каналов для передачи информации. Высшие гармоники ухудшают работу телемеханических устройств, вызывают сбои в их работе, если силовые цепи используются в качестве каналов связи.

Несинусоидальность формы кривой напряжения отрицательно сказывается и на работе вентильных преобразователей, ухудшая качество выпрямления тока.

На частотах выше 1000 Гц в системах электроснабжения возможны резонансные явления, которые значительно увеличивают действующие значения напряжений гармоник резонансных частот.

Таким образом, наличие высокого уровня гармонических составляющих в системах электроснабжения промышленных предприятий приводит к следующим отрицательным явлениям:

1)  появлению дополнительных потерь активной мощности и электроэнергии в элементах сети;

2)  снижению коэффициента мощности;

3)  ограничению области применения конденсаторных батарей вследствие возможности появления резонансных или близких к ним режимов на частотах высших гармоник;

4)  ускорению старения изоляции электрооборудования;

5)  появлению высших гармоник тока в сети выпрямленного напряжения;

6)  существенному увеличению погрешности счетчиков для учета активной и реактивной энергии, а также измерителей токов и напряжений;

7)  вредному действию на коммутацию трехфазных коллекторных двигателей;

8)  неправильному действию некоторых видов релейных защит, ухудшению качества, а в некоторых случаях к сбоям в работе систем контроля, автоматики, телемеханики и связи[6].

Ограничение несинусоидальности напряжения с наибольшей эффективностью может быть достигнуто на стадии проектирования электроснабжения промышленных предприятий, но требует дополнительных затрат. Поэтому такое ограничение является технико-экономической проблемой, которую нельзя решать в отрыве от задачи компенсации реактивной мощности. Это объясняется тем, что компенсирующие устройства с емкостными параметрами (например, конденсаторные батареи, фильтры высших гармоник) в сочетании с индуктивным сопротивлением питающей сети могут приводить к резонансу в сети на высокой частоте, и следовательно, к увеличению отдельных гармоник тока и напряжения.

Появление убытка от высших гармоник обусловливает необходимость снижения их уровней в системах электроснабжения. В настоящее время основными мерами по уменьшению влияния высших гармоник напряжения на элементы электроустановок являются:

-  рациональное построение схемы электроснабжения;

-  применение многофазных схем выпрямления, специальных законов управления преобразователями;

-  использование резонансных фильтров.

Увеличение числа фаз выпрямления является действенной мерой снижения уровней высших гармоник. Однако анодные трансформаторы для большого числа фаз выпрямления получаются сложными, дорогими и ненадежными. Поэтому для мощных преобразователей применяют, как правило, не более чем 12-фазный режим выпрямления.

Одним из наиболее перспективных способов уменьшения токов и напряжений высших гармоник в сетях промышленных предприятий является применение силовых фильтров высших гармоник, представляющих собой последовательное соединение индуктивного и емкостного сопротивлений, настроенных в резонанс на фильтруемую гармонику.

На рисунке 5 показана схема поперечного фильтра высших гармоник. Звено фильтра представляет собой контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости, настроенных на частоту определенной гармоники. Сопротивление звена фильтра токам высших гармоник:

,

где X_L, X_C – сопротивления соответственно реактора и батареи конденсаторов току промышленной частоты.

С увеличением частоты индуктивное сопротивление реактора увеличивается, а батареи конденсаторов – уменьшается пропорционально номеру гармоники.

Рисунок 5 – Схема включения фильтров 5, 7, 11 и 13-й гармоник[1]

На частоте одной из гармоник индуктивное сопротивление реактора становится равным емкостному сопротивлению батареи конденсаторов, и в цепи звена фильтра возникает резонанс напряжений. При этом сопротивление звена току резонансной частоты равно нулю и оно шунтирует электрическую систему на этой частоте.

Параллельный фильтр представляет собой ряд звеньев, каждое из которых настроено на резонанс для частоты определенной гармоники. На практике обычно применяют фильтры, состоящие из звеньев, настроенных на частоты 5, 7, 11, 13, 23 и 25-й гармоник. Поперечный фильтр является одновременно и источником реактивной мощности и служит средством компенсации реактивных нагрузок. Параметры фильтров подбирают таким образом, чтобы звенья были настроены в резонанс на частоты фильтруемых гармоник, а их емкости позволяли бы генерировать необходимую реактивную мощность на промышленной частоте. В ряде случаев для компенсации реактивной мощности параллельно фильтру включают батарею конденсаторов.

На рисунке 6 показана схема включения фильтров в трехфазную сеть:

Рисунок 6 – Схемы силовых резонансных фильтров высших гармоник:

а – соединение в звезду; б – соединение в треугольник[22]

Основным недостатком фильтров является их высокая стоимость, обусловленная в основном стоимостью батарей конденсаторов. Поэтому применение фильтров целесообразно лишь в тех случаях, когда требуется не только не допустить проникновения в электрическую систему токов некоторых гармоник, но и скомпенсировать реактивную мощность в рассматриваемом пункте системы электроснабжения. Распространение фильтров ограничивает также большая их чувствительность к точности настройки. При неточной настройке звеньев фильтра эффективность его уменьшается и даже может иметь место увеличение гармоник напряжения на шинах подстанции.

Для эффективной работы фильтров их надо устанавливать, начиная с гармоники самого низкого порядка, возникающей при работе нелинейных нагрузок (с фильтра 5-й гармоники для вентильных преобразователей). При неправильном включении фильтров коэффициент несинусоидальности в точке их подключения не только не уменьшается, но и может значительно увеличиваться. Возникает значительная перегрузка батарей конденсаторов в цепи фильтра токами высших гармоник, которая ведет к выходу из строя конденсаторных батарей и фильтра высших гармоник.

Отклонение значений емкостей батарей конденсаторов и индуктивностей реакторов, входящих в состав фильтров, обусловливается целым рядом факторов, которые можно разделить на субъективные и объективные.

К субъективным причинам относятся отсутствие опыта проектирования, изготовления, монтажа и промышленной эксплуатации силовых фильтров, отсутствие научно обоснованных методик и аппаратуры настройки фильтров перед эксплуатацией и подстройки их в процессе эксплуатации.

К числу объективных факторов можно отнести изменение емкостей батарей конденсаторов и индуктивностей реакторов в зависимости от температуры нагрева, изменение индуктивных и емкостных сопротивлений фильтров при изменении частоты питающей сети, ступенчатое регулирование индуктивности реактора фильтра с помощью отпаек, последствия аварийных режимов в фильтрах[22].

Наиболее простым методом снижения несинусоидальности является выделение нелинейных нагрузок на отдельную секцию шин, подключенную к одной обмотке многообмоточного трансформатора или реактора. Допустимое значение коэффициента несинусоидальности на шинах с нелинейной нагрузкой определяется только условиями надежной работы автоматических систем управления и самих нагрузок. Возможно и противоположное решение: рассредоточение нелинейных нагрузок по различным узлам систем электроснабжения исходя из допустимого уровня несинусоидальности[12].

Следует отметить, что в настоящее время ведутся широкие исследования способов и средств уменьшения высших гармоник в электрических сетях. Известны предложения по применению усложненных законов управления вентильными преобразователями, при которых не только значительно снижается влияние преобразователей на форму кривой напряжения сети, но и одновременно уменьшается потребление ими реактивной мощности.

1.4 Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения преобразовательных установок 1.4.1 Технические трудности, возникающие при использовании конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности

Широкое использование вентильных преобразователей в промышленности приводит к необходимости решать вопросы уменьшения их воздействия на питающую сеть, и в первую очередь вопросы компенсации реактивной мощности.

Известно, что наиболее экономичным средством для компенсации реактивной мощности являются конденсаторные батареи. Это объясняется их преимуществами перед другими средствами компенсации реактивной мощности, а именно: возможность применения как на низком, так и на высоком напряжении; малые потери активной мощности (0,0025–0,005 кВт/квар); наименьшая удельная стоимость (за 1 квар) по сравнению с другими компенсирующими устройствами; простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей); простота производства монтажа (малая масса, отсутствие фундамента); возможность использования для установки любого сухого помещения.

Но в сетях с повышенным содержанием высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, применение обычных средств компенсации реактивной мощности, рассчитанных на синусоидальные токи и напряжения, связано с техническими трудностями.

При необходимости компенсации нагрузок с быстроизменяющейся реактивной мощностью применяемое повсеместно регулирование мощности конденсаторной батареи путем подключения или отключения ее секций с помощью механических выключателей оказывается затруднительным, а часто и невозможным в связи с высокой стоимостью, малым быстродействием и низкой механической прочностью выключателей, а также ступенчатым характером регулирования мощности батареи. Возможно, кроме того, возникновение ударных коммутационных сверхтоков, зависящих от момента подключения батареи конденсаторов к питающей сети, а также неблагоприятное воздействие на конденсаторы токовых перегрузок при частоте высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками.

Исследование процесса работы конденсаторных установок при наличии высших гармоник в питающей сети, особенно при работе вентильных преобразователей, представляет важное практическое значение для определения возможности применения конденсаторных батарей в системах электроснабжения промышленных предприятий.

Практика работы промышленных предприятий свидетельствует о том, что батареи конденсаторов, работающие при несинусоидальном напряжении, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка их токами высших гармоник, которая возникает, как правило, из-за того, что конденсаторные батареи изменяют частотные характеристики систем и способствуют возникновению резонанса токов. При подключении батареи конденсаторов к шинам подстанции, питающей мощную вентильную нагрузку, какое бы ни было значение емкости батареи, всегда найдется такая группа гармоник, при которых конденсаторы вступают в режим резонанса токов (или близкий к нему) с индуктивностью сети.

Токи резонансной группы гармоник, генерируемые вентильным преобразователем в сеть, значительно уменьшаются, и можно говорить о том, что напряжения гармоник резонансной группы приложены к батарее конденсаторов непосредственно. В то же время емкостное сопротивление батареи конденсаторов уменьшается с увеличением номера гармоники. Это приводит к тому, что через БК протекают значительные токи резонирующих гармоник, соизмеримые, а иногда и значительно превосходящие ток первой гармоники. Перегрузки по току на конденсаторы допускают до 30%, по напряжению – до 10% от номинальных значений. На самом деле за счет появления резонансных явлений перегрузка по току может достигать 400–500%, т.к. токи резонансных частот могут значительно превышать ток первой гармоники. При выборе мощности и места установки конденсаторных батарей необходимо учитывать возможные резонансы тока и напряжения на одной из гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой.

Например, на одном из промышленных предприятий для компенсации реактивной мощности по проекту установлены конденсаторные батареи общей мощностью 11500 квар. Но ввести их в работу оказалось невозможным из-за наличия в цепи высших гармоник тока, которые появлялись при работе полупроводниковых выпрямительных агрегатов. Резкие толчки тока достигали 150–180 % номинального, что приводило к выходу из строя конденсаторов: за 5 ч работы вышло из строя 50 конденсаторных банок общей мощностью 1400 квар. Наблюдалось "ненормальное гудение" конденсаторных батарей, отключение масляных выключателей от максимальной защиты. В то же время без компенсации реактивной мощности нормальная работа установок невозможна, так как при этом коэффициент мощности составляет 0,57–0,6[22].

Работу батарей конденсаторов в условиях несинусоидального напряжения необходимо рассматривать с позиций взаимного влияния высших гармоник питающей сети и батарей конденсаторов.

Проведенные многочисленные экспериментальные исследования доказали, что в системах электроснабжения промышленных предприятий, имеющих мощные вентильные преобразователи, несинусоидальность напряжения, как правило, превышает нормируемые пределы, достигая в ряде случаев 20%. Поэтому на предприятиях с вентильной нагрузкой вопросы компенсации реактивной мощности до конца не решены.

Расчеты параметров схемы включения конденсаторной батареи с вентильным преобразователем с целью компенсации реактивной мощности показывают, что при этом общее действующее значение тока конденсаторной батареи во много раз превысит допустимое, что приведет к ее повреждению. Общий коэффициент несинусоидальности напряжения также резко увеличивается в точке присоединения конденсаторной батареи.

На рисунке 7 дана схема распределительной сети, питающей тиристорный преобразователь, в которой для компенсации реактивной мощности используется конденсаторная установка.

Рисунок 7 – Схма подключения конденсатора к преобразовательному трансформатору (а) и схема замещения (б)[1]

На рисунках 8–10 показаны напряжение питающей сети и токи батареи конденсаторов различной мощности, подключенных для компенсации реактивной мощности к вентильной нагрузке.

Рисунок 8 – Осциллограммы, полученные на физической модели (рис. 7): а – фазного напряжения в точке 1; б – тока в конденсаторной батарее (С = 1 мкФ)

В токе конденсаторной батареи І₁ = 100 %, І₇ = 50 %, І₁₁ = 60 %, І₁₃ = 50 %, І₁₇= 60 %, І₁₉ = 60 %, І₂₉ = 60 %, І₃₅ = 60 %, І₃₇ = 140 %, І₅₅ = 125 %, І₅₉ = 160 %, І₆₁ == 140%, І₇₁ = 125 % І₁. Перегрузка конденсатора по току составляет 370 %, К_НС = = 16 %.

Здесь же даны уровни отдельных гармоник тока, протекающих через конденсаторную батарею, и общая перегрузка конденсаторов токами высших гармоник.

Рисунок 9 – Осциллограммы, полученные на физической модели (рис.7): а – фазного напряжения в точке 1, К_НС = 38 %;б – тока в конденсаторной батарее (С = 15 мкФ)

В токе конденсаторной батареи І₁ = 100 %, І₇ = 90 %, І₁₁ = 250 %, І₁₃ = 225 %, І₁₇= 70 %, І₁₉ = 80 % І₁. Перегрузка конденсатора по току составляет 400 %.

Рисунок 10 – Осциллограммы, полученные на физической модели (рис.7): а – тока в конденсаторной батарее (С = 70 мкФ);б – фазного напряжения в точке 1, К_НС = 44 %

В токе конденсаторной батареи І₁ = 100 %, І₅ = 160 %, І₇ = 60 % І₁. Перегрузка конденсатора по току составляет 200 %[22].

Таким образом, непосредственное применение батарей конденсаторов в целях компенсации реактивной мощности в сетях с вентильными нагрузками проблематично. В каждом конкретном случае необходим расчет токовой перегрузки батарей резонансной группой гармоник. В некоторых случаях такие расчеты необходимо производить до гармоник достаточно высокого порядка, особенно при малых емкостях конденсаторных батарей[6].

1.4.2 Особенности компенсации реактивной мощности в сетях со специфическими нагрузками

На основании указанного выше можно сделать вывод о том, что в сетях со специфическими нагрузками (к ним относят нелинейные, несимметричные и резкопеременные нагрузки) существуют определенные особенности компенсации реактивной мощности, которые заключаются в следующем:

1.  Из-за низкого коэффициента мощности потребителей и резкопеременного характера нагрузки необходимо осуществлять компенсацию как постоянной, так и переменной составляющей реактивной мощности. Компенсация постоянной составляющей реактивной мощности необходима для улучшения cosj и для уменьшения отклонений напряжения в питающей сети. Компенсация переменной составляющей реактивной мощности преследует цель уменьшения колебания напряжения в питающей сети.

2.  Из-за быстрых изменений потребляемой реактивной мощности необходимо применение быстродействующих компенсирующих устройств, способных изменять регулирующую реактивную мощность со скоростью, соответствующей скорости наброса и сброса потребляемой реактивной мощности. Необходимое быстродействие таких компенсирующих устройств можно ориентировочно определить как dQ/dt = 100–2000 Мвар/с.