а) Выбор способа компенсации, типа и мощности компенсирующих устройств и их размещение, а также определение оптимальной степени компенсации производятся одновременно с проектированием электрической сети и обязательно вместе с выбором устройств для регулирования напряжения. Эти задачи решаются комплексно совместно с энергетическими системами на базе единого перспективного плана электрификации данного района с учетом баланса активных и реактивных мощностей, а также одновременным решением вопросов уровней и регулирования напряжения. При этом учитываются режимы работы сети при наибольших и наименьших активных и реактивных ее нагрузках, а также в послеаварийных режимах, когда часть оборудования отключается. В последнем случае принимаются во внимание допущения, принятые в ГОСТ 13109-67 на нормы качества электрической энергии.
Для улучшения коэффициента мощности в первую очередь предусматриваются мероприятия, не требующие применения специальных компенсирующих устройств, основными из которых являются правильный выбор мощности электродвигателей и трансформаторов в соответствии с технологическим процессом, обеспечивающий их наиболее полную загрузку, а также применение устройств, устраняющих холостой ход двигателей и других приемников, потребляющих реактивную энергию.
Синхронные двигатели применяются в тех случаях, когда это экономически выгодно и технически возможно по условиям сети и производства. Они отдают реактивную мощность в сеть на месте ее потребления при широких пределах ее регулирования, допускают форсировку возбуждения; меньше зависят от колебаний напряжения, чем косинусные конденсаторы; повышают устойчивость системы. К их недостаткам относятся невозможность регулировки скорости вращения и более высокая стоимость по сравнению с асинхронными двигателями. Маломощные и тихоходные синхронные двигатели в нормальном режиме для этой цели, как правило, экономически невыгодны. Их реактивную мощность целесообразно использовать при послеаварийных режимах, для чего они должны иметь форсировку возбуждения.
На участках сети, питаемых от электростанций предприятия, используется реактивная мощность генераторов. В качестве специальных компенсирующих устройств применяются косинусные конденсаторы и синхронные компенсаторы. При совместном применении конденсаторов и синхронных двигателей первые производят в основном компенсацию базисной части суточного графика реактивной нагрузки, а вторые главным образом снижают пики графика. Использование в качестве синхронных компенсаторов имеющихся на предприятиях синхронных генераторов и синхронных двигателей допускается в виде исключения.
Конденсаторные батареи могут быть включены параллельно (поперечная компенсация) или последовательно (продольная компенсация). Последнее целесообразно при большом индуктивном сопротивлении, резко переменной, изменяющейся в течение долей секунды нагрузке сетей, например при питании от них дуговых печей, ионных приводов прокатных станов, крупных сварочных нагрузок. Продольная компенсация дает возможность мгновенного (безынерционного) автоматического регулирования напряжения. Для крупных сварочных машин с низким коэффициентом мощности применение продольной компенсации (ПК) очень эффективно Однако этот способ компенсации пока еще не нашел значительного применения на промышленных предприятиях При продольной компенсации (см. рис. 1-17) емкостное сопротивление конденсаторов хс вычитается из индуктивного сопротивления xL и в результате уменьшаются эквивалентное сопротивление линии x3=xL—хс и потеря напряжения AU в ней.
где Р и Q — активная и реактивная мощности, квт и кВар; г и xL — активное и индуктивное сопротивления линии, Ом; хс — емкостное сопротивление конденсаторов, Ом.
Благодаря этому повышается напряжение в конце линии и улучшается коэффициент мощности в начале линии.
Степень компенсации характеризуется выражением
Задавшись величиной AU, можно получить необходимое при этом емкостное сопротивление хс батареи ПК. Мощность батареи ПК определяется по формуле
где рабочий ток линии при максимальной нагрузке.
Напряжение на зажимах батареи ПК UK — Ixc может оказаться меньше напряжения линии или электроустановки. Поэтому в батареях ПК применяются силовые конденсаторы на напряжение, меньшее напряжения сети, в связи с чем они устанавливаются на соответствующих изоляционных основаниях.
Вследствие уменьшения реактивного сопротивления участка сети, расположенного после батареи ПК, увеличивается ток короткого замыкания на этом участке. Это может ограничить мощность батареи ПК по условиям устойчивости аппаратов и других элементов сети. Для ограничения кратковременных повышений напряжения при коротком замыкании на участке за батареей ПК параллельно ей включается разрядник 6 с добавочным сопротивлением 8 (рис. 1-17). При срабатывании разрядника включается шунтирующий выключатель 5, служащий также для оперативного включения и отключения батареи ПК и используемый для шунтирования батареи при пуске крупных двигателей. Отключение батареи ПК от сети выполняется разъединителями 2 после включения разъединителя 3.
1— батарея; 2 и 3 — разъединители; 4 — трансформатор напряжения; 5 — выключатель; 6 — искровой промежуток; 7 — трансформатор тока; 8 — сопротивление.
Рис. 1-17. Принципиальная схема включения батарей конденсаторов ПК.
На предприятиях с крупными ртутными выпрямителями может быть применена схема компенсации, предложенная Киевским политехническим институтом (КПИ), в которой конденсаторы включаются во вторичные цепи трансформатора и питаются переменным напряжением. Общий компенсирующий эффект в этой схеме значительно превышает номинальную мощность включенных конденсаторов, так как они выполняют в основном только функцию коммутирующего звена, а их компенсирующий эффект достигается благодаря возникающим колебаниям энергии между источником питания, электромагнитными полями высших гармонических и цепью выпрямленного тока. Благодаря этому схема КПИ оказалась экономичнее обычной схемы силовых конденсаторов примерно на 30%.
На промышленных предприятиях применяются главным образом конденсаторные установки поперечной компенсации. Их достоинства: простота, относительно невысокая стоимость, недефицитность материалов, малые удельные собственные потери активной мощности. Конденсаторы являются наиболее экономичным источником реактивной мощности, поэтому выгодно наиболее полное их использование в течение суток. Они снабжаются автоматическим регулированием для изменения присоединенной мощности при разных режимах нагрузок. Неблагоприятное влияние на их работу оказывает наличие в их цепях высших гармоник. Поэтому необходимо проверять вероятность наступления резонанса одной из высших гармоник, особенно при размещении конденсаторов поблизости от активных источников этих гармоник (дуговые электропечи, ртутно-выпрямительные установки и т. п.).
Синхронные компенсаторы на промышленных предприятиях применяются лишь в отдельных случаях по согласованию с энергетической системой, когда потребная мощность, компенсирующей установки на предприятии превышает 10 000 кВар. Они дают возможность автоматически плавно в широких пределах регулировать уровень напряжения у потребителя электрической энергии. Но они дороже, имеют вращающиеся части и вызывают высокие удельные потери активной мощности. При больших мощностях компенсирующего устройства способ компенсации определяется, исходя из технико-экономических расчетов по методике, приведенной в [Л. 3], и выбирается способ компенсации, при котором расчетные затраты на 1 кВар-ч получились минимальными. Учитываются также требования энергосистемы в отношении потребной в данной точке сети реактивной мощности, регулирования напряжения, устойчивости работы системы и режима короткого замыкания. При варианте компенсации с использованием синхронных двигателей и для целей регулирования напряжения нужно учитывать также стоимость автоматических регуляторов возбуждения.
б) Выбор мощности и размещение компенсирующих устройств. Компенсирующие устройства (КУ) устанавливаются на участках сети, где они могут дать наибольший экономический эффект за счет снижения потерь электроэнергии и улучшения режима напряжения. Так как передача реактивной мощности экономически оправдана в большинстве случаев лишь на участке сети одной ступени напряжения, то компенсирующие устройства, как правило, целесообразно размещать на участках сети всех напряжений в точках потребления реактивной мощности. Для выполнения требования о наибольшем снижении потерь активной мощности от реактивных нагрузок предусматривается установка конденсаторов относительно большей мощности в местах наибольших реактивных нагрузок и наибольших сопротивлений питающих линий. Этим обеспечивается повышение уровня напряжения в большей степени в частях сети, где это напряжение ниже. Необходимо учитывать различные капитальные затраты три источниках реактивной энергии различной экономичности, которые определяют различную ее стоимость, а также расходы на передачу реактивной мощности к месту ее потребления, которые также могут быть различными.
Чрезмерное дробление мощности конденсаторных установок вызывает увеличение удельных затрат на отключающую аппаратуру, измерительные приборы, конструкции и пр. Ha один установленный киловольт-ампер (реактивный) батареи, а установленная мощность конденсаторов используется менее эффективно. Поэтому рекомендуется в сетях 6—10 кВ применять батареи мощностью не менее 400 кВар, если они присоединяются через отдельный выключатель. Если же присоединение батарей выполняется через общий выключатель с силовым трансформатором или другим электроприемником, то минимальную мощность их можно принять равной 100 кВар. При напряжении 380 в не рекомендуется дробить мощность конденсаторных батарей до величин менее 30 кВар. Если расчетная мощность батарей на некоторых участках получается меньше указанных величин, то на них конденсаторы не устанавливаются, а полученная по расчету мощность перераспределяется между близко расположенными другими, более мощными батареями путем пропорционального увеличения их мощности.
При распределении конденсаторов в сети необходимо учитывать степень разгрузки элементов сети от реактивной мощности, с одной стороны, и степень использования конденсаторов, с другой стороны. Эти факторы противоречат один другому. Например, при централизованном размещении конденсаторных батарей на ГПП или ЦРП требуется меньше конденсаторов, они очень хорошо используются, удельная стоимость 1 кВар будет ниже. Но в этом случае от реактивной мощности разгружаются только выше расположенные звенья энергетической системы, а для самого предприятия конденсаторная установка почти никакого эффекта не дает, гак как потери во внутризаводской распределительной сети и трансформаторах не снижаются, а сечения отдельных участков сети и мощности цеховых трансформаторов не уменьшаются. Следовательно, централизованная компенсация на ГПП не рекомендуется и допускается при наличии серьезных обоснований. Она может оказаться целесообразной при глубоких вводах и дроблении подстанций 110—220 кВ на вторичном напряжении этих подстанций (ПГВ), которые тогда выполняют функции РП.
При индивидуальной компенсации у электроприемников получается наибольшая разгрузка всех элементов сети, а выработка реактивной энергии саморегулируется, но конденсаторы плохо используются, так как они автоматически отключаются одновременно с электроприемником. Следовательно, по всему предприятию в целом потребуется больше дефицитных конденсаторов, так как здесь получается примерно такое же соотношение между мощностями конденсаторов при индивидуальной и централизованной компенсации, как между суммарной установленной активной мощностью всех электроприемников и активной нагрузкой на ГПП. Удельная стоимость установленного киловольт-ампера (реактивного) в целом по предприятию в данном случае получается более высокой. Поэтому индивидуальная компенсация может быть целесообразной лишь в редких случаях, например около крупного электроприемника (двигатель, сварочный аппарат) с очень низким коэффициентом мощности и очень большим числом часов работы в году.
Конденсаторы на напряжение 0,22—0,66 кВ рекомендуется устанавливать в цехах у групповых распределительных щитков либо присоединять к магистральным токопроводам, что создает значительно лучшее использование конденсаторов, чем при индивидуальной компенсации, и в то же время разгружает питательную сеть и трансформаторы заводских подстанций. Централизованная установка конденсаторов напряжением 0,22— 0,66 кВ на подстанциях нецелесообразна с точки зрения уменьшения потерь и применяется, когда размещение конденсаторов в цехе недопустимо по условиям пожарной опасности. Но в этих случаях нужно производить уточнение целесообразного применения мощности конденсаторов напряжением до 1000 в по сравнению с конденсаторами напряжением выше 1 000 в. В сетях 6—10 кВ конденсаторы рекомендуется устанавливать либо на цеховых подстанциях, имеющих распределительное устройство 6—10 кВ, либо на распределительных пунктах. При такой установке их от реактивной мощности разгружаются питательные сети высшего напряжения, трансформаторы ГПП и сеть энергетической системы. Не рекомендуется устанавливать конденсаторы напряжением 6—10 кВ на цеховых подстанциях, не имеющих распределительного устройства 6—10 кВ, т. е. на [подстанциях, где трансформаторы присоединены наглухо или только через разъединитель.
Распределение полученной по расчету общей мощности конденсаторов, необходимой для данного предприятия, между сетями высшего и низшего напряжения зависит от многих факторов, в частности от общей мощности асинхронных двигателей, установленных в сетях высшего напряжения.
Окончательный выбор способа компенсации и распределение компенсирующих устройств между сетями низшего и высшего напряжения, а также их размещение в соответствующих пунктах этих сетей производятся на основании технико-экономических расчетов [см. (1-2)], которые применительно к данному случаю можно выполнить по формуле (JI. 5]
где Зу.„ — удельные расчетные затраты на выработанный 1 кВар-ч; Ру.к — удельный расход активной мощности на компенсации, квт/ кВар (0,004 три напряжении до 1 000 в и 0,003 при напряжении 3—10 кВ, Ку.к — удельные капитальные вложения на компенсацию, руб/ кВар (5 руб/ кВар при напряжении 3—10 кВ и 8— 9 руб/ кВар при напряжении 0,38—0,66 кВ); /?и—0,15 — коэффициент приведения или нормативный коэффициент эффективности; ра — суммарный коэффициент амортизационных отчислений и отчислений на эксплуатацию, материалы и т. и. (0,1 для конденсаторов и 0,06 для синхронных компенсаторов); Тъ — годовое число часов работы компенсирующего устройства; Зу.э — стоимость 1 квт-ч (плановая или же по действующему в данном районе тарифу с поправками на перспективное развитие электрификации района).
Удельные показатели должны корректировался в зависимости от изменений конструкций и стоимостей компенсирующих устройств.
Необходимая мощность компенсирующего устройству определяется по формуле
где tg ф1 — тангенс угла сдвига фаз, соответствующий средневзвешенному коэффициенту мощности cosф1 за год; tg<p2 — тангенс угла сдвига фаз, соответствующий коэффициенту мощности cos ф2 после компенсации; Р ср — среднегодовая активная нагрузка предприятия, кВт, определяемая в соответствии с [Л. 2].
Действующие руководящие указания по повышению коэффициента мощности рекомендуют следующие нормативные значения cosф на шинах б—10 кВ подстанций предприятий (ГПП, ПГВ, РП и т. п.) в зависимости от электрической удаленности потребителей от генерирующих источников:
При питании от генераторов электростанций на генераторном напряжении 0,85
При питании от районных сетей 110—220 кВ и сетей 35 кВ, питающихся от электростанций 0,93
При питании от сетей 35 кВ, питающихся от районных сетей 110—220 кВ 0,95
Эти рекомендации хорошо согласуются с зарубежными данными, в которых рекомендуются величины коэффициента мощности в диапазоне 0,86—0,99 в зависимости от протяженности сетей и числа преобразований (трансформаций) электроэнергии. Следует иметь в виду, что определение величины QK.у по среднегодовой нагрузке дает оптимальное решение в тех случаях, когда эта нагрузка не отличается значительно от среднесменной; при большом различии нужно проверять по последней. Для большинства узлов системы электроснабжения (трансформатор, магистраль, цеховая подстанция, РП) разница между величинами QM и QCM невелика (порядка 1—2%), и поэтому расчеты компенсации по средней мощности не приведут в этих случаях к значительной погрешности в результатах. Если же реактивная нагрузка претерпевает большие колебания, то нужно проверять также по максимальной нагрузке.
Рис. 1-19. Схемы присоединения конденсаторных батарей.
а, б — при напряжении 6—10 кВ, в, г, д — при напряжении 0,38—0,66 кВ.
Секционированные схемы применяются для относительно крупных конденсаторных установок при необходимости ручного или автоматического регулирования реактивной мощности. Они дают возможность поочередного осмотра или ремонта секций без отключения всей конденсаторной установки.
Число и мощность ступеней регулирования зависят от графика нагрузки предприятия и заданий энергетической системы по регулированию реактивной мощности. В большинстве случаев достаточно разделить батарею на две-три секции одинаковой мощности. Это упрощает и удешевляет схему регулирования и повышает надежность ее работы. При разных мощностях секций уже при двух секциях можно получить трехступенчатое регулирование. Целесообразно выбирать мощности разных секций, располагающиеся в геометрической прогрессии, например: 100 : 200 : 400 : 800 кВар и т. д. Практика показала, что по условиям эксплуатации не требуется больше трех ступеней регулирования. Если же нагрузки двух дневных смен мало различаются, а снижение происходит только в ночную смену, то достаточно двух ступеней. Автоматическое регулирование мощности конденсаторных батарей может быть выполнено разными способами: по времени суток, напряжению, току нагрузки, напряжению с компенсацией по току, направлению реактивной мощности, схеме с ограничителем реактивной мощности, комбинированным схемам в зависимости от нескольких факторов (например, по направлению мощности, напряжению и времени суток).
В зарубежной практике находит применение комбинированная схема автоматического регулирования по времени суток с коррекцией по напряжению. В настоящее время наиболее подходящими для промышленных предприятий являются схемы автоматического регулирования по времени суток (рис. 1-20) или напряжению (см. рис. 1-22). Регулирование по остальным факторам сейчас нельзя рекомендовать ввиду отсутствия нужной для этого надежной аппаратуры и по другим причинам.
Регулирование по времени суток обеспечивает правильное взаимодействие между источниками реактивной энергии, устройствами энергоснабжающей организации, регулирующими напряжение, a также всеми местными компенсаторами реактивных нагрузок на данном предприятии.
Рис. 1-20. Схема одноступенчатого регулирования мощности конденсаторных установок 0,38—0,66 кВ по времени суток с двумя ЭВЧС.
Программу включения и отключения конденсаторных батарей задает энергетическая система на основании анализа графиков нагрузок потребителей района. При этой схеме очень просто осуществляется ограничение отдачи предприятием реактивной -мощности в энергетическую систему в часы минимума. При установившейся технологии суточные графики нагрузок меняются очень мало, а сезонные изменения или изменения, вносимые новой технологией, легко учитываются несложной перестановкой контактов прибора с часовой программой. Схема проста, надежна и не требует дорогой аппаратуры. На рис. 1-20 дан пример схемы регулирования для конденсаторных установок 380 в по времени суток с автоматом в первичной цепи и двумя ЭВЧС. При нескольких конденсаторных батареях, установленных на разных близко расположенных подстанциях, применяется схема с использованием комплекта из двух ЭВЧС для включения и отключения конденсаторных установок в зависимости от заданного времени суток.
Рис. 1-21. Суточный график реактивной мощности при регулировании конденсаторных установок по напряжению. Реактивные мощности:
1 — потребляемая; 2 — компенсируемая; 3— после компенсации; 4 — изменение напряжения.
Схема автоматического регулирования по напряжению применяется в тех случаях, когда основной задачей является уменьшение отклонений напряжения и поддержание его на определенном уровне. Пример суточного графика реактивной мощности при регулировании по напряжению приведен на рис. 1-21, из которого видно, что в результате регулирования напряжение не выходит за нормированные пределы :±5%. На рис. 1-22 показана схема одноступенчатого автоматического регулирования мощности конденсаторных установок 6—10 кВ по напряжению с одним реле минимального напряжения PH, имеющим два контакта: замыкающий (в цепи отключения) и размыкающий (в цепи включения). При необходимости повысить точность схемы применяются два реле напряжения: минимальное и максимальное. При включении конденсаторной батареи получаются кратковременные броски тока, при которых многократно превышается номинальный ток.
Рис. 1-22. Схема одноступенчатого регулирования мощности конденсаторных установок 6—10 кВ по напряжению.
Их величина зависит от мощности батареи и параметров сети и будет тем больше, чем выше ток короткого замыкания в данной точке сети. Особенно большие броски тока получаются при включении батареи или ее секции на параллельную работу с другими батареями или секциями. Происходит разряд работающей батареи на включаемую. Это вызывает колебания в контуре, состоящем из индуктивности ошиновки между батареями и включенных последовательно емкостей включаемой и работающих батарей или секций.
Опыт эксплуатации показал, что при параллельном включении конденсаторных батарей бросок тока достигает 20—250-кратного тока батареи в установившемся режиме {Л. 7]. Однако в большинстве случаев даже для очень мощных конденсаторных батарей бросок тока оказывается меньше тока отключения выключателя [Л. 7] и лишь в редких случаях превосходит его [Л. 1]. Выключатели с ручным приводом и выключатели нагрузки для параллельной работы конденсаторных батарей применять не следует, так как они не рассчитаны на броски тока при включении батареи или ее секции. Однофазные конденсаторы в трехфазных батареях поперечной компенсации соединяются в треугольник (в большинстве случаев) или звезду. Применяется также последовательное или параллельно-последовательное соединение однофазных конденсаторов в каждой фазе трехфазной батареи. Для быстрого разряда конденсаторов после их отключения предусматриваются индуктивные или активные сопротивления, подключенные параллельно к каждой секции батареи. В противном случае остающееся на зажимах отключенной батареи напряжение явится опасным, так как естественный саморазряд конденсаторов происходит очень медленно. Кроме того, при повторном включении неразрядившейся батареи получается большой бросок тока.
Разрядное сопротивление R вычисляется по формуле
где Uф — фазное напряжение сети, кВ. QK — мощность конденсаторной батареи, кВар, и выбирается таким образом, чтобы потери активной мощности в сопротивлениях при номинальном напряжении не превышали 1 вт! кВар.
Для разряда батарей 6—10 кВ обычно применяют два трансформатора напряжения, соединенные открытым треугольником во избежание образования колебательного контура, увеличивающего перенапряжения при включении батарей, хотя соединение в полный треугольник более надежно, потому что при обрыве одной фазы
эта схема превращается в открытый треугольник и, следовательно, сохраняется возможность разряда всех трех фаз конденсаторной батареи, что не имеет место при других схемах. Для разряда батарей 380 в обычно применяют лампы накаливания на напряжение 220 в, соединяемые попарно последовательно для увеличения срока их службы и уменьшения потребляемой мощности. Между конденсаторной батареей и разрядными сопротивлениями не предусматривается никаких коммутационных аппаратов, а трансформаторы напряжения, служащие для разряда батареи, включаются без предохранителей.
