Качество электроэнергии на промышленных предприятиях - Местное регулирование напряжения

Местное регулирование напряжения (МРН). В ряде случаев ЦРН не обеспечивает необходимое регулирование напряжения для всех групп электроприемников, присоединенных к общим шинам, например, при разнородных нагрузках, протяженных распределительных линиях, наличии потребителей с разными, в том числе и повышенными требованиями к качеству напряжения. Местное регулирование напряжения является дополнением к ЦРН. Для осуществления местного регулирования напряжения [9] рекомендуются следующие устройства: линейные регуляторы, предназначенные для независимого регулирования у части электроприемников; синхронные электродвигатели с автоматическим регулированием тока возбуждения; автоматически управляемые батареи конденсаторов; распределительные трансформаторы с РПН; регулируемые источники реактивной мощности (ИРМ).
Принцип действия схемы и технические данные ЛР приведены в разделе ЦРН. В тех случаях, когда ЛР 6—35 кВ устанавливается на вводе силового трансформатора ПГВ или в рассечку питающей линии 35 кВ с несколькими трансформаторами, он осуществляет функции ЦРН. Линейный регулятор, включенный в рассечку линии распределительной сети 6—10 кВ с несколькими цеховыми трансформаторами (РТ), выполняет функции МРН.
Схема включения ЛР для МРН показана на рис. 29.
Эффективным средством МРН является БК (снабженная необходимыми коммутирующими и регулирующими аппаратами), которая позволяет одновременно разгрузить сети (линии и трансформаторы) от реактивной мощности и улучшить  режим напряжения. Это позволяет одновременно уменьшить сечение этих линий и мощность цеховых трансформаторов.
Число секций БК, необходимых для регулирования напряжения, определяется графиком активной и реактивной нагрузок потребителя. Мощность нерегулируемой части БК не должна превышать минимума реактивной нагрузки потребителей. Для поддержания номинального напряжения в сети БК должна автоматически включаться при увеличении нагрузки и понижении напряжения в сети ниже номинального и, наоборот, автоматически отключаться при повышении напряжения в сети выше номинального. БК обеспечивает ступенчатое регулирование напряжения. Предел одной ступени должен быть порядка 1—2% номинального напряжения сети.
Мощность батареи QP, необходимая для компенсации отклонения AU, определяется выражением

Рис. 29. Схемы включения ЛР:
а — включение ЛР в начале отходящей линии с большими токами КЗ; б —включение ЛР в рассечку линии

где Хк, з — сопротивление КЗ на шинах батареи;
Здесь U и UK — напряжение на шинах батареи и номинальное напряжение.
Для МРН БК устанавливаются в сети 0,4 кВ или на шинах 6—10 кВ цеховых РП. Мощность БК регулируется различными способами: эксплуатационным персоналом вручную или с использованием средств телеуправления; автоматически от действия различных электрических датчиков (по напряжению, по току нагрузки, по величине и направлению реактивной мощности) и неэлектрических датчиков (по времени суток).
Заводы Минэлектротехпрома выпускают комплектные конденсаторные установки, оснащенные электронными регуляторами на транзисторах ВАКО (выключатель автоматический конденсаторный) с регулированием по полному току нагрузки для одноступенчатых установок и типа АРКОН-1 для многоступенчатого регулирования по реактивному току или напряжению с коррекцией по активному или реактивному току.
Устройство АРКОН состоит из командного блока и управляемого им программного блока для осуществления многоступенчатого регулирования БК. Структурная схема устройства АРКОН показана на рис. 30. Программный блок представляет собой набор приставок, число которых определяется числом подключаемых секций. Возможно ручное управление приставками. Максимальное число ступеней регулирования устройством АРКОН при коммутации по нормальному единичному коду разрешает подключение 15 приставок, а по нормальному двоичному коду только четырех приставок. Устройство АРКОН выполнено как щитовой прибор и его можно устанавливать на щитах, панелях и т. д. Оно осуществляет контроль напряжения частотой 50 =£ 1 Гц с номинальным значением 100, 220 и 380 В.
Ввиду отсутствия надежной коммутирующей аппаратуры на 6(10) кВ для БК и трудностями подключения новой секции к работающей, автоматическое управление устройством АРКОН на этих напряжениях практически не применяется. В сетях 0,38 кВ устройство находит широкое применение. В связи с внедрением в промышленности напряжения 0,66 кВ начата разработка конденсаторных установок с автоматическим регулированием на этом напряжении.
Если БК установлена в центре питания, то регулирование напряжения и потоков реактивной мощности осуществляется раздельно: напряжение регулируется трансформатором, а реактивная мощность — с помощью БК.  В таком режиме регуляторы БК не должны реагировать на напряжение. Это достигается установкой максимальной нечувствительности по напряжению или включением регулятора АРКОН-1 на регулирование по реактивному току.
Устройство ВАКО отключает БК или блокирует ее включение, когда напряжение в сети достигает 1,1UНом и выше. При наличии на предприятии нескольких БК с ВАКО можно, выбирая различные уставки тока включения и отключения, осуществить многоступенчатое регулирование. Устройство ВАКО допускает и ручное управление контактором БК. При этом оно должно быть отключено от напряжения питания.
Для плавного регулирования генерируемой реактивной мощности и напряжения сети в последние годы применяют статические источники реактивной мощности. Принципиальная схема одного из типов ИРМ, где используют БК с регулирующим звеном в виде индуктивности с полупроводниковыми вентилями, показана на

Рис. 30. Структурная схема устройства АРКОН

Рис. 31. Принципиальная схема статического ИРМ с регулируемой индуктивностью
рис. 31. Реактивная мощность Q, выдаваемая такой установкой в сеть, регулируется переменной реактивной мощностью индуктивности Ql, т. е. Q = Qc — Ql, где Qc — мощность БК-
Отечественной промышленностью в настоящее время выпускаются тиристорные компенсаторы реактивной мощности для сети 0,4 кВ, мощностью 125 кВАр типа ТК-125-380. Диапазон регулирования мощности 25—125 кВАр, скорость изменения реактивной мощности 500 кВАр/с. В МЭИ разработана схема ИРМ, в которой основным рабочим элементом является батарея статических конденсаторов, оснащенная устройством плавного изменения ее мощности. Принципиальная схема такого ИРМ показана на рис. 32.
Управляющее устройство генерирует в соответствующие моменты токовые импульсы, которые, проходя через БК, изменяют напряжение на ее зажимах. Таким образом, бросков тока при коммутации вентилей в цепи этой БК не возникает.

Рис. 32, Принципиальная схема ИРМ

Длительность протекания тока в течение каждого полупериода может регулироваться моментом подачи импульса тока от управляющего устройства. Устройство состоит из двух симметричных блоков. В каждом блоке трехфазные группы БК 1 и 2 соединяются в треугольник. Последовательно с конденсаторами включаются два встречно-параллельно соединенных вентиля 3 и 4. Батареи конденсаторов и вентили включаются в сеть через трехфазный трансформатор. Обмотки трансформаторов 5 и 6 соединяются таким образом, чтобы суммарный ток блоков не содержал гармоник, кратных трем, которые, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, являются самыми значительными в токе ИРМ. Это можно получить, если для одного трансформатора предусмотреть схему соединения обмоток звезда — звезда, а другого звезда — треугольник. При соединении конденсаторов в треугольник компенсируются третья и кратная ей гармоники тока. Характеристики этой схемы в значительной степени зависят от эквивалентного сопротивления системы, приведенного к точке включения ИРМ. Для практически возможных случаев рассматриваемая схема имеет следующие параметры: постоянная времени 0,02—0,03 с; диапазон регулирования мощности (в долях от номинальной) 0,3—1; диапазон изменения угла управления вентилями около 50°.
Статические ИРМ, с батареей конденсаторов в качестве основного рабочего элемента, выполняются с применением полупроводниковых управляемых вентилей. В зависимости от мощности установки удельные капитальные затраты для данного ИРМ меняются в пределах 7—10 руб./кВАр. Опытно-промышленный образец устройства мощностью в 100 кВАр, выполненный с применением управляемых полупроводниковых вентилей, успешно прошел лабораторные испытания.
С целью ограничения потребления реактивной мощности и, следовательно, улучшения режима напряжения разрабатываются и внедряются в производство преобразователи с уменьшенным потреблением или генерирующие реактивную мощность (преобразователи с улучшенными энергетическими характеристиками). Сюда относятся преобразователи, основанные на схемах с искусственной коммутацией вентилей, с дополнительными и нулевыми вентилями, с согласно-встречным включением, с несимметрично управляемыми вентилями, а также на комбинированных схемах. Одна из первых в СССР схем с искусственной коммутацией вентилей, когда преобразователь работает с опережающим углом сдвига фаз, как генератор реактивной мощности, была создана в Киевском политехническом институте в 50-х годах. Однако уровень гармоник тока, генерируемых преобразователями с искусственной коммутацией и несимметричным управлением вентилями, увеличивается.

В связи с развитием на современном этапе электротехнологии широкое распространение получают мощные полупроводниковые преобразователи тока с большим потреблением реактивной мощности. Это создает напряженность баланса реактивной мощности в центрах питания и, следовательно, ухудшает качество напряжения, в том числе, и повышенное значение отклонения напряжения. Поэтому весьма актуальны разработки компенсированных полупроводниковых выпрямителей, выполненные Челябинским политехническим институтом. Принципиальная схема такого агрегата, рассчитанного на 50 кА, 300 В, показана на рис. 33.
Схема соединения вторичных обмоток силового трансформатора «звезда прямая — звезда обратная» и «треугольник прямой — треугольник обратный» позволяет получить двойную частоту напряжения на конденсаторах. Каждое компенсирующее устройство включает в себя БК со следующими параметрами: QBK = 1000 кВАр, U«ом = 380 В. Средневзвешенное значение коэффициента мощности данного агрегата около 1, вместо 0,3—0,4 — для некомпенсированного.
Схема двухмостового компенсационного выпрямителя с параллельно включенными конденсаторами приведена в литературе [49].
Улучшить режим напряжения в электрических сетях промышленных предприятий можно за счет более полного использования компенсирующей и регулировочной способностей синхронных двигателей. Использование СД для регулирования напряжения решается оптимизацией их участия в балансе реактивной мощности в узлах электрической сети и оснащением средствами автоматического регулирования возбуждения (АРВ).
Максимальная реактивная мощность (Мвар), генерируемая СД, определяется выражением
где Р„ — номинальная активная мощность, МВт; п — соответствуют номинальным данным СД; ам — наибольшая допустимая перегрузка СД по реактивной мощности, зависящая от типа двигателя, относительного напряжения и коэффициента загрузки по активной мощности (определяется по табл. 21).
Для регулирования напряжения необходимо предусмотреть резерв располагаемой реактивной мощности у СД на 10—15%. Для компенсации реактивной мощности с целью регулирования напряжения экономично использовать СД быстроходные (п > > 1000 об/мин) и большой мощности (п > 1500 кВт).
Повышение напряжения в процентах при наличии резерва реактивной мощности у СД определяется
Тиристорные возбудительные устройства (ТВУ), заменившие электромашинный возбудитель, обеспечивают регулирование возбуждения с большим быстродействием. При наличии на предприятии БК, последние работают в базисном режиме графика реактивной нагрузки узла, а СД — в пиковом режиме.

Рис. 33. Принципиальная схема компенсированного выпрямительного агрегата
ДН— дроссель насыщения; БВК —  выпрямители; ТКУ — трехфазное компенсирующее устройство; УР — уравнительный реактор

При повышении уровня напряжения в сети (например, в часы минимума нагрузки энергосистемы) с помощью СД возможно его понижение в результате увеличения потребления из сети реактивной мощности — работа в режиме недовозбуждения.
Помимо технических средств для улучшения режима напряжения можно использовать регулирование суточного графика нагрузки предприятия. Особенно результативной эта мера может быть при оснащении предприятия средствами диспетчерского управления: телемеханическими устройствами или системами автоматизированного управления электрохозяйством (АСУЭ). Выравниванием графиков нагрузок достигается частичное высвобождение располагаемой мощности электрических станций, что повышает их регулирующие возможности по напряжению. Кроме того разгружаются питающие линии и, следовательно, уменьшаются потери напряжения в них.
Для регулирования суточного графика нагрузки на предприятии выделяются энергоемкие потребители-регуляторы, работа которых перемещается в зону провала графиков нагрузки. Для предприятия с группой ДСП выравнивание графика достигается смещением их работы во времени в режиме расплава. Можно использовать для этой цели аккумулирующие емкости (ресиверы сжатого воздуха, водонапорные башни); технологические накопители, позволяющие переносить выработку продукции на другое время суток и т. п.

Ограничение  колебаний напряжения

Проблемы ограничения колебании напряжения возникли 2, в 50-х годах в СССР и за рубежом. Это было вызвано переходом в прокатном производстве от агрегатов с асинхронными двигателями и маховиками к синхронным двигателям и увеличением их мощности. Колебания напряжения в последние годы увеличились ввиду широкого применения в промышленности вентильного электропривода, отличающегося безынерционностью, ростом производства электростали, развитием электросварочного производства. Указанные электроприемники генерируют колебания напряжения в широком диапазоне частот (0,5—25 Гц). Наиболее отрицательное воздействие на зрение оказывают колебания с частотой 10 Гц, что соответствует допустимой амплитуде колебания напряжения, равной 0,3% U ном.
Средства по ограничению колебаний напряжения можно разделить на три группы:

1. Рациональное решение схем электроснабжения.
2. Специальные технические устройства.
3. Совершенствование конструкций и схем агрегатов для уменьшения их влияния на питающую сеть.

Применение того или иного мероприятия для ограничений колебания напряжения решается в каждом конкретном случае из условий технической необходимости, экономической целесообразности и обеспеченности техническими средствами. В настоящее время наиболее эффективным мероприятием является рациональное построение схемы электроснабжения.