Качество электроэнергии на промышленных предприятиях - Специальные технические устройства для ограничения колебаний напряжения

Специальные технические устройства применяются в тех случаях, когда за счет совершенствования схем электроснабжения не удается добиться требуемого ограничения колебаний напряжения. Эффективным является применение быстродействующих статических компенсирующих устройств (СКУ). В настоящее время рядом организаций (ВЭИ им. В. И. Ленина, МЭИ и др.) разработаны некоторые виды устройств СКУ: реакторы с линейной характеристикой с регулированием тока тиристорами и параллельно включенные нерегулируемые блоки конденсаторов (БК),
рис. 39 (1-й тип); БК — коммутируемые тиристорами, рис. 40 (2-й тип); насыщающиеся реакторы и Дерегулируемые конденсаторы (3-й тип). КСУ имеют следующие достоинства: не оказывают влияния на величину мощности КЗ, что позволяет применить обычную коммутационную аппаратуру; отсутствуют вращающиеся части и, следовательно, упрощается эксплуатация; обладают высоким быстродействием (от 0,5 до 4 периодов).
/ и 2 — тиристорные ключи; 4 и 5— системы управления; з — батарея конденсаторов; 6 и 7 — система регулирования

Рис. 40. Схема статического источника реактивной мощности со ступенчатым регулированием выдаваемой реактивной мощности:
В СКУ 1-го типа плавно регулируется потребление реактивной мощности. Полное время перехода из одного режима в другой составляет 0,03 с. Возможно пофазное управление посредством фазоимпульсного устройства. Недостатком рассматриваемого типа СКУ является генерирование в питающую сеть высших гармоник тока (3-я до 14%, 5-я до 5% и 7-я до 2,5%).
Статические компенсирующие устройства 2-го типа могут обеспечить дискретное или плавное регулирование генерируемой БК реактивной мощности. Обладают высоким быстродействием, время включения одной ступени составляет 0,03—0,04 с, возможно пофазное регулирование реактивной мощности. СКУ этого типа выполняются из серийно изготовляемого оборудования (конденсаторов, тиристоров).
СКУ с дискретным регулированием мощности БК высших гармоник тока не генерируют, а с плавным регулированием— генерируют. Кроме того, работа последних сопровождается перенапряжениями. Поэтому СКУ с плавным регулированием применяют только в сетях низкого напряжения (до 500 кВАр). Схема СКУ 2-го типа со ступенчатым регулированием выдаваемой реактивной мощности (рис. 40) разработана в МЭИ [22]. Тиристорный выключатель отключает БК за время, не превышающее 0,01 с при переходе тока через нуль. Включение БК в момент, когда мгновенные значения напряжения на ней и в сети равны, позволяет снизить амплитуду свободной составляющей тока в несколько раз (амплитуда переходного тока не превышает двойного значения установившегося тока). Это свойство тиристорных выключателей позволяет улучшить условия коммутации БК. благодаря чему возможно многократное переключение БК при ступенчатом регулировании реактивной мощности. Устройство, состоящее из уравнительного реактора с подмагничиванием постоянным током и нерегулируемой БК (СКУ), имеет плавное регулирование реактивной мощности, может выдавать и потреблять реактивную мощность, не генерирует высших гармоник в сеть. Однако СКУ этого типа имеет относительно невысокое быстродействие (0,15—0,3 с.). Промышленное производство СКУ пока отсутствует.
В последние годы на некоторых металлургических заводах для ограничения колебания напряжения применены специальные синхронные компенсаторы (ССК) типа СК-Ю000-8, разработанные УГПИ Тяжпромэлектропроект и ХЭМЗом. Особенностью этих компенсаторов является способность быстрого нарастания выдаваемой реактивной мощности (120—200 Мвар/с), благодаря небольшим значениям постоянной времени обмотки возбуждения и применению специального тиристорного возбудителя, обеспечивающего многократную форсировку напряжения возбуждения компенсатора при резкопеременных набросах реактивной мощности.
Экспериментальные данные, характеризующие работу ССК и их влияние на режим напряжения, приведены в табл. 24 [4].
Таблица 24

ССК с высокой кратностью форсировки возбуждения и быстродействующей системой регулирования применяются и в зарубежной практике. Так, фирма «Сименс» (ФРГ) изготавливает ССК. мощностью 10 MB * А с ударной мощностью 30 MB * А и кратностью форсировки возбуждения 13, а фирма ASEA (Швеция) — ССК с номинальной и ударной мощностью соответственно 7,5 MB * А и 30 MB * А. Обмотка возбуждения у этих ССК питается от тиристорного нереверсивного преобразователя.

Рис. 41. Принципиальная схема компенсирующего устройства е управляемыми реакторами с помощью встречно-параллельных тиристоров и нерегулируемой емкости фильтров высших гармоник:
1 — трансформатор ГПП; 2— трансформатор, питающий СКУ; 3—тиристоры с встречно-параллельным включением; 4 — управляемые реакторы; 5 и 6 — фильтры высших гармоник; 7 — трансформатор напряжения; 8 — трансформатор тока; 0 — устройство для управления тиристорными выключателями; 10 — ДСП

Рис. 42. Схема электроснабжения электродуговых печей с конденсаторной установкой, управляемой тиристорами:
1  — блок измерения и управления; 2— тиристорные выключатели; 3 — реакторы: 4 — конденсаторные батареи; 5 — трансформаторы тока; £-* трансформатор напряжения; 7 — ДСП

Рис. 43. Регистрограммы реактивной мощности, колебаний напряжения в сети 20 кВ с ДСП:
1  — реактивная мощность, потребляемая ДСП; 2— реактивная мощность, генерируемая БК с тиристорным управлением; 3 — колебание напряжения на шинах 20 кВ при работе БК с тиристорным управлением; 4 —колебания напряжения на шинах 20 кВ без БК
За рубежом СКУ применяют в системах электроснабжения. На рис. 41 показана схема СКУ, состоящая из реакторов, управляемых с помощью встречно-параллельных тиристоров, и нерегулируемой емкости фильтров высших гармоник. Такое СКУ используют для компенсации реактивной мощности при работе ДСП в Японии.
Фирма ASEA (Швеция) изготовила одно из первых СКУ, которое было установлено в 1972 г. на одном из металлургических заводов для компенсации реактивной мощности и колебаний напряжения, вызываемых работой ДСП и вентильными преобразователями, рис. 42 [54]. СКУ состоит из неуправляемой части БК мощностью 2 X 20 Мвар. Эффективность работы СКУ показана на рис. 43. Благодаря СКУ, на шинах 130 кВ колебания напряжения в пределах 1,5%, а на шинах 20 кВ — 5%. Конструктивно БК и блоки управления тиристоров выполнены в виде комплектных устройств.
Французские фирмы для одного из сталеплавильных комплексов СССР разработали схему электроснабжения рис. 44 и поставили электрооборудование, включая устройства для плавного регулирования реактивной мощности (индуктивные элементы с тиристорным управлением) и для повышения качества напряжения (силовые фильтры гармоник порядка: 3, 5, 7, 11, 13-го).

Рис. 44 Схема электроснабжения ДСП с устройствами компенсации реактивной мощности и повышения качества напряжения
Энергетическим институтом (ЭНИН) им. Г. М. Кржижановского совместно с ПКБ Минэнерго разработано устройство для стабилизации напряжения, представляющее собой сдвоенный ферромагнитный реактор в однофазном исполнении и имеющего две концентрически расположенные обмотки. Эти обмотки включены встречно и имеют коэффициент связи, близкий к единице. Принципиальная схема устройства показана на рис. 45.
Для устранения колебаний напряжения сопротивление взаимоиндукции обмоток реактора Xд должно быть равно индуктивному сопротивлению питающей сети Хс. Напряжение на нагрузке определяется уравнением
U1 = Ue — I1(Xc + Хр) - /2 (X, - Хм)
где Uc — фазное напряжение питающей сети, кВ; 1г — ток спокойной нагрузки, кА; /2 — ток резкопеременной нагрузки, кА.
Устройство имеет линейную вольт-амперную характеристику в пределах изменения нагрузки от 0 до 2,5/н.
Основные технические данные указанного устройства
Предельная мощность трех фаз, кВ * А.................................................................   8300
Номинальное напряжение сети, кВ....................................................................................................... 6
Номинальный ток каждой обмотки, А .................................................................. 400
Сопротивление взаимной индуктивности обмоток, Ом. . .                 0,97
Установки продольно-емкостной компенсации, помимо регулирования напряжения, ограничивают также и колебания напряжения. Их используют в сетях электроснабжения машин электродуговой и контактной сварки, ферросплавных печей.
За рубежом применяют ПК в схеме электроснабжения группы прокатных станов с вентильными приводами (блюминг-слябинг, заготовочный, листопрокатный и проволочный станы), рис. 46. Пропускная мощность установки — 52 MB * А при токе 1000 А. Мощность батареи в схеме ПК составляет 4,8 Мвар. Падение напряжения благодаря ПК снизилось до 36% от первоначальной величины [55].
1 — батарея конденсаторов; 2 — шунтирующий выключатель; 3 — разрядник; 4 — реактор; 5 ы 6 — трансформаторы тока соответственно для реле контроля симметрии н реле контроля срабатывания разрядника

Рис. 47. Схема питания двигателя реверсивного электропривода:
Тр — трансформатор; КПУ — комплектное преобразовательное устройство; Д — двигатель; СИФУ — система , импульсно-фазового управления; КБ — конденсаторные батареи; Р — реакторы

Рис. 46 Принципиальная схема включения последовательной батареи конденсаторов:

Рис. 45. Принципиальная схема устройства для стабилизации напряжения
В отечественной практике для уменьшения потребления реактивной мощности и колебаний напряжения применяют специальные'схемы вентильных преобразователей. Наиболее простым и надежным является поочередное управление последовательно включенными преобразователями. Это позволяет уменьшить толчки реактивной мощности примерно на 30—40%. В прокатном производстве поочередное управление целесообразно при двухъякорных двигателях с индивидуальными преобразователями. Для одноякорных приводов более экономичной является схема, в которой параллельно соединены два преобразователя, имеющие поочередное управление плечами моста или несимметричное управление.
С целью уменьшения влияния на питающую сеть мощных реверсивных электроприводов, питающихся от тиристоров, используют схему регулирования уравнительного тока [45]. Принципиальная схема такой установки показана на рис. 47. Схема отличается безынерционностью, так как скорость изменения тока нагрузки и уравнительного практически одинаковы. При изменении тока нагрузки двигателя /дв с помощью системы регулирования соответствующим образом изменяется уравнительный ток IУр, протекающий между вентильными группами, минуя нагрузку. Реактивная мощность, обусловленная уравнительным током, компенсирует реактивную мощность, обусловленную током нагрузки. Приведенный способ имеет и экономическую целесообразность (за счет экономии дополнительных компенсирующих средств) 400—500 тыс. руб. на один стан [45].
Уровень высших гармоник можно снизить выбором  схемы питающей сети, улучшением схемы и конструкции вентильных преобразователей, применением специальных технических средств. Возможно сочетание этих способов.