РАСЧЕТ УСТРОЙСТВ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
1. Обоснование точности настройки резонансных фильтров
Существующая практика применения резонансных фильтров основывается на использовании комплекта фильтров, настроенных по возможности точно на частоты гармоник, преобладающих в амплитудном спектре токов нелинейных нагрузок. Такой подход определялся, главным образом, стремлением снизить уровень гармоник в сети до минимального значения (теоретически до нуля). Применение фильтров малой и средней мощности (с отношением мощности батарей фильтра Qp к мощности короткого замыкания сети SК. 3
порядка
обусловливало повышенные требования к точности настройки с целью избежать усиление отдельных гармоник напряжения в сети, перегрузки фильтров и других неблагоприятных явлений.
Возрастание удельного веса нелинейных нагрузок, имеющих низкий коэффициент мощности, привело к необходимости применять в составе фильтров батареи конденсаторов весьма большой мощности (КР > 1,5 * 10-2), что позволило значительно снизить требования к точности настройки фильтров. Следует также отметить, что ущерб, обусловленный высшими гармониками тока и напряжения в сети, максимален при значительных величинах напряжения гармоник и уменьшается в квадратичной зависимости. Поэтому необходимость полного снижения уровней гармоник на основе экономических соображений практически отсутствует; достаточно снизить их до предела, определяемого техническими требованиями, например, до значения коэффициента несинусоидальности 5%, допустимого согласно ГОСТ 13109—67. При таком подходе в рассматриваемом случае (Кр > 1,5 * 10-2) отпадает необходимость устанавливать большое число фильтров. Эти положения могут быть обоснованы математически. При установке одного фильтра, настроенного на частоту ур гармоники, относительное остаточное напряжение v?-ft гармоники в сети определяется выражением
где
Требуемое значение 6Ч? обеспечивается при соблюдении неравенства
(54)
Из выражения (54) следует, что фильтр 12-й (13-й) гармоник не увеличивает напряжение 11-й гармоники в сети при Л]р^0,28 X X 10-2 (0,48 * 10~2). Аналогичный эффект обеспечивается фильтром 6-й (7-й) гармоники по отношению к напряжению 5-й гармоники при Кр 2,45 * 10-2(8 * 10~2). Эти результаты свидетельствуют о нецелесообразности использования фильтра 6-й (12-й) гармоники для снижения напряжения 5-й (11-й) гармоники.
Очевидно, что в сетях с электродуговыми печами и электросварочными установками, где велик удельный вес 2-й и 3-й гармоник, нецелесообразно устанавливать фильтры, настроенные на частоту 5-й гармоники без установки фильтров 2-й и 3-й гармоник, поскольку фильтр 5-й гармоники не уменьшает напряжение 3-й (2-й) гармоники при Кр ^ 14 * 10-2 (50 * 10~2). Настройка фильтров в резонанс на частоты этих гармоник сопряжена с большими потерями реактивной мощности в реакторах фильтров (соответственно 11% и 25%) и вряд ли целесообразна. При настройке фильтра на частоту 11-й гармоники (vp = 11) снижение напряжения 13-й гармоники (vQ = 13) на 50 или 70% (бчг7 = 0,5 и 0,3) обеспечивается уже при Кр = 0,23 * 10-2 и 0,67 * 10~2. Экономический ущерб, обусловленный 13-й гармоникой напряжения, уменьшается соответственно на 75 и 91%. Снижение напряжения 7-й гармоники на 50% обеспечивается фильтром 5-й гармоники значительно большей мощности при Кр ^ 2 * 10~2.
Оптимальная частота настройки фильтра, соответствующая минимальному значению того или иного показателя несинусоидальности, например, коэффициента несинусоидальности кривой напряжения К не, определяется из условия
где Uvq, — относительные величины (в долях от напряжения первой гармоники) гармоник напряжения в сети.
В зависимости от величин напряжения и1Ы и £/13* оптимальная частота настройки фильтра vp оказывается в пределах 11—13. При этом важно подчеркнуть, что при Кр > 1 * Ю~2 в случае, если и1Ы — Ui3*, остаточное значение коэффициента несинусоидальности не превосходит 1 % при оптимальном значении порядка 0,3—0,6%. Таким образом, в этом случае эффективность работы фильтра мало зависит от настройки его в указанном диапазоне и оптимизация настройки не имеет смысла. При £/ц*, значительно превышающем £/13*, оптимальной оказывается настройка на частоту 11-й гармоники.
Весьма ценной для практики является возможность настройки фильтра на частоту, меньшую, чем частота низшей из гармоник амплитудного спектра напряжения. Необходимость в такой на-
стройке может возникнуть, например, если требуется снизить нагрузку конденсаторов фильтров токами высших гармоник или если минимально допустимая расчетная мощность батареи конденсаторов оказывается меньше дефицита реактивной мощности в сети. В этом случае фильтры, как правило, реализуются с помощью стандартных реакторов; при Кр > 1,2 * 10~2 остаточное значение коэффициента несинусоидальности не превышает 1,5—3,5%. Так, для снижения 11-й и 13-й гармоник напряжения в сети 10 кВ химкомбината был применен фильтр с параметрами vp = 7,9 и Кр = = 1,5 * 10~2. Это позволило снизить коэффициент несинусоидальности с 6,2 до 3,2%.
Применение одного фильтра в случае 12-фазных схем преобразователей предпочтительно также с точки зрения загрузки его токами гармоник. При неточной настройке фильтров 11-й и 13-й гармоник, в особенности при малой мощности их, возможны перегрузки потоку и выход из строя одного или обоих фильтров. Практика полностью подтверждает это положение. Столь категорический вывод для случая установки фильтра 5-й гармоники был бы неправомерным. При f/6* ~ f/7* следует поддерживать настройку фильтра возможно ближе к частоте 250 Гц. При Кр « 1—1,5 * 10“2 целесообразно устанавливать фильтры 5-й и 7-й гармоник.
