Общие данные о схемах компенсации
В Советском Союзе конденсаторные установки для параллельного присоединения встречаются преимущественно на промышленных предприятиях. Поэтому ниже рассматривается применение конденсаторов только в промышленных сетях, хотя часть приведенных здесь данных может быть отнесена и к сетям другого назначения, например к районным сетям общего пользования, сельскохозяйственным и коммунальным.
Схемы электроснабжения промышленных предприятий отличаются сравнительной сложностью и большим разнообразием. Тем не менее, для подавляющего большинства предприятий, за исключением самых крупных и самых мелких, эти схемы сходны между собой в том отношении, что распределение электрической энергии по предприятию происходит при помощи сетей двух напряжений: высшего или первичного (6, 10 или 3 кВ) и низшего или вторичного (380, 500 или 220 в). Только на самых крупных предприятиях для распределения энергии служат также линии третьего, еще более высокого напряжения (35 или 110 кВ), а на самых мелких имеется сеть только одного напряжения, не превышающего 500 в.
Поскольку силовые конденсаторы могут быть присоединены к сети как высшего, так и низшего напряжения, все схемы компенсации при помощи силовых конденсаторов можно подразделить на три основные группы:
схемы компенсации с установкой конденсаторов в сети высшего напряжения (6, 10 или 3 кВ);
схемы с установкой конденсаторов в сети низшего напряжения (380, 500 или 220 в);
смешанные схемы, в которых конденсаторы установлены как в сети высшего, так и в сети низшего напряжения.
Если на предприятии имеется более высокое напряжение (35 или 110 кВ), то возможна установка конденсаторов и на этом напряжении с применением параллельно-последовательного соединения однофазных конденсаторов (§ 6-2). Такая схема компенсации может быть целесообразной в редких случаях, например, если на предприятии имеются крупные приемники реактивной мощности напряжением 220 В или ниже, присоединенные через понижающие трансформаторы к сети 35 или 110 кВ.
При размещении конденсаторов в сети одного и того же напряжения возможны следующие варианты:
центральная компенсация, при которой все конденсаторы, установленные в данной сети, сосредоточены в одну батарею, компенсирующую в большей или меньшей степени все реактивные нагрузки этой сети;
групповая компенсация, при которой в сети установлено несколько конденсаторных батарей, присоединенных в различных ее точках, так что каждая батарея компенсирует реактивные нагрузки определенного участка сети;
индивидуальная компенсация, при которой каждая батарея компенсирует только один электроприемник; при этой схеме в отличие от центральной и групповой компенсации каждая батарея присоединена к сети, как правило, через общий выключатель с соответствующим приемником (рис. 6-1,6), хотя это и нельзя считать неотъемлемым признаком индивидуальной компенсации;
комбинированные схемы, например центральная или групповая компенсация с частичным применением индивидуальной компенсации.
Несколько расширяя понятие индивидуальной компенсации, можно отнести к последней также разработанные в Советском Союзе схемы искусственной коммутации тока в управляемых ртутновыпрямительных установках. Присоединение конденсаторной батареи по специальной схеме на стороне переменного тока ртутновыпрямительной установки приводит к тому, что ток в цепи не отстает от напряжения, а опережает его, т. е. установка в целом превращается из приемника реактивной мощности в источник ее. При этом реактивная мощность, отдаваемая в сеть выпрямительной установкой с искусственной коммутацией, в несколько раз превышает номинальную мощность конденсаторной батареи, входящей в состав такой установки.
Применение конденсаторных батарей для искусственной коммутации тока в ртутновыпрямительных установках дало положительные результаты и заслуживает дальнейшего внедрения. Однако его теоретические основы и практические схемы относятся к области ртутновыпрямительных установок и потому не рассматриваются в настоящей книге. Читатель может ознакомиться с ними по [Л. 4-4 и 5-10], а также по статьям, опубликованным в журналах «Промышленная энергетика» и «Вестник электропромышленности», начиная с 1956 г.
Ниже приведено сравнение различных схем компенсации по различным показателям. Для упрощения изложения в дальнейшем упоминаются только конденсаторы 380 и 6 300 В, хотя сказанное относится и к конденсаторам других напряжений (соответственно 220 или 500 В, 3 150 или 10 500 в). Во всех случаях, когда нет каких- либо оговорок, предполагается, что суммарная мощность конденсаторов, присоединенных к сети, остается неизменной при всех вариантах.
Сравнение вариантов установки конденсаторов в сетях различных напряжений
Применение конденсаторов 380 В вместо конденсаторов 6 кВ позволяет уменьшить реактивные нагрузки трансформаторов 6 000/400 В и больших или меньших участков линий 380 в. Это дает дополнительный эффект по техническим показателям, перечисленным в § 5-1, а именно — уменьшает потери мощности и энергии в тех же элементах сети, уменьшает потери напряжения в них и увеличивает пропускную способность трансформаторов 6 000/400 В и линий 380 в. По этим показателям конденсаторы 380 В имеют несомненные преимущества перед конденсаторами 6 кВ.
Достоинством отечественных и многих зарубежных конденсаторов 380 В является также наличие встроенных предохранителей для индивидуальной защиты секций, сводящее результаты пробоя диэлектрика между обкладками к отключению одной секции. В то же время конденсаторы 6 кВ не имеют индивидуальной защиты секций, и в них повреждение одной секции приводит раньше или позже к выходу из строя всего конденсатора.
По той же причине конденсаторы 380 В требуют меньше наблюдения за собой во время эксплуатации. Вся эксплуатация конденсаторных установок 380 В, в том числе и вспомогательного оборудования (выключателей, предохранителей и т. п.), проще, чем установок 6 кВ.
Основным недостатком конденсаторов 380 В сравнительно с конденсаторами 6 кВ является их более высокая стоимость за 1 кВАр. Если сравнивать стоимости не одних только конденсаторов, а комплектных конденсаторных установок 380 В и 6 кВ, то разница в их удельной стоимости менее заметна, так как в установках 380 В стоимость вспомогательного оборудования составляет меньшую часть общей стоимости, чем в установках 6 кВ.
Перечисленные преимущества и недостатки конденсаторов низшего напряжения заставляют производить технико-экономические расчеты для решения вопроса о том, какая часть общей мощности конденсаторов, установленных на предприятии, должна приходиться на конденсаторы низшего напряжения (§ 5-5).
В некоторых видах производства существуют, однако, местные условия, не допускающие применения конденсаторов низшего напряжения в их нормальном исполнении или ограничивающие его. Например, для установки в подземных сетях низшего напряжения угольных шахт требуются конденсаторы в рудничном или взрывобезопасном исполнении в зависимости от категории шахты. В результате этого конденсаторы сравнительно редко применяются за рубежом в подземных сетях низшего напряжения шахт, неопасных по газу или пыли (Англия). Для таких же сетей шахт, опасных по газу или пыли, необходимы конденсаторы во взрывобезопасном исполнении, которые не изготовляются ни в Советском Союзе, ни, по-видимому, за рубежом.
В то же время конденсаторы напряжением 3 и 6 кВ в нормальном исполнении успешно применяются в Советском Союзе на центральных подземных подстанциях некоторых шахт, неопасных по газу или пыли. Температурные условия на подземных подстанциях более благоприятны для конденсаторов, чем на поверхности, что подтверждается результатами эксплуатации этих установок в течение ряда лет.
Если на предприятии имеются приемники реактивной мощности, присоединенные к сети высшего напряжения, например асинхронные двигатели 6 или 3 кВ, то компенсацию этих приемников наиболее рационально производить конденсаторами того же напряжения.
На некоторых предприятиях встречаются крупные приемники, например электропечи, работающие при напряжении около 100 В, но питающиеся от сети 35 кВ через специальные трансформаторы. Если требуется компенсация реактивных нагрузок таких установок, то следует производить ее посредством конденсаторных батарей 35 кВ с параллельно-последовательным соединением конденсаторов.
Установка конденсаторов 380 В на районных подстанциях явно невыгодна, так как там почти отсутствуют приемники реактивной мощности этого напряжения. Для районных подстанций возможна установка конденсаторов или на стороне низшего напряжения подстанции (6—10—3 кВ), или на стороне ее высшего напряжения (35—110 кВ). Выбор между тем и другим вариантом в значительной степени зависит от того, реактивные нагрузки какой сети (6—10—3 кВ или 35—110 кВ) должна компенсировать конденсаторная батарея. Зарубежные данные о применении конденсаторных установок на районных подстанциях говорят, что там встречаются батареи самых различных напряжений до 230 кВ включительно [Л. 3-21].
Сравнение вариантов размещения конденсаторов в сети одного напряжения
Ниже рассмотрено влияние размещения конденсаторов в сети одного напряжения, например 380 В, на различные показатели, характеризующие конденсаторные установки и результаты их работы.
Уменьшение потерь мощности, энергии и напряжения в линиях
Конденсаторы уменьшают эти виды потерь в линиях на участках от питающих сеть трансформаторов до точек присоединения конденсаторов и не изменяют потерь на участках от точек присоединения конденсаторов до электроприемников. Поэтому при центральной компенсации потери уменьшаются в наименьшей степени, а установка конденсаторов на понижающей подстанции 6/0,38 кВ вообще не уменьшает потерь в линиях низшего напряжения.
При групповой и индивидуальной компенсации потери в линиях уменьшаются, причем при индивидуальной компенсации — на большей длине линий, чем при групповой. Если бы продолжительность включения конденсаторов при индивидуальной компенсации была та же, что при групповой, то суммарные потери энергии в сети при индивидуальной компенсации всегда были бы меньше, чем при групповой. Однако продолжительность включения конденсаторов при индивидуальной компенсации бывает, как правило, меньшей, чем при групповой. Поэтому суммарные потери энергии в линиях могут при переходе от групповой компенсации к индивидуальной или уменьшиться, или даже увеличиться в зависимости от продолжительности включения конденсаторов в том и другом случае.
Выработка реактивной энергии
Выработка реактивной энергии конденсаторами и результирующий средневзвешенный коэффициент мощности данной сети тем выше, чем больше продолжительность включения конденсаторов. Поэтому выработка реактивной энергии конденсаторами при центральной и групповой компенсации примерно одинакова, а при индивидуальной компенсации, как правило, меньше, чем при первых двух схемах.
Стоимость конденсаторных установок
При центральной и групповой компенсации необходим отдельный комплект коммутационной и разрядной аппаратуры для каждой конденсаторной батареи. Стоимость нескольких комплектов, требующихся при групповой компенсации, всегда выше, чем одного комплекта при центральной компенсации.
При индивидуальной компенсации включение и отключение конденсаторов производятся вместе с электроприемником общим коммутационным аппаратом, а разряд их происходит на обмотки приемника. Вследствие этого при индивидуальной компенсации отпадает необходимость в отдельной коммутационной и разрядной аппаратуре для конденсаторов.
Общая стоимость конденсаторных установок при индивидуальной компенсации по этой причине ниже, чем при центральной и в особенности при групповой компенсации.
Удобство обслуживания
Центральная компенсация несколько упрощает и облегчает обслуживание конденсаторов сравнительно с групповой и тем более с индивидуальной компенсацией, но обслуживание конденсаторов в любом случае весьма несложно, и потому указанная разница в удобстве обслуживания не имеет существенного значения.
Регулирование включенной мощности конденсаторов
При центральной компенсации регулирование включенной мощности конденсаторов возможно только при подразделении центральной конденсаторной установки на секции или отдельные батареи, снабженные каждая своим аппаратом управления.
При групповой компенсации регулирование общей включенной мощности конденсаторов может производиться путем включения и отключения отдельных батарей без секционирования их. При этой схеме регулирование включенной мощности конденсаторов не требует установки дополнительной коммутационной аппаратуры.
При индивидуальной компенсации, когда конденсаторы присоединены к сети через общие выключатели с приемниками реактивной мощности, регулирование общей включенной мощности конденсаторов происходит само собой при включении и отключении приемников. Отключение каждого приемника сопровождается отключением компенсирующих его конденсаторов, и общая включенная мощность последних изменяется соответственно изменению общей реактивной нагрузки.
Эта особенность индивидуальной компенсации является ее преимуществом сравнительно с другими схемами компенсации. Она может иметь отрицательное значение только в тех сравнительно редких случаях, когда график работы конденсаторов почему-либо не должен совпадать с графиком работы приемника. Так, например при индивидуальной компенсации электродвигателя насоса или другого приемника с длительным режимом работы может потребоваться отключение конденсаторов без отключения электродвигателя в периоды недопустимо высокого уровня напряжения в сети. В этих случаях необходима установка на ответвлении к конденсаторам аппарата управления, позволяющего отключать их без отключения электродвигателя.
Возможность применения различных схем компенсации в зависимости от мощности конденсатора
При любом способе компенсации мощность конденсаторной батареи не должна быть больше реактивной мощности, потребляемой приемниками. Поэтому возможность применения индивидуальной компенсации для мелких приемников ограничивается наименьшей мощностью одного трехфазного конденсатора или трех однофазных конденсаторов соответствующего напряжения.
Мощность конденсаторных батарей при групповой и центральной компенсации бывает значительно большей, и поэтому это ограничение практически отпадает.
Факторы конструктивного порядка
При выборе мест установки конденсаторов в заводских сетях должны учитываться, кроме изложенных выше соображений и результатов технико-экономических расчетов, также факторы конструктивного порядка, например наличие отдельного помещения для установки конденсаторов или свободной площади в общем помещении, возможность сооружения нового помещения для конденсаторов, возможность расположения конденсаторов (в случае цеховой установки) выше уровня пола, возможность достаточного охлаждения конденсаторов на предполагаемом месте установки, наличие там газов или пыли и т. п. Более подробные указания о выборе места установки конденсаторов по конструктивным соображениям приведены в § 9-2.
