Для поддержания баланса реактивной мощности и нормируемых уровней напряжения в узлах электрических сетей на ПС 110 кВ и выше может предусматриваться установка источников реактивной мощности. К источникам реактивной мощности относятся шунтирующие реакторы, конденсаторные батареи, синхронные и статические компенсаторы.
В сетях 35-220 кВ в основном применяются конденсаторные батареи, покрывающие дефицит реактивной мощности.
С ростом напряжения ВЛ резко возрастает реактивная мощность, генерируемая ВЛ, и может потребоваться ее компенсация с помощью установки шунтирующих реакторов. Кроме того, в сетях 500 кВ и выше шунтирующие реакторы часто требуются для обеспечения режимов включения, так как они ограничивают коммутационные перенапряжения, а также обеспечивают гашение дуги подпитки в паузу ОАПВ. В этом случае реакторы подключаются непосредственно к ВЛ.
В зависимости от характера нагрузки в узлах электрической сети могут наблюдаться колебания напряжения различной амплитуды и частоты. В этих случаях на узловых ПС устанавливают регулируемые источники реактивной мощности - статические и синхронные компенсаторы.
Шунтирующие реакторы.
Реактивная мощность, потребляемая шунтирующим реактором из сети, пропорциональна квадрату напряжения.
Номинальным напряжением для аппаратов является наибольшее рабочее напряжение сети. Номинальная мощность и другие параметры, приводимые в каталогах, соответствуют этому напряжению. Шунтирующие реакторы для напряжения до 121 кВ изготавливаются в трехфазном и однофазном исполнении, а для напряжения выше 121 кВ - только в однофазном исполнении. Однофазные реакторы соединяются в трехфазную группу по схеме звезды. Для обеспечения условий погасания дуги подпитки тока в паузу ОАПВ на ВЛ напряжением 750 кВ и выше в нейтраль шунтирующего реактора может быть включен компенсационный реактор, шунтируемый выключателем. Выключатель нормально отключен и шунтирует компенсационный реактор при его перегрузке (рис. 4.11).
Конденсаторные батареи.
Для комплектации конденсаторных батарей используются конденсаторы напряжением от 0,66 до 10,5 кВ.
Конденсаторные батареи набираются путем последовательнопараллельного соединения отдельных конденсаторов.
Возможны две схемы последовательно-параллельного соединения конденсаторов (рис. 4.12) с перемычками через один (рис. 4.12, а) и через два (рис. 4.12, б) конденсатора. При установке поперечных перемычек через большее число конденсаторов не обеспечивается надежная работа секционных предохранителей.
Рис. 4.11. Схема включения компенсаторного реактора
Максимальное количество параллельных конденсаторов в ряду определяется допустимой по прочности бака конденсатора величиной энергии, которая выделяется в месте пробоя в случае задержки отключения секционного предохранителя. При выполнении перемычки через один конденсатор предельное число параллельных конденсаторов в ряду составляет
где Wp - максимально допустимая энергия, выделяемая в месте повреждения (по данным завода); С - емкость конденсатора, Ф; U - максимальное напряжение, до которого могут быть заряжены конденсаторы в момент пробоя, кВ.
Рис. 4.12. Схемы комплектации конденсаторных батарей: а - с перемычками через один ряд; б - с перемычками через два ряда
При выполнении перемычек через два ряда ограничения числа параллельных ветвей нет.
Минимальное число параллельных конденсаторов в ряду определяется допустимой длительной перегрузкой оставшихся конденсаторов при выходе из строя (отключении предохранителями одного из конденсаторов в ряду). Напряжение на оставшихся конденсаторах ряда U2 по сравнению с предыдущим U1 определяется по формуле:
где М - число последовательных рядов конденсаторов; N - число параллельно включенных конденсаторов.
Число последовательных рядов конденсаторов определяется по формуле
где U фmaх - максимальное рабочее напряжение на фазах батареи; кн - коэффициент комплектации, учитывающий неравномерность распределения напряжения по последовательным рядам конденсаторов; кr - коэффициент, учитывающий наличие высших гармоник; kпр - коэффициент, учитывающий изменение емкости из-за перегорания части секционных предохранителей; kР - коэффициент, учитывающий повышение напряжения на конденсаторах при наличии включенного последовательно с батареей реактора.
Для батарей 35 кВ и выше рекомендуется применять кн = 0,95 при обеспечении разброса емкостей рядов не более 1-2%.
Для обычных батарей кr — 1, для батарей на преобразовательных и других ПС с большим содержанием в токе высших гармонических кr = 0,95.
Значения кпр для батарей с установкой перемычек через ряд принимается в пределах 0,95-0,98 в зависимости от числа параллельных конденсаторов. При выполнении перемычек через два ряда кпр принимается в пределах 0,9-0,92.
Для того чтобы батарея не увеличивала асимметрию токов и напряжений в сети, при комплектации необходимо стремиться к тому, чтобы емкости отдельных фаз батареи были равны между собой.
Мощность конденсаторной батареи при фазном напряжении Uф составляет
где Qном - номинальная мощность конденсатора.
Конденсаторные батареи собираются в трехфазную группу по схемам: треугольник, звезда с изолированной нейтралью и звезда с заземленной нейтралью.
Схема треугольника и звезды с изолированной нейтралью применяется для напряжений до 35 кВ. Для напряжения 110 кВ и выше применяется схема звезды с заземленной нейтралью.
Основным недостатком конденсаторных батарей является уменьшение выдачи реактивной мощности при снижении напряжения в сети, что может способствовать нарушению устойчивости системы при коротких замыканиях или вызвать прогрессирующее снижение напряжения в сети (лавину напряжения).
Рис. 4.14. Схема длительной форсировки конденсаторных батарей
Рис. 4.13. Схемы кратковременной форсировки конденсаторных батарей
Этот недостаток может быть частично компенсирован путем форсировки батареи.
Схемы кратковременной форсировки приведены на рис, 4.13, а длительной - на рис. 4.14.
Возможность использования конденсаторов в схемах форсировки необходимо согласовывать с заводом-изготовителем, так как при этом напряжения и токи в переходных режимах значительно превосходят номинальные.
При выборе аппаратуры в целях форсировки мощных конденсаторных батарей необходимо учитывать условия ее работы не только в установившихся, но и в переходных режимах.
В настоящее время в связи с развитием полупроводниковой техники и на ее базе статических компенсаторов указанные выше схемы форсировки конденсаторных батарей применяются редко.
Синхронные компенсаторы. Основными преимуществами синхронных компенсаторов (СК) являются широкий (превышающий их номинальную мощность) диапазон плавного регулирования и возможность кратковременной форсировки.
При уменьшении напряжения в точке подключения СК даже при неизменном токе возбуждения выдача реактивной мощности увеличивается, что способствует поддержанию необходимого уровня напряжения.
Недостатком СК является то, что это - вращающаяся электрическая машина со вспомогательными системами смазки, охлаждения и водородным хозяйством, что усложняет эксплуатацию.
Синхронный компенсатор представляет собой синхронную электрическую машину, работающую на холостом ходу. Изменение величины и знака выдаваемой мощности осуществляется изменением тока возбуждения. При увеличении тока возбуждения увеличивается реактивная мощность, выдаваемая СК в сеть, при уменьшении она уменьшается вплоть до нуля.
При дальнейшем снижении тока возбуждения СК начинает потреблять реактивную мощность. При снижении тока возбуждения до нуля потребляемая реактивная мощность составляет примерно 40% номинальной мощности СК. Дальнейшее увеличение потребления реактивной мощности достигается изменением направления тока возбуждения (отрицательное возбуждение). Однако по условиям устойчивой работы СК прием реактивной мощности может достигать не более 60% номинальной мощности.
Для обеспечения устойчивой работы в режиме приема реактивной мощности синхронный компенсатор КСП-320 снабжен дополнительной обмоткой возбуждения, которая расположена на роторе под углом 90° к основной. Это дает возможность, не только принимать длительно мощность, равную номинальной, но и обеспечивать форсировку не только выдачи, но и приема реактивной мощности до двукратного значения.
Запуск синхронных компенсаторов осуществляется как реакторным (СК мощностью до 160 МВ-А), так и частотным (СК мощностью 320 МВ·А) способом.
При реакторном способе СК запускается как асинхронный двигатель. Для ограничения пускового тока используется пусковой реактор, включаемый пусковым выключателем (рис. 4.15). По окончании разгона пусковой реактор и выключатель шунтируются главным выключателем, а пусковой выключатель отключается. После подачи возбуждения на ротор происходит втягивание СК в синхронизм.
Рис. 4.15. Схема реакторного пуска синхронного компенсатора
Рис. 4.16. Схема частотного пуска синхронного компенсатора
При частотном способе на основную обмотку возбуждения ротора подается возбуждение. Статор подключается к преобразователю частоты, на выходе которого может плавно изменяться от нуля до номинальной (рис. 4.16). По мере набора оборотов СК частота на выходе преобразователя частоты плавно увеличивается. Синхронный компенсатор разгоняется до скорости, несколько превышающей номинальную, и отключается от преобразователя частоты. Регулятор напряжения устанавливает напряжение на выходах статора равным напряжению сети. Частота вращения ротора плавно снижается и при достижении момента синхронизма СК подключается к сети (точная синхронизация).
Статические тиристорные компенсаторы. Преимуществами статических тиристорных компенсаторов (СТК) являются быстродействие, возможность пофазного регулирования, возможность вариации параметров компенсатора в широких пределах, отсутствие движущихся частей.
Основой СТК является тиристорный ключ, состоящей из двух включенных встречно-параллельно тиристоров.
Тиристор является полупроводниковым прибором, пропускающим ток только в одном направлении, но в отличие от диода ток в прямом направлении начинает протекать только после подачи импульса на управляющий электрод. Благодаря встречно-параллельному включению двух тиристоров создается возможность пропускать ток в обоих направлениях.
Если включить тиристорный ключ последовательно с реактором (рис. 4.17), то появляется возможность регулировать ток, проходящий через реактор, путем изменения момента подачи управляющего импульса на тиристоры.
Рис. 4.17 Схема управления тока реактора с помощью тиристоров
Рис. 4.19. Схема включения тиристорнореакторных групп в треугольник
Рис. 4.18. Форма тока и напряжения при регулировании тока реактора тиристорами
В случае подачи управляющих импульсов с углом α = 90° (рис. 4.18, а) тиристорный ключ будет полностью пропускать ток в обоих направлениях. Если управляющие импульсы подаются с углом α= 180° или не подаются совсем, то ток через ключ не проходит (рис. 4.18, б). Когда же управляющие импульсы подаются с углом в пределах от 90° до 180° (рис. 4.18, в), каждый полупериод пропускает только часть синусоиды тока и его действующее значение уменьшается. При этом ток теряет синусоидальную форму и в его составе появляются третья и все последующие нечетные гармоники, суммарное максимальное содержание гармоник в токе достигает 13% тока при полностью открытых тиристорах.
При соединении тиристорно-реакторной группы в треугольник (рис. 4.19) происходит компенсация третьей и последующий кратных трех гармоник и содержание гармоник в токе снижается до 7%.
Дальнейшее снижение содержания гармоник достигается при подключении двух тиристорно-реактивных групп к двум вторичным обмоткам одного и того же трансформатора, причем необходимо, чтобы одна вторичная обмотка была соединена в треугольник, а другая - в звезду (двенадцатипульсная схема) (рис 4.20).
Содержание гармоник в токе первичной обмотки трансформатора для этой схемы не превышает 2%.
Тиристорными ключами можно коммутировать конденсаторные батареи (рис. 4.21).
В основной цепи СТК для ограничения скорости нарастания зарядного тока через конденсаторную батарею необходимо предусмотреть реактор. При этом тиристорный ключ включен между этим реактором и конденсаторной батареей, что обеспечивает ограничение сверхтоков, протекающих через вентиль при коротком замыкании одного из элементов.
Если управляющие импульсы на тиристоры не подаются, компенсатор остается отключенным. При подаче управляющего импульса тиристоры отпираются и конденсаторы подключаются к сети. При каждом переходе тока через нуль подается импульс на тиристор противоположной полярности и вентиль непрерывно пропускает ток. Если подача управляющих импульсов прекращается, тиристорный ключ продолжает пропускать ток до первого перехода тока через нуль, после чего конденсатор остается заряженным (рис. 4.22,а). Когда ключ отпирается вновь, при напряжении питания, отличном от оставшегося напряжения на конденсаторе, появляется переходный ток, уравнивающий это напряжение. На рис. 4.22 показаны переходные процессы для трех случаев, когда напряжение системы в момент включения равно оставшемуся напряжению на конденсаторе (рис. 4.22, а), меньше него (рис. 4.22, б), и больше него (рис. 4.22, в),
Система управления тиристорных ключей, коммутирующих конденсаторные батареи, обеспечивает включение при равенстве напряжений на батареи и в сети, а также поддержание на отключенной батарее напряжения, близкого к максимальному напряжению сети (мгновенное значение). Тиристорные ключи для коммутации конденсаторных батарей содержат в 2 раза больше последовательно включенных тиристоров, чем тиристорные ключи для управления реакторами, так как напряжение на отключенном ключе достигает двойного значения напряжения сети.
Рис. 4.20. Двенадцатипульсная схема
Рис. 4.21. Схема коммутации конденсаторной батареи тиристорным ключом
Соответственно растут их стоимость и потери.
Статические тиристорные компенсаторы на заданные параметры комплектуются из:
тиристорно-реакторных групп (ТРГ); тириситорно-конденсатрных групп (ТКГ); конденсаторных батарей (КБ) или фильтр-компенсирующих цепей (ФКЦ).
Различают два способа компенсации СТК.
Компенсаторы прямой компенсации (рис. 4.23) комплектуются из нескольких ТКГ, которые обеспечивают ступенчатое изменение генерируемой мощности, и одной ТРГ, мощность которой равна мощности одной ТКГ, Плавное регулирование ТРГ и ступенчатое ТКГ обеспечивает плавное изменение во всем диапазоне СТК.
Если мощность одной секции принять за Q то диапазон регулирования составит Q - NQ, где N - число секций ТКГ.
Компенсаторы косвенной компенсации (рис. 4.24) комплектуются из одной или нескольких ТРГ и одной или нескольких КБ и ФКЦ.
Рис. 4.23. Статический компенсатор прямой компенсации
Рис. 4.22. Форма тока и напряжения при коммутации конденсаторной батареи тиристорным ключом:
α -напряжение системы в момент включения равно напряжению на конденсаторе; б - напряжение системы меньше напряжения на конденсаторе; в - напряжение сети больше напряжения на конденсаторе
Рис. 4.24. Статический компенсатор косвенной компенсации
Последние обеспечивают как выдачу реактивной мощности, так и компенсацию высших гармоник, генерируемых ТРГ.
Изготавливаются ТРГ и ТКГ в основном на напряжение не выше 35 кВ. Если напряжение сети выше, чем номинальное напряжение ТРГ и ТКГ, они подключаются через трансформаторы; КБ и ФКЦ изготавливаются на любое напряжение вплоть до 500 кВ.
