Компенсация реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой

Рекомендовано для использования в учебном процессе
учебно-методической комиссией направления

140400 «Электроэнергетика и электротехника»

Кемерово 2013

Рецензенты:

Ефременко В. М., доцент кафедры ЭГиПП

Каширских В. Г., профессор кафедры ЭПА, председатель УМК направления 140400 «Электроэнергетика и электротехника»

Беляевский Роман Владимирович. Компенсация реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой [Электронный ресурс]: метод. указания к практическим занятиям по дисциплине «Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения» для магистрантов направления 140400.68 «Электроэнергетика и электротехника», профиль «Электроснабжение» очной формы обучения / Р. В. Беляевский. – Электрон. дан. – Кемерово: КузГТУ, 2013. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM); зв.; цв.; 12 см. – Систем. требования: Pentium IV; ОЗУ 32 Мб; Windows ХР; мышь. – Загл. с экрана.

Рассмотрены особенности применения компенсирующих устройств в электрических сетях с нелинейной нагрузкой. Представлены основные технические средства защиты компенсирующих устройств от высших гармоник тока и напряжения. Рассмотрены конструкция и принцип работы комплектных фильтрокомпенсирующих устройств. Приведены общие основы расчетов параметров вентильных преобразователей и компенсирующих устройств, применяемых для компенсации реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой.

1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

1. Изучить особенности применения компенсирующих устройств в электрических сетях с нелинейной нагрузкой.

2. Ознакомиться с основными техническими средствами защиты компенсирующих устройств от высших гармоник.

3. Ознакомиться с конструкцией и принципом работы комплектных фильтрокомпенсирующих устройств.

4. Приобрести практические навыки расчетов параметров вентильных преобразователей и компенсирующих устройств, применяемых для компенсации реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

2.1. Применение компенсирующих устройств в электрических сетях с нелинейной нагрузкой

Увеличение количества и повышение установленной мощности электроприемников с нелинейным характером нагрузки сделали несинусоидальные режимы неотъемлемой чертой современных систем электроснабжения. Искажение синусоидальности кривых токов и напряжений вызывается работой электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой. К числу таких электроприемников относятся: вентильные преобразователи, дуговые сталеплавильные печи, электросварочные установки, индукционные печи, газоразрядные лампы и др. При их работе
в электрической сети возникают высшие гармоники тока
и напряжения, как результат искажения формы синусоидальной кривой при наличии нелинейных нагрузок.

Искажения кривых токов и напряжений в сети приводят
к целому ряду отрицательных последствий: к появлению дополнительных потерь в линиях электропередачи, трансформаторах
и компенсирующих устройствах, ускорению процессов старения изоляции, ухудшению точности электрических измерений, наводкам и помехам в силовых цепях как каналах передачи информации и др. Высшие гармоники оказывают влияние на показания электроизмерительных приборов, в том числе счетчиков электрической энергии, увеличивая их погрешность. Имеют место также случаи ложных срабатываний релейной защиты
с фильтрами токов обратной последовательности.

Наибольшие потери активной мощности возникают в силовых трансформаторах, асинхронных двигателях и генераторах, увеличение активного сопротивления которых с ростом частоты происходит приблизительно пропорционально квадратному корню из номера гармоники . Эти потери могут вызывать недопустимый нагрев обмоток электрических машин, и, кроме того, приводят к дополнительным потерям электроэнергии, которые могут быть весьма значительными.

Серьезное влияние высшие гармоники оказывают также
на работу компенсирующих устройств (КУ), применяемых для компенсации реактивной мощности в электрических сетях с нелинейной нагрузкой. Они чаще выходят из строя по причине ускорения износа диэлектриков, вызванного интенсификацией под действием высоких частот электрического поля физико-химических процессов, обусловливающих старение диэлектриков, и по причине перегрузки конденсаторов КУ токами высших гармоник, которая возникает, как правило, при появлении в сети резонансного режима на частоте какой-либо из гармоник.

Рис. 1. Система электроснабжения с ВП:

а – принципиальная схема; б – схема замещения

Сущность данного явления рассмотрим на примере простой системы электроснабжения с мощным вентильным преобразователем (ВП). Это может быть привод экскаватора, дуговая сталеплавильная печь и т. д. На схеме (рис. 1) показаны элементы, участвующие в резонансном процессе: вентильный преобразователь – источник высших гармоник тока и напряжения, имеющий активное сопротивление R _пр и индуктивное сопротивление X _пр, питающая сеть с активным сопротивлением R _с и индуктивным сопротивлением X _с и компенсирующее устройство с активным сопротивлением R _КУ и емкостным сопротивлением X _КУ.

Угол сдвига между основными гармониками напряжения
и тока вентильного преобразователя определяется, в основном, глубиной регулирования выпрямленного напряжения:

, (1)

где U _в – среднее значение выпрямленного напряжения, В; U _в0 – выпрямленное напряжение идеального холостого хода, В:

, (2)

где U ₂– напряжение на входе вентильного преобразователя, В;
P – число пульсаций за период.

Реактивная мощность, потребляемая вентильным преобразователем:

, (3)

где I _в – среднее значение выпрямленного тока, А.

Действующее значение тока на входе вентильного преобразователя определяется по формуле:

, (4)

где ν = Pn ± 1 – номер гармоники; n = 1, 2, 3, …

Фазные напряжения на стороне переменного тока определяются по формуле:

, (5)

где X _экв – эквивалентное сопротивление питающей сети, Ом.

На рис. 2 приведены частотные характеристики питающей сети. При отключенном КУ частотная характеристика индуктивного сопротивления сети линейна (прямая 2 на рис. 2), активным сопротивлением в данном случае можно пренебречь ввиду его малости. Следовательно, глубина коммутационных искажений
и величина напряжения отдельных гармоник уменьшаются линейно по мере удаления от точки коммутации.

Рис. 2. Частотные характеристики питающей сети:

1 – частотная характеристика емкостного сопротивления сети
при отключенном КУ; 2 – частотная характеристика индуктивного сопротивления сети при отключенном КУ; 3 – частотная
характеристика питающей сети при включенном КУ

Включение компенсирующего устройства резко меняет линейный характер частотной характеристики питающей сети (кривая 3 на рис. 2). Нелинейность частотной характеристики объясняется тем, что при включении КУ образуется параллельный LC -контур, состоящий из индуктивного сопротивления сети и емкостного сопротивления конденсаторов.

Нелинейность частотной характеристики питающей сети
в значительной степени зависит от добротности контура элементов сети, под которой понимается отношение реактивного сопротивления питающей сети к активному:

. (6)

Из рис. 2 видно, что с увеличением добротности контура
на определенной частоте, соответствующей резонансной f _рез (что, в свою очередь, соответствует резонансной гармонике ν _рез), значительно возрастает относительное сопротивление параллельного контура z _ν/ z ₁, где z ₁ – полное сопротивление сети на основной гармонике. При любой емкости КУ всегда найдется такая группа гармоник, называемая резонансной, при которых КУ вступает
в резонанс токов с индуктивностью сети.

С увеличением сопротивления параллельного контура в области резонанса токи резонансной группы гармоник, генерируемые в сеть вентильным преобразователем, уменьшаются, и можно говорить о том, что напряжения гармоник резонансной группы U _ν приложены к КУ непосредственно за вычетом малого падения напряжения в преобразовательном трансформаторе. Следовательно, напряжения гармоник резонансной группы в этом случае значительно увеличиваются.

В то же время емкостное сопротивление КУ снижается
с увеличением номера гармоники. Это приводит к тому, что через КУ протекают значительные токи резонирующих гармоник, соизмеримые, а иногда и значительно превосходящие по величине ток первой гармоники:

, (7)

где X _ку – номинальное сопротивление КУ, Ом.

На практике перегрузка КУ токами высших гармоник может достигать значительной величины (до 400 %) и может стать причиной выхода их из строя. Вместе с тем, Правилами технической эксплуатации электроустановок потребителей установлена максимальная допустимая перегрузка по току для конденсаторных установок, которая составляет 1,3 I _ном. Это означает, что непосредственное применение КУ (без дополнительной защиты)
в электрических сетях с нелинейной нагрузкой сопряжено
с определенными трудностями, и в ряде случаев установка КУ может оказаться недопустимой.

2.2. Защита компенсирующих устройств от высших гармоник

Для защиты компенсирующих устройств от высших гармоник, возникающих при использовании их в электрических сетях
с нелинейной нагрузкой, и создания нормальных условий для их работы применяются индуктивные реакторы (рис. 3), которые включаются в сеть последовательно с КУ.

Рис. 3. Схема включения реактора для защиты
КУ от высших гармоник

Индуктивное сопротивление реактора рассчитывается таким образом, чтобы в цепи создавался резонанс напряжений на частоте, меньшей минимальной гармоники, возникающей при работе нелинейной нагрузки, т. е. должно выполняться условие:

, (8)

где ν_р – гармоника, на которую необходимо настроить последовательную LC -цепь; ν_min – минимальная гармоника, возникающая при работе нелинейной нагрузки; ω – угловая частота, с^–1; L – индуктивность реактора, Гн; C – емкость КУ, Ф.

Индуктивное сопротивление реактора на частоте 50 Гц определяется из условия:

, (9)

где Q _КУ.ном – номинальная мощность КУ, кВАр; U _КУ.ном – номинальное напряжение КУ, кВ; ν_min = 5 – для вентильных преобразователей с любой пульсностью выпрямления; ν_min = 3 – для дуговых сталеплавильных печей.

При неправильном выборе сопротивления реактора могут возникать резонансные явления, обусловленные тем, что цепь, состоящая из последовательно включенных реактора и конденсатора, уменьшает гармоники порядка выше резонансной (имеет место индуктивный характер цепи) и увеличивает гармоники порядка ниже резонансной (емкостный характер цепи). Для правильной защиты КУ необходимо, чтобы эта цепь имела индуктивный характер для всех гармоник.

В связи с малым индуктивным сопротивлением высоковольтных реакторов в сетях 6 (10) кВ часто применяют низковольтные реакторы. Их применение возможно в связи с тем, что
к реактору приложено напряжение основной частоты:

, (10)

где U ₁ –напряжение сети на основной частоте (50 Гц), приложенное к LC -цепи, кВ.

Для защиты реактора от перенапряжений в момент включения или при пробое конденсатора параллельно с реактором устанавливается разрядник FV многократного действия.

Одним из наиболее эффективных способов уменьшения токов и напряжений высших гармоник в электрических сетях является применение силовых фильтров высших гармоник, представляющих собой последовательное соединение индуктивного и емкостного сопротивлений, настроенных в резонанс на фильтруемую гармонику (рис. 4). При установке силовых фильтров частично или полностью решается проблема компенсации реактивной мощности, поскольку КУ, входящие в фильтры, являются источниками реактивной мощности на основной частоте.

Рис. 4. Схемы фильтров высших гармоник:

а – соединение в звезду; б – соединение в треугольник

Емкостные элементы фильтров высших гармоник могут быть причиной резонансных явлений в электрических сетях. Для эффективной работы фильтров их необходимо рассчитывать, начиная с гармоники самого низшего порядка, возникающей при работе нелинейной нагрузки (с 5-й гармоники для полупроводниковых преобразователей и с 3-й гармоники для дуговых сталеплавильных печей). Если фильтры имеют отдельные выключатели,
то включают их, начиная с фильтра 5-й гармоники и выше, а отключение производят в обратном порядке.

При аварийном отключении фильтра 5-й гармоники должны быть немедленно отключены все фильтры высших гармоник.
В случае если остаются включенными один или два фильтра,
a другие отключены, то коэффициент несинусоидальности в точке их подключения не только не уменьшается, но и может значительно увеличиваться. Возникает перегрузка КУ в цепи фильтра токами высших гармоник, которая приводит к выходу его
из строя. Аналогичные резонансные явления в питающей сети могут возникать и при правильно включенных фильтрах из-за отклонения частоты энергосистемы (особенно в меньшую сторону),
а также при отклонении параметров элементов фильтров.

При выполнении расчетов, как правило, принимают следующие пределы отклонения индуктивностей и емкостей фильтров от номинальных значений:

(11)

где L _ф.ном и C _ф.ном – номинальные индуктивность и емкость фильтра в режиме резонансной настройки.

2.3. Фильтрокомпенсирующие устройства

Сегодня все большее применение в электрических сетях
с нелинейной нагрузкой находят комплектные фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), обеспечивающие одновременно компенсацию реактивной мощности основной частоты, а также фильтрацию высших гармоник тока и напряжения. ФКУ целесообразно размещать в узле подключения нелинейной нагрузки. Они состоят из регулятора реактивной мощности и силовых фильтров, обеспечивающих фильтрацию высших гармоник. Варианты принципиальных схем ФКУ приведены на рис. 5.

Основным элементом силовых фильтров ФКУ являются последовательные резонансные цепи, состоящие из конденсаторов, соединенных с дросселем, и настроенные на частоты определенных высших гармоник (как правило, 5-ю, 7-ю, 11-ю и 13-ю).

Количество параллельно включенных резонансных цепей силовых фильтров должно быть таким, чтобы коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения не превышал допустимого значения по ГОСТ Р 54149-2010.

Рис. 5. Принципиальные схемы ФКУ

Параметры фильтров определяются также значением и характером нелинейной нагрузки, дефицитом реактивной мощности в узле и характеристиками питающей сети. Эффективность фильтрации высших гармоник с помощью ФКУ в значительной мере определяется правильным выбором частотных характеристик X = f (ω) системы электроснабжения, рассчитанных с учетом подключения к ней дополнительных фильтров.

На рис. 6 приведена конструкция автоматического ФКУ
для сетей низкого напряжения.

Рис. 6. Конструкция ФКУ для сетей низкого напряжения:

1 – регулятор реактивной мощности; 2 – контактор;

3 – термореле; 4 – дроссель; 5 – блок конденсаторов

Фильтры высших гармоник заключаются в стальной корпус. В каждом из них предусмотрен контактор 2, термореле максимального тока 3, дроссель 4 и блок конденсаторов 5. Устройство обычно подключается к питающим кабелям главного распределительного щита, защищенным плавкими предохранителями.

ФКУ управляются при помощи регулятора реактивной мощности 1 в соответствии с потребностью в реактивной мощности. Благодаря современным специализированным контакторам, управляемым с помощью микропроцессорного регулятора реактивной мощности, осуществляется автоматическая регулировка подключенной емкости, исключающая эффекты недокомпенсации и перекомпенсации. В схемотехнических решениях предусмотрено плавное включение ступеней конденсаторов, исключающее броски тока и напряжения в сети.

В современных ФКУ применяются самовосстанавливающиеся металлопленочные конденсаторы с полипропиленовым или полиэфирным диэлектриком, обладающие уменьшенными габаритными размерами и позволяющие существенно снизить потери электроэнергии. Конденсаторы ФКУ оборудованы встроенной системой защиты от избыточного давления. Разрядные резисторы позволяют снизить остаточное напряжение до безопасного уровня за время, не превышающее 1 мин.

На рис. 7 приведены осциллограммы напряжения и тока
в сети до и после установки ФКУ.

Рис. 7. Осциллограммы тока и напряжения в сети:

а – до установки ФКУ; б – после установки ФКУ

Из рис. 7 видно, что включение ФКУ значительно снижает уровень высших гармоник в электрической сети.

К основным достоинствам ФКУ относятся:

- быстрая реакция на изменение высших гармоник в электрической сети и их подавление;

- динамическая компенсация широкого спектра гармоник;

- возможность плавного регулирования реактивной мощности;

- малые потери электроэнергии;

- простота монтажа и настройки;

- низкий уровень шума в процессе работы;

- длительный срок службы.

Таким образом, ФКУ являются перспективным средством уменьшения вредного влияния нелинейных динамических нагрузок на системы электроснабжения, позволяющим обеспечить одновременно фильтрацию высших гармоник и компенсацию реактивной мощности в электрических сетях.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

1. Изучить основные теоретические положения.

2. Определить степень перегрузки компенсирующего устройства КУ токами высших гармоник, генерируемых в сеть вентильным преобразователем ВП, при условии, что P -пульсовый вентильный преобразователь подключен к шинам низкого напряжения цеховой трансформаторной подстанции (рис. 8). Напряжение на входе вентильного преобразователя равно U ₂, среднее значение выпрямленного напряжения составляет U _в,
а среднее значение выпрямленного тока – I _в. Варианты заданий
к практической работе приведены в табл. 1.

2.1. Определить реактивную мощность Q _ВП, потребляемую вентильным преобразователем.

2.2. Исходя из величины Q _ВП, выбрать номинальную мощность конденсаторной установки Q _КУ.

2.3. Определить номера гармоник ν, генерируемых в сеть вентильным преобразователем. При 6-пульсовой схеме вентильные преобразователи генерируют в сеть гармоники до 19-го порядка, при 12-пульсовой схеме – до 25-го порядка включительно.

Рис. 8. Схема подключения вентильного преобразователя:

а – принципиальная схема; б – схема замещения

2.4. На основании схемы замещения (рис. 8, б) определить эквивалентное сопротивление питающей сети:

где X _т – номинальное сопротивление трансформатора, Ом; X _КУ – номинальное сопротивление КУ, Ом.

2.5. Рассчитать токи высших гармоник I _ν, генерируемые
в сеть вентильным преобразователем.

2.6. Рассчитать токи высших гармоник I _КУν, протекающие через конденсаторную установку.

2.7. Определить кратность перегрузки конденсаторной установки токами высших гармоник, генерируемых в сеть вентильным преобразователем, по отношению к току 1-ой гармоники I _КУ1, номинальному току I _ном и току допустимой перегрузки I _доп конденсаторной установки.

3. Подготовить отчет о выполнении практической работы
в соответствии с указанными требованиями.

4. Защитить отчет преподавателю в период до 9 контрольной недели. Защита отчета будет учитываться при выставлении очередных оценок текущей успеваемости.

Таблица 1

Варианты заданий к практической работе

Номер варианта	P	U _в, В	I _в, А	U ₂, В	S _н.т, кВА	U _к, %
						5,5
						6,5
						6,5
						5,5
						4,5
						5,5
						4,5
						5,5
						6,5
						5,5
						5,5
						5,5
						4,5
						4,5
						5,5
						6,5
						5,5
						5,5
						5,5
						4,5
						5,5
						4,5
						6,5
						6,5
						5,5
						5,5
						5,5
						5,5
						5,5
						5,5

4. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ

Отчет о выполнении работы должен содержать:

- наименование и цель работы;

- результаты расчетов и выводы;

- ответы на контрольные вопросы.

5. КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. В чем заключается отрицательное воздействие высших гармоник на системы электроснабжения?

2. Какое влияние высшие гармоники оказывают на работу компенсирующих устройств?

3. Как изменяются частотные характеристики питающей сети с нелинейной нагрузкой до и после включения компенсирующего устройства?

4. Каковы последствия перегрузки компенсирующих устройств токами высших гармоник?

5. Какие технические средства могут применяться для защиты компенсирующих устройств от высших гармоник?

6. Что представляет собой фильтр высших гармоник?

7. Как выбираются параметры фильтров высших гармоник?

8. Что называется фильтрокомпенсирующим устройством?

9. Приведите основные принципиальные схемы ФКУ.

10. Каковы основные достоинства ФКУ?

СПИСОК РЕКОМЕНДУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Беляевский, Р. В. Вопросы компенсации реактивной мощности: учеб. пособие [Электронный ресурс] / Р. В. Беляевский. – Кемерово: КузГТУ, 2011. – 132 с.

2. Правила технической эксплуатации электроустановок потребителей [Текст]. – Новосибирск: Сиб. унив. изд-во, 2008. – 252 с.

3. Разгильдеев, Г. И. Эксплуатация систем электроснабжения: учеб. пособие [Текст] / Г. И. Разгильдеев. – Кемерово: КузГТУ, 2001. – 150 с.

4. Константинов, Б. А. Компенсация реактивной мощности [Текст] / Б. А. Константинов, Г. З. Зайцев. – М.: Энергия, 1976. – 104 с.

5. Справочник по энергоснабжению и электрооборудованию промышленных предприятий и общественных зданий [Текст] / Под общ. ред. С. И. Гамазина, Б. И. Кудрина, С. А. Цырука. – М.: Издательский дом МЭИ, 2010. – 745 с.

6. Справочник по электроснабжению и электрооборудованию [Текст]: в 2 т. / Под ред. А. А. Федорова. Т. 1. Электроснабжение. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 568 с.