Идельчик В.И. Электрические системы и сети

Подождите немного. Документ загружается.

170 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. А

режиме генератор вырабатывает номинальные значения

активной и реактивной мощностей при cos ф

НО

м. Уменьшая

ток возбуждения, можно снизить реактивную мощность,

выдаваемую генератором. При снижении активной мощно-

сти в сравнении с номинальным значением возможна вы-

ло пгоку рогпрр'а

Рис.

4.6. Ограничение реактивной мощности генератора:

а — схема замещения; б — векторная диаграмма при Q

>Q u

™

дача увеличенной реактивной мощности сверх номиналь-

ной. Такое увеличение может быть допущено в пределах,

ограничиваемых номинальными токами статора и ротора.

Условия ограничения по выдаваемой реактивной мощ-

ности можно определить с помощью векторных диаграмм

(рис.

4.6,6). В схему замещения генератора входят неиз-

менное продольное синхронное реактивное сопротивление

Ха

и ЭДС E

, находящаяся за ним (рис. 4.6, а).

Комплексная ЭДС E

определяется как сумма векторов

^гИ|/"з7

ном

/^:

где "КЗ/ном/лг^

—

вектор падения напряжения в сопротивле-

нии

Xd.

§ 4.8 Выработка реактивной мощности на электростанциях 171

На векторной диаграмме из точки О проведена дуга

окружности радиусом Е

, которая определяет допустимые

значения тока возбуждения или ЭДС E

по условиям на-

грева ротора машины. Для удобства сопоставления пара-

метров режима, предельных по условиям нагрева как ста-

тора, так и ротора, из точки А проведена окружность ра-

диусом V3IHOMXCI, при этом OB=E

==i

= U

В треугольнике ABC

M-r^-Q»

ВС~Г

НШ

~Р

— У

ном

SHI

ном

Р%

= У

ном

C0S

Фном)

где

/ном ==

АВ/УЪ x

Рассмотрим работу генератора при ф1>ф

НО

м, т.е. при

cos ф1<cos

фном-

Допустимый для генератора режим соот-

ветствует E

i=E

qli0M

(например, вектор ОВ\). В этом слу-

чае реактивная составляющая тока статора Г{ будет боль-

ше

^ном

•

Следовательно, генератор может выдать реактив-

ную мощность

Ql = УЗ ^ном h >

QHOM-

Однако превышение реактивной мощности над

бу-

дет относительно небольшим из-за ограничений по току

ротора.

Из рис. 4.6 видно, что активная составляющая тока

статора при ф1>ф

ом меньше номинальной. Это следует из

того,

что В

<ВС, т.е. 1[ меньше

ном>

следовательно,

генератор может выдать активную мощность

=Узи

В0Ы

<р

нш

Работа генераторов при Ф<Сфном или соэф^соэфном

соответствует выработке большей, чем номинальная, ак-

тивной мощности и меньшей реактивной. На рис. 4.7 от-

дельно изображены векторные диаграммы генератора при

Ф<Фном и

= фном. Легко убедиться из рис. 4.7, что при

ф<фном Р2>Рном

Q2<QHOM-

Работа генератора при большей, чем номинальная, ак-

тивной мощности связана с перегрузкой турбины и не все-

гда допустима.

Возможность увеличения реактивной мощности за счет

уменьшения активной допустимо использовать в случае

172

Рабочие режимы электроэнергетических систем

Гл. 4

избытка активной мощности, т. е. в режиме минимума ак-

тивной нагрузки. В этом случае некоторая часть генерато-

ров,

несущих активную нагрузку, может переводиться на

работу с пониженным коэффициентом мощности.

Резерв реактивной мощности и возможность перегру-

зок по реактивной мощности очень важны при аварийном

Рис 4.7. Векторная диа-

грамма генератора при

Qr<Q

ном

снижении напряжения. Все генераторы оборудованы АРВ

(см.

§ 4.6), которые при снижении напряжения на зажи-

мах генератора автоматически увеличивают ток возбужде-

ния и выработку реактивной мощности. Однако для увели-

чения выработки реактивной мощности нужно иметь в нор-

мальном режиме резерв по току ротора при ф>ф

НО

м и по

току статора при ф<ф

НО

м.

Анализ режима генератора, приведенный выше, пока-

зывает, что увеличить вырабатываемую им реактивную

мощность можно лишь за счет уменьшения активной. "Уве-

личение Q

в режиме наибольших нагрузок за счет умень-

шения Р

экономически нецелесообразно. Эффективнее

вместо снижения Р

применять для выработки реактивной

мощности компенсирующие устройства. Поэтому, как пра-

вило,

в сетях для покрытия потребности в реактивной

мощности применяют компенсирующие устройства.

4.9.

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Активную мощность электрической сети получают от

генераторов электрических станций, которые являются

единственным источником активной мощности. В отличие

§4.9

Компенсация реактивной мощности

173

от активной мощности реактивная мощность может гене-

рироваться не только генераторами, но и компенсирующи-

ми устройствами

—

конденсаторами, синхронными компен-

саторами или статическими источниками реактивной мощ-

ности (ИРМ), которые можно установить на подстанциях

электрической сети. При номинальной нагрузке генерато-

ры вырабатывают лишь около 60 % требуемой реактивной

мощности, 20 % генерируется в ЛЭП с напряжением выше

ПО кВ, 20% вырабатывают компенсирующие устройства,

расположенные на подстанциях или непосредственно у по-

требителя.

Компенсацией реактивной мощности будем называть

ее выработку или потребление с помощью компенсирую-

щих устройств.

Проблема компенсации реактивной мощности в элек-

трических системах страны имеет большое значение по

следующим причинам:

1) в промышленном производстве наблюдается опере-

жающий рост потребления реактивной мощности по срав-

нению с активной;

2) в городских электрических сетях возросло потребле-

ние реактивной мощности, обусловленное ростом бытовых

нагрузок;

3) увеличивается потребление реактивной мощности

в сельских электрических сетях.

Компенсация реактивной мощности, как всякое важное

техническое мероприятие, может применяться для несколь-

ких различных целей. Во-первых, компенсация реактивной

мощности необходима по условию баланса реактивной

мощности. Во-вторых, установка компенсирующих уст-

ройств применяется для снижения потерь электрической

энергии в сети. И, наконец, в-третьих, компенсирующие

устройства применяются для регулирования напряжения.

Во всех случаях при применении компенсирующих уст-

ройств необходимо учитывать ограничения по следующим

техническим и режимным требованиям: 1) необходимому

резерву мощности в узлах нагрузки; 2) располагаемой ре-

активной мощности на шинах ее источника; 3) отклонени-

ям напряжения; 4) пропускной способности электрических

сетей.

Для уменьшения перетоков реактивной мощности по

линиям и трансформаторам источники реактивной мощно-

174 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

А.

сти должны размещаться вблизи мест ее потребления.

При этом передающие элементы сети разгружаются по ре-

активной мощности, чем достигается снижение потерь ак-

тивной мощности и напряжения. Эффект установки ком-

пенсирующих устройств в конце линии иллюстрируется

рис.

4.8, где приведены схемы замещения и векторные диа-

граммы токов и мощностей.

§jrs„

•21

а)

1л=1н

JJ, & &-jgjc

(

Рис.

4.8. К пояснению эффекта от применения компенсирующих уст-

ройств:

а, б

—

токи и потоки мощности до и после компенсации; в

—

векторная диаграмма

токов; г

—

треугольник мощностей

Без применения компенсирующих устройств в линии

протекают ток и мощность нагрузки (рис. 4.8, а):

При установке компенсирующих устройств реактивный

ток и реактивная мощность в линии уменьшаются на вели-

чину реактивного тока и реактивной мощности, генерируе-

мых в компенсирующем устройстве 1

и Q

. В линии будут

протекать меньшие по модулю ток и мощность, соответст-

венно равные (рис. 4.8, б)

= ,

'.-1(

.-'.)- £.-*.+ /(«.-«У-

Таким образом, вследствие применения компенсирую-

щих устройств на подстанции при неизменной мощности

нагрузки реактивные мощности и ток в линии уменьшают-

ся—

линия разгружается по р-еактивной мощности. При

§4.10

Компенсирующие устройства

175

этом, как отмечалось выше, в линии уменьшаются потери

мощности и потери напряжения, так как

Подробнее вопросы уменьшения потерь мощности и ре-

гулирования напряжения при компенсации реактивной

мощности будут рассмотрены в гл. 5, 12, 13.

4.10.

КОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

В качестве компенсирующих устройств, как отмечалось

выше, используются синхронные компенсаторы (СК), ба-

тареи конденсаторов (БК), реакторы и статические источ-

ники реактивной мощности (ИРМ).

Батареи конденсаторов (БК) применяются:

а) для генерации реактивной мощности в узлах сети

—

поперечной компенсации (шунтовые БК);

б) для уменьшения реактивного сопротивления ли-

ний— продольной компенсации [установки продольной

компенсации (УПК)].

Шунтовые БК включают на шины подстанций (рис.

4.8,

б), УПК включают в линии последовательно.

Батареи конденсаторов комплектуются из отдельных

конденсаторов, соединенных последовательно и параллель-

но (рис. 4.9). Конденсаторы выпускаются в однофазном

и трехфазном исполнениях на номинальное напряжение

0,22—10,5 кВ. Единичная мощность конденсаторов состав-

Рис.

4.9.

Принципиальные схемы батарей конденсаторов:

а, б

—

последовательное и параллельное соединение конденсаторов; в, г

—

соеди*

нение фаз БК треугольником и звездой

176 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

ляет 10—125 квар. Шунтовые конденсаторные батареи

применяют на напряжениях до ПО кВ. Увеличение рабоче-

го напряжения БК достигается увеличением числа после-

довательно включенных конденсаторов (рис. 4.9, а). Для

увеличения мощности БК применяют параллельное

соединение конденсаторов (рис. 4.9,6). Для комплектова-

ния БК напряжением 6 кВ и выше наиболее подходящими

и освоенными в производстве являются однофазные кон-

денсаторы на номинальное напряжение 0,66; 1,05; 6,3 кВ.

Конденсаторы на напряжение 0,66 и 1,05 кВ называют кон-

денсаторами низкого напряжения. Покажем, что БК с ра-

бочим напряжением 10 кВ не может быть скомплектована

из конденсаторов низкого напряжения на мощность менее

1 Мвар. Число последовательно включенных конденсаторов

в БК найдем по формуле

л —• ——

У 3 ^к.ном ^р

где £/вкнб — расчетное максимальное напряжение в точке

подключения БК; £/

ном— номинальное напряжение кон-

денсатора; k

— коэффициент, учитывающий разброс пара-

метров конденсаторов, значение которого принимается

0,92—0,95.

Допустим, что БК можно комплектовать одним из двух

типов конденсаторов: КС2-0,66-40 и КС2-1,05-60. Вторая

цифра в обозначении конденсаторов соответствует их но-

минальному напряжению в киловольтах, третья цифра —

номинальной мощности в киловольт-амперах реактивных.

Число последовательных конденсаторов КС2-0,66-40

в БК Ю кВ при t/ькнб = 10,75 кВ

Ю.75

1,73-0,66-0,92

Округляем ri\ до 10. Реактивная мощность, генерируе-

мая БК, равна

<?БК1 =

2к

ном

i =

-40-

10 = 1200 квар

Число последовательных конденсаторов КС2-1,05-60

в БК

10,75

п _ :

—

6,45.

1,73-1,05-0,92

§4 10 Компенсирующие

устройства

177

Округляем «2 До 7:

БВД

= ЗС

КН0И

= 3.60-7 =1260 квар.

Для подстанций 35/10 кВ сельскохозяйственного назна-

чения во многих случаях требуются БК меньшей мощности,

чем 1000 квар. Поэтому для них необходимо применять

конденсаторы высокого напряжения, при комплектовании

из которых можно получать БК меньшей мощности

В сетях трехфазного тока конденсаторы включаются

звездой и треугольником (рис. 4 9, в,г). При соединении

конденсаторов звездой мощность батареи

При соединении конденсаторов треугольником мощность

батареи

= 3U

аС =

9и

<оС.

Таким образом, при соединении конденсаторов треуголь-

ником мощность батареи оказывается в 3 раза больше.

При напряжении до 1 кВ конденсаторы обычно включают

треугольником. В энергосистемах БК на напряжение 6 кВ

и выше соединение выполняется только по схеме звезды

с изолированной или глухо заземленной нейтралью в зави-

симости от режима нейтрали сети, в которой устанавлива-

ются Б К.

В конденсаторах, применяемых в компенсирующих уст-

ройствах, в качестве диэлектрика используется бумага, про-

питанная минеральным маслом или синтетической жидко-

стью.

Известны разработки конденсаторов повышенной

мощности с диэлектриком из синтетической пленки, имею-

щих малые габариты.

Батареи конденсаторов бывают регулируемые (управ-

ляемые) и нерегулируемые. В нерегулируемых число кон-

денсаторов неизменно, а величина реактивной мощности

зависит только от квадрата напряжения. Суммарная мощ-

ность нерегулируемых батарей конденсаторов не должна

превышать наименьшей реактивной нагрузки сети.

В регулируемых батареях конденсаторов в зависимости

от режима автоматически или вручную изменяется число

включенных конденсаторов. Выпускаются регулируемые

комплектные батареи конденсаторов на напряжения 0,38;

6; 10 кВ, снабженные пускорегулирующим устройством,

12—237

178 Рабочие режимы электроэнергетических

систем

Гл. 4

необходимым для автоматического изменения мощности

батареи (контакторами или выключателями).

На практике изменение мощности, вырабатываемой ба-

тареей в нормальных эксплуатационных условиях, дости-

гается включением или отключением части конденсаторов,

составляющих батарею, т. е. путем ступенчатого регулиро-

Рис.

4.10. Схемы разрядки бата-

рей конденсаторов:

—

через разрядное сопротивление;

—

через трансформатор напряжения

УПК

-о

[

норм

Рис.

4.12. Схемы включения УПК

Рис.

4.11. Включение батарей конденсаторов:

—

под отдельный выключатель; б — под выключатель нагрузки потребителя (ВН)

вания. Одноступенчатое регулирование заключается в от-

ключении или включении всех конденсаторов батареи, мно-,

гоступенчатое

—

в отключении или включении отдельных

секций батареи, снабженных контакторами или выключав

телями.

При отключении конденсаторов необходима их автома-

тическая (без участия дежурного персонала) разрядка на

активное сопротивление, присоединенное к батарее. Вели-

§ 4.10

Компенсирующие

устройства

179

чина его должна быть такой, чтобы при отключении не

возникло перенапряжений на зажимах конденсаторов.

В качестве разрядного сопротивления для конденсаторных

установок напряжением 6—10 кВ используется активное

сопротивление трансформаторов напряжения (TV). Для

БК до

кВ применяют специальные разрядные сопротив-

ления (R

на рис. 4.10). Защита конденсаторов осущест-

вляется плавкими предохранителями, включаемыми по

одному в цепь каждого конденсатора. Кроме того, батарея

в целом защищается с помощью предохранителей или вы-

ключателей в цепи батареи (рис. 4.11).

Продольная компенсация для уменьшения реактивного

сопротивления линии иллюстрируется рис. 4.12.

В нормальном режиме через УПК течет ток /норм. При

этом напряжение на УПК равно

^К.НОРМ

V " 'НОРМ -^К ^ W ~=- £0 /0) t^HOM С»

где

£/ном.с

— номинальное напряжение сети.

При коротком замыкании через батарею конденсаторов

течет большой ток короткого замыкания и U

сильно воз-

растает. Необходима защита УПК от перенапряжений.

Кроме того, УПК должна быть изолирована от земли на

полное номинальное напряжение линии. Батареи конденса-

торов в УПК, например воздушной линии б кВ, монтиру-

ются на опоре линии.

В сетях систем электроснабжения промышленных пред-

приятий возможны следующие виды компенсации с помо-

щью БК: а) индивидуальная

—

с размещением конденса-

торов непосредственно у токоприемника; б) групповая

—

с размещением конденсаторов у силовых шкафов

и шинопроводов в цехах; в) централизованная — с подклю-

чением батареи на шины 0,38 и 6—10 кВ подстанции. Во

избежание существенного возрастания затрат на отключа-

ющую аппаратуру мощность батарей конденсаторов долж-

на быть не менее 400 квар при присоединении конденсато-

ров через отдельный выключатель и не менее 100 квар при

присоединении конденсаторов через общий выключатель

к силовым трансформаторам, асинхронным двигателям

и другим электроприемникам.

Основные технико-экономические преимущества кон-

денсаторов в сравнении с другими компенсирующими уст-

ройствами состоят в следующем: а) возможность примене-

19*