Файл: Актуальность и основные понятия дисциплины.pdf

Минимальная реактивная мощность
БСК, обеспечивающая минимально допустимое напряжение в узле 2, определяется выражением
(60), аналогичным рассмотренному выше уравнению (55):
доп
C
доп
БCK
U
х
U
U
Q
2 2
2
min


(60)
При выборе по каталогам стандартной мощности батареи следует учитывать, что стандартные мощности батарей статических конденсаторов указываются при их номинальных напряжениях, а не при минимально допустимых по ГОСТ 32144-2013. Поэтому минимальная мощность батареи, определенная расчетным путем, должна быть приведена к номинальному напряжению по формуле приведения (61):
2 2
min min
)
(
)
(
доп
ном
Uнно
U
БСК
U
U
Q
Q


(61)
По ней выбирается ближайшая большая стандартная мощность комплектной батареи статических конденсаторов.
Для усвоения принципов поперечной компенсации реактивной мощности посредством батареи статических конденсаторов проведем виртуальный эксперимент, аналогичный рассмотренному выше (п. 5.1). В программной среде Electronics Workbench составим компьютерную модель электрической сети (рис. 80). Исследуемая система будет представлять собой трехфазную электрическую цепь. Схема соединения источников и приемников сети – «звезда». Схема замещения линии электропередачи состоит из активных RЛ1, RЛ2, RЛ3и индуктивных элементов LЛ1, LЛ2, LЛ3
(рис. 80).Схема замещения приемников электрической энергии реализуется на активных и индуктивных элементах. В зависимости от фазы это Rа, Rb, Rс и Lа, Lb, Lс соответственно.
Параметры виртуальных компонентов, используемые при моделировании, выбраны следующие:

источники синусоидального напряжения(библиотека Sources): Е
А
= Е
В
= Е
С
= 220 В, f = 50 Гц;


сопротивления и индуктивности участков линии передачи
(библиотека Basic): R1 = R2 = R3 = 1 Ом, L1 = L2 = L3 = 20 мГ;

сопротивления трехфазного электроприемника(библиотека
Basic): R
А
= R
В
= R
С
= 20 Ом, L
А
= L
В
= L
С
= 200 мГ;

вольтметры PV1…PV3 (библиотека Indicators) – в режиме для измерения сигналов переменного тока – АС.
Результаты моделирования помещены в табл. 8. Как видно из полученных данных, под нагрузкой при отсутствии компенсирующих устройств напряжение в месте присоединения электроприемника находится на уровне 200 В.
При подключении параллельно нагрузке конденсаторов С
БСК
(рис. 81), т. е. при поперечной компенсации реактивной мощности в сети напряжение на шинах электроприемника поднимается (табл. 8). Подбором емкости конденсаторов батареи С
БСК
можно свести отклонение напряжения от номинального значения до нуля.
Таблица 8
Регулирование напряжения путем поперечной компенсации реактивной мощности в сети посредством батареи конденсаторов
№ п/п
С, мкФ
Фазные напряжения
Отклонения напряжения
U
а
, кB
U
в
, кB
U
с
, кB

U
а
, %

U
в
, %

U
с
, %
1 0
200,8 200,8 200,8 8,7 8,7 8,7 2
5 202,7 202,7 202,7 7,9 7,9 7,9 3
10 204,6 204,6 204,6 7
7 7
4 15 206,5 206,5 206,5 6,1 6,1 6,1 5
20 208,5 208,5 208,5 5,2 5,2 5,2 6
25 210,5 210,5 210,5 4,3 4,3 4,3 7
30 212,5 212,5 212,5 3,4 3,4 3,4 8
35 214,6 214,6 214,6 2,5 2,5 2,5 9
40 216,8 216,8 216,8 1,5 1,5 1,5 10 45 219 219 219 0,5 0,5 0,5 11 47 219,8 219,8 219,8 0,1 0,1 0,1

Рис. 80. Компьютерная модель трехфазной электрической сети с подключенной нагрузкой
Рис. 81. Модель трехфазной электрической сети с поперечной компенсацией реактивной мощности
Е
А
Е
В
Е
С
R
Л1
L
Л1
Е
А
Е
В
Е
С
C
БСК
R
Л2
R
Л3
L
Л2
L
Л3
Ra
Rb
Rc
La
Lb
Lc
R
Л1
R
Л2
R
Л3
L
Л1
L
Л2
L
Л3
Ra
Rb
Rc
La
Lb
Lc
C
БСК
C
БСК

5.4.3. Шунтирующие реакторы
Реактор
– это статическое электромагнитное устройство, предназначенное для использования его индуктивности (L
P
, x
P
) в электрической цепи. Активное сопротивление реактора очень мало.
Шунтирующие реакторы применяются для снижения реактивной мощности и напряжения в сети. Они рассчитываются на напряжения 35…750 кВ и могут как присоединяться к линиям, так и включаться на шины подстанций. На рис. 82 показано, как обозначается реактор (рис. 82, а) и как включается в сеть (рис. 82, б).
а)
б)
Рис. 82. Включение реактора (а) и схема замещения сети (б)
Реактор потребляет реактивную мощность из сети. Реактивная мощность зависит от квадрата напряжения на линейной части его электромагнитной характеристики:
2
U
B
Q
p
p


,
(62)
где
p
p
x
B
1

– индуктивная проводимость реактора, См.
Шунтирующие реакторы бывают:

регулируемые,

нерегулируемые.
При допустимых отклонениях напряжений на шинах высшего напряжения подстанций, к которым подключаются шунтирующие реакторы, потребляемая реактивная мощность
Q
P
изменяется в пределах
(0,8…1,1)Q
P.nom
Управление реактором осуществляется в результате целенаправленного изменения его параметров с помощью подмагничивания. Подмагничивание
U
1
U
2
LR
U
1
U
2
z
C
x
P

возможно только для управления реакторами, имеющими магнитопровод из ферромагнитного материала.
Регулируемые или управляемые реакторы (рис. 83) изменяют потребляемую реактивную мощность по сигналам управления, что более эффективно для регулирования напряжения и реактивной мощности.
Рис. 83. Принципиальная схема управляемого реактора
Реакторы устанавливаются обычно на линиях высоких и сверхвысоких классов напряжения для компенсации реактивной мощности, генерируемой воздушными линиями электропередачи. Генерация реактивной мощности линиями электропередачи может привести к значительному повышению напряжения в конце линий в режимах холостого хода или в режимах малых перетоков мощности.
В режимах максимальных нагрузок выполняется проверка уровней напряжений.
При необходимости предусматривается отключение нерегулируемых реакторов или используются управляемые.
Мощность нерегулируемых реакторов выбирается так же, как и других компенсирующих устройств, по выражению (55).
При расчетах установившихся режимов нерегулируемый реактор представляется неизменной индуктивной проводимостью
В
Р
и рассчитывается по формуле (63):
2
nom
уст
P
P
U
Q
B

(63)
Мощность управляемого реактора выбирается также по выражению
(55) и не приводится к номинальному напряжению. При расчетах
x
P
УУ

установившихся режимов мощность управляемого реактора принимается постоянной Q
P
5.4.4. Статические тиристорные компенсаторы
Статические тиристорные компенсаторы (СТК) используются для плавной (регулируемой) генерации или потребления реактивной мощности, что достигается использованием в СТК нерегулируемой батареи конденсаторов и включенного параллельно (рис. 84, а) или последовательно
(рис. 84, б) с ней регулируемого реактора.
а)
б)
Рис. 84. Принципиальная схема статических тиристорных компенсаторов: а – с параллельным и б – последовательным включением управляемого реактора
Плавность регулирования реактивной мощности статическим тиристорным компенсатором достигается с помощью тиристорного блока, входящего в устройство управления. Схемы статических тиристорных компенсаторов весьма разнообразны и позволяют вырабатывать или потреблять реактивную мощность в зависимости от режима и вида схемы.
Стоимость статических тиристорных компенсаторов имеет тенденцию к снижению с увеличением мощности устройства. Совершенствование тиристоров, составляющих значительную часть их стоимости, имеет тенденцию к улучшению их технико-экономических показателей. При этом применение статических тиристорных компенсаторов может оказаться более
УУ
УУ
X
L
X
L
X
C
X
C

целесообразным, чем установка синхронных компенсаторов и тем более батарей статических конденсаторов.
Мощность статических тиристорных компенсаторов выбирается по выражению (55) и равна
доп
C
доп
СТК
U
x
U
U
Q
2 2
2


5.4.5. Регулирование напряжения изменением параметров сети
Регулировать сетевое напряжение можно также путем изменения величины падения напряжения в сети. Как было отмечено выше, напряжение у потребителя по модулю
12 1
2
U
U
U



зависит в основном от продольной составляющей падения напряжения:
1 12 12 12
U
x
Q
r
P
U
С
H
С
H



, где
H
P
12
,
H
Q
12
– потоки мощности в начале передачи;
С
R
,
С
X
– активное и реактивное сопротивления сети.
Поэтому воздействовать на напряжение
2
U
в узле 2 можно за счет варьирования продольных параметров сети, т. е. активных
С
r
и индуктивных
С
x
сопротивлений (рис. 85).
Рис. 85. Схема замещения сети
Сопротивления линий зависят от материала и сечения проводов или жил кабелей, конструктивного выполнения сети (воздушная или кабельная) и числа параллельно работающих цепей. Материал и конструктивное выполнение линий обычно выбирают независимо от условий режима напряжений. Число параллельно работающих линий или трансформаторов так же, как правило, определяется по другим условиям (надежность электроснабжения, пропускная способность и т. д.).
Практически изменение сопротивлений сети связывают с изменением режима напряжений в ней только в двух случаях:
1
Н
К
2
S = P + jQ
U
1
U
2
r
C
x
C

1) при выборе сечений проводов и жил кабелей с учетом отклонений напряжения у электроприемников – так называемой допустимой потере напряжения;
2) при применении последовательного включения конденсаторов в воздушных линиях.
Уменьшение индуктивного сопротивления воздушных линий достигается путем последовательного включения конденсаторов (продольная емкостная компенсация).
Соотношение активного и реактивного сопротивлений электропередачи зависит от класса номинального напряжения.
1. При напряжениях сети ниже 35 кВ активное сопротивление выше реактивного. Эта закономерность характерна для распределительных сетей и сетей электроснабжения предприятий и городов. Таким образом, в распределительных сетях и сетях электроснабжения регулирование напряжения может выполняться с помощью активного сопротивления сети.
Это реализуется на этапе проектирования сети при выборе сечения линий электропередачи по допустимому падению напряжения:
доп
доп
U
U
U
2 1
12



, где
доп
U
2
– минимально допустимое значение напряжения у потребителя.
Если выразить
доп
U
12

через параметры сети и передаваемую мощность
1 12 12 12
U
X
Q
R
P
U
С
H
С
H
доп



, то можно определить максимальное активное сопротивление в сети по формуле (64), при котором в узле 2 напряжение будет соответствовать допустимому значению:
C
C
H
С
H
доп
С
F
l
P
x
Q
U
U
r





12 12 1
12
,
(64) где
C
F
– сечение, а

– удельное сопротивление проводника.
Из приведенного равенства можно получить минимальное сечение проводника, обеспечивающего допустимое падение напряжения в сети:

С
H
доп
H
C
C
х
Q
U
U
P
l
F
12 1
12 12
min




(65)
2. В питающих сетях напряжением 110 кВ и выше реактивные сопротивления превышают активные. Поэтому
1 12 12 12
U
x
Q
r
P
U
С
H
С
H
доп



в значительной степени определяется реактивным сопротивлением линий, которое мало зависит от сечения. Выбирать сечение линий в питающих сетях по допустимой потере напряжения экономически нецелесообразно. Поэтому в высоковольтных сетях регулирование напряжения параметрическим способом осуществляют изменением реактивного сопротивления.
На реактивное сопротивление воздействуют путем включения в линию конденсаторов, в результате чего напряжение у потребителя в узле 2 повышается до допустимого уровня в соответствии с выражением
1 12 12 1
12 1
2
)
(
U
x
x
Q
r
P
U
U
U
U
K
С
H
С
H
доп
доп







,
(66) где
K
x
– ёмкостное сопротивление конденсатора.
Последовательное включение в линию конденсаторов называют
продольной компенсацией. При включении в рассечку линии конденсаторов (рис. 86) устройства продольной компенсации (УПК) достигается уменьшение индуктивного сопротивления электропередачи.
Рис. 86. Схема включения в сеть устройства продольной компенсации
(УПК) реактивной мощности
Для устройства продольной компенсации отношение ёмкостного сопротивления конденсаторов х
К
к реактивному сопротивлению линии x
С
, выраженное в процентах, называется процентом компенсации:
100


C
K
х
х
C
(67)

Обычно применяют лишь частичную компенсацию реактивного сопротивления линии (С < 100 %), поскольку полная или избыточная компенсация могут привести к перенапряжению в сети.
Принцип работы устройства продольной компенсации реактивной мощности можно проверить на основе несложного и уже знакомого моделирования с применением инструментов виртуальной лаборатории
Electronics Workbench.
За основу возьмем схему трехфазной электрической сети, изображенную на рис. 80. Параметры используем те же, что рассматривались в п. 5.4.2. Для компенсации падения напряжения в точке цепи, где присоединяется нагрузка, добавим в рассечку линии последовательно с электроприемником конденсатор (рис. 87). Будем варьировать параметры конденсатора и фиксировать величину напряжения в точке подключения нагрузки. Полученные результаты занесем в табл. 9.
Таблица 9
Регулирование напряжения путем продольной компенсации реактивной мощности в сети
№ п/п
С, мкФ
Фазные напряжения
Отклонения напряжения
U
а
, кB
U
в
, кB
U
с
, кB

U
а
, %

U
в
, %

U
с
, %
1 0
200,8 200,8 200,8 8,7 8,7 8,7 2
22,5 201,8 201,8 201,8 8,3 8,3 8,3 3
22,7 205,2 205,2 205,2 6,7 6,7 6,7 4
22,9 208,5 208,5 208,5 5,2 5,2 5,2 5
23,1 211,9 211,9 211,9 3,7 3,7 3,7 6
23,3 215,4 215,4 215,4 2,1 2,1 2,1 7
23,5 218,9 218,9 218,9 0,5 0,5 0,5 8
23,54 220,0 220,0 220,0 0
0 0
Результаты виртуального эксперимента подтверждают эффективность рассматриваемого метода регулирования напряжения. Незначительные изменения емкости конденсатора, входящего в состав УПК, позволяют заметно влиять на уровень напряжения в сети.

Рис. 87. Компьютерная модель сети при продольной компенсации реактивной мощности
Е
В
Е
А
Е
С
R
Л2
R
Л1
R
Л3
L
Л1
L
Л2
L
Л3
С1
С2
С3
Ra
Rb
R
с
Lb
L
а
L
с

В целом применение устройства продольной компенсации позволяет улучшить режимы напряжения в сети. Их применяют не только для регулирования напряжения, но и для повышения пропускной способности линии. Поэтому наиболее эффективно использовать устройства продольной компенсации для уменьшения отклонения напряжения на перегруженных радиальных линях.
Устройства продольной компенсации представляют собой сложные в эксплуатации и дорогие установки. Для их защиты от перенапряжений во время коротких замыканий требуется проведение специальных мероприятий.
Выводы:
1. Регулирование напряжения с помощью регулировочных устройств достигается за счет изменения потерь напряжения в сети посредством генерирования или потребления реактивной мощности.
2.
Компенсирующие устройства обеспечивают поперечную компенсацию передаваемой реактивной мощности.
3. Устройства компенсации реактивной мощности уменьшают индуктивные сопротивления и отклонения напряжений нагруженных линий.