Общая политика компенсации.
Распределительные сети среднего или низкого напряжения — потребители реактивной мощности. С одной стороны, потребители лишь в исключительных случаях производят реактивную мощность, широко используя свойства неподвижных и вращающихся магнитных полей. С другой стороны, в сетях потребление реактивной мощности трансформаторами и линиями превышает выработку реактивной мощности, связанной с наличием емкостей линий и кабелей. Только у мощных подземных сетей появляется избыток реактивной мощности, особенно в часы слабой загрузки.
Компенсация реактивной мощности направлена в основном на экономию (уменьшение потерь) при эксплуатации распределительных сетей и одновременно на улучшение качества напряжения.
Передача реактивной мощности, необходимой для работы распределительных сетей, по передающим сетям затрудняет эксплуатацию их не только из-за экономических, но и из-за технических последствий, существенно затрудняющих регулирование напряжения в передающих сетях.
* В отечественной литературе принято название «натуральная» мощность. — Прим. ред.
Идеальным решением с технической точки зрения была бы выработка реактивной мощности местными источниками, расположенными вблизи каждого потребителя. Однако чем больше источников реактивной мощности и соответственно аппаратуры управления и защиты, тем она дороже.
Для нахождения наилучшего решения приходится сопоставлять стоимость установки конденсаторов и дополнительной аппаратуры к ним (с учетом расходов на эксплуатацию) с экономией на стоимости потерь в распределительных и передающих сетях, а также с выигрышем, получаемым за счет улучшения напряжения у потребителя. Приходится искать компромисс.
Компенсации в распределительных сетях осуществляются:
конденсаторными батареями НН (или СН) потребителей, расположенными непосредственно у двигателей и других мощных потребителей реактивной мощности. Установка таких батарей стимулируется тарифом, по которому оплачивается энергия, если tgф> 0,6;
конденсаторными батареями НН, дополняющими действие батарей у потребителей, с тем чтобы в достаточной степени уменьшить падения напряжения и потери в этих сетях;
конденсаторными батареями СН, которые в соответствии с обстоятельствами могут быть расположены вдоль линий или, напротив сгруппированы в мощные батареи.
Конденсаторные батареи у потребителей.
Конденсаторы НН изготавливаются в однофазном исполнении на малую мощность (на 1 квар, например). Их стоимость значительно повышается в зависимости от напряжения.
Если внутренние линии потребителя имеют большую длину, то в этом случае имеем смысл дробить мощности конденсаторов, устанавливая их вблизи потребителей. Их перегруппировка может быть также оправдана, упрощением регулирующих установок, а иногда некоторым уменьшением мощности батарей.
Защита от внутренних аварий в конденсаторах осуществляется с помощью предохранителей, включаемых последовательно с каждой батареей.
Необходимо защищать батареи НН (особенно если они достигают значительной мощности):
от длительных перенапряжений, которые могут вызывать перегрев и пробой конденсаторов; для этой цели используют реле напряжения с выдержкой времени;
от высших гармоник напряжения, которые создают в конденсаторах опасные сверхтоки. Эта защита, необходимая лишь в редких случаях, осуществляется включением последовательно с конденсаторами индуктивности такой величины, что резонансная частота схемы должна сильно отличаться от частоты существующих высших гармоник; эта защита дорогостояща и вызывает уменьшение эффективности батареи- и дополнительные потери;
против самовозбуждений при пуске или останове асинхронных двигателей, когда их переменная индуктивность входит в резонанс с емкостью батареи при частотах, меньших номинальной частоты.
Для защиты батарей конденсаторов необходимо Предусматривать реле напряжения и частоты. Необходимо также; предусмотреть возможность отключения конденсаторов (Частями или всем блоком) при ежедневных остановках двигателей.
В преобладающем большинстве случаев установка конденсаторных батарей НН достаточно проста.
Конденсаторные батареи в сетях НН.
Существует много потребителей, установленная мощность которых весьма мала, и экономически нецелесообразно проводить компенсаций у них реактивной мощности, поскольку она не может быть полной.
Логично было бы устанавливать батареи конденсаторов НН вдоль линий или кабелей, поскольку они позволяют уменьшить потери и падения напряжения вдоль линий НН. Однако стоимость дополнительной аппаратуры к таким батареям (защитные кожухи, выключатели, управляемые реле напряжения), а также затруднения по дальнейшему усилению сети — все это значительно уменьшает тот выигрыш, который получается при установке их на существующих подстанциях СН/НН (даже при относительно дешевых батареях СН).
Установка батареи конденсаторов НН быстро оправдывается в городских сетях НН. В этом случае сеть СН, состоящая из подземных кабелей, является производителем реактивной мощности, но в то же время установка батарей СН оправдывается очень редко.
Городские сети США издавна используют такие батареи конденсаторов НН, которые установлены или на подстанциях СН/НН, или в узлах разветвленной сети.
Во Франции стандартизованы батареи для подземных подстанций СН/НН, которые, как правило, должны быть установлены на всех подстанциях, номинальная мощность которых превосходит 100 кВ • А. Их управление и защита осуществляются магнитным пускателем, оснащенным:
первичным реле максимального тока (защита от внутренних аварий, являющихся глухими замыканиями между фазами);
реле минимального напряжения (поскольку при малых значениях напряжения контактор плохо замыкается и возникает риск его аварии);
реле реактивной мощности, управляющим включением или выключением батареи.
Конденсаторные батареи в сетях СН.
В воздушных сетях СН компенсация является только частичной. Полагают, что она достаточна, если в часы пик средняя величина tgф < 0,6. Однако не надо требовать от передающих сетей передачи такой реактивной мощности, поскольку регулирование напряжения в ней становится затруднительным и дорогостоящим (см. гл. 6). И все же компенсацией нельзя достичь многого, если сети СН питаются непосредственно от ТЭС, синхронные генераторы которых могут выдавать необходимую реактивную энергию. Но с того момента, когда по передающей сети должна передаваться энергия,
стоимость дополнительных потерь, вызываемых передачей реактивной энергии, составляет существенную часть общей стоимости. Следовательно, необходимо стремиться к полной компенсации реактивной мощности.
Рис. 3.1. Схема батареи конденсаторов
Батареи конденсаторов, установленные в сетях СН, состоят из «единичных» батарей, номинальная стандартная мощность которых во Франции оставалась долгое время равной 20 квар, а теперь * составляет 50 квар. Единичные мощности батарей 50 квар используют также в большинстве европейских стран. В США применяют батареи мощностью 50—100 квар.
Единичные батареи одного и того же напряжения и номинальной мощности имеют одну и ту же емкость, но только в пределах точности, допускаемой способом изготовления. Эта точность недостаточна для обеспечения необходимой симметрии между фазами. При установке батарей необходимо их классифицировать и тщательно отбирать для обеспечения возможно лучшего симметрирования.
*Появление новых «пленочных» конденсаторов, видимо, приведет к увеличению единичных мощностей (ем. предисловие). -Прим. ред.
Каждая батарея, установленная в сетях Э де Ф (рис. 3.1), оснащена:выключателем мгновенного действия (ВМД) специального типа, имеющим дистанционное управление (ДУ) для устранения повторного зажигания дуги при включении;
предохранителями (П), отключающими в случае пробоя какой-то единичной батареи фазу, в которой произошла авария; сгорание одного из трех предохранителей должно давать команду на отключение выключателя, поскольку несимметричная работа батарей может вызвать нарушения в работе сети;
«разрядными индуктивностями» L, с помощью которых конденсаторы после замыкания выключателя разряжаются за достаточно короткий промежуток времени (несколько секунд), устраняя опасные ситуации для персонала, работающего с батареями; при частоте 50 Гц эти индуктивности имеют малую абсолютную величину полной проводимости по отношению к проводимости батареи. Можно использовать только две индуктивности (рис. 3.1):
балансным реле (БР) специального типа, включенным между нейтральными точками двух половин батареи. Две полубатареи составлены из единичных батарей, включенных в звезду. Нейтральные точки
обеих звезд обычно находятся под нулевым напряжением (но их нельзя соединять с землей); авария, происходящая на одной из единичных батарей, вызывает несимметрию в соответствующей полубатарее и, как следствие этого, появление напряжения на нейтрали звезды; балансное реле находится под воздействием этого напряжения и подает команду на выключатель;
реле реактивной мощности (PPM), получающим питание от трансформатора тока и от вторичной обмотки трансформатора напряжения, который установлен на разгрузочных индуктивностях; это реле управляет включением или отключением батареи в зависимости от величины протекающей реактивной мощности в линии. Реле имеет выдержку времени в несколько минут. Батарея включена только тогда, когда эта мощность превосходит «мощность регулирования» в течение достаточного времени (разумеется, имеется также выдержка времени и при отключении батареи).
Оптимальное месторасположение батареи в сети СН обычно находится в «середине» линии. Для уточнения этой точки необходимо проделать экономический расчет.
Установка батареи позволяет:
уменьшить потери мощности и падения напряжения в передающих сетях. Это преимущество не зависит от месторасположения батареи в сети СН;
уменьшить потери мощности в сети СН, так как влияние на потери среднего напряжения незначительно; последствий уменьшения потерь трудно уточнить, принимая во внимание работу существующих регуляторов напряжения.
Следовательно, точка установки батареи будет наилучшей, если снижение потерь в сети СН максимально. Это снижение, естественно, чувствуется только на участке линии между питающей подстанцией А сети и батареей В.
Потери в часы провала нагрузок незначительны.
Пусть М— точка рассматриваемого участка линии, в непосредственной близости от которой элемент линии длиной dl имеет активное сопротивление AR, и по нему протекает реактивная мощность Q. Тогда в этом элементе происходят потери Q2AR/U2 и, кроме того, потери, вызванные протеканием активной мощности.
Если QM— реактивная мощность, протекающая через точку М в часы пика нагрузок при включенной батарее конденсаторов, a q— мощность этой батареи, то потери до компенсации и после нее запишутся соответственно как
Разница между АР0 и АР, максимальна, если точка В, в которой установлена батарея, такова, что QB = 0,5q, т. е. если в точке, где установлена батарея, реактивная мощность, проходящая по линии перед батареей, равна половине номинальной мощности ее. Это условие не
позволяет определять значение q, но очевидно, что q=QA, где QA — реактивная мощность, выдаваемая по линии, отходящей от подстанции А в часы пиковой нагрузки.
Местоположение точки В можно определить только приблизительно, поскольку в расчетах:
не учитывались ни потери в часы провала нагрузок (принимаемые за незначительные), ни будущее развитие нагрузок (что важно);
не принималась во внимание дополнительная стоимость установки батареи вдоль линии по сравнению с ее установкой на существующей подстанции (на подстанции А, например); если батарея имеет малую мощность и не имеет дополнительной аппаратуры(защита осуществляется, например, только предохранителями), ее установка на линии оправдана.
Рассмотренный способ установки весьма распространен в США и, вне всякого сомнения, будет принят также и в Европе.
Батареи конденсаторов СН устанавливают главным образом на подстанциях ВН/СН и присоединяют непосредственно на системы шин СН (рис. 3.2). Их делят на несколько «ступеней», что позволяет осуществлять некоторое регулирование производимой реактивной мощности; каждая из этих ступеней имеет номинальную мощность порядка 1 Мвар. Имеется столько же реле реактивной мощности (PPM), сколько существует ступеней, которые питаются от напряжения между фазами на системе сборных шин, разности токов питающего трансформатора и батареи. Каждая ступень управляется отдельно с помощью выключателя (ВМД) (см. рис. 3.1), но имеется еще и общий выключатель (В), находящийся под воздействием реле тока (РТ), которые отключают его при аварии внутри единичной батареи (обычно это короткое замыкание).
В рассматриваемой схеме в отличие от предыдущей схемы (см. рис. 3.1) отсутствуют предохранители ступеней, поскольку защита от внутренних аварий осуществляется другим способом.
В схеме имеются токоограничивающие реакторы Lp, включенные последовательно в каждую ступень. При включении под напряжение ступеней, предварительно находившихся в работе, происходит их разряд на эти катушки, которые ограничивают разрядный ток до величины выдерживаемой установкой; достаточно, чтобы их индуктивные сопротивления были равны нескольким сотым ома при частоте 50 Гц (например, катушка без железного сердечника).
Роль конденсаторных батарей СН характеризуется следующими цифрами: общая мощность батарей, работающих в сетях Э де Ф, к 1966 г. составляла* 2000 Мвар, а батарей в сетях ежегодно устанавливалось приблизительно 400 Мвар.
*В настоящее время источники реактивной мощности (всех видов) имеют более 4000 Мвар.
Производство реактивной мощности в передающих сетях.
Потребность в реактивной мощности различна в зависимости от нагрузки и имеет общую тенденцию к увеличению, поэтому компенсация никогда не бывает полной.
Рис. 3.2. Схема трехступенчатой батареи конденсаторов
Передающая сеть — незначительный источник реактивной мощности. Кроме синхронных генераторов станций, производящих реактивную мощность (они являются наиболее экономичными источниками для сетей, находящихся в непосредственной близости от них), в передающей сети могут существовать и другие источники, или, вернее, средства компенсации (синхронные компенсаторы, индуктивности и высоковольтные фильтры), которые могут являться как производителями, так и потребителями реактивной энергии.
Синхронные компенсаторы — синхронные машины, способные в зависимости от того, недовозбуждены они или перевозбуждены, поглощать или выдавать реактивную мощность.
Синхронные компенсаторы подключают или к системе сборных шин СН подстанции, если существует только одна система, или на третичную обмотку трансформаторов СВН/ВН. Их номинальные мощности достигают нескольких мегавар (до 20 Мвар), а возбудители управляются регулятором, для которого определяется в каждом частном случае закон регулирования (в общем случае зависящий от напряжения передающей сети). Потери в компенсаторах значительно выше, чем потери в статистических конденсаторах, и в сетях Э де Ф синхронные компенсаторы используют только при дополнительных обстоятельствах :
в узлах сети, где требуется поглощать или выдавать реактивную мощность для поддержания напряжения в заданных пределах;
на подстанциях, питающих значительные резко меняющиеся нагрузки (дуговые печи, электротягу), вызывающие резкие изменения напряжения;
на подстанциях, удаленных от любой электростанции, и в тех местах, где они помогают поддерживать устойчивость системы.
Индуктивности используют для компенсации реактивной мощности, поставляемой линиями сверхвысокого напряжения (380 кВ и выше). Так, участок линии напряжением 380 кВ и длиной 100 км в режиме холостого хода производит реактивную мощность 50 Мвар. Эта мощность, проходя через линию, может вызвать скачок напряжения, опасный для изоляции оборудования.
Индуктивность, подключенная непосредственно или через трансформатор (на вторичную или третичную обмотку), поглощает часть реактивной мощности, ограничивая перенапряжения.
Непосредственное подключение при этом было бы более логично, поскольку индуктивность была бы связана с линией даже тогда, когда отключена остальная часть сети. Однако изготовление индуктивностей с изоляцией на весьма высокое напряжение дорого и затруднительно, что и объясняет недостаточное применение их.
Высоковольтные фильтры применяют на подстанциях, преобразующих переменный ток в постоянный, где необходимо компенсировать реактивную мощность и мощность искажения.
Компенсация происходит со стороны постоянного тока с помощью сглаживающих индуктивностей; со стороны переменного тока—с помощью конденсаторов или фильтров, не пропускающих в сеть высшие гармоники.
Решение проблем реактивной мощности связано с такими сложными задачами, как регулирование напряжения, ограничение перенапряжений при включении или отключении линий, преобразование переменного тока в постоянный.
