Руководство по устройству электроустановок - Компенсация на зажимах трансформатора

6 Компенсация на зажимах трансформатора

Установка блока (батареи) конденсаторов может устранять необходимость замены трансформатора в случае увеличения нагрузки
6.1 Компенсация для повышения располагаемой выходной активной мощности
Шаги, аналогичные принимаемым для снижения гарантированного максимального значения кВА, т.е., повышения коэффициента мощности нагрузки, как обсуждается в п.5.4, позволяют максимизировать располагаемую мощность трансформатора, т.е., подавать больше активной мощности.
В некоторых случаях данный метод позволяет избежать замены трансформатора на трансформатор большей мощности для обслуживания возросшей нагрузки. Рис. К17 показывает мощность (кВт) полностью нагруженных трансформаторов при различных коэффициентах мощности нагрузки, увеличение которых приводит к увеличению активной выходной мощности.

Рис. К1,: Активная мощность полностью нагруженных трансформаторов при питании нагрузок при различных значениях коэффициента мощности

Рис. К1: Реактивные сопротивления трансформатора на фазу
K16
При измерении на стороне высокого напряжения трансформатора потери реактивной мощности в трансформаторе могут (в зависимости от тарифа) требовать компенсации
Реактивная мощность, поглощаемая трансформатором, не может не приниматься во внимание, и может составлять (около) 5% от номинальной мощности трансформатора при его номинальной нагрузке. Компенсация может обеспечиваться блоком конденсаторов. В трансформаторах реактивная мощность поглощается обоими реактивны/ми сопротивлениями (с параллельным соединением (намагничивающие) и последовательным соединением (магнитный поток рассеивания)). Полная компенсация может обеспечиваться блоком параллельно соединенных конденсаторов низкого напряжения

Рис. K2t: Поглощение реактивной энергии последовательным индуктивным сопротивлением
6.2 Компенсация реактивной энергии, поглощаемой трансформатором
Индуктивные реактивные сопротивления трансформатора
Во всех предыдущих случаях рассматривались устройства с параллельным соединением, используемые в нормальных нагрузках, и блоки конденсаторов для повышения коэффициента мощности и т.д. Причина такого выбора состоит в том, что параллельно соединенная установка требует наибольшего количества реактивной энергии в энергосистемах; однако, реактивные сопротивления с последовательным соединением, такие как индуктивные реактивные сопротивления силовых линий и реактивные сопротивления рассеяния обмоток трансформатора и т.д., также поглощают реактивную энергию. При измерениях на стороне высокого напряжения трансформатора потери реактивной энергии в трансформаторе могут (в зависимости от тарифа) требовать компенсации. Поскольку рассматриваются только потери реактивной энергии, трансформатор может быть представлен с помощью элементарной схемы (Рис. К19). Все значения реактивных сопротивлений приведены к вторичной обмотке трансформатора, на которой параллельное ответвление представляет путь намагничивающего тока. Намагничивающий ток остается практически постоянным (при около 1,8% номинального тока) при изменении нагрузки от нуля до номинальной в нормальном режиме, т.е., при постоянном напряжении на первичной обмотке. Поэтому, на стороне высокого или низкого напряжения может устанавливаться постоянный (нерегулируемый) шунтирующий конденсатор для компенсации поглощаемой реактивной энергии.
Поглощение реактивной мощности (XL) в последовательном соединении (магнитный поток рассеяния) реактивных сопротивлений
Простая иллюстрация этого явления приводится на векторной диаграмме (Рис. К20).
Реактивная составляющая тока через нагрузку = I sin ф, так что, QL = VI sin ф.
Реактивная составляющая тока от источника = I sin ф' так что,
QE = EI sin ф'
Где V и E выражены в кВ.
Можно видеть, что E > V и sin ф' > sin ф.
Разница между EI sin ф' и VI sin ф XL дает значение квар на фазу (поглощение XL). Можно показать, что такое значение квар равно I2XL (аналог потерь активной мощности (кВт) I2R - потери в последовательно соединенных элементах).
Из формулы I2XL легко вывести поглощаемое значение квар при любом значении нагрузки для заданного трансформатора следующим образом:
Если используются значения в относительных единицах (вместо значений в процентах), можно выполнить прямое умножение I на XL.
Пример:
Трансформатор 630 кВА с реактивной составляющей напряжения короткого замыкания 4%
работает при полной нагрузке.
Каковы его потери реактивной мощности (квар)?
4% = 0,04 pu Ipu = 1
Потери = I2XL = 12 x 0,04 pu квар
Где 1 pu = 630 кВА
3-хфазные потери реактивной мощности (квар) 630 х 0,04 - 25,2 квар (или, просто, 4% от 630 кВА).
При половине нагрузки, т.е., I = 0,5 pu потери составят
0.52 x 0.04 = 0.01 pu = 630 x 0.01 = 6.3 квар и т.д.
Данный пример и векторная диаграмма (Рис. К22) показывают, что:
Коэффициент мощности на стороне первичной обмотки нагруженного трансформатора отличается (нормально ниже) от коэффициента на вторичной обмотке (из-за поглощения реактивной энергии (квар))
Потери реактивной энергии (квар) при полной нагрузке из-за реактивного сопротивления рассеяния равно реактивному сопротивлению трансформатора в процентах (4% - потери реактивной мощности (квар), равные 4% номинального значения кВА трансформатора)
Потери реактивной мощности (квар) из-за реактивного сопротивления утечки изменяются согласно квадрату тока (или нагрузки кВА)

Для определения общих потерь реактивной энергии (квар) трансформатора необходимо добавить постоянные потери в цепи намагничивающего тока (прибл. 1,8% номинального значения кВА трансформатора) к указанным «последовательным» потерям. Рис. К21 показывает потери реактивной мощности (квар) при холостом ходе и при полной нагрузке для типового распределительного трансформатора. В принципе, последовательно включенные индуктивные сопротивления могут компенсироваться постоянно включенными нерегулируемыми конденсаторами (как в общем случае протяженных высоковольтных линий передачи). Однако, такая схема сложна для выполнения, тем более что при уровнях напряжения, рассматриваемых в данном руководстве, всегда применима параллельная компенсация.
В случае измерений на стороне высокого напряжения достаточно повысить коэффициент мощности до значения, при котором трансформатор плюс потребление реактивной мощности нагрузки ниже уровня, при котором взимается дополнительная плата за электроэнергию. Этот уровень зависит от тарифа, но часто соответствует значению tg ф 0,31 (cos ф 0,955).

Рис. К21 Потребление реактивной мощности для распределительных трансформаторов с первичными обмотками 20 кВ
Теоретически, потери реактивной энергии (квар) в трансформаторе могут быть полностью компенсированы путем регулирования блока конденсаторов таким образом, чтобы создать небольшой избыток реактивной мощности конденсаторов (QC) по сравнению с реактивной мощностью нагрузки (QL) (QC - QL > 0). При этом коэффициент мощности нагрузки (cos ф) увеличится и будет опережающим. В таком случае вся реактивная мощность (квар) трансформатора подается от блока конденсаторов, а ввод на сторону высокого напряжения трансформатора имеет коэффициент мощности 1, как показано на Рис. К22.

Рис. К2. : Перекомпенсация нагрузки до полной компенсации потерь реактивной энергии в трансформаторе
С практической точки зрения, компенсация реактивной энергии (квар), поглощаемой трансформатором, осуществляется конденсаторами, главным образом предназначенными для повышения коэффициента мощности нагрузки (централизованно, посекционно или индивидуально). В отличие от большинства других элементов, поглощающих реактивную энергию, поглощение трансформатором (т.е., из-за реактивного сопротивления рассеяния) значительно изменяется при изменении уровня нагрузки, так что, если для трансформатора применяется индивидуальная компенсация, то средний уровень нагрузки должен приниматься в качестве гарантированного.
Однако, такое поглощение реактивной энергии составляет, как правило, относительно небольшую часть общей реактивной мощности установки, и поэтому рассогласование компенсации с временным изменением нагрузки не представляет проблемы. Рис. К21 показывает типовые значения потерь реактивной энергии для намагничивающей цепи (строки «квар без нагрузки»), а также общие потери при полной нагрузке для стандартных распределительных трансформаторов, при питании 20 кВ (с учетом потерь из- за реактивного сопротивления рассеяния).