Компенсация реактивной мощности высоковольтных систем
Область применения компенсирующих высоковольтных конденсаторов
Применяя систему компенсации реактивной мощности в электрических сетях, предназначенных для распределения электроэнергии или для электропитания высоковольтных машин, можно обеспечить окупаемость своих инвестиций в гораздо более короткие сроки.
Высоковольтные силовые конденсаторы предназначены для применения в электрических сетях с напряжением более 1кВ. (нормальное рабочее напряжение высоковольтной сети).
К таким системам относятся:
- цементные заводы;
- дуговые электропечные установки;
- химические и нефтехимические заводы;
- водонасосные станции;
- центры управления высоковольтными двигателями;
- водоочистные установки, опреснительные установки;
- ветровые электростанции;
- аэропорты;
- электростанции и миниэлектростанции;
- центры/подстанции передачи электроэнергии;
- целлюлозно-бумажные заводы;
- энергораспределительные компании;
- общехозяйственные крупные предприятия.
Компенсация реактивной мощности на стороне высокого или низкого напряжения
В случае комплексов и установок низкого напряжения, питающихся от сети высокого напряжения, всегда существуют сомнения относительно того, с какой стороны следует предусмотреть компенсацию мощности – со стороны высокого или низкого напряжения?
Расчет требуемой реактивной мощности необходимо выполнять на основе известной величины мощности, потребляемой установкой. Если по результатам расчетов величина требуемой реактивной мощности является большой, компенсацию реактивной мощности рекомендуется применять со стороны высокого напряжения.
Компенсация со стороны высокого напряжения рекомендуется также, если вычисленная требуемая реактивная мощность составляет не менее 1 МВАр.
Однако, как правило, в подобных установках устанавливают низковольтные устройства компенсации реактивной мощности. С другой стороны, в крупных промышленных комплексах, потребляющих ток как низкого, так и высокого напряжения, требуется двухсторонняя компенсация реактивной мощности. Низковольтную систему компенсации реактивной мощности можно применять в распределительных щитах сети низкого напряжения, а высоковольтную – на подстанциях или в высоковольтных энергоузлах.
Применение только одного типа компенсации реактивной мощности нежелательно. При использовании высоковольтной системы достаточно трудно составить достоверный график нагрузки в кВАр.
Преимущества установки конденсаторов
Снижение потребления реактивной мощности индуктивных нагрузок обеспечит снижение энергозатрат за счет увеличения коэффициента мощности.
Технические преимущества:
- увеличение активной мощности на выходе силовых трансформаторов,
- снижение потерь энергии в кабелях и проводниках за счет уменьшения силы тока,
- увеличение срока службы распределительных устройств и подключенных к ним кабелей за счет уменьшения силы тока.
- увеличение напряжения на приемном конце. В этом случае конденсаторы рекомендуется подключать к нагрузочному концу или рядом с точкой потребления энергии.
- компенсация реактивной мощности за счет установки высоковольтных конденсаторов в местах генерации гармоник позволят снизить количество составляющих гармоник в низковольтной системе.
Компенсация мощности силовых трансформаторов
Основными потребителями реактивной мощности являются силовые трансформаторы, поэтому установка конденсаторов вместе с силовыми трансформаторами для подключения полной нагрузки имеет ряд технических преимуществ.
При определении суммарных потерь реактивной мощности необходимо учитывать, что ток намагничивания является практически постоянным в диапазоне от нулевой до полной нагрузки, благодаря чему в трансформаторе сохраняется практически постоянная мощность холостого хода, независимо от режима нагрузки. Вышеуказанная величина определяет величину компенсации реактивной мощности холостого хода.
Кроме того трансформаторы обеспечивают подачу реактивной мощности подключенных нагрузок, которая несомненно изменяется в зависимости от колебаний нагрузки.
Таблица характеристик нерегулируемой компенсации реактивной мощности высоковольтных силовых трансформаторов:
| Номинальная мощность, МВА | Первичное напряжение, В | Вторичное напряжение, В | Мощность короткого замыкания (Ucc %) | Мощность конденсатора для компенсации реактивной мощности холостого хода (кВАр) | Мощность конденсатора для компенсации реактивной мощности с нагрузкой (кВАр) |
| 2500 | 20 - 30 | 3 - 16 | 6,7 | 45 | 149 |
| 3150 | 20 - 30 | 3 - 16 | 7 | 57 | 198 |
| 4000 | 20 - 30 | 3 - 16 | 7 | 72 | 251 |
| 5000 | 20 - 30 | 3 - 16 | 7,5 | 90 | 330 |
| 6300 | 10 - 36 | 3 - 20 | 8,1 | 114 | 440 |
| 8000 | 10 - 36 | 3 - 20 | 8,4 | 144 | 574 |
| 10000 | 10 - 36 | 3 - 20 | 8,9 | 180 | 750 |
| 12500 | 10 - 36 | 3 - 20 | 9 | 225 | 945 |
| 16000 | 45 - 66 | 3 - 20 | 9,3 | 288 | 1240 |
| 20000 | 45 - 66 | 3 - 20 | 9,4 | 360 | 1563 |
| 25000 | 45 - 66 | 3 - 20 | 9,7 | 450 | 2002 |
| 31500 | 45 - 66 | 3 - 20 | 11 | 567 | 2785 |
| 40000 | 45 - 66 | 3 - 20 | 12 | 720 | 3792 |
Указанные значения являются ориентировочными
Примечание:
Qt = Sn • Io + Ucc • (S / Sn)2 • Sn
С помощью указанной выше формулы рассчитывается величина реактивной мощности, потребляемой трансформатором, где:
Qt – полная реактивная мощность;
Sn – номинальная мощность трансформатора;
Io – ток холостого хода;
Ucc – напряжение короткого замыкания;
S – фактическая нагрузка трансформатора.
Данная мощность включает в себя две составляющих:
Первая составляющая (Sn. lo) является постоянной величиной, зависящей от тока намагничивания, и равна 0,5 - 2,5% от номинальной мощности трансформатора.
Величина второй составляющей пропорциональна квадрату фактической нагрузки на трансформатор, испытываемой в любой момент времени.
Полная потребляемая реактивная мощность распределительного трансформатора составляет около 10% от полной нагрузки.
Производители трансформаторов рекомендуют не использовать для постоянной нерегулируемой компенсации конденсаторы, номинальная реактивная мощность которых составляет более 15% от номинальной реактивной мощности при полной нагрузке трансформатора. Это позволит избежать возможных повреждений трансформатора, работающего в течение длительного времени в режиме холостого хода.
Компенсация мощности электродвигателей и асинхронных генераторов
Другими крупными потребителями, которые, как правило, подключаются к сети высокого напряжения, являются электродвигатели и асинхронные генераторы. Данные агрегаты являются ответственными потребителями, поэтому их установка, эксплуатация и техническое обслуживание требуют особого внимания. Существуют три возможных способа компенсации реактивной мощности этого типа потребителей, подключаемых к сети высокого напряжения:
- с помощью конденсаторов с прямым подсоединением к клеммам машины;
- с помощью конденсаторов с параллельным подсоединением к машине;
- автоматическая групповая компенсация реактивной мощности.
В машинах переменного тока реактивная мощность составляет порядка 30 – 40% от номинального значения. Следовательно, они являются крупными потребителями реактивной мощности, поступающей от системы. Как правило, коррекция коэффициента мощности таких установок осуществляется путем прямого подсоединения конденсаторной батареи подходящего номинала к клеммам электродвигателя.
При этом распределительное устройство, органы управления и система защиты машины одновременно обслуживают и конденсатор, и саму машину. Это наиболее общепринятый и экономичный способ компенсации реактивной мощности вращающихся машин. Однако, для обеспечения большей рентабельности эксплуатации и технического обслуживания конденсатора, его можно подключить к клеммам машины или к шинам через отдельное распределительное устройство. Дальнейшие действия зависят от сделанного выбора.
Если в центре управления двигателя к одной шине подключены несколько двигателей, наилучшим способом будет установить высоковольтный модуль компенсации коэффициента мощности, равно как и в случае низковольтных систем. При этом устанавливается конденсаторная батарея, номинальная реактивная мощность которой согласуется с номинальной мощностью различных двигателей, подключенных к системе, и с максимальным количеством двигателей, которые всегда остаются включенными в сеть. Батарея делится на несколько ступеней с равной или неравной реактивной мощностью в зависимости от режима нагрузки. Включение и выключение ступеней конденсатора происходит автоматически. Данный тип установки отличается от других значительными первоначальными затратами. Однако в долгосрочной перспективе данный способ может быть более выгодным благодаря обеспечиваемой им точности и эффективности компенсации реактивной мощности.
Конденсатор с прямым подсоединением к клеммам машины
На рисунке показан способ соединения. Система управления и защиты является общей для конденсаторов и машины. При этом требуется ввести ограничение по току le ≤ lo (ток холостого хода электродвигателя), так чтобы снизить до минимума возможность самовозбуждения.
Максимально допустимая реактивная мощность конденсатора определяется по следующей формуле:
Qm = 0,9 x lo x Un x √3
Qm = 2 x Pn x (1-cosφi)
(Как правило, Qm соответствует 40%-30% от Pn в зависимости от коэффициента cosφ, который составляет 0,8- 0,85)
При этом максимальный коэффициент мощности cosφ отдельного электродвигателя приблизительно равен 0,95.
Qm – максимальная мощность конденсатора, кВАр
Io – ток холостого хода электродвигателя, A
Un – номинальное напряжение, В
Pn – номинальная мощность электродвигателя, кВт
cosφi – начальный коэффициент мощности.
Выделенные синим цветом цифры обозначают величину реактивной мощности конденсатора, который следует подключить к клеммам электродвигателя, чтобы получить указанный конечный коэффициент мощности с минимальной возможностью возникновения самовозбуждения.
| Номинальная мощность электродвигателя, кВт |
Начальный Cosφ
Начальный Cosφ электродвигателя (0,8)
|
Начальный Cosφ
Начальный Cosφ электродвигателя (0,85)
|
||||
| Конечный Cos φ | Конечный Cos φ | |||||
| 0,95 | 0,96 | 0,98 | 0,95 | 0,96 | 0,98 | |
| 150 | 63 | 69 | 82 | 44 | 49 |
63 |
| 175 | 74 | 80 | 96 | 51 | 57 | 73 |
| 200 | 84 | 92 | 109 | 58 | 66 | 83 |
| 250 | 105 | 115 | 137 | 73 | 82 | 104 |
| 300 | 126 | 138 | 164 | 87 | 98 | 125 |
| 350 | 147 | 160 | 191 | 102 | 115 | 146 |
| 400 | 169 | 183 | 219 | 116 | 131 | 167 |
| 450 | 190 | 206 | 246 | 131 | 148 | 188 |
| 500 | 211 | 229 | 273 | 146 | 164 | 208 |
| 600 | 253 | 275 | 328 | 175 | 197 | 250 |
| 700 | 295 | 321 | 383 | 204 | 230 | 292 |
| 750 | 316 | 344 | 410 | 218 | 246 | 313 |
| 1000 | 421 | 458 | 547 | 291 | 328 | 417 |
| 1200 | 506 | 550 | 656 | 349 | 394 | 500 |
| 1250 | 527 | 573 | 684 | 364 | 410 | 521 |
| 1400 | 590 | 642 | 766 | 407 | 459 | 583 |
| 1500 | 632 | 687 | 820 | 437 | 492 | 625 |
| 1750 | 737 | 802 | 957 | 509 | 574 | 729 |
| 2000 | 843 | 917 | 1094 | 582 | 656 | 833 |
| 2300 | 969 | 1054 | 1258 | 669 | 755 | 958 |
| 2500 | 1053 | 1146 | 1367 | 728 | 820 | 1042 |
| 3000 | 1264 | 1375 | 1641 | 873 | 984 | 1250 |
| 3500 | 1475 | 1604 | 1914 | 1019 | 1148 | 1458 |
Выделенные синим цветом цифры обозначают величину реактивной мощности конденсатора, который следует подключить к клеммам электродвигателя, чтобы получить указанный конечный коэффициент мощности с минимальной возможностью возникновения самовозбуждения.
Конденсатор с параллельным подсоединением к машине
При таком способе соединения исключается возможность возникновения самовозбуждения, а повышение коэффициента мощности до значения, близкого к единице, наоборот становится возможным.
В этом случае электродвигатель и конденсаторная батарея обслуживаются разными устройствами управления и защиты.
При такой конфигурации электродвигатель и конденсатор функционально независимы, а конденсаторная батарея включается и выключается по мере необходимости. Повторное подключение конденсаторной батареи происходит по истечении достаточного времени для разряда.
При этом выведение электродвигателя из эксплуатации для проведения технического обслуживания конденсаторных батарей не требуется.
Номинальная реактивная мощность конденсаторной батареи определяется по следующей формуле:
Qm = Pn x (tgφнач-tgφкон)
Автоматическая групповая компенсация реактивной мощности
Современный способ компенсации реактивной мощности предусматривает коррекцию коэффициента мощности группы электродвигателей в центре управления двигателями.
При таком способе коэффициент мощности увеличивается до оптимального значения при оптимальных размерах конденсаторной батареи и ее номинальной мощности, контролируемой с помощью контроллера коэффициента мощности. Коэффициент мощности поддерживается равным заданному значению путем добавления / снятия конденсаторов и изменения конфигурации подсоединяемой нагрузки.
В приведенной ниже таблице указаны значения мощности конденсатора в квар в асинхронном электродвигателе c учетом значений его номинальной мощности (вт) и частоты вращения (количества оборотов)
| Номинальная мощность | Частота вращения машины, об./мин. | ||||
| кВт | метр.л.с. | 3000 | 1500 | 1000 | 750 |
| 130 | 177 | 33 | 39 | 46 | 52 |
| 150 | 204 | 38 | 45 | 53 | 60 |
| 170 | 231 | 43 | 51 | 60 | 68 |
| 280 | 381 | 70 | 84 | 98 | 112 |
| 330 | 449 | 83 | 99 | 116 | 132 |
| 400 | 544 | 100 | 120 | 140 | 160 |
| 500 | 680 | 125 | 150 | 175 | 200 |
| 1000 | 1360 | 250 | 300 | 350 | 400 |
| 1400 | 1903 | 350 | 420 | 490 | 560 |
| 1700 | 2311 | 425 | 510 | 595 | 680 |
| 2000 | 2719 | 500 | 600 | 700 | 800 |
| 2250 | 3059 | 563 | 675 | 788 | 900 |
| 3000 | 4079 | 750 | 900 | 1050 | 1200 |
| 4500 | 6118 | 1125 | 1350 | 1575 | 1800 |
| 5000 | 6798 | 1250 | 1500 | 1750 | 2000 |
| 6500 | 8838 | 1625 | 1950 | 2275 | 2600 |
© Данный материал подготовлен на основе каталогов компании International Capacitors S.A. (торговая марка LIFASA), партнера компании «НеоТех». Копирование любого фрагмента текста или рисунка данной статьи возможно только с согласия компании «НеоТех».
Компания «НеоТех» предлагает поставки высоковольтного оборудования торговой марки Lifasa для компенсации реактивной мощности:
Высоковольтное конденсаторные установки компенсации реактивной мощности,
Высоковольтные конденсаторы для установок компенсации реактивной мощности,
Реакторы / дроссели ограничения пускового тока,
Оборудование для управления и защиты батарей высоковольтных конденсаторов.