Методика применения устройств компенсации мощности электроснабжения на предприятии

Токи резонансной группы гармоник, генерируемые вентильным преобразователем в сеть, значительно уменьшаются, и можно говорить о том, что напряжения гармоник резонансной группы приложены к батарее конденсаторов непосредственно. В то же время емкостное сопротивление батареи конденсаторов уменьшается с увеличением номера гармоники. Это приводит к тому, что через БК протекают значительные токи резонирующих гармоник, соизмеримые, а иногда и значительно превосходящие ток первой гармоники. Перегрузки по току на конденсаторы допускают до 30%, по напряжению - до 10% от номинальных значений. На самом деле за счет появления резонансных явлений перегрузка по току может достигать 400-500%, т.к. токи резонансных частот могут значительно превышать ток первой гармоники. При выборе мощности и места установки конденсаторных батарей необходимо учитывать возможные резонансы тока и напряжения на одной из гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой.

Например, на одном из промышленных предприятий для компенсации реактивной мощности по проекту установлены конденсаторные батареи общей мощностью 11500 квар. Но ввести их в работу оказалось невозможным из-за наличия в цепи высших гармоник тока, которые появлялись при работе полупроводниковых выпрямительных агрегатов. Резкие толчки тока достигали 150-180 % номинального, что приводило к выходу из строя конденсаторов: за 5 ч работы вышло из строя 50 конденсаторных банок общей мощностью 1400 квар. Наблюдалось "ненормальное гудение" конденсаторных батарей, отключение масляных выключателей от максимальной защиты. В то же время без компенсации реактивной мощности нормальная работа установок невозможна, так как при этом коэффициент мощности составляет 0,57-0,6[22].

Работу батарей конденсаторов в условиях несинусоидального напряжения необходимо рассматривать с позиций взаимного влияния высших гармоник питающей сети и батарей конденсаторов.

Проведенные многочисленные экспериментальные исследования доказали, что в системах электроснабжения промышленных предприятий, имеющих мощные вентильные преобразователи, несинусоидальность напряжения, как правило, превышает нормируемые пределы, достигая в ряде случаев 20%. Поэтому на предприятиях с вентильной нагрузкой вопросы компенсации реактивной мощности до конца не решены.

Расчеты параметров схемы включения конденсаторной батареи с вентильным преобразователем с целью компенсации реактивной мощности показывают, что при этом общее действующее значение тока конденсаторной батареи во много раз превысит допустимое, что приведет к ее повреждению. Общий коэффициент несинусоидальности напряжения также резко увеличивается в точке присоединения конденсаторной батареи.

Рисунок 7 - Схема подключения конденсатора к преобразовательному трансформатору (а) и схема замещения (б)[1]

На рисунках 8-10 показаны напряжение питающей сети и токи батареи конденсаторов различной мощности, подключенных для компенсации реактивной мощности к вентильной нагрузке.

Рисунок 8 - Осциллограммы, полученные на физической модели (рис. 7): а - фазного напряжения в точке 1; б - тока в конденсаторной батарее (С = 1 мкФ)

В токе конденсаторной батареи І₁ = 100 %, І₇ = 50 %, І₁₁ = 60 %, І₁₃ = 50 %, І₁₇= 60 %, І₁₉ = 60 %, І₂₉ = 60 %, І₃₅ = 60 %, І₃₇ = 140 %, І₅₅ = 125 %, І₅₉ = 160 %, І₆₁ = = 140%, І₇₁ = 125 % І₁. Перегрузка конденсатора по току составляет 370 %, К_НС = = 16 %. Здесь же даны уровни отдельных гармоник тока, протекающих через конденсаторную батарею, и общая перегрузка конденсаторов токами высших гармоник.

Рисунок 9 - Осциллограммы, полученные на физической модели (рис.7): а - фазного напряжения в точке 1, К_НС = 38 %;б - тока в конденсаторной батарее (С = 15 мкФ)

В токе конденсаторной батареи І₁ = 100 %, І₇ = 90 %, І₁₁ = 250 %, І₁₃ = 225 %, І₁₇= 70 %, І₁₉ = 80 % І₁. Перегрузка конденсатора по току составляет 400 %.

Рисунок 10 - Осциллограммы, полученные на физической модели (рис.7): а - тока в конденсаторной батарее (С = 70 мкФ);б - фазного напряжения в точке 1, К_НС = 44 %

В токе конденсаторной батареи І₁ = 100 %, І₅ = 160 %, І₇ = 60 % І₁. Перегрузка конденсатора по току составляет 200 %[22].

Таким образом, непосредственное применение батарей конденсаторов в целях компенсации реактивной мощности в сетях с вентильными нагрузками проблематично. В каждом конкретном случае необходим расчет токовой перегрузки батарей резонансной группой гармоник. В некоторых случаях такие расчеты необходимо производить до гармоник достаточно высокого порядка, особенно при малых емкостях конденсаторных батарей[6].

1.4.2 Особенности компенсации реактивной мощности в сетях со специфическими нагрузками

На основании указанного выше можно сделать вывод о том, что в сетях со специфическими нагрузками (к ним относят нелинейные, несимметричные и резкопеременные нагрузки) существуют определенные особенности компенсации реактивной мощности, которые заключаются в следующем:

1. Из-за низкого коэффициента мощности потребителей и резкопеременного характера нагрузки необходимо осуществлять компенсацию как постоянной, так и переменной составляющей реактивной мощности. Компенсация постоянной составляющей реактивной мощности необходима для улучшения cosj и для уменьшения отклонений напряжения в питающей сети. Компенсация переменной составляющей реактивной мощности преследует цель уменьшения колебания напряжения в питающей сети.

2. Из-за быстрых изменений потребляемой реактивной мощности необходимо применение быстродействующих компенсирующих устройств, способных изменять регулирующую реактивную мощность со скоростью, соответствующей скорости наброса и сброса потребляемой реактивной мощности. Необходимое быстродействие таких компенсирующих устройств можно ориентировочно определить как dQ/dt = 100-2000 Мвар/с.

3. Из-за неравномерного потребления реактивной мощности по фазам необходимо и пофазное управление компенсирующими устройствами.

4. Ограничивается применение батарей конденсаторов для компенсации постоянной составляющей реактивной мощности в сети с резкопеременной вентильной нагрузкой. Это обусловлено наличием в сети высших гармоник тока и напряжения при работе нелинейных нагрузок. Высшие гармоники приводят к значительным перегрузкам батарей конденсаторов по току[12].

Вообще говоря, положение, сложившееся в стране с компенсацией реактивной мощности в электрических сетях, в том числе и в сетях, питающих преобразовательную технику, остается весьма напряженным. Компенсированность наших электрических сетей в 2-3 раза ниже, чем в развитых странах мира. Следует заметить, что решение этой задачи не является простым. С одной стороны это связано с большой потребностью и острым дефицитом конденсаторных батарей, а с другой стороны - с тем, что в условиях преобразовательных подстанций традиционный способ компенсации путем непосредственного включения конденсаторов в сеть сопровождается массовым выходом их из строя из-за перегрузки токами высших гармоник при возникновении резонансных явлений.

Не лучше дело обстоит и с гармоническим воздействием преобразовательных подстанций на питающие сети. На подавляющем числе предприятий указанных выше производств коэффициенты несинусоидальности напряжений и токов существенно превышают требования ГОСТ.

Основными техническими средствами компенсации реактивной мощности и улучшения спектров токов и напряжений на преобразовательных подстанциях являются:

а) синхронные компенсаторы;

б) тиристорные компенсаторы реактивной мощности;

в) пассивные фильтрокомпенсирующие устройства;

г) активные фильтры;

д) параметрические источники тока;

е) выпрямительные агрегаты с повышенными энергетическими показателями.

Несмотря на применение на ряде предприятий синхронных компенсаторов, интерес к этому способу компенсации в условиях преобразовательной нагрузки заметно упал.

Наоборот, во всем мире проводятся исследования и разработка статических (в основном тиристорных) компенсаторов реактивной мощности. Зачастую на эти же устройства дополнительно возлагаются функции фильтрации высших гармоник и снижения степени несимметрии питающих напряжений.

Повышенное внимание в настоящее время уделяется также совершенствованию схемных решений, методам расчета и вопросам практического применения фильтрокомпенсирующих устройств.

Новым направлением повышения качества напряжения в электрических сетях является использование активных силовых фильтров. Такие фильтры могут быть построены на базе схем типа инвертор тока с импульсной модуляцией интервалов проводимости вентилей; управляемых с помощью высокочастотной импульсной модуляции индуктивностей и емкостей; обращенного инвертора напряжения и др. В результате могут быть реализованы фильтры с перестраиваемыми параметрами и адаптивные фильтры, при необходимости и соответствующей установленной мощности решающие и проблему компенсации реактивной мощности.

Существенную роль в решении указанной выше проблемы способны сыграть индуктивно-емкостные преобразователи, в частности, параметрические источники тока. При преобразовании потребляемой из питающей сети энергии переменного тока в энергию стабилизированного постоянного тока в условиях изменения напряжения на нагрузке в широких пределах, когда в обычных преобразователях наблюдаются набросы реактивной мощности и заметные искажения сетевого тока, параметрический источник тока резко снижает указанный отрицательный эффект[16].

1.4.3 Статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности

При наличии быстрых и резкопеременных нагрузок становится перспективным применение статических компенсаторов реактивной мощности, обеспечивающих возможность безынерционного регулирования реактивной мощности. При этом улучшаются условия статической устойчивости энергосистемы в целом, что обеспечивает дополнительную экономию за счет повышения технико-экономических показателей работы электроустановок.

Статические компенсаторы реактивной мощности (СКРМ) являются перспективным средством рациональной компенсации реактивной мощности в силу присущих им положительных свойств, таких, как быстродействующее регулирование, подавление колебаний напряжения, симметрирование нагрузок, отсутствие вращающихся частей, плавность регулирования реактивной мощности, выдаваемой в сеть. Кроме того, эти устройства могут осуществлять плавное и оптимальное распределение напряжений, обеспечивая тем самым снижение их потерь в распределительных электросетях[9].

На рисунке 11 приведены основные варианты статических компенсирующих устройств. Они содержат фильтры высших гармоник и регулируемый дроссель в различных исполнениях.

Рисунок 11 - Схемы статических компенсирующих устройств[6]

В настоящее время известно большое количество вариантов схем, которые разделяют на три группы:

1) мостовые источники реактивной мощности с индуктивным накопителем на стороне постоянного тока (рис. 11,а);

2) реакторы насыщения с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рис.11,б);

3) реакторы с линейной вольт-амперной характеристикой и последовательно включенными встречно-параллельными управляемыми вентилями (рис. 11,в).

СКРМ обеспечивают одновременно компенсацию реактивной мощности основной частоты, фильтрацию высших гармонических, компенсацию изменений напряжения, а также симметрирование напряжения сети. Они состоят из управляемой части, обеспечивающей регулирование реактивной мощности, и энергетических фильтров, обеспечивающих фильтрацию высших гармоник тока нелинейной нагрузки.

Статические компенсирующие устройства обладают следующими преимуществами:

1) высокое быстродействие изменения реактивной мощности;

2) достаточный диапазон регулирования реактивной мощности;

3) возможность регулирования и потребления реактивной мощности;

4) минимальные искажения питающего напряжения.

Основными элементами статических компенсирующих устройств являются конденсатор и дроссель - накопители электромагнитной энергии - и вентили (тиристоры), обеспечивающие ее быстрое преобразование.

Принцип работы статических источников реактивной мощности состоит в том, что выпрямленным током преобразователя индуктивность (реактор или дроссель с железом) заряжается магнитной энергией, которая инвертируется в сеть переменного тока с опережающим коэффициентом мощности[8].

В СКРМ при полном открывании вентилей реактивная мощность установки определяется разностью между мощностью, генерируемой фильтрами, и мощностью, потребляемой реакторами. По мере закрытия вентилей мощность, потребляемая реакторами, уменьшается, и при их полном закрытии мощность, генерируемая ИРМ, становится равной мощности фильтров.

Рисунок 12 - Принципиальная схема присоединения СКРМ к системе электроснабжения (а) и расчетная схема замещения (б)[1]

В ряде случаев помимо резонансных цепей фильтров, настраиваемых на частоты доминирующих высших гармоник тока нагрузки, в состав ТКРМ вводят параллельно присоединяемые конденсаторные батареи для фильтрации гармоник, порядок которых выше частоты настройки резонансных фильтров.

Быстрое развитие мирового производства статических тиристорных компенсаторов (СТК) определяется их преимуществами по отношению к традиционным средствам компенсации реактивной мощности в решении ряда актуальных задач электроэнергетики. К числу таких задач относится необходимость компенсации реактивной мощности в местах потребления электроэнергии и на промежуточных подстанциях длинных линий с целью повышения стабильности напряжения у потребителей, снижения потерь в линиях электропередач и сетях электроснабжения потребителей, повышения пропускной способности электропередач.

Рост протяженности, мощности и класса напряжения дальних электропередач выдвигает в число важнейших задач обеспечение средствами компенсации ограничения внутренних перенапряжений, статической и динамической устойчивости, эффективности автоматических повторных включений (АВК)[14].

В отечественной практике для уменьшения колебаний напряжения применяются быстродействующие синхронные компенсаторы типа СК-10000-8 мощностью 7,7 Мвар на напряжение 10 кВ и мощностью 10 Мвар на напряжение 6 кВ. Максимальная скорость изменения реактивной мощности, выдаваемой в сеть, по данным завода составляет 130 Мвар/с, возможна кратковременная работа с 2-кратной перегрузкой. Компенсаторы успешно работают на некоторых металлургических заводах, в частности в системе электроснабжения станов горячего проката.

Установленная мощность синхронного компенсатора при одном и том же графике реактивной нагрузки будет меньше, чем установленная мощность статического компенсирующего устройства. Синхронные компенсаторы обладают всеми недостатками вращающихся машин и имеют меньшее быстродействие по сравнению со статическими компенсаторами. Кроме того, в статических компенсирующих устройствах возможно пофазное управление.

На зарубежных металлургических заводах для снижения влияния на питающую сеть резкопеременных нагрузок применяются синхронные компенсаторы с высокой кратностью форсировки напряжения возбуждения и быстродействующей системой регулирования.

Фирма Simens (ФРГ) выпускает синхронные компенсаторы мощностью 10MBА с ударной мощностью 30 MBА. Обмотка возбуждения компенсатора питается от нереверсивного тиристорного преобразователя с кратностью форсировки возбуждения по напряжению 13,2.

Фирма Fuji Electric Co совместно с Nisshin Electric Co (Япония) выпускает синхронные компенсаторы мощностью 8 MBА с ударной мощностью 16 MBА. Компенсатор имеет бесщеточную систему возбуждения с кратностью форсировки по напряжению, равной 2.

Фирма ASEA (Швеция) выпускает синхронные компенсаторы номинальной мощностью 7,5 Мвар с ударной мощностью 30 Мвар.

Статические компенсирующие устройства обладают рядом преимуществ по сравнению с быстродействующими синхронными компенсаторами. Основным преимуществом является их большее быстродействие. Существенна и возможность осуществления пофазного управления, что необходимо в сетях с быстроизменяющейся несимметричной нагрузкой.

В настоящее время разработано много типов статических компенсирующих устройств на базе управляемых реакторов и конденсаторов в основном с применением управляемых вентилей (тиристоров). Наибольшее распространение в зарубежной и отечественной практике получили устройства прямой и косвенной компенсации.

Статические компенсирующие устройства прямой компенсации осуществляют ступенчатое регулирование реактивной мощности с помощью включения и отключения батарей конденсаторов или фильтров высших гармоник при изменении реактивной мощности электроприемников (рис. 13 и 14).

Рисунок 13 - Принципиальная схема компенсирующего устройства прямой компенсации: На рисунке: 1 - тиристорные ключи; 2 - реактор; 3 - конденсаторная батарея; 4 - устройство для управления тиристорными ключами, 5 - нагрузка (тиристорный преобразователь).

Для обеспечения быстродействия в качестве контакторов или выключателей на каждой ступени применяются тиристорные ключи. Для исключения переходных процессов при включении, которые будут приводить только к увеличению колебаний напряжения, включение конденсаторов тиристорными ключами осуществляется в тот момент, когда напряжение сети и конденсаторов равны как по величине, так и по полярности.



Рисунок 14 - Компенсация реактивной мощности устройством прямой компенсации: а - схема устройства прямой компенсации; б - принцип работы статического компенсирующего устройства прямой компенсации; 1-5 - ступени компенсации

Быстродействие устройства прямой компенсации в основном определяется запаздыванием включения или отключения секций батарей конденсаторов на период питающего напряжения (0,02 с) при условии непрерывного изменения реактивной мощности. Одним из преимуществ устройств прямой компенсации является то, что они не генерируют в сеть высшие гармоники.

Схемы прямой компенсации разработаны в СССР в 50-х годах. За рубежом такие устройства изготовляются в Швеции и в Японии.

Фирма ASEA (Швеция) выпускает конденсаторные установки с тиристорным управлением для компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения с вентильными преобразователями и дуговыми печами. Система регулирования обеспечивает выбор момента подачи управляющего импульса на каждый тиристор, причем импульс управления подается с упреждением перед моментом прохождения емкостного тока через нуль. Когда конденсаторы не присоединены к сети, они остаются заряженными до амплитуды положительного или отрицательного напряжения сети. На рисунке 15 показано, что коммутация осуществляется в момент, когда напряжение сети соответствует по значению и полярности напряжению на конденсаторе. Тиристор прекращает пропускать ток при переходе его через нуль после снятия импульса с управляющего электрода. Конденсатор остается заряженным до амплитудного значения напряжения и готов к следующей коммутации.

Рисунок 15 - Диаграмма работы статического компенсирующего устройства прямой компенсации: U - напряжение сети, U_с - напряжение на конденсаторе, I_c - ток конденсатора; t₀ - импульсы для подзарядки конденсаторов; t₁ - подключение к сети; t₂ - отключение от сети; t₃-t₄ - интервал перезарядки

Статические компенсирующие устройства косвенной компенсации (рис. 16) состоят из двух частей: плавно регулирующего индуктивного элемента (реактора) для компенсации колебаний напряжения и нерегулируемой части - батарей конденсаторов или фильтров высших гармоник.

Принцип косвенной компенсации для уменьшения колебаний напряжения заключается в том, что управляемый реактор потребляет реактивную мощность тогда, когда ее не потребляет резкопеременная нагрузка, и наоборот (рис. 17).



Рисунок 16 - Принципиальная схема статического компенсирующего устройства косвенной компенсации: На рисунке 16: 1 - нагрузка; 2 - управляемые реакторы; 3 - тиристорные ключи; 4 - фильтры высших гармоник токов; 5 - батареи конденсаторов; 6, 7 - трансформаторы тока и напряжения; 8 - система фазоимпульсного управления тиристорами

Регуляторы реактивной мощности должны обеспечивать такое регулирование, чтобы осуществлялось слежение за фронтом наброса и сброса реактивной мощности. Следовательно, от устройства компенсации требуется большое быстродействие, соответствующее фронту наброса и сброса реактивной мощности наиболее характерных резкопеременных нагрузок.

Регулирование тока в реакторе может осуществляться различными способами. Например, некоторые зарубежные фирмы применяют управляемый насыщающийся реактор. Однако быстродействие таких устройств можно оценить временем задержки более 0,06 с (три периода питающего напряжения), что недостаточно для эффективной работы компенсатора. Поэтому в настоящее время применяется регулирование тока в реакторе с помощью встречно-параллельно включенных тиристоров. Такая схема обеспечивает плавное регулирование реактивной мощности с временем задержки 0,01 с.



Рисунок 17 - Компенсация реактивной мощности устройством косвенной компенсации: а - схема статического компенсирующего устройства; б - принцип действия устройства косвенной компенсации

На рисунке 18 приведена схема компенсирующего устройства с управляемыми реакторами с помощью встречно-параллельных тиристоров и нерегулируемой емкости фильтров высших гармоник, используемого для компенсации реактивной мощности при работе дуговых печей (Япония).

В настоящее время в распределительных сетях 6-10 кВ промышленных предприятий с резкопеременной нагрузкой широко применяются ТКРМ.

В ТКРМ к шинам 6-10 кВ нагрузки параллельно подключены компенсирующие реакторы и силовые фильтры высших гармоник.



Рисунок 18 - Принципиальная схема статического компенсирующего устройства косвенной компенсации в сети с дуговыми сталеплавильными печами[22]: На этом рисунке обозначено: 1, 2 - трансформаторы; 3 - тиристорные ключи; 4 - управляемые реакторы; 5, 6 - фильтры высших гармоник; 7, 8 - трансформаторы напряжения и тока; 9 - устройство управления тиристорными ключами; 10 - дуговые сталеплавильные печи.

Компенсирующие реакторы соединяются в треугольник вместе со встречно-параллельно включенными тиристорами и образуют регулирующий, стабилизирующий и симметрирующий элементы. Источником реактивной мощности является конденсаторная установка силовых фильтров высших гармоник.

Тиристорные компенсаторы стабилизируют потребляемую из сети реактивную мощность с погрешностью не более 2 % номинальной мощности как в сетях с симметричными нагрузками, так и при наличии несимметричных нагрузок, обеспечивая несимметрию потребляемых из фаз сети токов не более 10%, при этом быстродействие регулирования - не более 20 мс. В состав ТКРМ, представляющих собой комплекс оборудования, компонуемого свободно и электрически соединяемого на месте монтажа, входят полупроводниковый стабилизатор мощности (ПСМ), компенсирующие реакторы, фильтры, содержащие фильтровый реактор и конденсаторную установку. Компенсирующие реакторы имеют однофазное исполнение, магнитопровод с воздушным зазором и масляное охлаждение.

Фильтровые реакторы имеют однофазную и трехфазные конструкции. Они выполняются в виде цилиндрических катушек с воздушным охлаждением и вертикальной установкой трех фаз, за исключением фильтровых реакторов третьей и пятой гармоник, предназначенных для горизонтальной установки фаз в линию или установки по вершинам равностороннего треугольника. Фильтровые реакторы имеют регулировочные отпайки для изменения номинальной индуктивности.

Конденсаторные установки выполнены трехфазными, соединенными по схеме "две звезды", нейтрали которых соединяются через трансформатор тока, являющийся датчиком сигнала при разбалансе емкостей в лучах звезды.

Конструктивно конденсаторные установки силовых фильтров выполнены в виде двухъярусных стеллажей с вертикальной установкой силовых конденсаторов типа КЭКФ напряжением 4,4; 6,6; 7,3 кВ, соединенных параллельно и защищенных предохранителями типа ПКК-411.

Управляющие сигналы в систему регулирования ПСМ поступают с трансформаторов тока ПСМ, трансформаторов тока и напряжения питающей сети. Регулирование реактивной мощности, генерируемой в сеть, производится за счет изменения угла управления тиристоров. При этом изменяется величина и длительность протекания тока через компенсирующие реакторы, т.е. потребление компенсирующими реакторами реактивной мощности при постоянстве реактивной мощности, генерируемой конденсаторными установками фильтров[23].

Развитие СТК идет в нескольких направлениях, определяемых их функциональными особенностями. Функции СТК зависят от места и роли в общей системе передачи и распределения электроэнергии.

Системообразующие линии электропередачи напряжением до 1150 кВ передают энергию от генерирующих станций к межрайонным и районным подстанциям. На линиях устанавливаются компенсаторы типа СТК1.

Электрические сети межрайонного значения имеют напряжение 220-500кВ. На районных подстанциях используются СТК типа II. В сетях электроснабжения потребителей, обычно выполняемых на напряжение от 6 до 110 кВ, применяются СТК третьего и четвертого типов.

Пофазное управление СТК выполняется по алгоритму, при котором компенсация колебаний реактивной мощности нагрузки типа дуговой сталеплавильной печи (ДСП) и симметрирование нагрузки выполняется одновременно. Этим обеспечивается ослабление вызванных флуктуирующей дугой ДСП колебаний напряжения в каждой фазе и в совокупности по всем трем фазам сети. Анализ требований к быстродействию автоматического управления СТК показал, что эквивалентное запаздывание в пофазных контурах компенсации колебаний реактивной мощности не должно превышать 5 мс.

Симметрирование линии электропередачи особенно актуально для длинных одноцепных линий. Оно улучшает режим электропередачи при повреждении одного из участков линий, при котором поврежденный участок работает в двухфазном режиме. Дополнительный симметрирующий эффект создается включением в треугольник обмотки трансформатора СТК.

Ограничение перенапряжений с помощью СТК (функция 5) особенно актуально в передачах сверхвысокого напряжения (1 МВ и более). В этих передачах более опасны внутренние перенапряжения, и именно они определяют уровень изоляции.

Быстродействующее регулирование СТК в режиме стабилизации напряжения само по себе является эффективным средством ограничения квазиустановившихся перенапряжений.

Для ограничения импульсных перенапряжений используются специальные элементы, обеспечивающие включение вентилей с запаздыванием порядка 10-20мкс. Эти элементы входят как в состав тиристорных ячеек высоковольтных тиристорных вентилей, так и в состав электронной системы управления СТК.

В момент включения вентиля напряжение прикладывается к реактору СТК, чем и достигается снижение перенапряжений. Однако при этом, как правило, возникает неравенство положительных и отрицательных полуволн тока через реактор, иными словами, в токе появляется квазипостоянная составляющая. Для ее устранения в состав системы управления СТК должно входить специальное устройство быстрого симметрирования полуволн тока фазы.

Реакторы и вентили СТК должны быть рассчитаны на вызванные перенапряжениями перегрузки. Реакторы со сталью должны быть рассчитаны на большие перегрузки, значения которых определяются нелинейностью вольт-амперной характеристики реакторов при напряжении выше номинального. Соответствующие токовые перегрузки должны выдерживать и тиристорные вентили СТК.

Свойство СТК ограничивать внутренние перенапряжения реализуется в полной мере при условии их подключения непосредственно к линии, минуя подстанционные трансформаторы.

Функция 6 должна быть рассмотрена применительно к двум видам АПВ - трехфазному и однофазному (ОАПВ).

Для освоения электропередач переменного тока класса 750 кВ и выше решающее значение имеет проблема обеспечения успешного АПВ. Напряжение в месте к.з. во время бестоковой паузы АПВ возрастает пропорционально номинальному напряжению линии и ее длине. Поэтому на линиях класса 1150кВ, компенсируемых обычными шунтирующими реакторами, восстановление электрической прочности канала дуги за ограниченное время бестоковой паузы может не произойти.

Увеличение бестоковой паузы АПВ для тяжелонагруженных электропередач может привести к нарушению устойчивости параллельной работы. Поэтому трехфазное АПВ должно быть быстродействующим (БАПВ) с паузой до 0,4 с. Однако при длинах участков линии 1150 кВ порядка 400-500 км вследствие относительно малых потерь в линии и шунтирующих реакторах в паузе АПВ будут возникать слабозатухающие колебательные процессы в контурах "емкость линии -- шунтирующие реакторы". Вследствие колебательных процессов в паузе АПВ возможны повторные возникновения дуги в месте к.з. В результате БАПВ будет неуспешным.

Подключение СТК к поврежденному участку линии усиливает затухание колебаний благодаря действию обмоток трансформатора СТК, включенных в треугольник. Обмотки образуют короткозамкнутый контур для синфазных волн напряжения. Специальное управление моментами включения вентилей в паузу АПВ также будет способствовать затуханию колебаний и, следовательно, сокращению времени паузы БАПВ.

Еще более важную роль должен выполнять СТК в обеспечении успешного протекания однофазного АПВ.

Уровень перенапряжений в момент ОАПВ ниже, чем при трехфазном АПВ. Учитывая, что из всех видов к.з. на ультравысоковольтных линиях однофазные к.з. составляют 80-85 %, можно сделать вывод, что обеспечение успешного протекания ОАПВ имеет исключительное значение для надежности этих линий.

Однако с ростом класса напряжений линий проблема ОАПВ усложняется в еще большей степени, чем проблема БАПВ. Причиной этого является ток подпитки дуги в паузу ОАПВ, который при длинах линии 300-500 км может достигать 150-200 А. Быстрое погасание дуги возможно при условии, что ее ток не превышает 10-20 А.

Компенсация тока подпитки дуги при ОАПВ обеспечивается тиристорно-реакторной группой (ТРГ), подключенной к обмоткам трансформатора, соединенным в звезду. Задавая нужный режим ТРГ (углы управления вентилей), можно полностью скомпенсировать емкостную составляющую тока подпитки.

Если линия в момент ОАПВ передает энергию по неповрежденным фазам, возникает дополнительная составляющая тока подпитки дуги за счет взаимоиндуктивностей поврежденной и здоровых фаз. Анализ, проведенный применительно к параметрам линии 1150 кВ длиной до 500 км, показывает, что указанная ТРГ при надлежащем управлении углами включения вентилей может скомпенсировать и эту составляющую тока дуги.

Таким образом, использование СТК для гашения дуги в паузу ОАПВ позволяет снизить ток подпитки дуги до малых значений, при которых дуга гаснет за 0,1-0,3 с, что дает возможность уменьшить время цикла ОАПВ до 0,3-0,4 с и тем самым практически исключить опасность нарушения устойчивости электропередачи при однофазных к.з. на линии.

Стабилизация напряжения в условиях быстрого изменения потока энергии по линии (функция 7) обеспечивает устойчивость длинных линий электропередачи. Для поддержания устойчивости регулятор напряжения должен иметь высокое быстродействие, требуемая величина которого зависит от параметров электропередачи и длины линии.

Фильтрация гармоник тока нагрузки (функция 8) достаточно проста, если спектр тока линейчатый и быстрозатухающий с ростом частоты. Такой спектр имеют токи тиристорных преобразователей с нагрузкой на стороне постоянного тока, выпрямители и инверторы передач постоянного тока, мощные выпрямители электролизных установок и др. Амплитуды гармоник тока шестипульсного тиристорного преобразователя даны на рисунке 19 (точки ТП).

Рисунок 19 - Спектры тока различных потребителей[14]

Тиристорно-реакторная группа СТК имеет аналогичный спектр, но значения гармоник значительно меньше (рис. 20, точки ТРГ). Для фильтрации токов с линейчатым спектром используются цепочки узкополосных фильтров, настроенные на частоты наибольших гармоник.

Значительно сложнее обеспечить эффективную фильтрацию несинусоидальной составляющей тока нагрузки типа дуговых сталеплавильных печей (функция 9), т.к. спектр тока ДСП - сплошной (рис. 20).

Таким образом, функции СТК всех четырех типов далеко не исчерпываются компенсацией реактивной мощности. Поэтому можно сказать, что принятое для СТК название "Статические компенсаторы реактивной мощности" в неполной мере соответствует действительности и может неправильно ориентировать специалистов по энергосистемам и электрическим сетям.

В одном из первых применений вентильного преобразователя для быстродействующего управления реактивной мощностью выпрямитель и инвертор включены последовательно с общим реактором и используются как регулируемый потребитель реактивной мощности в качестве единой, выпрямительно-инверторной подстанции (ВИП). Более перспективной оказалась схема с тиристорно управляемыми реакторами на переменном токе (ТУР) в сочетании с фильтрокомпенсирующими цепями (ФКЦ). В разработках фирмы АСЕА используется СТК по схеме тиристорно переключаемых секций конденсаторов (ТПК) или сочетание схем ТПК и ТУР. В последние годы ведутся разработки СТК на базе многофазных инверторов с принудительной коммутацией или тиристорных преобразователей частоты (КТПЧ).

При оценке показателя 1 мощность тиристорной части учитывалась исходя из равенства диапазонов бесконтактного (тиристорного) регулирования сравниваемых схем. Потери (показатель 2) также были отнесены к диапазону бесконтактного регулирования. Величины потерь взяты с учетом данных зарубежных и отечественных СТК[14].

Оценка допустимых перенапряжений (показатель 3) призведена с учетом того, что в схеме ТУР вентили полностью открываются при напряжениях выше заданного уровня, что не только защищает их от повреждений, но и снижает уровень перенапряжений в питающей сети. Остальные схемы критичны к перенапряжениям, проектируются в расчете на заданную (максимально допустимую) кратность повышения напряжения и по этой причине должны снабжаться специальными сильноточными ограничителями перенапряжений (ОПН). При вынужденном включении от перенапряжений вентили этих схем оказываются в аварийном режиме.

Наличие импульсного управления в схемах СТК позволяет рассматривать их при малых возмущениях стационарного режима как импульсные системы, интервал съема (показатель 4) при этом определяется так называемой пульсностью преобразователя

Т = Т_с/m,

где Т - интервал съема импульсной системы; Т_с - период частоты сети; m - число вентилей, поочередно коммутируемых за период.

На основании приведенной оценки характеристик различных схем СТК можно сделать вывод о том, что по совокупности показателей (мощность тиристорной части, удельные потери, быстродействие, устойчивость к перенапряжениям) схема с тиристорно управляемым реактором превосходит другие схемы. Поэтому для всех вышеуказанных четырех типов СТК при современном уровне силовой преобразовательной техники целесообразно использовать схему ТУР в сочетании с ФКЦ.

Тиристорные преобразователи с нагрузкой на стороне постоянного тока имеют линейчатый спектр несинусоидальности тока (рис. 21, точки ТП). В составе СТК необходимо иметь ФКЦ с частотами n = 5,7 и широкополосную ФКЦ с частотой n = 11.

Приведенные выше схемы СТК легли в основу разработки серий СТК на напряжение 6; 10; 35 и 110 кВ, выполненной институтами и заводами электротехнической промышленности.

На основании проведенного исследования можно сделать вывод, что статические тиристорные компенсаторы открывают новые возможности по повышению надежности и качества электрических систем, обеспечивая помимо компенсации реактивной мощности ограничение коммутационных перенапряжений и соответствующее облегчение координации изоляции оборудования ультравысоковольтных передач, повышение вероятности успешных БАПВ и ОАПВ, повышение предела мощности по длинным линиям, симметрирование режима, снижение потерь в линиях, компенсацию влияния резкопеременной нагрузки, фильтрацию высших гармоник.

При современном уровне развития высоковольтной преобразовательной техники предпочтительной схемой СТК является шести- или двенадцатипульсная тиристорно-реакторная схема с необходимым набором фильтрокомпенсирующих цепей.

Регулирование индуктивности осуществляется тиристорными группами VS, управляющие электроды которых подсоединены к схеме управления.

Реактивная мощность Q, выдаваемая такой установкой в сеть, регулируется переменной реактивной мощностью индуктивности Q_L, т. е.

Q = Q_C - Q_L

где Q_C - мощность БК.

В настоящее время промышленностью выпускаются тиристорные компенсаторы реактивной мощности для сети 0,4 кВ, на номинальный ток 190 А, мощностью 125 квар типа ТК-125-380. Диапазон регулирования мощности 25-125 квар, скорость изменения реактивной мощности 500 квар/с.

Силовая часть такого компенсатора представляет собой два параллельно включенных трехфазных управляемых моста, нагрузками которых являются изолированные обмотки дросселя, размещенные на крайних стержнях Ш-образного сердечника.

При эксплуатации СКРМ типа ТК-125-380 выявилось их главное преимущество - плавное автоматическое регулирование ими реактивной мощности и стабилизация напряжения сети системой управления тиристорами. Тиристорный компенсатор может работать в режимах регулирования соsj или регулирования напряжения.

Несмотря на то, что данный компенсатор требует некоторой доработки, целесообразность его применения в распределительных электросетях 380 В, особенно с резкопеременным потреблением реактивной мощности, не вызывает сомнения[9].

Управляющее устройство генерирует в соответствующие моменты токовые импульсы, которые, проходя через БК, изменяют напряжение на ее зажимах. Таким образом, бросков тока при коммутации вентилей в цепи этой БК не возникает. Длительность протекания тока в течение каждого полупериода может регулироваться моментом подачи импульса тока от управляющего устройства.

Устройство состоит из двух симметричных блоков. В каждом блоке трехфазные группы соединяются в треугольник. Последовательно с конденсаторами включаются два встречно-параллельно соединенных вентиля 3 и 4. Батареи конденсаторов БК 1 и 2 и вентили включаются в сеть через трехфазный трансформатор. Обмотки трансформаторов 5 и 6 соединяются таким образом, чтобы суммарный ток блоков не содержал гармоник, кратных трем, которые, как показывают теоретические и экспериментальные исследования, являются самыми значительными в токе ИРМ. Это можно получить, если для одного трансформатора предусмотреть схему соединения обмоток "звезда-звезда", а другого - "звезда-треугольник". При соединении конденсаторов в треугольник компенсируются третья и кратная ей гармоники тока.

Для практически возможных случаев рассматриваемая схема имеет следующие параметры: постоянная времени 0,02 - 0,03 с; диапазон регулирования мощности (в долях от номинальной) 0,3 - 1; диапазон изменения угла управления вентилями - около 50°.

Данные его эксплуатации показали, что фильтр снизил содержание тока 5-й гармоники в 5 раз. В фильтре использован реактор, допускающий регулировку индуктивности в диапазоне от +25 до -20% номинального значения. При наличии фильтров возможно подключение БК к тем же шинам без защитных реакторов.

Опыт разработки и промышленная эксплуатация фильтров высших гармоник имеется за рубежом (США, Япония, Германия и др.). Обычно это простые режекторные фильтры, состоящие из последовательно включенных нерегулируемых конденсаторов и реакторов. Реакторы фильтров зарубежных фирм, как правило, изготовляют без железного сердечника. Это обеспечивает лучшую добротность, но приводит к увеличению габаритов.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения передают показания мгновенных значений токов I_A, I_B, I_C и напряжений U_A, U_B, U_C, а также реактивной Q_A, Q_B, Q_C и активной P_A, P_B, P_C мощности в систему регулирования. Тиристорно-реакторная группа, содержащая тиристорные ключи VD1, VD2, VD3 и реакторы LR, управляется системами автоматического регулирования САР-1, 2, 3. Фильтрокомпенсирующие устройства ФКУ-1 и ФКУ-2 представляют собой комбинированные многополюсные трехфазные фильтры 3, 5 и 7-й гармоник, включающие реакторы и батареи конденсаторов с вакуумными выключателями QW1 и QW2. Система управления регулирует величину реактивной мощности отдельно в каждой фазе компенсатора путем изменения углов открытия вентилей VD1-VD3, причем регулируется не емкость, а индуктивность. Фильтрокомпенсирующие устройства настроены на определенную постоянную мощность, а регулируемые реакторы снижают эту постоянную емкостную мощность до того уровня, который необходим для регулирования заданного напряжения[22].

В настоящее время фирма Nokian Capacitors Ltd. (Финляндия) производит и устанавливает статические компенсаторы возмущений для линий передачи электроэнергии и промышленных предприятий.

Возмущения при обычной работе линий передачи электроэнергии и промышленных распределительных систем могут быть вызваны подключением линий, авариями на линиях, нелинейными компонентами, такими как тиристорные регуляторы, и быстро изменяющимися активными или реактивными нагрузками.

Проблемы, которые при этом возникают, включают в себя: наличие гармоник; потребность в дополнительной реактивной мощности; флуктуации напряжения; фликкер-эффект (мерцание); несбалансированные нагрузки; быстрые изменения в реактивной мощности. Эти проблемы можно решить с помощью быстродействующего статического компенсатора (БСК).

Устройства БСК проектируются индивидуально, используя стандартные компоненты, для решения конкретных проблем каждого заказчика. Несколько из приведенных выше проблем могут возникать одновременно. Оптимальное решение диктуется техническими и экономическими соображениями.

Возмущения, вызванные наличием гармоник, могут быть устранены с помощью фильтров. Реактивная мощность может быть обеспечена применением конденсаторов, которые, если их использовать как фильтры, могут обеспечить как коррекцию коэффициента мощности, так и снизить уровень гармоник.

Флуктуации напряжения могут быть устранены путем использования индуктивных стабилизаторов с конденсаторами, подключаемых через тиристорную схему управления.

От фликкер-эффекта, вызванного быстроменяющейся нагрузкой, можно избавиться с помощью индуктивных стабилизаторов, подключаемых через тиристорную схему управления.

Несбалансированные нагрузки могут быть уравновешены путем селективного подключения, через тиристорную управляющую схему, индуктивных стабилизаторов и конденсаторов.

Быстрые флуктуации в реактивных нагрузках, таких как искровые плавильные печи, могут быть скомпенсированы аналогичным способом.

При использовании системы БСК на сталелитейном заводе было достигнуто улучшение следующих показателей:

- флуктуации напряжения были снижены на 80%;

- уровень напряжения повысился;

- при повышении уровня напряжения увеличилась производительность за счет уменьшения времени плавки в искровых печах;

- удалось избежать штрафов компании-поставщика электроэнергии за низкий коэффициент мощности;

- мощность, выделяемая в искре плавильных печей, была стабилизирована, что привело к снижению износа графитовых электродов;

- уровень гармоник в сети подачи электроэнергии, благодаря использованию фильтров, снизился до приемлемого значения.

Статические компенсаторы проектируются индивидуально, таким образом, чтобы каждый компенсатор соответствовал своему конкретному назначению и приносил положительный экономический эффект.

Для проектирования необходима следующая информация: принципиальная схема той системы, к которой компенсатор будет подсоединен; номинальное напряжение и частота сети; мощность, выделяемая при коротком замыкании в точке общего подсоединения, и диапазон любых возможных изменений; информация относительно изменений реактивной мощности и/или информация о связанной с этим нагрузке; данные по имеющемуся уровню и характеру гармоник или данные о нагрузке, вызывающей наличие гармоник; конструкторские требования, например, допустимое изменение напряжения и содержания гармоник, требования по реактивной составляющей мощности и быстродействие системы компенсации; любые дополнительные или особые требования, которые предъявляются к компенсатору; окружающие условия[26].

1.4.4 Разработанные устройства для компенсации реактивной мощности

Разработано устройство компенсации реактивной мощности с помощью переключаемых ступенями фильтрокомпенсирующих цепей и плавно регулируемых линейных реакторов.

На рисунке 20 показана принципиальная схема устройства.

Рисунок 20 - Устройство для компенсации реактивной мощности

Устройство содержит тиристорно-реакторную группу, состоящую из компенсирующих реакторов 1, подключенных встречно-параллельно соединенными тиристорами 2 к сети, питающейся от вторичной обмотки 3 понижающего трансформатора 4, соединенной, например, в звезду с выведенной нейтралью 5. В устройство входят фильтрокомпенсирующие цепи, фазы которых состоят из последовательно включенных коммутационных элементов 6, конденсаторов 7 и реакторов 8. Ветви разноименных фаз фильтрокомпенсирующих цепей соединены в звезду с изолированной нейтралью 9. Устройство содержит общую шину 10, между которой и нейтралями 9 каждой трехфазной фильтрокомпенсирующей цепи включены дополнительные коммутационные элементы 11, например разъединители. При наличии выведенной нейтрали 5 вторичной обмотки трансформатора 4 с нейтралью 5 соединена общая шина 10.

Устройство работает следующим образом.

В случае соединения обмотки 3 в звезду с выведенной нейтралью при оперативном отключении одной из фильтрокомпенсирующих цепей, например, для ступенчатого регулирования уровня компенсации реактивной мощности предварительно включается дополнительный коммутационный элемент 11 отключаемой фильтрокомпенсирующей цепи, затем эта цепь отключается от сети коммутационным элементом 6, после этого отключается включенный дополнительный коммутационный элемент 11. В результате подключения нейтрали 9 отключаемой фильтрокомпенсирующей цепи к нейтрали 5 вторичной обмотки трансформатора 4 предотвращается смещение потенциала нейтрали 9 при неполнофазном режиме, возникающем из-за неодновременного обрыва дуги в фазах коммутационным элементом 6. При этом амплитуда напряжения, восстанавливающегося на первой отключаемой фазе коммутационного элемента 6, снижается в 1,5 раза, что приводит к повышению надежности его работы.

При соединении обмотки 3 трансформатора 4 в треугольник или звезду с изолированной нейтралью до отключения фильтрокомпенсирующей цепи ее нейтраль 9 коммутационным элементом 11 подключается к шине 10. Одновременно включается необходимое количество коммутационных элементов 11 остальных фильтрокомпенсирующих цепей. Затем отключается коммутационный элемент 6 отключаемой фильтрокомпенсирующей цепи, после чего отключаются все включенные дополнительные коммутационные элементы 11. Исследования показывают, что подсоединение к отключаемой еще четырех-пяти фильтрокомпенсирующих цепей примерно одинаковой мощности дает практически тот же эффект, что и подсоединение к нейтрали трансформатора, т.е. снижает амплитуду восстанавливающегося напряжения на первой отключаемой фазе почти в 1,5 раза. Подключение нейтрали лишь одной фильтрокомпенсирующей цепи обеспечивает снижение восстанавливающегося напряжения более чем в 1,3 раза, что в ряде случаев может оказаться достаточным для надежной работы коммутационных элементов[27].

Для автоматической компенсации реактивной мощности в электрических сетях предназначен статический тиристорный источник реактивной мощности.

Источник работает следующим образом.

При полностью открытых тиристорах блоков 6 индуктивное сопротивление дросселей 2 максимальное и к ним приложена половина линейного напряжения. Обмотки 4 и 5 дросселей 2 включены параллельно. Суммарный магнитный поток замыкается через средние стержни магнитной системы. Наличие немагнитных зазоров препятствует насыщению электротехнической стали магнитной системы. Содержание высших гармоник в токе устройства незначительное. Кроме того, соединение дросселей в треугольник обеспечивает циркуляцию гармоник тока, кратных трем, по замкнутому контуру.

При полностью закрытых тиристорах блока 6 происходит подмагничивание стали магнитной системы, так как по обмоткам 4 и 5 протекает импульсный выпрямленный ток, обеспечивающий создание постоянного магнитного потока, замыкающегося через крайние стержни. Напряжение на дросселях 2 близко к нулю. Напряжение на конденсаторных батареях 1 возрастает с половины линейного до фазного напряжения.

Содержание высших гармоник в электрической сети минимально, так как напряжение на дросселях близко к нулю.

При текущем значении угла управления тиристоров блоков 6 режим работы устройства находится между двумя предельными режимами, рассмотренными выше. Наличие двух треугольных соединений конденсаторных батарей 1 и дросселей 2 способствуют более эффективному снижению высших гармоник, кратных трем.

Это устройство может найти применение в электрических сетях энергосистем и в системах электроснабжения промышленных предприятий для повышения коэффициента мощности, снижения потерь активной мощности от протекания реактивной мощности и регулирования напряжения[28].

Отдельная задача в электроэнергетике - проблема быстрого пофазного регулирования величины и направления потока реактивной мощности в трехфазных линиях электропередач высокого и сверхвысокого напряжения.

Для линий электропередач требуются такие СТК, которые, во-первых, обладают высоким быстродействием, позволяющим оказывать благоприятное влияние на протекание электромагнитных процессов, и, во-вторых, позволяют осуществлять пофазное регулирование реактивной мощности. В определенных ситуациях требуется, например, быстро (за один период промышленной частоты) перевести СТК из симметричного трехфазного режима в режим, при котором по двум фазам производится выдача, а по одной фазе потребление реактивной мощности[30].

Разработан статический тиристорный компенсатор, содержащий соединенные последовательно конденсаторную батарею и реакторы, а также два трехфазных трансформатора и блок регулирования реактивной мощности. К вторичным обмоткам трансформаторов подключены два управляемых тиристорных моста, полюса постоянного тока которых соединены через реакторы. Расширение функциональных возможностей путем пофазного управления компенсатором достигается тем, что первичные обмотки трансформаторов соединены по схеме согласной звезды с заземленной нейтралью, а вторичные обмотки - по схеме встречной звезды, и их нейтрали соединены перемычкой, а блок регулирования реактивной мощности выполнен пофазным.

...