Продольная компенсация

Из расчетной формулы потери напряжения в сети:

 ΔU  = (((P·R₀ + Q·X₀) · l) / U_н), видно, что одним из ее членов является произведение реактивной мощности или тока Iр на реактивное сопротивление X_L, состоящее из индуктивных сопротивлений трансформатора и проводов линий.

Известно, что в последовательной цепи, состоящей из индуктивного и емкостного сопротивления: Xc = 1 / (2·π·f·C), суммарное реактивное сопротивление будет определяться их разностью, то есть: Xобщ = X_L — X_C.

Такой способ уменьшения реактивного сопротивления в электрических сетях получил название «продольной компенсации», а установки конденсаторов, включенных последовательно в рассечку каждого из проводов линии, названы установками ПЕК или УПК. Изменяя число и емкость конденсаторов, то есть влияя на емкостное сопротивление Xc, можно получить любую величину потери напряжения в линии, и даже отрицательную величину, когда напряжение  в конце линии окажется выше, чем в начале.

При равенстве индуктивного сопротивления линии емкостному сопротивлению конденсаторов величина потери напряжения в сети определяется только ее активным сопротивлением. Последовательное включение конденсаторов сеть для получения надбавки напряжения является целесообразным при относительно невысоких коэффициентах мощности и в сетях со сравнительно крупными сечениями проводов, так как при малых сечениях проводов потеря напряжения в линии определяется в основном ее активным сопротивлением и включение конденсаторов мало повлияет на величину отклонений напряжения у потребителей.

В тех случаях, когда потребитель имеет резко переменный режим, включение последовательных конденсаторов является почти единственным средством сглаживания пульсаций напряжения, так как все другие средства требуют для перехода от одного режима к другому некоторого времени, что приводит к запаздыванию эффекта их действия. Конденсаторные батареи при их установке в рассечку линии должны рассчитываться на проходную мощность линии, так как напряжение между их обкладками определяется не рабочим напряжением сети, а произведением тока на сопротивление. В том случае, если в рассечку линии, например, напряжением 10 кВ включаются конденсаторы на более низкое напряжение, все конденсаторы батарей должны быть надежно изолированы от земли. Следует отметить, что продольная компенсация приводит к увеличению токов короткого замыкания и может оказаться причиной резонансных перенапряжений, однако в местных и заводских сетях это не может служить препятствием к применению.

Пример к теме. Определить число и общую мощность батареи конденсаторов, применяемых для получения надбавки напряжения в воздушной сети, если известно, что в режиме максимальной нагрузки потери напряжения за счет конденсаторов должны быть снижены на 50 %. Напряжение сети 3 кВ. Активное сопротивление R=4 Ом. Реактивное сопротивление X_L = 4 Ом. Передаваемая по линии мощность P = 100 кВт. Коэффициент мощности нагрузки равен 0,8. Проверить возможность использования трансформаторов КОМ-6-8-1, имеющих рабочее напряжение 600 В, типовую мощность 8,5 кВАр, емкость 75 мкф.

Решение. Используя исходные данные и формулу потерь напряжения

ΔU = (P·R_т + Q·X_т) / U_н , определим необходимую емкость и реактивное сопротивление конденсаторов.

Потеря напряжения до компенсации:

ΔU = (100·4 + 75·4) / 3, где Q = P·tgϕ = 100·0,75

Потеря напряжения после компенсации определится из формулы

0,5·ΔU = (P·R_т + Q·[X_L — X_C]) / U_н

((100·4 + 75·4) / 3) ·0,5 = ((100·4 + 75· [4 — X_C]) / 3),

отсюда искомое емкостное сопротивление X_C = 350/75 = 4,67 Ом.

Необходимая емкость одной фазы может быть определена из выражения: Xc = 1 / (2·π·f·C), где с учетом размерности емкость в микрофарадах:

C = 10⁶ / (2·π·f ·Xc), откуда C = 1000000 / (314·4,67) = 682 мкф.

Зная емкость одного конденсатора С₀ = 75 мкф, определяем нужное число их при параллельном соединении:

N = C / C₀ = 682 / 75 = 9; n_общ = 3·n = 3·9 = 27.

Рабочий ток в линии электропередачи будет:

I_раб = P / (1,732·U_н·cosϕ) = 100 / (1,732·3·0,8) = 24 А.

Ток в каждой ветви батареи будет: I_с = I_раб / n = 24 / 9 = 2,67 А.

Сопротивление каждого конденсатора:

X_c0 = 1 / (2·π·f·C₀) = 10⁶ / 314·75 = 42,5 Ом, а напряжение на конденсаторах в рабочем режиме: U_с = I_с·X_c0 = 2,67·42,5 = 113 В.

Общая мощность батареи конденсаторов:

Q_c = 3·I²_раб·X_c·10^-3 = 324²·4,67·10^-3 = 8,05 кВАр

Отсюда следует, что никакой необходимости устанавливать для компенсации индуктивного сопротивления конденсаторы, рассчитанные на рабочее напряжение сети. Последовательно включенные конденсаторы в УПК по сравнению с широко распространенной схемой их параллельного включения имеют ряд особенностей, одной из которых является необходимость применения конденсаторов типа КМП. Установка состоит всегда из однофазных бумажно-маслянных конденсаторов.

В фабрично-заводских условиях конденсаторы можно устанавливать в закрытом помещении на опорных изоляторах в виде трех отдельных групп. Каждая группа конденсаторов должна иметь средства управления и для защиты от перенапряжений — разрядник. В качестве разрядника используются тарельчатые искровые промежутки стандартного вентильного разрядника, установленные  в корпусе низковольтного разрядника РВН. Разрядник защищающий УПК от перенапряжений, возникающих при затяжных коротких замыканиях. В соответствии с заводскими данными конденсаторы допускают 2-4-кратное повышение напряжения сверх номинального на время, достаточное для отключения линии защитой.

Для предохранения тарелочек разрядников от оплавления в цепи разрядника P предусмотрены добавочное сопротивление примерно 0,3 — 0,7 Ом и тяговая катушка КТ контактора (в некоторых случаях для гашения феррорезонансных колебаний конденсаторы шунтируются сопротивлением (r≈10X_с)). Катушка  должна иметь мало витков (16-20) сечением 16-20 мм², рассчитанных на ток 50-100 А. Контакты К предназначены для создания обходной цепи для тока КЗ и разрядного тока. Разъединитель 1 установлен для вывода установки из работы, 2 и 3 для отключения установки от сети, трансформатор ТН — для измерения напряжения и снятия остаточного разряда. Разрядник, добавочное сопротивление и контактор, смонтированные в металлическом корпусе, составляют аппарат ЭК-10. Для защиты конденсаторов от перенапряжений, возникающих при коротком замыкании на линии за конденсаторами, был применен однажды, специальный разрядник, вращающийся между кольцевыми электродами дугой. Номинальное напряжение конденсаторов УПК выбирается независимо от номинального напряжения сети по рабочему току линии с учетом необходимой реактивной мощности, поэтому они должны быть надежно изолированы от земли с уровнем изоляции, зависящим от фазного напряжения линии. Конденсаторы УПК являются компенсатором реактивного сопротивления и в небольшой степени генератором реактивной мощности. С помощью УПК можно также изменить распределение нагрузки в замкнутых сетях и двухцепных линиях. Экономичность сооружения установки определяется снижением годовых затрат на оплату потерь и значительному улучшению показателей работы сети (напряжение, коэффициент мощности). Место включения, как правило, выбирается в конце линии у потребителя; число, мощность, тип и схема соединения конденсаторов определяется расчетом.