Средства компенсации реактивной мощности

В отличие от активной мощности, вырабатываемой на электростанциях, реактивную мощность можно генерировать в любом узле электрической сети с помощью установки в этом узле источника реактивной мощности.

Полное или частичное покрытие потребности узла нагрузки в реактивной мощности путем установки в этом узле источников реактивной мощности называется компенсацией реактивной мощности. Источники реактивной мощности называются еще компенсирующими устройствами (КУ).

В качестве КУ используются батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы, синхронные двигатели и статические источники реактивной мощности.

Потребители реактивной мощности имеют, как правило, индуктивный характер нагрузки. Рассмотрим с позиций теоретической электротехники совместную работу конденсаторов и потребителей с индуктивным характером нагрузки, подключенных параллельно к одной точке электрической сети.

Работа потребителей индуктивного характера основана на создании магнитного поля, энергия которого в первую четверть периода берется от источника, во вторую четверть — отдается обратно источнику, в третью четверть энергия для создания магнитного поля вновь берется от источника, а в четвертую — вновь отдается источнику и т.д.

Конденсаторы имеют емкостной характер нагрузки. Работа такой нагрузки основана на создании электрического поля, энергия которого во вторую четверть периода берется от источника, в третью четверть — отдается источнику, в четвертую — вновь берется от источника, в первую четверть следующего периода — вновь отдается источнику и т.д. Таким образом, в течение каждой четверти периода индуктивная и емкостная нагрузки обмениваются энергией. Так, для создания магнитного поля в индуктивной нагрузке используется энергия электрического поля емкостной нагрузки, и наоборот. Следовательно, конденсаторы являются источником энергии для индуктивной нагрузки.

Конденсаторные батареи выпускаются в виде комплектных устройств, состоящих из параллельно и последовательно включенных конденсаторов, коммутационной и защитной аппаратуры. Конденсаторные батареи устанавливаются в узлах электрической сети напряжением до 220 кВ. Мощность конденсаторной батареи зависит от количества параллельно-последовательно включенных конденсаторов в одной фазе, напряжения сети в точке подключения батареи и схемы включения фаз.

При включении фаз Cф конденсаторной батареи треугольником генерируемая одной фазой реактивная мощность в соответствии с рисунком 1 составляет:

Qкб = U • I,

где U, I — линейные напряжение и ток.

При включении фаз Сф конденсаторной батареи в звезду генерируемая одной фазой реактивная мощность составляет:

Qкб = Uф • Iф = U • I / 3,

где Uф, Iф — фазные напряжение и ток.

Таким образом, при включении конденсаторной батареи треугольником генерируемая ею реактивная мощность будет в три раза больше, чем при включении звездой.

Поэтому в большинстве случаев фазы конденсаторной батареи соединяют в треугольник.

Рисунок 1 Схемы включения конденсаторных батарей

Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронный двигатель, работающий на холостом ходу без активной нагрузки на валу. В режиме перевозбуждения СК выдает в сеть реактивную мощность, в режиме недовозбуждения — потребляет реактивную мощность из сети.

Синхронный двигатель (СД) потребляет из сети активную мощность. Как и СК, СД в зависимости от режима возбуждения выдает или потребляет реактивную мощность.

В ЭЭС с протяженными воздушными линиями электропередачи напряжением 330 кВ и выше возможны режимы, в которых возникает избыток реактивной мощности за счет большой ее генерации воздушными линиями. В этом случае уровни напряжения в отдельных точках электрической сети могут превысить предельно допустимые значения.

Для потребления избыточной реактивной мощности могут быть использованы СК в режиме недовозбуждения или шунтирующие реакторы, включаемые между каждой фазой линии и землей.

Шунтирующий реактор — это статическое устройство с индуктивным сопротивлением ХL, потребляющее реактивную мощность:

Qр = (U • U) / Х • L,

где ХL — индуктивное сопротивление реактора; U — линейное напряжение сети в точке подключения реактора.

Используются как нерегулируемые, так и регулируемые реакторы. В случае нерегулируемого реактора потребление им реактивной мощности, зависит от квадрата напряжения в узле подключения реактора. При отключении реактора потребления реактивной мощности нет. В случае регулируемого реактора потребляемая им реактивная мощность зависит от его реактивного сопротивления ХL, которое изменяется устройством управления за счет подмагничивания реактора. В этом случае реактор должен иметь магнитопровод из ферромагнитного материала. Включение параллельно с регулируемым реактором батареи конденсаторов с емкостным сопротивлением ХC позволяет получить статический регулируемый источник реактивной мощности, принципиальная схема которого приведена на рисунке 2. В зависимости от соотношения сопротивлений ХL и ХС реактивная мощность может как потребляться из сети (при ХL ХC).

Рисунок 2. Принципиальная схема статического регулируемого источника реактивной мощности

Плавность регулирования режима потребления или выдачи реактивной мощности достигается с помощью регулируемого тиристорного блока, входящего в устройство управления УУ.

Сравним различные компенсирующие устройства.

Батареи статических конденсаторов являются самыми дешевыми из всех КУ, просты в эксплуатации, имеют малые потери активной мощности (0,0025…0,005 кВт/кВАр). Однако конденсаторы имеют зависимость выработки реактивной мощности от величины напряжения U в точке подключения. При снижении напряжения U генерируемая конденсаторами реактивная мощность уменьшается. Батареи конденсаторов допускают лишь ступенчатое регулирование реактивной мощности, чувствительны к перегрузке.

Синхронные компенсаторы за счет регулирования тока возбуждения имеют возможность плавного регулирования реактивной мощности, возможность работы в режиме как выдачи, так и потребления реактивной мощности и возможность увеличения генерации реактивной мощности при снижении напряжения в узле подключения компенсатора.

Синхронные компенсаторы, по сравнению с конденсаторами, более дорогие, более сложные в обслуживании и имеют на порядок большие удельные потери активной мощности. Поэтому в настоящее время синхронные компенсаторы в ЭЭС почти не применяются.