Фильтро–симметрирующие установки

В качестве источников реактивной мощности могут быть использованы любые устройства, имеющие емкостный характер собственной нагрузки. Наибольшее распространение получили синхронные компенсаторы (СК) и конденсаторные батареи (КБ).

СК представляют собой синхронные электродвигатели облегченной конструкции без нагрузки на валу. Их основным достоинством является способность плавного регулирования реактивной мощности в широких пределах с возможностью перехода в режим потребления. Большинство типов СК имеет большую инерционность, и только специальные быстродействующие СК позволяют устранять колебания напряжения. СК обладают значительной стоимостью, сложны в эксплуатации из-за наличия вращающихся частей, имеют большие потери активной мощности.

Статические компенсаторы на базе КБ более надежны и экономичны. Они бывают нерегулируемые и регулируемые. Наиболее часто используются КБ с дискретным регулированием путем подключения или отключения части емкости с помощью контакторов (рис. 6.2). Очевидно, что при регулировании напряжения такие КБ могут быть использованы только для компенсации отклонений напряжения, а не его колебаний.

В системах электроснабжения мощных электропечей используются различные схемы поперечной компенсации.

При выборе конкретной схемы подключения системы поперечной компенсации руководствуются следующими правилами:

· чем ближе подключена КБ к самой электротехнологической установке, тем большая часть ее электрооборудования разгружается от реактивной мощности;

· в связи с тем, что мощность КБ прямо пропорциональна квадрату напряжения, необходимо ее включать на наибольшее напряжение с учетом допустимого напряжения и необходимого уровня изоляции;

· при анализе конкретных схем производится технико-экономический анализ с учетом стоимости дополнительного оборудования (трансформаторов, реакторов, коммутирующей аппаратуры и т. д.).

Рис. 6.2. Фазная группа управляемой конденсаторной батареи с постоянной С₁ и переменной С₂ мощностями.

В установках руднотермических, дуговых сталеплавильных, индукционных (промышленной частоты) и других электропечей широко распространено прямое включение КБ на стороне высокого напряжения печного трансформатора (рис. 6.3, а). Однако эта схема не разгружает электрооборудования печей. Для частичной или полной разгрузки от реактивной мощности печных трансформаторов используются другие схемы. Схема рис. 6.3, б) требует установки дополнительного трансформатора для рационального использования емкости КБ, в схеме рис. 6.3, в) производится замена двухобмоточного трансформатора на трехобмоточный. Это повышает стоимость трансформаторов. За рубежом на дуговых сталеплавильных печах широко используется схема рис. 6.3 (г), которая позволяет разгрузить регулировочный автотрансформатор трансформаторного агрегата.

Рис. 6.3. Принципиальные схемы включения конденсаторных батарей при поперечной компенсации: 1 — главный печной трансформатор; 2 — повышающий трансформатор; 3 — регулирующий автотрансформатор;
4 — конденсаторная батарея; 5 — печь

Емкостное сопротивление постоянной части КБ будет равно:

,

где k_T – суммарный коэффициент трансформации приведения точки подключения КБ к стороне ВН (для схемы на рис. 6.2., а k_T = 1).

Аналогично определяется и сопротивление переменной части КБ:

,

где DI_н — отклонение тока нагрузки по высокой стороне U_н.

При использовании для компенсации реактивной мощности конденсаторов необходимо учитывать, что при включении и отключении КБ, а также при коммутации ее секций возникают толчки тока и перенапряжения. Это вызвано наличием колебательного контура, состоящего из емкости батареи и индуктивностей сети и трансформатора. Ток включения незаряженной КБ может в 5—15 раз превышать ее номинальный ток, а перена­пряжения могут достигать трехкратного значения фазного напряжения. Нелинейная индуктивность трансформаторных цепей может вызвать феррорезонансные явления. Все это требует усложнения конструкции КБ за счет установки дополнительных токоограничивающих реакторов, снижает надежность и срок службы КБ.

Колебания напряжения, возникающие при коммутационных процессах, ограничивают допустимую мощность КБ, которая составляет 6—15 Мвар при напряжении сети 35 кВ и 20—90 Мвар при напряжении 110 кВ. Для мощных печей (руднотермических и дуговых) она соизмерима с требуемой мощностью компенсации. Поэтому для этих типов печей в основном применяется индивидуальная компенсация.

Установки продольной компенсации (УПК)

На рис. 6.4 представлены схемы включения КБ продольной компенсации. Они могут включаться либо непосредственно в рас­сечку цепи на высоком или промежуточном напряжениях (рис. 6.4, а и б), либо через повышающий трансформатор на вторичной стороне печного трансформатора (рис. 6.4, в).

Распространена и схема включения КБ в цепь обмотки высшего напряжения регулировочного трансформатора (рис. 6.4, г), которая позволяет несколько (на 6—8%) снизить трансформаторную мощность. УПК повышает напряжение на нагрузке. Для обычных параметров электрических печей (например, руднотермических) это увеличение достигает 30—50%. Это оказывает серьезное влияние на характеристики печей, позволяя повысить максимально достижимую активную мощность.

В отличие от поперечной компенсации в УПК компенсируемая реактивная мощность пропорциональна квадрату тока нагрузки, при этом при изменениях мощности нагрузки, а следовательно, и ее тока происходит частичная автоматическая компенсация колебаний напряжения. Поэтому УПК, как правило, используются для крупных потребителей с резкопеременной нагрузкой, например для цехов с мощными сварочными установками, прокатными станами. Широко применяется УПК и при питании ферросплавных и карбидных электропечей мощностью 16,5—63 МВ·А.

Рис. 6.4. Принципиальные схемы включения конденсаторной батареи продольной компенсации: 1 — главный печной трансформатор; 2 — повышающий трансформатор; 3 — линейный регулировочный трансформатор; 4 — регулирующий автотрансформатор; 5 — конденсаторная батарея; 6 — печь

К недостатку УПК относится возможность возникновения резонансных явлений при сквозных токах КЗ и появления перенапряжений, усугубляющихся при трансформаторных схемах включения УПК. Особенно резко они проявляются при наличии в токе нагрузки высших гармоник. Поэтому УПК в схемах питания ДСП используются редко, несмотря на улучшение характеристик печей и снижение их влияния на питающую сеть.

При настройке УПК на достижение заданного средневзвешенного коэффициента мощности выбирают КБ с емкостным сопротивлением

.

Для компенсации отклонений и колебаний напряжения емкостное сопротивление КБ должно быть равно

,

где I_доп — допустимый ток нагрузки КБ.

6.3. УСТРОЙСТВА ДИНАМИЧЕСКОЙ КОМПЕНСАЦИИ КОЛЕБАНИЙ НАПРЯЖЕНИЯ (УДК)

Необходимость гашения колебания напряжения при резкопеременной нагрузке вызывает необходимость применения быстродействующих компенсирующих устройств. Особенно это актуально при расширяющемся применении мощных дуговых сталеплавильных печей (ДСП), оказывающих нежелательное влияние на питающую сеть из-за колебательного режима работы, при котором изменение реактивной нагрузки ДСП может достигать 260—280 Мвар/с, что составляет значение, кратное 2,5—3 значениям номинальной реактивной мощности печи в секунду.

УДК представляют собой устройства из реактивных элементов, подключаемые параллельно печным установкам непосредственно или через согласующие трансформаторы и управляемые с помощью тиристорных устройств. Они могут совмещать функции динамических компенсаторов и функции фильтров для подавления высших гармоник. Поэтому их часто называют фильтрокомпенсирующими устройствами (ФКУ).

Принцип их действия заключается в том, чтобы с максимальным быстродействием измерять реактивную мощность или реактивный ток печи и управлять компенсатором так, чтобы сумма реактивных мощностей компенсатора и печи оставалась с максимальной точностью неизменной и равной заданной. Однолинейные схемы основных разновидностей силовых частей УДК приведены на рис. 6.5. Силовая часть содержит батареи конденсаторов общей реактивной мощности Q_f, разделенные на несколько параллельных групп. Конденсаторы каждой фазы в группе последовательно соединены с реакторами, индуктивность которых такова, что группа образует фильтр той или иной высшей гармоники тока.

Таким образом, эта постоянно подключаемая к сети батарея одновременно с генерацией в сеть постоянной емкостной мощности служит для уменьшения уровня высших гармоник, созданных печью или другими элементами силовой части УДК. Параллельно ей и печи подключен реактивный элемент, управляемый с помощью тиристоров и создающий регулируемые реактивный ток и реактивную мощность Q_v.

Если таким элементом служит набор конденсаторов, подключаемых к сети через тиристорно-диодные (рис. 6.5, а) или тиристорные (рис. 6.5, б) ключи, то устройство называют конденсатором с тиристорным подключением TSC (thyristor-switched capacitor).

Если же реактивным элементом является реактор, ток которого регулируют с помощью встречно-параллельно включенных тиристоров с фазоимпульсным управлением (рис. 6.5, в), то компенсатор называют реактором с тиристорным управлением TCR (thyristor-controlled reactor).

Рис. 6.5. Однолинейные схемы УДК с тиристорно-емкостными (а, б) и тиристорно-реакторными (в) управляемыми реактивными группами

Рис. 6.6. Схема фазной тиристорно-конден-саторной группы (а) и графики изменения во времени реактивных мощностей (б): 1 — печи; 2 — УДК; 3 — результирующей мощности

На рис. 6.6 (а) приведена упрощенная схема фазной тиристорно-конденсаторной группы УДК типа TSC, состоящая из ряда параллельных емкостных ячеек, подключаемых с помощью тиристорных ключей. Управляемая часть УДК состоит из трех таких групп, соединенных в треугольник или звезду. Необходимая емкостная мощность регулируется путем изменения числа одновременно включенных ячеек, т. е. ступенями DQ_С (кривая 2 на рис. 6.6, б), тогда как реактивная мощность печи Q_П обычно меняется плавно (кривая 1). Поэтому результирующая реактивная мощность в общей точке ДСП и УДК колеблется относительно нуля (кривая 3), вызывая соответствующие колебания напряжения. Если при симметричном режиме работы печи ограничить допустимые колебания значением 0,25%, то можно определить допустимую максимальную ступень реактивной мощности DQ_Сmax, равную 0,25% S_к. Эти требования обеспечивают необходимый уровень колебаний напряжения и в несимметричном режиме. Полная мощность конденсаторной батареи составит

.

Отсюда следуют и расчетные значения мощностей постоянной и переменной частей конденсаторной батареи для УДК одиночной ДСП:

.

Для группы из п одинаковых печей с общим УДК используются ориентировочные формулы

Таким образом, при использовании УДК для группы печей Q_f > Q_v.

На рис. 6.7 приведены упрощенные схемы УДК типа TCR. При соединении реакторов в треугольник возможно прямое подключение к сети, при соединении в звезду необходимо использование понизительного трансформатора. Помимо тиристорно-реакторных групп к шинам подключаются секции неуправляемой конденсаторной батареи общей мощностью Q_C, которые одновременно являются фильтрами высших гармоник.

Полная компенсация реактивной мощности печи достигает­ся при соблюдении условия

или ,

где Q_L(t) — переменная реактивная мощность тиристорно-реакторных групп.

Это условие пояснено на рис. 6.8. Изменение мощности Q_L производится плавно с помощью фазоимпульсного управления тиристорами.

Рис. 6.7. Схемы силовых цепей УДК типа ТСR:

а — при соединении реакторов в треуголь­ник и прямом подключении к сети; б — через понизительный трансформатор при соединении реактора в звезду; в — схема замещения одной фазы УДК с соответствующей группой конденсаторов

Рис. 6.8. К принципу компенсации реактивной мощности нагрузки Q_П(t)

Тиристоры запираются при прохождении тока через нуль и поэтому могут снова подключаться к сети без возникновения переходных процессов, так как реактор в этот момент не обладает запасом энергии. Наличие в цепи TCR значительной индуктивности защищает тиристоры от бросков тока и недопустимых скоростей его нарастания. Выбор значения угла отпирания тиристоров, обеспечивающий номинальный ток реактора, определяется компромиссом между требуемой степенью подавления колебаний напряжения и наличием высших гармоник в токе реактора.

УДК типов TSC и TCR имеют различные характеристики. TSC из-за ключевого режима работы не генерирует высших гармоник, но при этом изменение генерируемой реактивной мощ­ности осуществляется дискретно с ограниченным быстродействием. TCR имеет более высокое быстродействие и плавное регулирование реактивной мощности. Однако их использование вызывает дополнительное появление высших гармоник. Оба типа УДК позволяют автономно управлять реактивной мощностью фаз и, таким образом, компенсировать статическую и динамическую несимметрию режима ДСП. Особенности различных типов УДК определяют и различные области их применения. TSC целесообразнее использовать, когда основная задача УДК состоит в поддержании средневзвешенных cosj и напряжения на шинах подстанции. TCR дают наибольший эффект в подавлении колебаний напряжения, дающих фликкер.

Контрольные вопросы к Теме 6:

1. В чем заключается необходимость компенсации реактивной мощности потребителей? Чем различаются поперечная и про­дольная компенсации?

2. Назовите виды источников поперечной компенсации и их особенности при использовании в электроснабжении электротехнологических установок.

3. Объясните принцип действия и устройство систем динами­ческой компенсации колебаний напряжения.

4. Каковы особенности использования устройств продольной компенсации на крупных электрических печах?

Тема 7. Выбор электрооборудования электроустановок потребителей