Информационная статья
по системам компенсации реактивной мощности напряжением 0,4 кВ
Введение
Нагрузка в промышленных и бытовых сетях обычно имеет индуктивный характер, что вызывает потребление помимо активной мощности существенной доли реактивной мощности. Увеличенная в связи с этим потребляемая полная мощность приводит, в свою очередь к следующему:
- увеличение платы поставщику электроэнергии;
- дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока и, следовательно, уменьшение пропускной способности сетей;
- завышение мощности трансформаторов и сечения кабелей, отклонение напряжения сети от номинала;
- снижение качества электроэнергии.
Одним из простых и дешевых способов устранения всех этих недостатков сетей является компенсация реактивной мощности путем подключения конденсаторов в разных точках сети. Наиболее эффективными устройствами компенсации являются автоматические установки компенсации реактивной мощности (УКРМ), которые позволяют автоматически максимально уравнивать потребляемую и вырабатываемую реактивную мощность в системе.
Цели создания АСКРМ
АСКРМ разрабатывается как распределенная информационно-управляющая система, рассчитанная на длительное функционирование. АСКРМ предназначена для автоматического регулирования и оптимизации электротехнических параметров системы энергоснабжения объекта и управления специализированным электротехническим оборудованием, входящим в состав АСКРМ.
Основными целями создания АСКРМ являются:
- снижение нагрузки силовых цепей электроснабжения путем компенсации реактивной составляющей тока нагрузки;
- поддержание группового коэффициента мощности нагрузки объекта в заданных пределах путем регулирования величины компенсационной реактивной мощности в зависимости от заданной уставки;
- оптимизация коммерческих расчетов за потребляемую электроэнергию;
- повышение надежности работы электротехнического оборудования, увеличение его срока службы;
- обеспечение эффективной автоматической компенсации реактивной мощности в нормальных, переходных и предаварийных режимах работы;
- поддержания на заданном уровне качества электрической энергии в системе энергоснабжения объекта;
- своевременное представление оперативному персоналу достаточной и достоверной информации о состоянии и режимах работы системы энергоснабжения объекта;
- обеспечение персонала ретроспективной информацией в полном объеме для анализа, оптимизации и планирования работы оборудования, а также и его ремонта;
Структура АСКРМ
АСКРМ является многокомпонентной системой, состоящей из компенсирующих устройств (КУ) и системы управления (СУ), логика работы которой реализуется с помощью программируемого микропроцессорного контроллера. СУ состоит из нижнего и верхнего уровней, которые связаны между собой локальной вычислительной сетью (ЛВС).
Принцип работы системы состоит в регулировании коэффициента мощности (КМ) потребителей в соответствии с заданным, путем ступенчатого или бесступенчатого регулирования емкости батареи статических конденсаторов (БСК).
Компенсирующими устройствами являются:
 |
- силовые фазовые конденсаторы – сухие, изготовленные по технологии MKK или MKP , самовосстанавливающиеся, среднее время жизни – 130 000 часов (около 14 лет). Конденсаторы снабжены встроенными разрядными резисторами.
Вспомогательными устройствами, которые могут устанавливаться вместе с компенсирующими являются:
- внешние токоограничивающие устройства - разрядные реакторы, обладающие малыми потерями и обеспечивающие эффективный разряд батарей в течении 5-10 секунд.
- силовые реакторы, обеспечивающие предотвращение резонанса путем сдвига собственной частоты контура «конденсаторы – силовой трансформатор» в безопасную область или устранение гармонических составляющих путем фильтрации. Реакторы изготавливаются с калиброванными зазорами, сухие и залитые компаундом. Небольшие размеры и вес позволяют разместить их в одном шкафу с остальными устройствами.
Первичными преобразователями являются:
- трансформаторы тока, устанавливаемые специально для работы БСК. Число их определяется конфигурацией системы, требованиями регулирования КМ и требованиями предоставления информации для верхнего уровня. Первичного преобразования напряжения сети не требуется. Дополнительными первичными устройствами являются различные датчики самодиагностики системы, транслирующие состояние исполнительного и компенсирующего оборудования.
Исполнительные устройства (ИУ).
 |
В качестве ИУ могут использоваться устройства 2-х видов:
- контактные механические – силовые контакторы специализированного исполнения, цепь катушки которых коммутирует регулятор КМ (РКМ) («медленное регулирование»). Контактор снабжается необходимыми токоограничивающими резисторами, которые включаются параллельно основным контактам и замыкаются на 4мс раньше при замыкании и размыкаются на 4мс позже при размыкании;
- бесконтактные статические – силовые тиристоры (триаки), цепь управления отпиранием которых коммутирует РКМ бесконтактными дискретными или аналоговыми выходами («быстрое регулирование»). Коммутация цепей осуществляется в момент перехода тока нагрузки через ноль, что исключает необходимость специализированных разрядных устройств, существенно сокращает время перекоммутации одной и той же ступени (0,1-1с вместо 3мин у контакторных систем). Срок эксплуатации триаков не ограничен числом коммутаций (как у контакторов) и определяется только температурным режимом их работы.
Локальные подсистемы - информационные системы, работающие параллельно устройствам нижнего уровня СУ каждой БСК и обеспечивающие передачу на верхний уровень максимально полной информации о состоянии нагрузки и режимах потребления. Эту задачу выполняют анализаторы параметров сети и счетчики – независимые устройства сбора информации (на базе микропроцессорных контроллеров).
 |
В качестве регулятора коэффициента мощности (РКМ) используется промышленный частично-программируемый микропроцессорный контроллер, оснащенный необходимыми устройствами ввода/вывода информации и команд (индикаторы, командные выходы для коммутации батарей, интерфейсы RS -232 и 485) и осуществляющий регулирование КМ в соответствии с уставкой (задаваемой вручную или - по опции - дистанционно с верхнего уровня).
Для реализации функций верхнего уровня СУ, т. е. функций управления, отображения, хранения и записи информации применяется персональный компьютер (конфигурация определяется в процессе проектирования). Компьютер оборудуется принтером для возможности независимой работы с данными системы.
Для связи между всеми компонентами АСКРМ используется сетевой концентратор и ЛВС. Концентратор ЛВС транслирует информацию собранную с устройств нижнего уровня (РКМ и анализаторов параметров сети) на терминал верхнего уровня и при необходимости передает команды верхнего уровня на эти устройства. С целью реализации возможности независимого прямого доступа к системе (например, с помощью ноут-бука), предусматривается шлюз – для непосредственного подключения к системе.
Функции АСКРМ
АСКРМ обеспечивает следующие функции:
- автоматическую компенсацию реактивной мощности потребителей в соответствии с заданной уставкой КМ;
- защиту КУ и ИУ от перенапряжений;
- защиту от влияния гармонических составляющих;
- обеспечение диспетчера информацией о состоянии компонентов системы;
- работу информационных подсистем с целью обеспечения диспетчера о режиме работы сети по максимальному количеству измеряемых и вычисляемых параметров;
- надежность и безопасность работы установки системы с учетом изменений условий окружающей среды, а также в случае наличия сбоев (как внешних, так и внутренних) – живучесть системы;
- эстетичность и эргономичность всей системы, простоту и доступность эксплуатации, обслуживания и ремонта.
Автоматическая компенсация реактивной мощности производится путем измерения действующего КМ, сравнения его с заданной уставкой и корректировку КМ до заданного путем регулирования емкости БСК.
Регулирование емкости БСК ступенчатым способом («медленное реагирование»).
Регулирование выполняется путем подключения к сети отдельных ступеней БСК с помощь контакторов. Точность регулирования емкости зависит от соотношения мощности потребной для компенсации и мощности одной ступени БСК.
Скорость реакции системы на изменение реактивной мощности ограничивается механическими характеристиками износостойкости контакторов, а также минимальным временем, необходимым для разряда конденсаторов (быстродействие не менее 1-3 мин). Износостойкость системы зависит от износостойкости контакторов (максимум – 200 000 циклов, 100-180 коммутаций в час). Для регулирования применяются РКМ с релейными выходами. Способ наиболее эффективен для компенсации реактивной мощности потребителей со статическим графиком потребления мощности - подключаемых к сети не более 10-15 раз в день.
Регулирование емкости БСК ступенчатым способом («быстрое реагирование»).
Регулирование выполняется путем подключения к сети отдельных ступеней БСК с помощь бесконтактных устройств – полупроводниковых реле с переключением при переходе через «0» (на базе триаков). Точность регулирования емкости зависит от соотношения мощности потребной для компенсации и мощности одной ступени БСК.
Скорость реакции системы на изменение реактивной мощности ограничивается быстродействием регулятора плюс не более полупериода сети (0,1…1сек) и не ограничивается механическими характеристиками (быстродействие определяется быстродействием регулятора). Износостойкость системы зависит только от температурных условий работы полупроводниковых реле и конденсаторов. Способ наиболее эффективен для компенсации реактивной мощности потребителей с динамическим графиком потребления мощности - подключаемых к сети 10-15 раз в минуту (крановое, лифтовое оборудование и т. п.).
Регулирование емкости БСК бесступенчатым способом (« real - time реагирование»).
Регулирование выполняется путем подключения к сети отдельных ступеней БСК с помощь бесконтактных устройств – полупроводниковых реле с аналоговым управлением, при котором осуществляется бесступенчатое регулирование тока БСК путем регулирования угла отпирания триаков. Точность регулирования емкости максимальная и зависит только от точности регулирования РКМ.
Скорость реакции системы на изменение реактивной мощности ограничивается быстродействием регулятора и не ограничивается механическими характеристиками (быстродействие 5-20 мсек). Износостойкость системы зависит только от температурных условий работы полупроводниковых реле и конденсаторов. Для регулирования применяются РКМ с аналоговым выходом (например - 4-20мА). Способ наиболее эффективен для компенсации реактивной мощности потребителей с высоко-динамическим графиком потребления мощности - подключаемых к сети несколько раз в секунду (точечная сварка и т. п.).
Защита КУ от перенапряжений осуществляется следующими способами:
- установкой разрядных резисторов (для контактных систем);
- установкой разрядных реакторов;
- применением способа нуль-коммутации для бесконтактных устройств – т.е. отпирание и запирание триаков при нулевом напряжении.
При наличии в сети гармонических составляющих (создаваемых, например, сварочными машинами) имеется возможность создания резонанса в колебательном контуре с высоким импедансом, состоящим из БСК и вводных питающих трансформаторов.
Если резонансная частота контура «конденсаторы – трансформатор» близка к гармонике вызванной одной из нагрузок, ток этой гармоники может циркулировать между трансформатором и конденсаторами. Это вызывает высокое напряжение в линии и ток на конденсаторе может превысить номинальное значение более чем в 2 или 3 раза от его величины. Что в свою очередь приведет к существенному нагреву проводников и износу или повреждению электрооборудования. Резонанс может возникнуть на любой частоте, хотя в большинстве случаев источники синусоидального тока существуют на 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13 гармониках.
Поэтому для устранения нежелательных последствий наличия гармонических составляющих применяют следующие способы.
«Расстройка» контура трансформатор-конденсатор (детюнинг).
Резонанс исключается путем установки на БСК специально спроектированных реакторов, последовательно соединяемых с конденсаторами, из-за чего резонансная частота контура конденсатор-трансформатор смещается выше 5-ой доминирующей гармоники. Показателем «детюнинга» является коэффициент расстройки, обычно принимаемый равным 7% (резонансная частота – 227Гц).
Установка поглощающих фильтров (тюнинг)
Резонанс исключается путем установки на БСК реакторов аналогичных «детюнинговым», которые совместно с конденсаторами образуют фильтры гармоник определенной частоты (или нескольких частот сразу), исключая таким образом проникновение этих гармоник в питающую сеть. Как правило, применяются фильтры 5, 7, 11, 13 гармоник и гармоник выше 15-й.
Изменение емкости БСК
Резонанс исключается путем применения регуляторов КМ, определяющих наличие гармонических составляющих в сети. При появлении резонанса регулятор изменяет емкость БСК, отключая или включая определенное число банок и обеспечивает сигнализацию нарушения работы.
Концепция реализации АСКРМ
Компоненты АСКРМ могут размещаться следующим образом.
Одноуровневое размещение (сосредоточенное):
КУ и нижний уровень СУ сосредоточены у источников питания нагрузки – у подстанций 6/0,4кВ. Система реагирует на групповое изменение коэффициента мощности нагрузки, покрывая (с погрешностью, определяемой быстродействием системы) как статические, так и динамические нагрузки.
Двухуровневое размещение (распределенное):
КУ и нижний уровень СУ рассредоточены в 2-х уровнях:
- 1-й – компоненты сосредоточены у источников питания нагрузки – у подстанций 6/0,4кВ. Система компенсирует статические нагрузки;
- 2-й – компоненты дискретизированы в соответствии с числом потребителей с динамическим графиком нагрузки и установлены непосредственно у этих потребителей для индивидуальной компенсации.
Конфигурация АСКРМ
В соответствии с задачами и функциями АСКРМ для реализации имеются следующие варианты.
- Вариант « A »: Система одноуровневого размещения контакторная;
- Вариант « B »: Система одноуровневого размещения полупроводниковая ступенчатого регулирования;
- Вариант « C »: Система двухуровневого размещения (1-й уровень – полупроводники, 2-й уровень – устройства индивидуальной компенсации без регуляторов – «фиксированная компенсация») - ступенчатого регулирования;
- Вариант « D »: Система одноуровневого размещения полупроводниковая бесступенчатого (аналогового) регулирования.
Выбор способа обеспечения противо-резонансных мероприятий (в соответствии с разделом 3) определяется на основе анализа технических данных по системе электроснабжения предоставляемых Заказчиком, в соответствии с конкретными условиями площадки. В случаях, когда изменение емкости батарей для исключения резонанса нецелесообразно (приоритет имеет качество компенсации), как правило, применяются реактированные системы.
Потребная мощность АСКРМ определяется по максимальной действующей активной мощности и по коэффициенту, зависящему от разности реального КМ без компенсации и потребного КМ, который необходимо обеспечить после внедрения АСКРМ (как правило, принимают 0,95…0,97, или любой другой по желанию Заказчика).
Результаты технико-экономического сравнения вариантов.
В соответствии с разделами 4.1.-4.4 были рассмотрены варианты « A »…« D » конфигурации системы и основные параметры сведены в таблицу, приведенную в Приложении 2, таблица 1.
Подробный технико-экономический анализ всех указанных вариантов показывает, что наиболее оптимальным выбором является одноуровневая АСКРМ на полупроводниках, поскольку максимально удовлетворяет сочетанию требований «качество регулирования / надежность работы / цена». Поэтому к применению рекомендуется вариант « B ». В случаях, когда особенно важно разгрузить индивидуальные кабели к потребителям, возможно также и применение варианта «С».
Кроме того, при заказе системы необходимо учитывать, что при завышении потребного КМ от 0,95 до 1,0, потребная реактивная мощность растет нелинейно. Например, для обеспечения КМ после компенсации равного 0,97 для нагрузки 2000кВт с КМ до компенсации 0,8, необходимы УКРМ мощностью 1000кВАр, а для обеспечения КМ после компенсации равного 1,0 при тех же условиях необходимы УКРМ мощностью 1500кВАр.
Заключение
Применение АСУКРМ для компенсации реактивной мощности потребителей позволит:
- уменьшить потребление реактивной мощности и, тем самым, снизить оплату за энергию;
- уменьшить потери активной мощности и энергии в системе электроснабжения предприятия, что снижает общее потребление электроэнергии и оплату за нее;
- уменьшить мощность подстанций и сечения кабельных линий, что снизит их стоимость;
- увеличить пропускную способность системы электроснабжения потребителя, что позволит подключить дополнительные нагрузки без увеличения стоимости сетей;
- улучшить качество электроэнергии за счет увеличения уровней напряжения в узлах сети.
Таблица 1. Анализ вариантов конфигурации АСКРМ 0,4кВ
| Параметр сравнения | Вариант A: Контакторы | Вариант B: Полупроводники | Вариант C: Полупроводники | Вариант D: Полупроводники |
|---|---|---|---|---|
| Быстродействие системы | «Медленное реагирование» 1-3мин |
«Быстрое реагирование»
0,1-10сек |
1-й уровень: 0,1-10сек
2-й уровень: Фиксированная компенсация |
« Real - time реагирование» |
| Способ регулирования | Ступенчатый | Бесступенчатый | ||
| Износостойкость | 100 000 – 200 000 циклов; (при 100-180 вкл./ час) | Неограниченная | ||
| Точность регулирования КМ | от ± 5 до ± 15кВАр | 1-й уровень: ± 5… ± 15кВАр
2-й уровень: ± 0,1… ± 5кВАр |
± 0,1кВАр | |
| Шумы при работе | да | нет | ||
| Постоянное плановое техобслуживание | да | нет | ||
| Разрядные устройства для конденсаторов | да | нет | ||
| Коммутация при нулевых токах и напряжениях | нет | да | ||
| Степень защиты шкафов | IP 54… IP67 | |||
| Климатическое исполнение УКРМ | УХЛ-2, М-2 | |||
| Охлаждение и подогрев | нет | При необходимости - только охлаждение (по результатам расчетов) | ||
| Наличие реакторов | нет | да | ||
| Цена относительно варианта «А», в относительных единицах |
1,0
(с реакторами - 1,8) |
1,3 (с реакторами - 2,1) |
2,0…3,0 (с реакторами – 2,8…3,8) |
5,0 |
Таблица 2. Сравнительный анализ вариантов реализации установок КРМ 0,4кВ
| Параметр сравнения | Вариант 1 |
Вариант 2 |
|
|---|---|---|---|
| Мощность установки | 10...1500 кВАр | ||
| Способ коммутации ступеней | контакторный | тиристорный | |
| Число ступеней | 4…18 | ||
| Наличие антирезонансных реакторов | Нет | Нет (устанавливаются за доплату) | |
| Конденсаторы | Сухие (импортного производства) | Масляные (импортного производства) | Сухие (импортного производства) |
| Возможность интеграции установок в систему с верхним уровнем контроля | Нет | Да (без доплаты) | |
| Шумы при работе | да | нет | |
| Постоянное плановое техобслуживание | да | нет | |
| Разрядные устройства для конденсаторов | да | нет | |
| Коммутация при нулевых токах и напряжениях | нет | да | |
| Износостойкость | 100 000 – 200 000 циклов (при 100-200 коммутациях в час) |
Неограниченная | |
| Быстродействие системы | 1...3 мин | 0,1...10 сек | |
Назад на главную Компенсация реактивной мощности >>>
