Інформаційна стаття
по системам компенсації реактивної потужності напругою 0,4 кВ
Введення
Навантаження в промислових та побутових мережах зазвичай має індуктивний характер, що викликає споживання, крім активної потужності, істотної частки реактивної потужності. Збільшена у зв'язку з цим повна споживана потужність призводить, у свою чергу, до наступного:
- збільшення плати постачальнику електроенергії;
- додаткові втрати у провідниках внаслідок збільшення струму та, отже, зменшення пропускної спроможності мереж;
- завищення потужності трансформаторів та перерізу кабелів, відхилення напруги мережі від номіналу;
- зниження якості електроенергії.
Одним з простих і дешевих способів усунення всіх цих недоліків мереж є компенсація реактивної потужності шляхом підключення конденсаторів в різних точках мережі.
Цілі створення АСКРП
Автоматична система компенсації реактивної потужності (АСКРП) розробляється як розподілена інформаційно-керівна система, розрахована тривале функціонування. АСКРП призначена для автоматичного регулювання та оптимізації електротехнічних параметрів системи енергопостачання об'єкта та управління спеціалізованим електротехнічним обладнанням, що входить до складу АСКРП.
Основними цілями створення АСКРП є:
- зниження навантаження силових ланцюгів електропостачання шляхом компенсації реактивної складової струму навантаження;
- підтримка групового коефіцієнта потужності навантаження об'єкта в заданих межах шляхом регулювання величини компенсаційної реактивної потужності залежно від заданої уставки;
- оптимізація комерційних розрахунків за споживану електроенергію;
- підвищення надійності роботи електротехнічного обладнання; збільшення його терміну служби;
- забезпечення ефективної автоматичної компенсації реактивної потужності у нормальних, перехідних та передаварійних режимах роботи;
- підтримки на заданому рівні якості електричної енергії у системі енергопостачання об'єкта;
- своєчасне подання оперативному персоналу достатньої та достовірної інформації про стан та режими роботи системи енергопостачання об'єкта;
- забезпечення персоналу ретроспективною інформацією у повному обсязі для аналізу, оптимізації та планування роботи обладнання, а також його ремонту;
Структура АСКРП
АСКРП є багатокомпонентною системою, що складається з компенсаційних пристроїв (КП) та системи управління (СУ), логіка роботи якої реалізується за допомогою програмованого мікропроцесорного контролера. СУ складається з нижнього та верхнього рівнів, які пов'язані між собою локальною обчислювальною мережею (ЛОМ).
Принцип роботи системи полягає в регулюванні коефіцієнта потужності (КП) споживачів відповідно до заданого шляхом ступінчастого або безступінчастого регулювання ємності батареї статичних конденсаторів (БСК).
Компенсуючими пристроями є:
 |
- силові фазові конденсатори – сухі, виготовлені за технологією MKK або MKP, що самовідновлюються, середній час життя яких – 130 000 годин (близько 14 років). Конденсатори мають вбудовані розрядні резистори.
Допоміжними пристроями, які можуть встановлюватися разом з компенсуючими є:
- зовнішні струмообмежувальні пристрої: - розрядні реактори, що володіють малими втратами та забезпечують ефективний розряд батарей протягом 3-10 секунд.
- силові реактори, що забезпечують запобігання резонансу шляхом зсуву власної частоти контуру «конденсатори – силовий трансформатор» у безпечну область або усунення гармонійних складових шляхом фільтрації. Реактори виготовляються з каліброваними зазорами, по "сухій" технології та залиті компаундом. Невеликі розміри та вага дозволяють розмістити їх в одній шафі з іншими пристроями.
Первинними перетворювачами є :
- трансформатори струму, що встановлюються спеціально для роботи АСКРП. Число їх визначається конфігурацією системи, вимогами регулювання КП та вимогами надання інформації для верхнього рівня. та компенсуючого обладнання.
Виконавчі пристрої (ВП).
 |
Як ВП можуть використовуватися пристрої 2-х видів:
- механічні контактні – силові контактори спеціалізованого виконання, ланцюг котушки яких комутує регулятор КП («повільне регулювання»). Контактор забезпечується необхідними струмообмежуючими резисторами, які вмикаються паралельно основним контактам і замикаються на раніше при замиканні та розмикаються на пізніше при розмиканні, ніж основні контакти контактора;
- безконтактні статичні – силові тиристори (тріаки), ланцюг управління відмиканням яких комутує безконтактними дискретними чи аналоговими виходами (швидке регулювання). Комутація ланцюгів здійснюється в момент переходу струму навантаження через нуль, що виключає необхідність спеціалізованих розрядних пристроїв, істотно скорочує час перекомутації одного і того ж ступеня за час 0,1...1 сек замість 3 хв у контакторних системах). Термін експлуатації тріаків не обмежений кількістю комутацій (як у контакторів) та визначається лише температурним режимом їх роботи.
Локальні підсистеми - інформаційні системи, що працюють паралельно пристроям нижнього рівня СУ кожної АСКРП та забезпечують передачу на верхній рівень максимально повної інформації про стан навантаження та режими споживання. Це завдання виконують аналізатори параметрів мережі та лічильники - незалежні пристрої збору інформації (на базі мікропроцесорних контролерів).
 |
В якості регулятора коефіцієнта потужності (РКП) використовується промисловий спеціалізований частково-програмований мікропроцесорний контролер, оснащений необхідними пристроями введення/виведення інформації та команд (індикатори, командні виходи для комутації батарей, інтерфейси RS -232 та 485) і здійснює регулювання КП відповідно до уставки (задається вручну або - по опції - дистанційно з верхнього рівня).
Для реалізації функцій верхнього рівня СУ, тобто функцій управління, відображення, зберігання та запису інформації застосовується персональний комп'ютер (конфігурація визначається у процесі проектування).
Для зв'язку між усіма компонентами АСКРП використовується мережевий концентратор та ЛОМ. Концентратор ЛОМ транслює інформацію зібрану з пристроїв нижнього рівня (РКП та аналізаторів параметрів мережі) на термінал верхнього рівня і при необхідності передає команди верхнього рівня на ці пристрої. З метою реалізації можливості прямого незалежного доступу до системи (наприклад, за допомогою ноутбука), передбачається шлюз для безпосереднього підключення до системи.
Функції АСКРП
АСКРП забезпечує такі функції:
- автоматичну компенсацію реактивної потужності споживачів відповідно до заданої уставки КП;
- захист конденсаторів від перенапруг;
- захист від впливу гармонійних складових;
- забезпечення диспетчера інформацією щодо стану компонентів системи;
- роботу інформаційних підсистем з метою передачі диспетчеру інформації про режим роботи енергомережі за максимальною кількістю вимірюваних та обчислюваних параметрів;
- надійність та безпека роботи пристрою з урахуванням змін умов навколишнього середовища, а також у разі наявності збоїв (як зовнішніх, так і внутрішніх) – живучість системи;
- естетичність та ергономічність всієї системи, простоту та доступність експлуатації, обслуговування та ремонту.
Автоматична компенсація реактивної потужності здійснюється шляхом вимірювання діючого коефійієнта потужності мережі, порівняння його із заданою уставкою та коригування КП до заданого шляхом регулювання ємності БСК.
Регулювання ємності БСК східчастим способом («повільне реагування»).
Регулювання виконується шляхом підключення до енергомережі окремих щаблів БСК за допомогою контакторів. Точність регулювання ємності залежить від співвідношення потужності, необхідної для компенсації, та потужності одного ступеня БСК.
Швидкість реакції системи на зміну реактивної потужності обмежується механічними характеристиками зносостійкості контакторів, а також мінімальним часом, необхідним для розряду конденсаторів (швидкість не менше 1-3 хв). Для регулювання застосовуються регулятори із релейними виходами. Спосіб найбільш ефективний для компенсації реактивної потужності споживачів зі статичним графіком споживання потужності - що підключаються до мережі не більше 10-15 разів на день.
Регулювання ємності БСК східчастим способом (швидке реагування).
Регулювання виконується шляхом підключення до мережі окремих щаблів БСК за допомогою безконтактних пристроїв – напівпровідникових реле з перемиканням під час переходу через «0» (на базі тріаків). Точність регулювання ємності залежить від співвідношення потужності необхідної для компенсації та потужності одного ступеня БСК.
Швидкість реакції системи зміну реактивної потужності обмежується швидкодією регулятора плюс трохи більше напівперіоду мережі (0,1…1 сек) і обмежується механічними характеристиками (швидкість визначається швидкодією регулятора). Зносостійкість системи залежить лише від температурних умов роботи напівпровідникових реле та конденсаторів. Спосіб найбільш ефективний для компенсації реактивної потужності споживачів з динамічним графіком споживання потужності - 10-15 разів на хвилину, що підключаються до мережі (кранове, ліфтове обладнання, тощо).
Регулювання ємності БСК безступінчастим способом (« real-time реагування»).
Регулювання виконується шляхом підключення до мережі окремих щаблів БСК за допомогою безконтактних пристроїв – напівпровідникових реле з аналоговим керуванням, при якому здійснюється безступінчасте регулювання струму БСК шляхом регулювання кута відмикання тріаків. Точність регулювання ємності максимальна залежить тільки від точності регулювання РКМ.
Швидкість реакції системи зміну реактивної потужності обмежується швидкодією регулятора і обмежується механічними характеристиками (швидкість 5-20 мсек). Зносостійкість системи залежить лише від температурних умов роботи напівпровідникових реле та конденсаторів. Для регулювання застосовують РКП з аналоговим виходом (наприклад - 4-20мА). Спосіб найбільш ефективний для компенсації реактивної потужності споживачів з високодинамічним графіком споживання потужності, що підключаються до мережі кілька разів на секунду (точкове зварювання тощо).
Захист АСКРП від перенапруг здійснюється такими способами:
- установкою розрядних резисторів (для контактних систем);
- встановленням розрядних реакторів;
- застосуванням методу нуль-коммутации для безконтактних пристроїв – тобто ввікнення та вимкнення тріаків при нульовій напрузі.
За наявності в мережі гармонійних складових (створюваних, наприклад, зварювальними машинами) є можливість створення резонансу в коливальному контурі з високим імпедансом, який може виникати між БСК та ввідними силовими трансформаторами.
Якщо резонансна частота контуру «конденсатори – трансформатор» близька до гармоніки викликаної одним з навантажень, струм цієї гармоніки може циркулювати між трансформатором і конденсаторами, що у свою чергу призведе до суттєвого нагрівання провідників та зносу чи пошкодження електрообладнання. Резонанс може виникнути на будь-якій частоті, хоча в більшості випадків джерела синусоїдального струму існують на 5-й, 7-й, 11-й та 13 гармоніках.
Тому для усунення небажаних наслідків наявності гармонійних складових застосовують такі способи:
1. «Шифтінг» резонансного контуру "трансформатор-конденсатори" (детюнінг).
Резонанс виключається шляхом встановлення на БСК спеціально спроектованих реакторів, що послідовно з'єднуються з конденсаторами, через що резонансна частота контуру "конденсатор-трансформатор" зміщується вище 5-ї домінуючої гармоніки. Показником «детюнінгу» є коефіцієнт шифтінгу, який зазвичай приймається рівним 7% (резонансна частота – 227Гц).
2. Установка поглинаючих фільтрів (тюнінг)
Резонанс контуру "трансформатор-конденсатори" виключається шляхом установки на БСК реакторів, аналогічних «детюнінговим», які спільно з конденсаторами утворюють фільтри гармонік певної частоти (або декількох частот відразу), виключаючи таким чином проникнення цих гармонік в мережу живлення. Як правило, застосовуються фільтри 5, 7, 11, 13 гармонік та гармонік вище 15-ї.
3. Зміна ємності БСК
Резонанс виключається шляхом застосування регуляторів КП, які визначають наявність гармонійних складових у мережі. З появою резонансу регулятор змінює ємність БСК, відключаючи чи включаючи певну кількість банок і забезпечує сигналізацію порушення роботи.
Концепція реалізації АСКРП
Компоненти АСКРП можуть бути розміщені наступним чином.
Однорівневе розміщення (зосереджене):
Пристрій та нижній рівень СУ зосереджено біля джерел живлення навантаження – у підстанціях 10/6/0,4кВ. Система реагує на групову зміну коефіцієнта потужності навантаження, покриваючи (з похибкою, що визначається швидкодією системи) як статичні, і динамічні навантаження.
Дворівневе розміщення (розподілене):
Пристрій та нижній рівень СУ розосереджені в 2-х рівнях:
- 1-й – компоненти зосереджені в джерелах живлення навантаження – у підстанціяї 10/6/0,4кВ. Система компенсує статичні навантаження;
- 2-й – компоненти дискретизовані відповідно до числа споживачів із динамічним графіком навантаження та встановлені безпосередньо у цих споживачів для індивідуальної компенсації.
Конфігурація АСКРП
Відповідно до завдань та функцій АСКРП для реалізації є такі варіанти.
- Варіант "A": Система однорівневого розміщення, контакторна;
- Варіант «B»: Система однорівневого розміщення, напівпровідникового ступінчастого регулювання;
- Варіант "C": Система дворівневого розміщення (1-й рівень - напівпровідники, 2-й рівень - пристрої індивідуальної компенсації без регуляторів - "фіксована компенсація") - ступінчасте регулювання;
- Варіант «D»: Система однорівневого розміщення напівпровідникового безступінчастого регулювання.
Вибір способу забезпечення протирезонансних заходів визначається на основі аналізу технічних даних по системі електропостачання, що надаються Замовником, відповідно до конкретних умов на об'єкті. У випадках, коли зміна ємності батарей для виключення резонансу недоцільна (пріоритет має якість компенсації), зазвичай застосовуються реактовані системи.
Потрібна потужність АСКРП визначається за максимальною діючою активною потужністю та за коефіцієнтом, що залежить від різниці реального коефіцієнта потужності без компенсації та потрібного коефіцієнта потужності, який необхідно забезпечити після впровадження АСКРП (як правило, приймають 0,95…0,97, або будь-який інший за бажанням Замовника) .
Результати техніко-економічного порівняння варіантів
Детальний техніко-економічний аналіз усіх зазначених варіантів показує, що найбільш оптимальним вибором є однорівнева АСКРП на напівпровідниках, оскільки максимально задовольняє поєднання вимог «якість регулювання/надійність роботи/ціна». Тому до застосування рекомендується варіант "B". У випадках, коли особливо важливо розвантажити індивідуальні кабелі до споживачів, можливо також застосування варіанта «С».
Крім того, при замовленні системи необхідно враховувати, що при завищенні коефіцієнта потужності від 0,95 до 1,0, потрібна реактивна потужність зростає нелінійно. Наприклад, для забезпечення коефіцієнта після компенсації рівного 0,97 для навантаження 2000 кВт з коефіцієнтом до компенсації 0,8 необхідні АСКРП потужністю 1000 кВАр, а для забезпечення коефіцієнта після компенсації рівного 1,0 при тих же умовах необхідні АСКРП потужністю 1500к ВАр.
Висновок
Застосування АСКРG для компенсації реактивної потужності споживачів дозволить:
- зменшити споживання реактивної потужності і тим самим знизити оплату за енергію;
- зменшити втрати активної потужності та енергії в системі електропостачання підприємства, що знижує загальне споживання електроенергії та оплату за неї;
- зменшити потужність підстанцій та перерізу кабельних ліній, що знизить їх вартість;
- збільшити пропускну спроможність системи електропостачання споживача, що дозволить підключити додаткові навантаження без збільшення вартості мереж;
- покращити якість електроенергії за рахунок збільшення рівнів напруги у вузлах мережі.
Таблиця 1. Аналіз варіантів конфігурації АСКРП 0,4кВ
| Параметр порівняння | Варіант A: Контактори | Варіант B: Напівпровідники | Варіант C: Напівпровідники | Варіант D: Напівпровідники |
|---|---|---|---|---|
| Швидкодія системи | «Повільне реакуванняреагирование» 1-3 хв |
«Швидке реагування» 0,1-10 сек |
1-й рівень: 0,1-10сек
2-й рівень: фіксована компенсація |
«Real - time реагування» |
| Способ регулювання | Ступінчатий | Безступінчатий | ||
| Зносостійкість | 100 000 – 200 000 циклів; (при 100-180 вкл./ год) | Необмежена | ||
| Точність регулювання КП | від± 5 до ± 15кВАр | 1-й рівень: ± 5… ± 15кВАр
2-й рівень: ± 0,1… ± 5кВАр |
± 0,1кВАр | |
| Шуми під час работи | так | ні | ||
| Постійне планове техобслуговування | так | ні | ||
| Розрядні пристрої для конденсаторів | так | ні | ||
| Комутациі при нулевих струмах та напругах | ні | так | ||
| Ступінь захисту шкаф | IP 21… IP67 | |||
| Кліматичне виконання АСКРП | ПХЛ-2, М-2 | |||
| Охолодження та підігрів | ні | При необхідності - тільки охолодження (по результатам розрахунків) | ||
| Наявність реакторів | ні | так | ||
| Ціна відносно варианту «А», у відносних одиницях |
1,0
(з реакторами - 1,8) |
1,3 (з реакторами - 2,1) |
2,0…3,0 (з реакторами – 2,8…3,8) |
5,0 |
Таблиця 2. Порівняльний аналіз варіантів реалізації пристроїв АСКРП 0,4 кВ
| Параметр порівняння | Варіант 1 |
Варіант 2 |
|
|---|---|---|---|
| Потужність пристрою АСКРП | 10...1500 кВАр | ||
| Спосіб комутації ступенів | контакторний | тиристорний | |
| Число ступенів | 4…18 | ||
| Нявність антирезонансних реакторів | Ні | Ні (встановлюється за доплату) | |
| Конденсатори | Сухіі | Масляні | Сухі |
| Можливість інтеграції пристроїв у систему з верхнім рівнем контролю | Так | Так (без доплаты) | |
| Шуми під час работи | так | ні | |
| Постійне планове техобслуговування | так | ні | |
| Розрядні пристрої для конденсаторів | так | ні | |
| Комутація при нулевих струмах та напругах | ні | так | |
| Зносостійкість | 100 000 – 200 000 циклів (при 100-200 комутаціях на годину) |
Необмежена | |
| Швидкодія системи | 1...3 хв | 0,1...10 сек | |
Повернутись на головну сторінку Компенсація реактивної потужності >>>