Силовая электроника №3'2007

Компенсация реактивной мощности однофазных нагрузок низковольтных систем электроснабжения

Сергей Шишкин

Принято считать, что из-за относительно коротких фидеров и небольшой (единицы-десятки кВА) присоединенной мощности многочисленных потребителей проблемы компенсации реактивной мощности (РМ) для городских низковольтных распределительных сетей не существует. Однако интенсивный рост потребления электроэнергии в жилищном секторе, вызвавший повышение среднестатистической мощности силовых трансформаторов инфраструктуры городских сетей при существенном (до 2-2,5 крат) сезонном колебании загрузки, ставит под сомнение это утверждение. Наличие значительной, постоянно меняющейся по величине однофазной нагрузки, нарушающей симметричный (идентичный для всех фаз) режим работы городских сетей, затрудняет применение в них установок компенсации реактивной мощности (УКРМ) без соответствующей конструктивной адаптации.

Появление в неуравновешенных системах электроснабжения (СЭС) комплексно-сопряженного результирующего вектора пульсирующей мощности — NΣ [1] приводит к дополнительным потерям электроэнергии, снижению срока службы и технических характеристик электрооборудования [1, 2]. Дисбаланс напряжений сети — kU можно приблизительно оценить по соотношению [1]:

где SКЗ — мощность симметричного КЗ в точке общего присоединения. Более корректный порядок измерения и статистического усреднения неуравновешенности напряжений СЭС через коэффициенты несимметрии по обратной — k2U и нулевой — k0U последовательности приведен в [3]. Относительно низкие значения SКЗ (1) низковольтных СЭС и вероятность появления напряжения нулевой последовательности — U0(1) [3], обусловленного концентрацией в них основного числа однофазных электроприемников, создает предпосылки к разбалансу фазных напряжений четырехпроводных сетей (системы TN-C, TN-S, TN-C-S) при сохранении симметрии междуфазных напряжений. Как известно [1, 2], обеспечение максимальной эффективности работы симметрирующих устройств, возможной при коэффициенте мощности нагрузки (cos φ), равном единице, предусматривает параллельное подключение к ним конденсаторных батарей (КБ) компенсации РМ. Одновременно эти КБ могут использоваться и как средство симметрирования [4], но в обоих случаях генерация РМ отдельными ветвями КБ должна быть дифференцированной.

Согласно приведенным в ряде источников данным, значение средневзвешенного cos φ в некомпенсированных городских сетях 0,4 кВ находится в пределах 0,84–0,95. Обработка графиков, снятых на ТП городской сети (мощность трансформатора 400 кВА, схема соединения обмоток — Y/YН, коэффициент загрузки — 32% в часы максимума и 11% в часы минимума проведения измерений, электроприемники преимущественно однофазные), показала: при изменении в течение суток средневзвешенного cos φ от 0,65 до 0,97 его пофазные значения (L1, L2, L3 — рис. 1) менялись в более широком диапазоне. Соответственно, суточное потребление активной и реактивной электроэнергии составило 1666,46 кВт·ч и 740,17 квар·ч при существенном (в 2,25 и 2,8 раза) разбросе по фазам. Учитывая высокую плотность (кВА/км²) городской коммунально-бытовой нагрузки, постоянное наличие в перетоках мощности СЭС реактивной составляющей приводит к значительным потерям электроэнергии и необходимости их возмещения за счет дополнительных источников генерации, но неравномерность потребления активной и реактивной мощности по отдельным фазам затрудняет применение в городских распределительных сетях традиционных для промышленных сетей УКРМ на базе однофазных регуляторов (контроллеров) РМ и соединенных «треугольником» трехфазных КБ.

График суточного пофазного изменения коэффициента мощности cosφ на низковольтных шинах городской ТП 6/0,4 кВ

Следует отметить, что при появлении несимметрии из-за разницы приложенного к зажимам напряжения номинальная РМ — Qном. отдельных, симметричных по емкости ветвей КБ меняется на величину [2]

где U1(1) — действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты [4]; Uном. — номинальное напряжение КБ. Отклонение Uном. линейных напряжений отдельных фаз сети происходит как в сторону увеличения, так и уменьшения [1, 2, 4], поэтому генерация РМ ветвями КБ будет неравномерной.

Программируемый алгоритм переключения КБ однофазным регулятором РМ достигается путем их последовательного набора по командам, соответствующим входному параметру управления — cos φ только одной (L1, L2, L3 — рис. 1) фазы компенсируемой сети [4]. В рассматриваемом случае (рис. 1–3) подобная схема контроля cos φ приведет к некорректной работе УКРМ, так как равномерное или случайное (2) распределение РМ ветвей КБ способно вызвать избыточность или недостаточность величины тока компенсации в неконтролируемых фазах, снизить пропускную способность сети и увеличить уже присутствующий дисбаланс трехфазной системы напряжений [5]. На рис. 2 представлены измеренные значения k2U и k0U при одинаковом изменении нагрузки СЭС. Отметим, что, в отличие от трехпроводной (система IT), четырехпроводная сеть располагает бульшими вариантами выбора схем питания нагрузки, но наличие между нейтральными точками Y-соединений контура протекания токов нулевой последовательности делает возможным ее равновесие — NΣ = 0 только при равенстве фазных активно-реактивных проводимостей [1]. Неуравновешенность рассматриваемой низковольтной СЭС в основном определяет несбалансированность однофазных нагрузок (см. соотношение значений k2U и k0U — рис. 2).

Измеренные значения коэффициента несимметрии по обратной и нулевой последовательности
Измеренные значения мощности нулевой последовательности

Принципиальные отличия технических характеристик трехстержневых трансформаторов 6–10/0,4 кВ с разными схемами соединения обмоток (Y/YН, Δ/YН, Y/ZН) во многом определяет их реакция на несимметричный режим нагрузки. Экспериментальные данные показывают, что для наиболее распространенных в электрических сетях 10(6)–0,4 кВ Российской Федерации трансформаторов Y/YН значение сопротивления нулевой последовательности — z0 = r2 + jx22, где r2 — активное сопротивление вторичной обмотки, а x22 — реактивное сопротивление, характеризующее однофазный магнитный поток рассеяния, сцепляющийся с формирующей его вторичной обмоткой по воздуху, гораздо больше их сопротивления прямой последовательности — z1 [6]. В обмотках трансформатора Y/YН индуцируются совпадающие по фазе ЭДС, которые с учетом увеличения z0 за счет сопротивления линии [6], вызовут рост дисбаланса фазных напряжений сети, особенно интенсивный при большой загрузке трансформатора и низком cos φ нагрузки. Кроме того, магнитные потоки, вызванные протеканием неуравновешенного тока нулевой последовательности — I0(1), замыкаясь через поверхность бака, дно и крышку трансформатора, нагревают его корпус, ухудшая охлаждение активной части [3]. Как установлено при исследовании промышленных сетей [6], максимально допустимая неуравновешенная однофазная нагрузка составляет лишь 2…5% от номинальной мощности питающего трансформатора с группой соединения обмоток Y/YН–12, что приблизительно в 10 раз меньше, чем в случае включения эквивалентной по мощности нагрузки на его междуфазное напряжение (несимметрией по обратной последовательности). Снизить несимметрию СЭС до допустимого значения k0U [3] можно за счет полной или частичной компенсации составляющей РМ обратной последовательности (рис. 3) путем комбинаций переключения емкостных элементов на различные линейные напряжения четырехпроводной сети [5].

Практическая реализация подобных схем возможна с помощью специальных автоматических регуляторов РМ (например, BLR-CM 3phase [7]) или структурного объединения в единую технологическую цепь трех серийных однофазных контроллеров. Для СЭС с разбалансированной (несимметричной) нагрузкой компания EPCOS AG предлагает версию трехканального управления автоматическими микропроцессорными контроллерами BR6000 однофазными ступенями УКРМ (рис. 4), функция регулирования которых равнозначна системе уравнений [4]:

Схема компенсации РМ несимметричной низковольтной нагрузки

где: QL1, QL2, QL3 — РМ соответствующей фазы; К — коэффициент трансформации трансформаторов тока; φL1, φL2, φL3 — сдвиг фаз между линейными (IL1, IL2, IL3) токами и одноименными фазными (UL1, UL2, UL3) напряжениями компенсируемой сети.

Независимо друг от друга однофазные измерительные системы контроллеров тестируют мгновенные значения фазных напряжений и линейных токов (рис. 4), вычисляют их сдвиг во всех четырех квадрантах комплексной плоскости, формируя на выходе сигналы, пропорциональные по величине и направлению РМ каждой фазы (3). Далее результаты измерения сравниваются с предварительно заданной (одинаковой для 3 контроллеров) уставкой cos φ, соразмерной углу φ. Если отклонение превысит границы зоны чувствительности, контроллер выдаст команду на поочередную автономную коммутацию шести параллельно включенных секций однофазных конденсаторов одной из 3-емкостных ветвей КБ. Поскольку в существующем программном обеспечении контроллера BR6000 входные параметры вычисляются и отображаются как трехфазные величины, РМ шага компенсации установочного меню должна в три раза превышать фактическое значение (например при однофазном шаге 10 квар следует ввести 30 квар). Модуль пульсирующей мощности, генерируемой в сеть несимметричной КБ, направленный встречно NΣ (1), приблизительно будет равен удвоенной разности между РМ наибольшей и наименьшей ветви [4].

Дискретное подключение ветвей КБ (рис. 4) позволит снизить напряжение нулевой последовательности эквивалента однофазной нагрузки — U0(1) = I0(1) × z0/3, численно равное модулю вектора сдвига нулевой точки трехфазной системы напряжений [4], и откорректировать cos φ [5], обеспечив эксплуатационную пропускную способность сети. Таким образом, обеспечивается условие ввода дополнительной емкостной проводимости [1], компенсирующей дисбаланс линейных напряжений СЭС путем дифференцированного регулирования РМ-секций, соединенных «звездой» ветвей симметричных трехфазных КБ.

Литература

  1. Шидловский А. К., Борисов Б. П. Симметрирование однофазных и двухплечевых электротехнологических установок. Киев: Наукова думка, 1977.
  2. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергия, 1974.
  3. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: ИПК Издательство стандартов, 1998.
  4. Шишкин С. А. Симметрирование и компенсация реактивной мощности несимметричных низковольтных нагрузок с помощью конденсаторных батарей // Электротехника, 2006. № 8.
  5. Патент РФ на изобретение 2229766 H02J3/18 / Устройство для симметрирования и компенсации реактивной мощности / Шишкин С. А. (RU) — № 2002126525. Заявл. 07.10.02, опубл. 27.05.04. Бюлл. № 15.
  6. Гамазин С. И., Зеленская М. А. Расчетно-экспериментальные исследования области допустимых несимметричных режимов в системе электроснабжения до 1000 В // Электрика, 2003. № 3.
  7. Power factor control relay BLR-CM 3phase. http://www.beluk.de
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_03_122.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо