Исследование работы сети с конденсаторными установками

Цель работы

Изучение влияния регулирования мощности конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности на режим работы сети.

Необходимые исходные сведения

Потребители электроэнергии, например асинхронные двигатели, для нормальной работы нуждаются как в активной, так и в реактивной мощностях, которые вырабатываются, как правило, синхронными генераторами и передаются по системе электроснабжения от электростанции к потребителям.

С целью повышения коэффициента мощности и увеличения напряжения на шинах нагрузки выполняют компенсацию реактивной мощности. Применение компенсирующих устройств несколько увеличивает затраты на эксплуатацию электроустановок, но затраты на возмещение потерь активной мощности за счет передачи реактивной резко сокращаются.

Мероприятия, проводимые по компенсации реактивной мощности, могут быть разделены на следующие три группы:

1. Мероприятия, не требующие применения компенсирующих устройств:

1) упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования, а следовательно, и к повышению коэффициента мощности;

2) переключение обмоток статоров асинхронных двигателей напряжением до 1 кВ с треугольника на звезду, если их загрузка составляет менее 40 %;

3) применение автоматических ограничителей холостого хода для двигателей, продолжительность межоперационного периода которых превышает 10 мин;

4) замена или отключение трансформаторов, загруженных в среднем менее чем на 30 %;

5) замена мало загруженных двигателей двигателями мень-шей мощности, если это сопровождается уменьшением суммарных потерь активной энергии в энергосистеме и двигателе;

6) замена асинхронных двигателей синхронными двигателями той же мощности, где это возможно по технико-экономическим соображениям;

7) применение синхронных двигателей для всех новых установок электропривода, где это приемлемо по условиям технологического процесса;

8) регулирование напряжения, подводимого к электродвигателю при тиристорном управлении;

9) повышение качества ремонта двигателей с сохранением их номинальных данных.

2. Мероприятия, связанные с применением компенсирующих устройств:

1) установка статических конденсаторов;

2) использование синхронных двигателей для компенсации реактивной мощности.

3. Мероприятия по повышению коэффициента мощности, допускаемые в виде исключения:

1) использование синхронных генераторов в качестве синхронных компенсаторов;

2) синхронизация асинхронных двигателей, которая допускается при нагрузке на валу не выше 70 % и на основе технико-экономических расчетов.

При питании постоянным током фазный ротор втягивается в синхронизм и может работать с опережающим коэффициентом мощности, приобретая свойства, сходные со свойствами синхронных двигателей, но со значительно меньшей перегрузочной способностью.

Виды источников реактивной мощности различаются техническими и экономическими характеристиками, которые определяют область их рационального использования. Синхронные машины представляют собой плавно регулируемый источник реактивной мощности. За счет изменения тока возбуждения можно обеспечить регулирование реактивной мощности в широком интервале. Синхронные машины могут работать как в режиме генерации, так и в режиме потребления реактивной мощности.

Преимущество использования синхронных машин в качестве источников реактивной мощности заключается в возможности увеличения генерации реактивной мощности даже при снижении напряжения. Более того, при глубоких (аварийных) снижениях напряжения в синхронных машинах происходит автоматическая форсировка возбуждения, приводящая к существенному увеличению генерации реактивной мощности.

Синхронные машины обладают хорошими динамическими характеристиками по реактивной мощности, что позволяет сглаживать график реактивной мощности и способствует уменьшению колебаний напряжения. Синхронные машины малочувствительны к несинусоидальности напряжения, поэтому могут использоваться в качестве источников реактивной мощности в электрических сетях, питающих мощные источники высших гармоник.

Батареи конденсаторов являются нерегулируемыми или ступенчато регулируемыми источниками реактивной мощности. Батарею необходимо разделять на секции, каждую из которых следует подключать через отдельный коммутационный аппарат. Батареи конденсаторов способны только генерировать реактивную мощность. Реактивная мощность, генерируемая батареями конденсаторов, определяется по следующим формулам:

при соединении в звезду: Q = U ²w C;

при соединении в треугольник: Q =3 U ²w C,

где w=2p f; C – емкость одной батареи; U – линейное напряжение сети.

Пропорциональность генерируемой реактивной мощности квадрату напряжения ведет к тому, что при снижении напряжения генерация реактивной мощности уменьшается в значительно большей степени. Режим с пониженным напряжением в сети характеризуется дефицитом реактивной мощности, который еще более возрастает из-за уменьшения ее генерации батареями конденсаторов.

Батареи конденсаторов чувствительны к несинусоидаль-ности напряжения в сети. При несинусоидальном напряжении конденсаторы перегружаются токами высших гармоник, что приводит к сокращению срока их службы. Батареи конденсаторов могут увеличивать несинусоидальность напряжения в сети из-за возможности резонанса токов на одной из высших гармоник. В отличие от синхронных машин батареи конденсаторов являются статическими (не вращающимися) источниками реактивной мощности. Они бесшумны в работе, просты в эксплуатации, малогабаритны и значительно дешевле синхронных машин. По этим причинам батареи конденсаторов нашли широкое применение в системах электроснабжения, особенно на напряжении 0, 4 кВ.

Существенная генерация реактивной мощности емкостной проводимостью линий электропередачи осуществляется только в сетях высокого напряжения (220 кВ и выше). Однако передавать ее промышленным потребителям экономически нецелесообразно. В сетях электроснабжения промышленных предприятий генерация реактивной мощности емкостной проводимостью не превышает нескольких процентов от потребляемой. Поэтому линии системы электроснабжения не могут рассматриваться как существенные источники реактивной мощности.

Регулирование мощности конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности необходимо для поддержания номинального (заданного) значения коэффициента мощности при различных и меняющихся значениях активной и реактивной нагрузок предприятия, что позволяет резко сокращать в сети потери электроэнергии.

Отсутствие регулирования мощности конденсаторных установок при неравномерном графике нагрузки может вызвать недопустимое отклонение напряжения на отдельных участках сети. Наиболее эффективным способом регулирования является автоматическое. В лабораторной работе включение и отключение части или полностью конденсаторной установки имитируется ручным включением или отключением с помощью пакетных переключателей SA2, SA3. Нагрузка имитируется асинхронным электродвигателем. В работе для более точного определения измеряемых величин применяются настольные приборы: ваттметр и фазометр, которые включаются в разрывы XT1–XT3. В этом случае следует учесть, что измерительные приборы показывают линейное напряжение и мощность одной фазы.

Подготовка к работе

При подготовке к работе необходимо:

1. Ознакомиться с настоящим описанием, проработать материал, изложенный в [1. С. 395-410]; [2. С. 346-347]; [3. С. 289-310]; [4. С. 275-291]; [6. С. 383-402].

2. Подготовить ответы на следующие вопросы:

2.1. Как работают схемы регулирования мощности конденсаторных установок?

2.2. Как определяется необходимая мощность компенсирующих устройств?

2.3. Схемы включения конденсаторных установок в сеть.

2.4. Для чего нужны разрядные сопротивления?

2.5. Что применяется в качестве разрядных сопротивлений в конденсаторных установках до и выше 1 кВ?

2.6. Каким образом сказывается включение и отключение конденсаторных установок на режим напряжения и потери мощности в сети?

2.7. Что дает автоматическое регулирование мощности конденсаторных установок?

2.8. Способы повышения коэффициента мощности cosj.

Рабочее задание

1. Ознакомиться с электрооборудованием, используемым в данной лабораторной работе.

2. Собрать и опробовать схему (рис. 2.1).

3. Произвести исследование работы сети при различных режимах компенсации и без нее. Результаты исследования свести в таблицу (табл. 2.1).

4. По полученным результатам опытов рассчитать:

1) значение cosj без компенсации и при различных режимах компенсации;

Таблица 2.1

Режим работы установки

Показания приборов

Расчетные данные

U, В

I 1, А

I 2, А

P, Вт

cosj

C, мкФ

cosj

P, Вт

Q, вар

S, ВА

1. Без компенсации и активных сопротивлений

2. При подключении одной батареи

3. При подключении двух батарей

4. При подключении активного сопротивления

5. При подключении двух батарей и активного сопротивления

Рис. 2.1. Принципиальная схема установки

2) компенсирующую мощность и емкость батарей конденсаторов при доведении cosj до 0, 96;

3) компенсирующую мощность и емкость батарей конденсаторов каждого режима компенсации.

5. Начертить векторные диаграммы мощностей для различных режимов компенсации и без компенсации по данным табл. 2.1.

Содержание отчета

1. Титульный лист (приложение).

2. Схема регулирования мощности конденсаторных установок.

3. Схема электрических соединений лабораторной работы.

4. Перечень аппаратов и приборов, используемых в работе с краткой технической характеристикой.

5. Таблица опытных и расчетных данных.

6. Расчеты по п. 4.1-4.3 задания.

7. Векторные диаграммы (п. 5 задания).

8. Выводы по работе.