В настоящее время компенсация реактивной мощности (КРМ) является одним из важнейших факторов, позволяющих решить проблему энергосбережения на промышленных предприятиях. При компенсации реактивной мощности уменьшается сдвиг по фазе между напряжением и током (увеличивается cosφ), соответственно уменьшается реактивная составляющая тока, а вместе с ней и потребляемая полная мощность.
Наиболее распространёнными способами КРМ являются использование конденсаторных батарей, синхронных компенсаторов, шунтирующих реакторов, фильтров высших гармоник, статических тиристорных компенсаторов [1]. Но инженерная мысль не стоит на месте, и в настоящее время учёные разрабатывают новые и усовершенствуют существующие устройства КРМ. Основными направлениями в развитии устройств КРМ являются:
1) возможность плавно регулировать реактивную мощность [2];
2) увеличение диапазона изменения реактивной мощности [2];
3) расширение функционала за счет возможности решения нескольких задач одновременно (например, не только компенсировать реактивную мощность, но и одновременно фильтровать гармонические составляющие токов [3] и стабилизировать напряжение [4]);
4) исключение потерь активной мощности (в связи с применением дополнительных сопротивлений как, например, в [2];
5) применение микропроцессорной техники для автоматического регулирования работы устройств КРМ [5];
6) беспечения безопасности устройств при эксплуатации (а именно: изоляция токоведущих частей и вводов, применение более надежных выключателей и т.д.);
7) защита устройств КРМ от перенапряжений [6];
8) универсальность – возможность применения одного устройства на различных уровнях напряжения;
9) упрощение конструкции и снижение массогабаритных показателей устройств.
В данной статье будут рассмотрены некоторые из перспективных разработок российских учёных и инженеров в области КРМ.
В патенте РФ на изобретение №2479907 [2] описана новая схема соединения статических батарей и шунтирующих реакторов. То есть разработчик предлагает улучшить характеристики часто используемой связки «батарея конденсаторов + шунтирующий реактор».
Батарея статических конденсаторов одним вводом подключена к линейной шине, а другим вводом – к заземлению. Выключатель, подсоединяется параллельно части конденсаторов, расположенных со стороны заземления. Один ввод выключателя заземлён. Управляемый шунтирующий реактор подключен через выключатель и разъединитель.
Принцип работы устройства следующий. При нормальном режиме работы сети происходит снижение напряжения из-за падения напряжения в линии. Трансформатор напряжения 16 фиксирует снижение напряжения, система автоматического управления 12, снижает реактивную мощность шунтирующего реактора 5. Из-за возрастания емкостной составляющей тока БСК 4, падение напряжения в подводящей сети компенсируется. В случае, когда нагрузка увеличивается до максимальной, срабатывает система автоматического управления 12, и даёт сигнал включение выключателя 11. При этом дополнительно компенсируется падение напряжения, из за возросшей мощности батареи конденсаторов 4. В данном режиме источник реактивной мощности выдает в сеть максимально возможную реактивную мощность (рис.1).
Таким образом, эта схема позволяет решить проблему плавного регулирования реактивной мощности, увеличения диапазона изменения реактивной мощности. Так же снижаются потери мощности в сети и в нагрузке и улучшается качество стабилизации напряжения. Устройство можно использовать в сетях переменного тока высокого напряжения, например на подстанциях воздушных линий передач, на которых уже установлены батареи статических компенсаторов и шунтирующие реакторы.
Рисунок 1 – Устройство КРМ
Патент № 2459335 [3] представляет собой устройство позволяющее производить автоматическое регулирование компенсации реактивной мощности. Оно состоит из цепочки соединенных последовательно конденсаторных батарей и шунтирующих реакторов.
Назначение данного устройства – регулирование мощности устройства КРМ в зависимости от напряжения сети и поддерживание напряжения сети в диапазоне от 21 кВ до 29 кВ. Также имеется возможность минимизировать установленную мощность компенсирующего оборудования в случае максимального использования этой мощности. В оперативной части переключения может использоваться электронное коммутирующее устройство (тиристорный ключ), который имеет неограниченный ресурс работы, позволяет упростить управление (а значит, и повысить надежность) переключений конденсаторно-реакторного оборудования.
Цепочка из конденсаторных батарей и индуктивности разделена на две части с заданным коэффициентом деления. Они представляют собой основную цепь (L1, C1) и оперативную (L2, C2). Цепи соединены между собой последовательно и подключены через высоковольтный выключатель к контактному проводу. Параллельно оперативной цепи подключен биполярный коммутатор 2, который регулирует мощность компенсатора. Коммутатор 2 выполняется в виде тиристорного ключа. Блок управления 3 регулирует работу тиристорного ключа 2 (рис. 2).
Рисунок 2 – Устройство регулируемой компенсации реактивной мощности для контактной сети железных дорог переменного тока
Изобретение предназначено для электроснабжения железнодорожного транспорта на электрической тяге, обеспечивает компенсацию реактивной мощности, потребляемой электровозами на частоте 50 Гц, так же одновременно осуществляет фильтрацию высших гармоник, генерируемых электровозами.
Таким образом, изобретение решает такую задачу, как расширение функциональных возможностей за счет возможности решения нескольких задач одновременно, т.е. устройство позволяет не только компенсировать реактивную мощность, но и одновременно фильтровать гармонические составляющие токов.
В патенте № 2510556 [4] рассмотрен статический компенсатор реактивной мощности. Его можно применять в качестве систем регулирования, автоматической стабилизации напряжения и компенсации реактивной мощности в электрических сетях высокого напряжения. Его особенность в том, что область его применения не ограничена классом напряжения. По сравнению с существующими СТК это устройство имеет повышенную эффективность и надёжность.
Статический КРМ состоит из регулируемой индуктивности, конденсаторной батареи и устройства фильтрации высших гармоник. Для регулирования индуктивности используется двухобмоточный трансформатор с регулятором насыщения магнитопровода, чем и достигается повышенная надежность.(рис. 3).
Рисунок 3 – Статический компенсатор реактивной мощности
Возможность плавного регулирования мощности возможно из-за того что управляемый шунтирующий реактор, входящий в состав прототипа, проектируется как управляемая индуктивность.
Устройство позволяет решать несколько задач одновременно: компенсировать реактивную мощность, стабилизировать напряжение, расширить диапазон регулирования реактивной мощности.
Полезная модель № 66620 [5] – это устройство для регулируемой компенсации реактивной мощности в электрических сетях высокого напряжения, имеющее устройство для защиты от перенапряжений. Важно то, что устройство оборудовано блоком изменения напряжения, который соединен с конденсаторной батареей, а выход блока управления присоединен к входу блока коммутации, при этом его коммутирующие элементы соединены с цепью конденсаторной батареи. Конденсаторная батарея включает в себя три конденсатора разной емкости(в соотношении 0,8:1,0:1,2 номинального значения), имеет 7 ступеней переключения.
Устройство включает в себя блок конденсаторных батарей 1, устройства для защиты конденсаторных батарей от перенапряжения 5, блока измерения напряжения 6, блока управления 7 и блока коммутации 8 (рис.4).
Блок измерения напряжения 6 отслеживает изменение напряжения в линии, подает сигнал блоку управления 7, соединенному с блоком коммутации 8 и определяет какой набор выключателей необходимо включить, чтобы конденсаторная батарея скомпенсировала требуемое значение реактивной мощности.
Рисунок 4 – Устройство КРМ
Полезная модель помимо плавного ступенчатого регулирования реактивной мощности способна защитить устройство компенсации реактивной мощности от перенапряжений.
Таким образом, обозначенные выше тенденции развития устройств компенсации реактивной мощности сводятся к созданию широко функциональных устройств КРМ, надежных и быстродействующих, с минимальными массогабаритными показателями, простых в изготовлении и эксплуатации. Однако совместить все эти требования в одном приборе пока не представляется возможным, поэтому в каждом конкретном изобретении решается только одна (или несколько) поставленных задач.
На наш взгляд самыми перспективными разработками в данной области является сочетание в одном агрегате нескольких компенсирующих устройств, взаимно дополняющих функции друг друга (например, БСК+реактор+фильтр высших гармоник).
Библиографический список
- Тимофеев А.С. Компенсация реактивной мощности: учеб. пособие./ А.С. Тимофеев; Сиб. гос. индустр. ун-т. – Новокузнецк: СибГИУ, 2010. – 67 с.
- Карымов Р.Р., Лурье А.И., Сафиуллин Д.Х. Устройство компенсации реактивной мощности // Патент РФ № 2479907, опубл. 20.04.2013.
- Васильев С.Н., Гончаренко В.П., Латманизов М.В., Мизинцев А.В. Устройство автоматического регулирования компенсации реактивной мощности // Патент РФ № 2459335, опубл. 20.08.2012.
- Брянцев А.М. Статический компенсатор реактивной мощности // Патент РФ № 2510556, опубл. 27.03.2014.
- Титов, В. Г. Компенсация реактивной мощности в узле нагрузки распределенной сети электроснабжения с помощью средств интеллектуального электропривода [Текст] / В. Г. Титов, А. С. Плехов, О. В. Федоров // Промышленная энергетика. – 2012. – № 5. – С. 51-56.
- Бастрон А.В., Давыдов Д.А., Костюченко Л.П. Устройство КРМ// Полезная модель РФ № 66620, опубл. 10.09.2007.