CC BY
24
УДК 621. 311. 4 (075. 8)
НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СИСТЕМЕ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРЕДПРИЯТИЯ
Р.С. САИТБАТАЛОВА, И.В. ИВШИН
Казанский государственный энергетический университет
Рассматривается переходный процесс в системе электроснабжения при ступенчатом регулировании конденсаторных установок. Предлагается математическая модель переходного процесса, по результатам вычисления которой рекомендуется настраивать релейную защиту и устройства автоматического регулирования батарей конденсаторов.
Ключевые слова: реактивная мощность, автоматическое регулирование, релейная защита, конденсаторные установки, батареи конденсаторов, асинхронный двигатель.
Условия работы современных систем электроснабжения требуют широкого применения источников реактивной мощности на промышленных предприятиях. В зависимости от характера электрооборудования реактивная нагрузка промышленных предприятий может составить до 130% по отношению к активной. Наиболее распространенным типом таких источников в настоящее время являются батареи конденсаторов (БК). Достигнутый прогресс в коденсаторостроении показывает, что и в дальнейшем БК будут также широко использоваться.
В настоящее время в мировой практике можно проследить две тенденции использования БК параллельной компенсации в распределительных сетях: а) только как средство компенсации реактивных токов нагрузки; б) как основное средство регулирования напряжения. Первая тенденция присуща практике большинства Европейских стран и Японии, вторая - США и частично Франции. Отечественной практике применения БК присуща в основном первая тенденция. В целом же вторая тенденция считается более перспективной.
Режим работы БК должен обеспечить наибольшее снижение потерь электроэнергии в сетях при сохранении допустимого диапазона отклонений напряжения на зажимах электроприемников. Однако в настоящее время БК зачастую эксплуатируются без автоматического управления. В тех же случаях, когда автоматическое управление предусматривается, то имеется в виду управление по таким параметрам: коэффициент мощности нагрузки, величина и направление реактивной мощности. В то же время совершенно очевидно, что дефицит реактивной мощности прежде всего выявляется по эффекту снижения напряжения в сети. При этом необходимо дополнительное включение источника реактивной мощности. При повышении уровня напряжения требуется отключение части источника реактивной мощности. Соответственно конденсаторные установки должны состоять из нескольких секций: основной секции, мощность которой выбирается из условия экономически целесообразной степени компенсации реактивной мощности, и дополнительных секций, включаемых автоматически по мере снижения напряжения в сети. Таким образом, контроль за режимом напряжения в сети с воздействием на БК является достаточно действенным с точки зрения обеспечения баланса реактивной мощности,
© Р.С. Саитбаталова, И.В. Ившин Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
77
который должен иметь место при допустимых параметрах режима и, прежде всего, при допустимых отклонениях напряжения.
Однако включение и отключение БК может повлиять на работу релейной защиты (РЗ) элементов сети вследствие бросков тока и его колебаний в сети, а также и на работу автоматического устройства БК.
Целью настоящей работы является разработка методики определения параметров режима в переходном процессе при ступенчатом регулировании конденсаторных установок (КУ) для выполнения настройки регуляторов напряжения КУ и возможной корректировки уставок РЗ.
В целях определения величины бросков токов, возможных при включении дополнительных секций БК, а также выдержки времени регулятора, чтобы предотвратить его работу при кратковременных изменениях регулируемого параметра, необходимо рассмотреть электромеханический переходный процесс в конкретной сети.
В типичной схеме электроснабжения асинхронной нагрузки, представленной в виде эквивалентного асинхронного электродвигателя (АД), подключенного к шинам напряжением и, которые связаны через сеть сопротивлением Хсв с шинами напряжением и2 источника питания бесконечной мощности, электромеханический переходный процесс при включении дополнительных секций БК, подключенных параллельно к АД, можно представить следующими уравнениями в координатах С и д.
Уравнения переходного процесса АД:
и1С = г\1ъС + Хъ сЦ + ХН ~СЦ - Ху}тд ;
= ;
и1д = г1гъд + Хъ сц + ХН ^ + ХъгъС + ХнггС;
о = ■ Сгс . . ;
0 = г2ггС + ХН ^ + Хг — ЪХгггд;
0 = г2гщ + Хн ^ + Хг + + ЯХгггё;
Тдв = Мс — Хн ^гС^щ — ■гд'ъС ).
Для конденсаторной установки справедливы уравнения:
Си1С = . ^ Си1д = .
—— ХсгсС + и1д ; сЦ ~ Хс1Щ — и1С.
Режим внешней сети, связывающей нагрузку с шинами бесконечной мощности, определяется уравнениями:
и ССсв ; и С'дсв
и1С = и 2С — Хвн + Хвнгдсв; и1д = и 2д — Хвн ХвнгСсв.
Для узла нагрузки имеем:
'¡Сев = 'сС + ; 'дсв = 'сд + 'яд.
В качестве примера был рассмотрен электромеханический переходный процесс в типичной схеме электроснабжения асинхронной нагрузки, представленной в виде эквивалентного АД типа ВДД-170/34-12. К шинам нагрузки напряжением параллельно к АД подключены КУ с дополнительными секциями. Основная секция этой конденсаторной установки рассчитана на компенсацию до 100 % реактивной
© Проблемы энергетики, 2012, №1-2
78
мощности нагрузки в нормальном режиме. Нагрузка удалена от шин системы с напряжением и2 на хвн = 2хтр, где хтр - индуктивное сопротивление
трансформатора.
Интегрирование данной системы дифференциальных уравнений осуществлялось методом Рунге-Кутта четвертого порядка.
Начальные условия определялись из следующей системы уравнений для установившегося режима.
Для асинхронного двигателя справедливы уравнения:
и\а = г\-за - ^зц; и\д = + ^за; 0 = г2-га - ^щз; 0 = г2+ ^газ,
где ^зц = хз-зц + х|1 ; ^за = хз1за + х|11га; ^га = хг1га + х|11за; ^гц = хг-щ + х|1. Для КУ уравнения будут иметь вид: 0 = хс 1са + и\д; 0 = хс- и\а. Режим внешней сети определяются уравнениями: и\а = и2а + ^цсв; и\д = и2ц - ^асв,
где ^цсв = хвн^цсв; ^асв = хвн7асв . Баланс токов в узле нагрузки: 7асв = 7са + -за; ^цсв = -^сд + .
Система уравнений для установившегося режима решалась методом Гаусса. За напряжением и\ на шинах нагрузки следит орган, реагирующий на снижение
напряжения и\, например реле напряжения. Действие автоматического устройства, имеющего релейную характеристику, описывается следующим выражением:
если и\ < и\мин, то хс = хсЕ= хбкхсТ ° ;
хбк + хст.с
если и\ > и\мах , то хс = хбк ,
где хбк - основная секция конденсаторной установки; хст с - дополнительная секция. Было принят0, что и\мин = 0,95и\ном , а и\мах = \,05и\ном .
При анализе электромеханических переходных процессов необходимо учесть, что дополнительная секция включается не мгновенно, а с определенным запаздыванием, которое определяется временем задержки, обусловленной действием коммутационной аппаратуры, и временем выдержки, необходимой для отстройки от кратковременных колебаний в сети и от переходного процесса, вызванного включением предыдущей секции конденсаторной установки.
Влияние этих факторов на переходный процесс, возникающий вследствие включения дополнительной секции, было проанализировано применительно к случаю, когда напряжение системы и2 по каким-либо причинам меняется скачком. При этом суммарное время ?, включающее время выдержки и время задержки, изменялось от 0 до \0 с. В качестве примера на рис. \ и рис. 2 представлены результаты вычислений переходного процесса при ? = 0,92 с. На рис.\ показаны изменения во времени тока
/св в сети, связывающей шины нагрузки с системой, и напряжение и\ на шинах нагрузки. На рис.2 представлены зависимости электромагнитного момента Мэл и скольжения з асинхронного двигателя в функции времени.
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
79
Анализ результатов выполненных расчетов позволил установить, что колебания токов, возникающие в момент включения дополнительной секции конденсаторной установки, имеют незначительную амплитуду. Большей емкости батареи конденсаторов соответствуют меньшие амплитуды колебания. Затухание колебаний свободных токов происходит через 0,08 + 0,\ с, далее следует плавное уменьшение токов. Аналогично изменяется и напряжение на шинах нагрузки. Резкие изменения электромагнитного момента за счет влияния свободных токов наблюдаются только в начальный момент переходного процесса, вызванного включением дополнительной секции конденсаторной установки, в пределах от 0 до 0,\ с, затем колебания прекращаются и происходит плавное увеличение электромагнитного момента. Время выдержки ?выд и время задержки ?зад не влияют на переходный процесс, вызванный включением дополнительной секции, и на новый установившийся режим при малом времени бездействия автоматики: при Г = (Гвыд + ?зад) < \,5 с. Увеличение времени Г
может привести к более глубокому понижению напряжения и\ на шинах нагрузки. В этом случае автоматическое устройство включает дополнительную секцию при и\ < 0,95и\ном . Поскольку мощность дополнительной секции выбиралась по условию повышения напряжения до номинального при его снижении только на 5%, то после включения этой секции устанавливается стационарный режим, но с худшими параметрами, чем это было бы, когда дополнительная секция включалась при и\ = 0,95и\ном. Поэтому целесообразно выбирать время выдержки автоматики, соответствующее времени затухания колебаний напряжения. Если это не удается выдержать, то необходимо увеличить мощность дополнительной секции по сравнению с той, которая выбирается по условию повышения напряжения на 5%.
иь о.е.
\
Г™, о.е.
Мэл, о.е.
з, о. е.
0,98
0,96 0,94
1
1 1.......Ч
¡1 К
...... *';•:' • **
1|п-
\,2
\,\
\
Г, сек
0,9
0 0,2 0,4 0,6 0,8 \ \,2 \,4 Рис. \ Изменения во времени тока /св в сети, связывающей шины нагрузки с системой, и напряжение щ на шинах нагрузки
0
0,04
0,03
Г, сек
0,2 0,4 0,6 0,8 \ \,2 \,4 Рис. 2. Зависимости электромагнитного момента Мэл и скольжения з асинхронного двигателя в функции времени
Выводы
\. Применение конденсаторных установок с дополнительными секциями позволит улучшить не только качество напряжения, но и при провалах напряжения в системе повысить устойчивую работу асинхронных двигателей, приводящих в
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
80
\
движение ответственные механизмы, от которых зависит весь технологический процесс.
2. Решение предлагаемых уравнений электромеханического переходного процесса для конкретной системы электроснабжения позволит определить все параметры режима при включении той или иной мощности дополнительной секции конденсаторной установки и, соответственно, оценить их влияние на работу релейной защиты и подобрать время срабатывания автоматических устройств КУ.
3. Полученные расчетные соотношения могут быть использованы для разработки специализированного ПО, предназначенного для расчета уставок РЗ и настройки регуляторов напряжения для узлов нагрузки с КУ.
Summary
A transient process in system of an electric-power supply under step regulating capacitor scheme is considered. The mathematical model of transient is suggested. There is recommended to adjust relaying and devices of automatic control by result of this model evaluation
Keywords: reactive power, automatic control, relay protection, relaying, capacitor scheme, capacitor battery, asynchronous motor.
Поступила в редакцию 19 сентября 2011 г.
Саитбаталова Раиса Садыковна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ).
Ившин Игорь Владимирович - д-р техн. наук, профессор, зав. кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий» (ЭПП) Казанского государственного энергетического университета (КГЭУ). Тел.: 8-950-3108984. E-mail: ivshini@mail.ru.
© Проблемы энергетики, 2012, № 1-2
81
