CC BY
8
УДК 681.5
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-508-509
ПРИМЕНЕНИЕ РЕГУЛИРУЕМЫХ РЕАКТОРОВ И КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ
А.С. Бордюг
Оптимальная система электроснабжения промышленных и приравниваемых к ним объектов должна сочетать совокупность требований по допустимости токов короткого замыкания и режиму напряжения. В данной статье рассматривается применение регулируемых реакторов и конденсаторных установок в распределительных сетях. Рассматриваются основные принципы работы этих устройств, а также их преимущества и недостатки. Описываются различные сценарии использования регулируемых реакторов и конденсаторных установок для повышения качества электроснабжения и снижения потерь электроэнергии в распределительных сетях. Отличительная особенность управляемого подмагничиванием реактора - то, что его вольт-амперная характеристика приближается к вольт-амперной характеристике идеального токо-ограничивающего реактора, но при изменении подмагничивания изменяет свое индуктивное сопротивление в области рабочих токов. Учитывая значительную экономию от улучшения режима напряжения и снижения токов короткого замыкания, приведенные технические решения являются экономически оправданными, а практическое осуществление не вызывает особых трудностей.
Ключевые слова: конденсатор, реактор, распределительные сети.
Введение. Результирующим показателем оптимальной системы электроснабжения является минимум приведенных затрат З , состоящих из затрат на трансформаторные подстанции ЗТ кабельные линии Зл, конденсаторные установки Зл, и ущербов
от перерывов электроснабжения Упэ, качества электрической энергии Укэ,
З = ЗТ + З + З + У + У , (1)
Т кл ку пэ кэ. ' V '
Составляющие затрат (1) определяются главным образом стоимостью трансформаторных подстанций 6-10/0,4 кВ и кабельной сетью. При этом имеет место локальный минимум приведенных затрат на трансформаторные подстанции и конденсаторные установки, устанавливающие оптимальное сочетание мощности трансформаторов ST и конденсаторо в QK
Зт (Sт) + ЗКУ + Qy) = min. (2)
Более широкая оптимизация с учетом затрат на кабельную сеть 6-10 кВ по условию
Зт (St ) + Зку (Qk ) + Зкл (St ) = min (3)
не имеет практической основы из-за того, что затраты на кабельную сеть определяются мощностью не трансформаторных подстанций, а короткого замыкания SКЗ и устойчивостью кабелей к термическому действию токов короткого замыкания [1-2]. Таким образом, здесь проявляется несогласованность экономических требований к построению оптимальной системы электроснабжения из-за технических ограничений.
Можно предположить еще более широкую модель оптимизации с учетом местного регулирования напряжения и минимизации ущерба от отклонений напряжения УКЭ (SU) при помощи конденсаторных установок
Зт^т) + ЗкуШ + Зкл&Т) + УКз(.Зи, QK) = min, (4)
но, поскольку мощности современных трансформаторов 6-10/0,4 кВ значительные (до 1 600 - 2 500 кВА), а напряжение короткого замыкания трансформаторов иК относи-
тельно невелико (4,5-5,5 %), регулирующий эффект конденсаторных установок по напряжению SUK, небольшой, %,
SUK = uKQK / S (5)
K т.ном V s
Для получения регулирующего эффекта по напряжению с помощью конденсаторных установок в диапазоне 4,5-5,5 % необходимо найти их мощность, исходя из соотношения QK = STHOM , что повлечет пере компенсацию и решение не будет рациональным.
При некотором математическом ожидании коэффициента мощности нагрузки cos ф максимальная, без перекомпенсации, реактивная мощность конденсаторных установок составляет величину
Q, ш = S.,, «,-л/Г-со7~ф = Smmu sin©. ^
тогда соотношение (5) можно записать в следующем виде:
SUK = uK sin р (7)
Методы и материалы исследования. Для получения требуемого регулирующего эффекта по напряжению от конденсаторных установок SUK тр учетом индуктивного сопротивления сети необходимо увеличить приведенное ик в k раз
k = SU / SU =SU / и. sin р (8)
к.тр к к.тр k г V s
При этом в k раз снижаются и токи короткого замыкания, т. с. увеличение индуктивного сопротивления с целью снижения токов короткого замыкания и построению системы электроснабжения по условию (3) не противоречит вопросам улучшения режима напряжения в распределительной сети [3]. Поэтому можно предложить относительно простое техническое решение снижения токов короткого замыкания либо при помощи трансформаторов с увеличением ик, либо при помощи токоограничивающих реакторов (рис. 1).
Рассмотрим теоретические основы выбора элементов схемы электроснабжения, отвечающие условию (4), исходя из того, что определяющим при выборе конденсаторных установок и параметров сети должно являться требование обеспечения желаемого режима напряжения в нормальных условиях эксплуатации.
За центр питания трансформаторных подстанций (ТП) можно принять шины 610 кВ главных понизительных подстанций (ГПП), тогда для обеспечения требуемого режима напряжения U20 на шинах 0,4 кВ мощность конденсаторных установок можно вычислить из уравнения связи между напряжениями U1 и U2 без учета поперечной составляющей потери напряжения [1]
QK = kJJ20U " U + P(R +(9)
X X
где Р - активная мощность; tgp- коэффициент реактивной мощности; kn¡ - коэффициент трансформации трансформатора; R, Х - активное и индуктивное сопротивления в цепи связи Uj, и U2.
Из формулы (9) видно, что мощность конденсаторов Qk - необходимая для обеспечения U20 - практически равна мощности нагрузки
Q = P(R / X + tgp)« Ptgp (10)
и некоторой добавки
t,Q = (knU20Ul - Uj2)/X = AUp / X , (jj)
величина которой при X = const определяется соотношениями Uj, Uj и km. Если индуктивное сопротивление увеличивать, то составляющие (10) - (11) изменяются, как показано на рис. 2.
С ростом индуктивного сопротивления сети Х величина QK, уменьшается и приближается по абсолютному значению к реактивной мощности нагрузки U .
U о
p+jQ
Рис. 1. Схема сети с реактором и регулируемыми конденсаторными установками
+jQ,
\ U > U 20*
-AQ, Q, = Q
^^ +AQ,
Ui.< U20*
X,,,
- jQ,
X
U* = U 20.
Рис. 2. Зависимость Q, = F(х) при U20 = const
При ^ > U20„ значение Qк снижается на величину (-А0), при U1„ > ^^ значение Qк возрастает на (+А<2). Кроме того, если индуктивное сопротивление сети < Xкр , то для обеспечения требуется компенсатор, способный не только генерировать, но и потреблять реактивную мощность, что делает невозможным применение одних конденсаторов. Величина Xкр равна
R
= U2 - kTU20Uj ,р PX
tgV
(12)
При установке конденсаторов в сети 0,4 кВ мощностью Qк коэффициент реактивной мощности
Q - Qk = Ui2 - kTU2U^ R
(13)
P PX X
и может быть отстающим или опережающим в зависимости от соотношений U1, ,
kт .
С точки зрения минимума потерь активной мощности от реактивной нагрузки желательно иметь tgфK = 0, тогда из (13) находим оптимальное значение kT 0
™ (14)
kT 0
U 20 UiU 20
Таким образом, получили основные уравнения (9), (12), (14), позволяющие определить мощность конденсаторных установок Qк и коэффициента трансформации
kT из условия требуемого режима напряжения и минимума потерь активной мощности от реактивной нагрузки
APq = jj2 = min. (15)
ЯР^ ^ V
Из соотношений (9) и (13) видно, что Qк и tgфK можно уменьшить увеличением индуктивного сопротивления сети. Если последнее достигается установкой токо-ограничивающего реактора, то дополнительные затраты будут пропорциональны сопротивлению реактора Xр . Сопротивление сети в этом случае равно
X = ХМ + Хр
Оптимальное индуктивное сопротивление (Хт + Xр) получим из условия минимума суммарных затрат Зх на конденсаторные установки, реактор и потери активной мощности
Зх = АХр + В(Хт + Хр Г1 + С (Хт + Хр )-2 + В, (16)
а приближенное решение уравнения
йЗх / йХ = 0
относительно Х имеет вид
К + U^ зкузр (AU2p + PR)
Х + Хр )опт = ~-^ Ky;g "-" , (17)
зр ptgv
где зку - удельные приведенные затраты на конденсаторные установки, руб/квар х год; зр - удельные приведенные затраты на реактор, руб/кВ х А, год; AU^J - расчетный параметр, В2.
Анализ (17) показывает, что оптимальное значение реактивного сопротивления сети (Хт + Хр) достаточно большое - (8-10) Хт , где Хт - индуктивное сопротивление
трансформатора при ик = 4,5-5,5 %. Такое увеличение индуктивного сопротивления в цепи связи U1 , и U2 резко снизит устойчивость асинхронной нагрузки. Практически достаточно индуктивное сопротивление: в цепи связи U1 и U2 обеспечить равным (1,5 - 3) Хт . При этом приближенно удовлетворяется условие Зх « min и снижаются токи короткого замыкания до величины, обеспечивающей возможность выбора кабельной сети по условию (3).
Таким образом, предлагаемое техническое решение снижения токов короткого замыкания в сетях 6-10-0,4 кВ за счет увеличения индуктивного сопротивления сети не противоречит необходимости обеспечения желаемого режима напряжения на шинах 0,4 кВ трансформаторные подстанций. Это предложение противоположно решению уменьшения сопротивления сети и увеличению мощности короткого замыкания для снижения влияния режима нагрузки на отклонения напряжения и имеет преимущество местного регулирования напряжения с помощью регулируемых конденсаторных установок.
Недостаток предложенного технического решения - то, что режим работы конденсаторных установок подчинен режиму напряжения [4,5].
Последний может оказаться таким, что значительная часть конденсаторных установок будет отключенной. Это может противоречить требованию энергосистемы по режиму работы конденсаторных установок. Известно, что существует экономически выгодное значение реактивной мощности, которую целесообразно передавать из энергосистемы электропотребителям. При этом остальная часть реактивной мощности должна компенсироваться конденсаторными установками.
В этих условиях заданной будет величина мощности конденсаторных установок и для обеспечения заданного режима напряжения можно изменять либо коэффици-
511
ент трансформации трансформатора, либо индуктивное сопротивление сети. Поскольку регулирование напряжения под, нагрузкой на цеховых трансформаторных подстанциях не предусмотрено, наиболее реальным остается решение регулирования индуктивного сопротивления сети. Такое техническое решение может быть успешно реализовано на базе управляемого подмагничиванием реактора (рис. 8).
Отличительная особенность управляемого подмагничиванием реактора - то, что его вольт-амперная характеристика приближается к вольт-амперной характеристике идеального токоограничивающего реактора, но при изменении подмагничивания изменяет свое индуктивное сопротивление в области рабочих токов [2].
и конденсаторными установками.
Вывод. Таким образом, возможны два технических решения, когда увеличение индуктивного сопротивления сети не противоречит требованию обеспечения желаемого режима напряжения. Учитывая значительную экономию от улучшения режима напряжения и снижения токов короткого замыкания, приведенные технические решения являются экономически оправданными, а практическое осуществление не вызывает особых трудностей.
Список литературы
1. Бордюг А.С. Применение циклического тестирования аппаратного обеспечения морских систем управления // Электротехнические и информационные комплексы и системы. 2020. Т. 16. № 3. С. 77-82.
2. Бордюг А.С. Моделирование интегрированных преобразователей энергии в судовых многогенераторных системах // Сборник трудов по материалам II Национальной научно-практической конференции преподавателей и аспирантов «Морские технологии: проблемы и решения - 2020» / под общ. ред. Е.П. Масюткина. Керчь, 2020. С. 47-51.
3. Sokolov S., Nyrkov A., Chernyi S., Nazarov N. Use of social engineering methods in transport: methods, protection, facts, consequences // Proceedings of the XIII International Scientific Conference on Architecture and Construction 2020. Commemorating the 90th anniversary of Novosibirsk State University of Architecture and Civil Engineering. Series "Lecture Notes in Civil Engineering", 2021, pp. 57-66.
4. Bordug A., Smetuch N., Antipenko I., Yashin A. Analysis of dynamic processes in maritime engines of ships // Advances in Intelligent Systems and Computing. 2020. P. 816824
5. Бордюг А.С. Идеология формирования типоразмерных рядов центробежных компрессоров судовой энергетической установки на базе автоматизированного проектирования // Вестник Керченского государственного морского технологического университета. 2021. № 4. С. 126-138.
Бордюг Александр Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, alexander.bordyug@mail.ru, Россия, Керчь, Керченский государственный морской технологический университет
APPLICATION OF REGULATED REACTORS AND CAPACITOR PLANTS IN DISTRIBUTION NETWORKS
A.S. Bordiug
The optimal power supply system for industrial and equivalent facilities must combine a set of requirements for the tolerance of short-circuit currents and the voltage regime. This article discusses the use of controlled reactors and capacitor units in distribution networks. The basic principles of operation of these devices, as well as their advantages and disadvantages, are considered. Various scenarios are described for the use of controlled reactors and capacitor plants to improve the quality of power supply and reduce power losses in distribution networks. A distinctive feature of a bias-controlled reactor is that its current-voltage characteristic approaches the current-voltage characteristic of an ideal current-limiting reactor, but when the bias changes, it changes its inductive reactance in the region of operating currents. Given the significant savings from improving the voltage regime and reducing short-circuit currents, the above technical solutions are economically justified, and practical implementation does not cause any particular difficulties.
Key words: capacitor, reactor, distribution networks.
Bordyug Alexander Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, alexan-der.bordyug@mail.ru, Russia, Kerch, Kerch State Maritime Technological University
УДК 621.313.33; 621.314; 621.319.4 DOI: 10.24412/2071-6168-2023-8-513-514
ПРОЕКТИРОВАНИЕ НАКОПИТЕЛЯ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИХ КОМПЛЕКСОВ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫХ ДЛЯ ИСПЫТАНИЯ АСИНХРОННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
В.В. Харламов, Д.И. Попов, П.С. Соколов
В статье приведена актуальность исследований вопроса, связанного с испытанием асинхронных двигателей. Обосновывается необходимость расширения программы испытаний асинхронных двигателей на переходные режимы работы. Показана актуальность исследований, направленных на развития инфраструктуры технического обслуживая и ремонта асинхронных двигателей. Приведено сравнение перспективных типов накопителей электрической энергии. Предложена оригинальная конструкция электротехнического комплекса с накопителем электрической энергии для проведения испытаний асинхронных двигателей с короткозамкнутым ротором методом взаимной нагрузки. Предложен алгоритм определения параметров накопителя электрической энергии.
Ключевые слова: асинхронный двигатель, короткозамкнутый ротор, испытания, электротехнический комплекс, переходный режим, накопитель электрической энергии, взаимная нагрузка.
Актуальность исследований, связанных с испытаниями асинхронных двигателей (АД), определяется проблемами, которые необходимо решать в процессе их эксплуатации на различных этапах жизненного цикла. К одной из таких проблем можно отнести значительное количество отказов АД, работающих в составе сложных систем. К примеру, современные асинхронные электродвигатели подвижного состава, которые находятся в наиболее сложных условиях эксплуатации, требуют периодического ремонта и послеремонтных (приемосдаточных) испытаний.
513
