CC BY
2
СОВРЕМЕННЫЕ ПОДХОДЫ ПО РЕШЕНИЮ ПРОБЛЕМЫ СТУПЕНЧАТОСТИ РЕГУЛИРОВАНИЯ НАПРЯЖЕНИЯ ПРИ ПОМОЩИ БАТАРЕЙ СТАТИЧЕСКИХ
КОНДЕНСАТОРОВ
А.А. Шелякин1, магистрант
Р.Н. Хамитов2, профессор
1Тюменский индустриальный университет
2Омский государственный технический университет
1(Россия, г. Тюмень)
2(Россия, г. Омск)
DOI:10.24412/2500-1000-2024-5-4-105-108
Аннотация. В статье описывается принцип работы конденсаторных установок для регулирования напряжения на промышленных предприятиях. Рассмотрены достоинства и недостатки данных электрических машин, а также их конструктивные особенности. Выявлен главный недостаток регулирования напряжения при помощи конденсаторных установок, а именно ступенчатость регулирования. Рассмотрены два взгляда на решение данной проблемы. В первом случае предполагается использование батарей равной мощности на каждой ступени совместно с реакторами. Во втором случае предусмотрено использование конденсаторных батарей разной мощности, так, чтобы емкость каждой следующей ступени была в два раза выше предыдущей. По результатам исследования подходов, был проведен сравнительный анализ двух подходов к решению задачи, который показал достоинства и недостатки использования каждого из методов в зависимости от случая их применения.
Ключевые слова: регулирование напряжения, батарея статических конденсаторов, компенсация реактивной мощности, индивидуальная компенсация, групповая компенсация, централизованная компенсация.
С ростом современных энергоемких предприятий остро встает вопрос обеспечения необходимого качества электроэнергии вместе с ее экономичным потреблением. Необходимо это для поддержания необходимого уровня технологического процесса на предприятии. Так как основное количество оборудования на предприятии является потребителями реактивной мощности, то необходимо принять меры по недопущению снижения реактивной мощности, а как следствия снижения общего напряжения электросети в целом.
Как правило, решается данная задача установкой на промышленных предприятиях компенсирующих устройств [1]. Зачастую в качестве такого устройства выбирают батареи статических компенсаторов. Такое техническое решение обусловлено своей простотой и надежностью. Также установки имеют весьма высокий КПД, так как в конденсаторах практически отсутствуют потери электроэнергии. Ши-
рокое распространение получили как регулируемые батареи статических конденсаторов, так и нерегулируемые. Так, по средствам изменения потоков реактивной мощности появляется возможность поддержания заданного уровня напряжения в питающей сети. В силу простоты конструкции, в случае с батареями, оснащенными возможностью регулирования существует значительный недостаток. Регулирования может производится только ступенчато [2].
Конструкция конденсаторных установок представляет собой батарею состоящую обычно из нескольких конденсаторов, которые образуют батарею. Количество конденсаторов в батарее зависит от необходимой мощности БСК, мощности одного конденсатора и от его номинального напряжения. Существуют конденсаторы, рассчитанные на полное напряжение сети 6 или 10 кВ. Такие конденсаторы включаются обычно по схеме треугольни-
ка. Внутри конденсаторов имеется разрядное сопротивление, предназначенное для разряда конденсатора после снятия напряжения. Набор из одного или нескольких шкафов подключается к секции через выключатель [3].
Также отметить несколько особенностей при работе конденсаторных батарей. Режимы работы конденсаторных установок зависят от тока и напряжения. Как правило при превышении напряжения в сети на 10% от номинального напряжения продолжительность работы установки не должна превышать 12 ч. Если превышение номинального напряжения происходит более чем на 10%, то установка должна быть выведена из работы. несмотря на это, применение батареи статических конденсаторов позволяет увеличить напряжение на шинах подстанций на 3-4%.
Еще одной эксплуатационной особенностью конденсаторных установок является правила ее включения и отключения. Производить переключение рекомендуется не более чем 2-4 раза в сутки. Связано с бросками тока, которые возникают при включении и перенапряжением при отключении, что отрицательно сказывается на сроке службы как самих конденсаторов, так и коммутационной аппаратуры. Поэтому современные компенсирующие установки на основе батарей статических конденсаторов снабжаются тиристорным управлением. Также конденсаторные установки защищаются реакторами, которые устанавливаются последовательно с конденсаторами, а также силовые фильтры высших гармоник.
Практика показывает, что нагрузка на предприятии может иметь резко переменный характер и изменяться в широком диапазоне в короткий промежуток времени. А так как батареи, как правило собраны из конденсаторов одинаковой емкости, то даже при большом количестве ступеней регулирования могут возникать интервалы времени, когда не удастся полностью компенсировать потери реактивной мощности. Данную проблему можно решить, снабдив установку батарей статических компенсаторов возможность плавного регулирования [4].
Рассмотрим вариант, когда компенсирующее устройство устанавливается непосредственного в цеховых сетях низкого напряжения, максимально близко к потребителям реактивной мощности. Существует следующий подход к решению поставленной задачи. Как в случае с классической конструкцией компенсирующее устройство имеет конденсаторные батареи имеют равную емкость, а соответственно и равную мощность. Для описания работы установки примем, что схема имеет три ступени регулирования, а сами конденсаторы соединены по схеме треугольник. Каждый из модулей конденсаторов подключен к сети через токоограничивающие реакторы и тиристорные ключи. При этом, тиристорные ключи имеют соединение только с двумя фазами сети. Предполагается, что такая особенность подключения позволит уменьшить потери мощности при коммутации. Еще одной особенностью установки является наличие отдельного блока реакторов, соединенных также, как и блоки конденсаторов по схеме треугольник. При этом, важно отметить что мощность реакторов равна мощности одной из ступеней конденсаторной батареи.
Конечно, данная схема имеет гораздо более сложную конструкцию, а как следствие и более сложный алгоритм управления. Так, когда регулирование осуществляется только отдельным блоком реакторов в распоряжении, имеются четыре ступени регулирования, которые компенсируют реактивную мощность на 25, 50, 75, и 100%, а при совместной работе реакторов и компенсаторов появляется возможность регулирования в 16 ступеней, что обеспечит высокую плавность регулирования [5].
Альтернативный взгляд на решение проблемы ступенчатого переключения, применение конденсаторной установки с различными емкостями конденсаторных банок. Для удобства сравнения рассмотрим системы состоящую также из трех комплектов конденсаторов. За некую базовую точку возьмем вторую батарею конденсаторов, пусть ее емкость равняется 1С, тогда емкость первой батареи должна равняться половине 0,5С от емкости вто-
рой конденсаторной батареи, а емкость третьей батареи должна быть равна 2С от емкости второй батареи. Таким образом, получается, что емкость каждой последующей батареи будет в два раза больше чем емкость предыдущей. Имея такие параметры, появляется возможность организации семиступенчатого алгоритма управления. Такое соотношение параметров обеспечивает максимальную плавность переключений.
Алгоритм включения батарей следующий. Для того чтобы включить вторую ступень регулирования необходимо включить вторую батарею конденсаторов, а первую батарею отключить. Чтобы включить третью ступень необходимо включить параллельно первую вторую батарею конденсаторов. Чтобы включить четвертую ступень необходимо включить третью батарею конденсаторов, при отключении первых двух батарей. Пятая ступень вводится в работу путем включения на параллельную работу первой и третьей батареи. Шестая ступень обеспечивается параллельным включением второй и третьей батарей конденсаторных батарей. И седьмая ступень обеспечивается включением всех батарей на параллельную работу [6].
С точки зрения алгоритма переключений такой алгоритм весьма прост. И может быть обеспечен при использовании простейшей вычислительной техники. Что
касается силового оборудования, то при проектировании данной системы необходимо так подобрать коммутационные аппараты, чтобы они могли обеспечить переключение между всеми ступенями, без применения дублирующих аппаратов с отличными характеристиками. Также предлагается применить способ мягкого включения конденсаторов, когда сначала включаются сначала две фазы, а потом третья.
Говоря о сравнении двух предложенных альтернативных методах регулирования реактивной мощности при помощи конденсаторных батарей и повышения точности и плавности регулирования можно сделать следующие выводы. Первый способ управления реактивной мощностью безусловно является более точным по сравнению со вторым, так как имеет большее количество ступеней 16 против 7 предложенных во втором методе. Но при этом у него сложнее алгоритм управления и схема включения оборудования, так как задействовано большее количество элементов. Второй способ регулирования напротив имеет более простой алгоритм управления и схема наиболее приближена к классической установке конденсаторных батарей. Поэтому первый способ может найти применение при регулировании реактивной мощности в непосредственной близости от потребителей, а второй способ при подключении к общим шинам.
Библиографический список
1. Паули, В.К. Компенсация реактивной мощности как эффективное средство рационального использования электроэнергии / В.К. Паули, Р.А. Воротников // Энергоэксперт. - 2007. - № 2.
2. Башкатова, Ю.В. Реактивная мощность и средства ее компенсации / Ю.В. Башкатова,
A.П. Кондратенко // Образование, Наука, Производство: сб. тр. конф. 20-22 октября 2015 г. - Белгород: Белгородский государственный технологический университет им.
B.Г. Шухова, 2015. - С. 2901-2904.
3. Исследование автоматизированной защиты конденсаторных установок / Г.Г. Муратов, Й.Ю. Шойимов, Р.К. Махамаджанов, С.Т. Ганиев // Научный журнал. -2019. - № 3 (37). - С. 14-16. - ББК У2ЯЛЬХ.
4. Минина, Г.П. Справочник по электропотреблению в промышленности / Под ред. Минина Г.П. и Копытова Ю.В. - М.: Энергия. 1978. 496 с.
5. Буре, И.Г. Регулируемый источник реактивной мощности для поддержания качества электрической энергии в цеховых сетях / И.Г. Буре, И.М. Хевсуриани, А.Б. Буре // Электро. Электротехника, электроэнергетика, электротехническая промышленность. -2005. - № 1. - С. 38-41. - ББК КУИУОУ.
6. Климаш, С.В. Повышение точности регулирования реактивной мощности конденсаторной установки / С.В. Климаш, Б.Д. Табаров, В.С. Климаш // Вестник Пермского нацио-
нального исследовательского политехнического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. - 2021. - № 40. - С. 27-43. -DOI 10.15593/2224-9397/2021.4.02. - EDN BIUTPL.
MODERN APPROACHES TO SOLVING THE PROBLEM OF STEP VOLTAGE REGULATION USING BATTERIES OF STATIC CAPACITORS
A.A. Shelyakin1, Graduate Student R.N. Khamitov2, Professor 1Tyumen Industrial University 2Omsk State Technical University 1(Russia, Tyumen) 2(Russia, Omsk)
Abstract. The article describes the operating principle of capacitor units for voltage regulation in industrial enterprises. The advantages and disadvantages of these electrical machines, as well as their design features, are considered. The main drawback of voltage regulation using capacitor units has been revealed, namely stepwise regulation. Two views on solving this problem are considered. In the first case, it is assumed that batteries of equal power will be used at each stage together with reactors. In the second case, the use of capacitor banks of different power is provided, so that the capacity of each next stage is twice as high as the previous one. Based on the results of the study of approaches, a comparative analysis of two approaches to solving the problem was carried out, which showed the advantages and disadvantages of using each method depending on the case of their application.
Keywords: voltage regulation, static capacitor bank, reactive power compensation, individual compensation, group compensation, centralized compensation.
