Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения с преобразовательными установками (стр. 5 из 24)

Проблема несинусоидальности – проблема высших гармоник – возникла в последнее время в связи с применением мощных электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой, таких, как электросварка, дуговые сталеплавильные печи, неуправляемые и, особенно, управляемые вентильные преобразователи. В настоящее время проблема высших гармоник является одной из важных частей общей проблемы электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей электрической сетью.

В электрических сетях промышленных предприятий со значительным удельным весом вентильных преобразователей несинусоидальность формы кривой напряжения может значительно превышать нормируемые ГОСТ пределы.

Для тиристорных преобразователей порядок высших гармоник определяется по формуле

n = mk ± 1,

где m – число фаз выпрямления; k – натуральный ряд чисел.

При 6-фазной схеме выпрямления n = 5, 7, 11, 13, 17, 19, 23, 25, и т.д.

При 12-фазной схеме n = 11, 13, 23, 25, 35, 37 и т.д.

При 24-фазной схеме выпрямления n = 23, 25, 47, 49, 71, 73 и т.д.[21].

Токи, потребляемые из питающей сети вентильными преобразователями, имеют обычно искаженную форму, а основная гармоника тока сдвинута по фазе в сторону отставания по отношению к напряжению питания. Это означает, что в питающей сети появляются высшие гармоники тока и, кроме того, из сети потребляется реактивная мощность. Это ведет к возрастанию потерь электроэнергии в питающей сети и к ухудшению качества энергии, подводимой к другим потребителям. В дополнение к этому в мощных устройствах с быстрым изменением угла задержки вентилей (например, в преобразователях, питающих приводные двигатели прокатных станов) возникают большие кратковременные набросы реактивной мощности, неблагоприятно влияющие на других потребителей.

Несинусоидальный ток в сопротивлениях питающей сети создает несинусоидальные падения напряжения так, что даже при синусоидальной ЭДС источника энергии в сети с выпрямительной нагрузкой имеют место несинусоидальные токи и напряжения. Таким образом, нагрузка потребляет из питающей сети искаженный ток, в состав которого входят гармоники, с частотами, превышающими основную частоту. Падения напряжения, обусловленные этими токами, вызывают искажение кривой напряжения питания, что ведет к дополнительным потерям передаваемой мощности, может нарушить работу других приемников, создает опасность возникновения резонанса и перегрузку цепей, содержащих емкости. Поэтому выпрямительную нагрузку можно рассматривать как генератор высших гармонических напряжения. Вышесказанное объясняет необходимость применения устройств, противодействующих искажению тока, потребляемого из питающей сети[5,17].

Высшие гармоники оказывают отрицательное влияние на технологический процесс и режим работы электролизеров и т. п. Наличие пульсирующего напряжения с большим содержанием высших гармоник способствует увеличению обратимых восстановительных процессов в электролите, влияет на подвижность ионов, перенос заряда и, следовательно, приводит к снижению коэффициента полезного действия электролизных установок, ухудшению качества продукции.

При прохождении токов высших гармоник по элементам системы электроснабжения возникают дополнительные потери активной мощности и электроэнергии. Наибольшие дополнительные потери активной мощности имеют место в трансформаторах, двигателях и генераторах. В ряде случаев эти потери могут привести к недопустимому перегреву обмоток электрических машин и во всех случаях приводят к дополнительным потерям электрической энергии.

При наличии гармоник в кривой напряжения процесс старения изоляции протекает более интенсивно, что объясняется ускорением при высоких частотах электрического поля физико-химических процессов в диэлектриках, обусловливающих их старение.

Высшие гармоники тока и напряжения влияют на погрешности электроизмерительных приборов. В практике эксплуатации существенное значение имеет увеличение погрешностей индукционных счетчиков активной и реактивной энергии. В большинстве случаев эти приборы при несинусоидальных напряжениях и токах имеют довольно большую погрешность, которая может достигать 10%. Значения этих погрешностей существенно отражаются при учете потребления электрической энергии.

Наличие высших гармоник затрудняет и в ряде случаев делает невозможным использование силовых цепей в качестве каналов для передачи информации. Высшие гармоники ухудшают работу телемеханических устройств, вызывают сбои в их работе, если силовые цепи используются в качестве каналов связи.

Несинусоидальность формы кривой напряжения отрицательно сказывается и на работе вентильных преобразователей, ухудшая качество выпрямления тока.

На частотах выше 1000 Гц в системах электроснабжения возможны резонансные явления, которые значительно увеличивают действующие значения напряжений гармоник резонансных частот.

Таким образом, наличие высокого уровня гармонических составляющих в системах электроснабжения промышленных предприятий приводит к следующим отрицательным явлениям:

1) появлению дополнительных потерь активной мощности и электроэнергии в элементах сети;

2) снижению коэффициента мощности;

3) ограничению области применения конденсаторных батарей вследствие возможности появления резонансных или близких к ним режимов на частотах высших гармоник;

4) ускорению старения изоляции электрооборудования;

5) появлению высших гармоник тока в сети выпрямленного напряжения;

6) существенному увеличению погрешности счетчиков для учета активной и реактивной энергии, а также измерителей токов и напряжений;

7) вредному действию на коммутацию трехфазных коллекторных двигателей;

8) неправильному действию некоторых видов релейных защит, ухудшению качества, а в некоторых случаях к сбоям в работе систем контроля, автоматики, телемеханики и связи[6].

Ограничение несинусоидальности напряжения с наибольшей эффективностью может быть достигнуто на стадии проектирования электроснабжения промышленных предприятий, но требует дополнительных затрат. Поэтому такое ограничение является технико-экономической проблемой, которую нельзя решать в отрыве от задачи компенсации реактивной мощности. Это объясняется тем, что компенсирующие устройства с емкостными параметрами (например, конденсаторные батареи, фильтры высших гармоник) в сочетании с индуктивным сопротивлением питающей сети могут приводить к резонансу в сети на высокой частоте, и следовательно, к увеличению отдельных гармоник тока и напряжения.

Появление убытка от высших гармоник обусловливает необходимость снижения их уровней в системах электроснабжения. В настоящее время основными мерами по уменьшению влияния высших гармоник напряжения на элементы электроустановок являются:

- рациональное построение схемы электроснабжения;

- применение многофазных схем выпрямления, специальных законов управления преобразователями;

- использование резонансных фильтров.

Увеличение числа фаз выпрямления является действенной мерой снижения уровней высших гармоник. Однако анодные трансформаторы для большого числа фаз выпрямления получаются сложными, дорогими и ненадежными. Поэтому для мощных преобразователей применяют, как правило, не более чем 12-фазный режим выпрямления.

Одним из наиболее перспективных способов уменьшения токов и напряжений высших гармоник в сетях промышленных предприятий является применение силовых фильтров высших гармоник, представляющих собой последовательное соединение индуктивного и емкостного сопротивлений, настроенных в резонанс на фильтруемую гармонику.

На рисунке 5 показана схема поперечного фильтра высших гармоник. Звено фильтра представляет собой контур из последовательно соединенных индуктивности и емкости, настроенных на частоту определенной гармоники. Сопротивление звена фильтра токам высших гармоник:

,

где X_L, X_C – сопротивления соответственно реактора и батареи конденсаторов току промышленной частоты.

С увеличением частоты индуктивное сопротивление реактора увеличивается, а батареи конденсаторов – уменьшается пропорционально номеру гармоники.

Рисунок 5 – Схема включения фильтров 5, 7, 11 и 13-й гармоник[1]

На частоте одной из гармоник индуктивное сопротивление реактора становится равным емкостному сопротивлению батареи конденсаторов, и в цепи звена фильтра возникает резонанс напряжений. При этом сопротивление звена току резонансной частоты равно нулю и оно шунтирует электрическую систему на этой частоте.

Параллельный фильтр представляет собой ряд звеньев, каждое из которых настроено на резонанс для частоты определенной гармоники. На практике обычно применяют фильтры, состоящие из звеньев, настроенных на частоты 5, 7, 11, 13, 23 и 25-й гармоник. Поперечный фильтр является одновременно и источником реактивной мощности и служит средством компенсации реактивных нагрузок. Параметры фильтров подбирают таким образом, чтобы звенья были настроены в резонанс на частоты фильтруемых гармоник, а их емкости позволяли бы генерировать необходимую реактивную мощность на промышленной частоте. В ряде случаев для компенсации реактивной мощности параллельно фильтру включают батарею конденсаторов.

На рисунке 6 показана схема включения фильтров в трехфазную сеть:

Рисунок 6 – Схемы силовых резонансных фильтров высших гармоник:

а – соединение в звезду; б – соединение в треугольник[22]

Основным недостатком фильтров является их высокая стоимость, обусловленная в основном стоимостью батарей конденсаторов. Поэтому применение фильтров целесообразно лишь в тех случаях, когда требуется не только не допустить проникновения в электрическую систему токов некоторых гармоник, но и скомпенсировать реактивную мощность в рассматриваемом пункте системы электроснабжения. Распространение фильтров ограничивает также большая их чувствительность к точности настройки. При неточной настройке звеньев фильтра эффективность его уменьшается и даже может иметь место увеличение гармоник напряжения на шинах подстанции.