Компенсация реактивной мощности

Распределительная сеть – такой же потребитель реактивной мощности, как и другие электроприемники, имеющие активно-индуктивный характер.
Для решения проблем реактивной мощности в распределительных сетях, по мнению авторов предлагаемой статьи, может успешно применяться метод поперечной емкостной компенсации, реализованный с помощью мачтовых конденсаторных батарей.

ПОПЕРЕЧНАЯ ЕМКОСТНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ СЕТЯХ

Алексей Кувшинов, д.т.н., Тольяттинский государственный университет
Александр Хренников, д.т.н., АО «НТЦ ФСК ЕЭС», г. Москва
Владимир Карманов, ген. директор,
Кирилл Замула, главный конструктор,
Евгений Володин, инженер-конструктор, ООО «Энергия Т», г. Тольятти
Игорь Шкуропат, к.т.н., Электрощит Самара, г. Самара
Ильяс Галиев, аспирант, кафедра ИИТ, НИУ МЭИ
Николай Александров, аспирант, кафедра АЭЭС, СамГТУ

В последнее время существенно увеличилось потребление реактивной мощности как электроприемниками промышленных предприятий из-за недостаточного использования компенсирующих устройств, так и коммунально-бытовыми потребителями в результате массового распространения компьютерной техники и других новых типов электроприемников. По некоторым оценкам, общее потребление реактивной мощности приблизилось к 1 квар на 1 кВт активной мощности [1–3]. Негативные последствия передачи таких объемов реактивной мощности от электростанций к узлам потребления общеизвестны – это и дополнительные потери активной мощности, и снижение пропускной способности распределительных сетей, и потери реактивной мощности в трансформаторах, составляющие в среднем 30–40% реактивной мощности нагрузки на шинах 6–10 кВ. В распределительных линиях (РЛ) 35–110 кВ потери составляют 10–20% реактивной составляющей нагрузки на шинах этих линий [4]. Таким образом, суммарные потери реактивной мощности в распределительной сети могут составлять от 40 до 60% общего объема передаваемой реактивной мощности.

Распределительная сеть с точки зрения физики протекающих процессов, связанной с неизбежным образованием магнитных полей вокруг фазных проводов РЛ и обмоток распределительных трансформаторов, является таким же потребителем реактивной мощности, как и все остальные электроприемники, имеющие активно-индуктивный характер. Поэтому термин «потери реактивной мощности» нельзя считать абсолютно корректным, поскольку так называемые потери вполне могут быть скомпенсированы.

Следует добавить, что даже полная компенсация реактивной мощности на шинах (в основном 0,4 кВ) потребителей не обеспечивает компенсацию потерь реактивной мощности в распределительной сети. Данное обстоятельство делает правомерной постановку задачи компенсации реактивной мощности не только электроприемников, подключенных к распределительной сети, но и реактивной мощности, потребляемой собственно РЛ и трансформаторами.

НАТУРАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

Режим передачи натуральной мощности является наиболее благоприятным, поскольку в силу сбалансированности электромагнитного поля линия не потребляет и не генерирует реактивную мощность, а потери активной мощности минимальны [5]. Для линии без потерь величина натуральной мощности определяется простым выражением [4]:

, (1)

где U_НОМ – номинальное напряжение линии; – волновое сопротивление линии без потерь; x₀, b₀ – погонное индуктивное сопротивление и погонная емкостная проводимость линии соответственно, величину которых можно оценить с помощью эмпирических выражений [6, 7]:

, (2)

где – среднегеометрическое расстояние между фазными проводами;

D₁₂, D₁₃, D₂₃ – расстояние между проводами первой, второй и третьей фаз;

– фактический радиус многопроволочных проводов;

F – суммарное сечение токоведущей и стальной частей фазного провода.

Выражения (2) и (3) позволяют определить величину волнового сопротивления по известным геометрическим размерам линии:

. (4)

Для магистральных линий электропередачи с номинальным напряжением 220 кВ и выше натуральная мощность превышает значения, определяемые экономической плотностью тока [5, 6]. Поэтому при номинальных нагрузках возможна работа магистральных линий в режимах, близких к натуральному.

В распределительных сетях с номинальным напряжением 6–110 кВ согласование передаваемой мощности с натуральной мощностью линии не считается необходимым. Поэтому мощность магнитного поля РЛ многократно превышает мощность электрического поля. В результате РЛ являются такими же потребителями реактивной мощности, как и большинство электроприемников.

Анализируя выражения (1) и (4), можно отметить, что наиболее рациональным путем повышения натуральной мощности может служить искусственное изменение погонных параметров (x₀, b₀), которое приведет к уменьшению волнового сопротивления.

СОСТАВЛЯЮЩИЕ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ СЕТИ

Погонная мощность магнитного Q_M и электрического Q_ЭЛ полей трехфазной линии определяется выражениями [5]:

где J – плотность тока в фазном проводе линии.

Распределительные линии 6, 10, 20 и 35 кВ работают, как правило, в радиальных схемах. Обычное сечение фазных проводов линий 6–20 кВ составляет 35, 50 и 70 мм, а линий 35 кВ – 95 мм². Распределительные линии 110 кВ работают как в кольцевых, так и в радиальных сетях, а среднее сечение фазных проводов составляет 150 и 240 мм² [8].

Следует отметить два характерных значения плотности тока в фазных проводах РЛ:

• допустимая по нагреву плотность тока J_(t), величина которой обычно не превышает 5 А/мм²;
• экономическая плотность тока J_(Э), при которой обеспечивается минимум приведенных затрат на содержание и эксплуатацию линии. Величина J_(Э) зависит от района расположения линии и количества часов использования максимума нагрузки. Для предварительных оценок можно использовать среднее значение J_(Э) = 1 А/мм [4].

В табл. 1 представлены численные значения погонной мощности магнитного Q_M(э), Q_M(t) и электрического Q_ЭЛ полей РЛ 6–110 кВ, а также значения результирующей погонной мощности:

и суммарной реактивной мощности всех распределительных линий:

для режимов работы с экономической J_(э) и допустимой по нагреву J_(t) плотностью тока в фазных проводах (здесь l_Σ – суммарная протяженность РЛ одного класса напряжения).

Сравнивая значения погонной мощности магнитного и электрического полей, можно отметить, что работа в режиме передачи натуральной мощности и даже генерации реактивной мощности (знак «–» в табл. 1) возможна только в РЛ с номинальным напряжением 110 кВ при плотности тока в фазных проводах близкой к экономическому значению. При плотности тока, превышающей экономическое значение, работа всех РЛ сопровождается значительным потреблением реактивной мощности.

Следует обратить внимание, что при допустимой по нагреву плотности тока в фазных проводах суммарная реактивная мощность, потребляемая наиболее массовыми распределительными линиями 6, 10 кВ, в ≈ 1,61 раза превышает реактивную мощность, потребляемую всеми распределительными линиями 20, 35 и 110 кВ вместе взятыми.

Таблица 1. Составляющие мощности магнитного и электрического полей распределительных линий 6–110 кВ

РЕЖИМЫ ПЕРЕДАЧИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ПО РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОЙ ЛИНИИ

Возможность компенсации потерь реактивной мощности рассматривается на примере типового фрагмента распределительной сети радиальной конфигурации (рис. 1).

Рис. 1. Фрагмент распределительной сети радиальной конфигурации

От шин центра питания (ЦП) с напряжением₁ потребляется полная мощность:

₁ = P₁ + jQ₁ = (P_H + ΔP) + jQ₁ .

Потребителям Н через распределительную линию РЛ и распределительный трансформатор Т отдается полная мощность:

_Н = P_Н + jQ_Н .

Разность активных мощностей P₁ (потребляемой от ЦП) и P_Н (отдаваемой потребителям) определяется суммой потерь активной мощности в распределительной линии ΔP_Л и потерь короткого замыкания ΔP_К распределительного трансформатора Т:

Баланс реактивных мощностей в рассматриваемой сети отражает уравнение:

где Q_Х – намагничивающая мощность распределительного трансформатора Т; Q_КУ – мощность компенсирующего устройства (конденсаторной батареи) на шинах потребителей.

На рис. 2 представлены диаграммы передачи активной (а) и реактивной (б – е) составляющих полной мощности через распределительную сеть при различных вариантах компенсации реактивной мощности. Режим передачи активной мощности через РЛ практически не зависит от режимов компенсации реактивной мощности. Активная мощность P₁, потребляемая от ЦП, за исключением потерь ΔP в РЛ и в распределительном трансформаторе, передается потребителям Н (рис. 2а). При постоянной величине энергопотребления (P_Н = const) от режима компенсации реактивной мощнос- ти будет зависеть только уровень потерь активной мощности ΔP, изменение которых будет компенсироваться соответствующим изменением активной мощности P₁, потребляемой от ЦП.

Рис. 2. Диаграммы передачи составляющих полной мощности через распределительную линию:
а) активной мощности;
б) реактивной мощности без компенсации РМ нагрузки;
в) реактивной мощности с полной компенсацией РМ нагрузки;
г) натуральный режим ЛЭП без компенсации РМ нагрузки;
д) натуральный режим ЛЭП с компенсацией РМ нагрузки;
е) режим генерации РМ распределительной линией

При отсутствии компенсации реактивной мощности от ЦП потребляется реактивная мощность Q₁, часть которой Q_Н передается потребителям Н, а другая часть (Q_М + Q_Х – Q_ЭЛ) расходуется на создание магнитного поля (т. е. потребляется) РЛ и Т (рис. 2б).

При полной компенсации реактивной мощности потребителей, т. е. при Q_Н = Q_КУ, от ЦП потребляется реактивная мощность Q₁ = (Q_М + Q_Х – Q_ЭЛ), которая расходуется только на создание магнитного поля РЛ и распределительного трансформатора Т (рис. 2в).

При работе в натуральном режиме РЛ сбалансирована по реактивной мощности, то есть Q_М = Q_ЭЛ. В этом режиме от ЦП потребляется только реактивная мощность нагрузки Н и намагничивающая мощность распределительного трансформатора Т, то есть Q₁ = (Q_Н + Q_Х) (рис. 2г).

При работе РЛ в натуральном режиме (Q_М = Q_ЭЛ) и полной компенсации реактивной мощности нагрузки (Q_Н = Q_КУ) от ЦП потребляется реактивная мощность Q₁ = Q_Х, равная намагничивающей мощности распределительного трансформатора Т (рис. 2д).

Наконец, путем искусственного увеличения емкостной проводимости РЛ возможно соответственно увеличить мощность электрического поля до уровня, достаточного и для создания натурального режима, и для компенсации реактивной мощности нагрузки, то есть Q_ЭЛ = Q_М + Q_Н + Q_Х (рис. 2е). В этом случае реактивная мощность от ЦП не потребляется (Q₁ = 0), а РЛ выполняет одновременно и функции компенсирующего устройства.

Таким образом, создание натурального режима работы РЛ является обязательным условием снижения потребляемой от ЦП полной мощности до уровня только активной составляющей, которое будет сопровождаться также снижением потерь активной мощности. Однако для этого потребуется искусственно увеличить натуральную мощность РЛ либо до значения:

P_НАТ = P_(э) = · U_НОМ · (F · J_(э)) , (7)

либо до значения:

P_НАТ = P_(t) = · U_НОМ · (F · J_(t)) , (8)

где P_(э) – пропускная способность РЛ, ограниченная экономической плотностью тока; P_(t) – пропускная способность РЛ, ограниченная допустимой по нагреву плотностью тока.

ПОПЕРЕЧНАЯ ЕМКОСТНАЯ КОМПЕНСАЦИЯ

Выполнить условия (7) и (8) можно путем поперечной емкостной компенсации, увеличивающей емкостную проводимость РЛ, что, как следует из (1), (3) и (4), приведет к уменьшению волнового сопротивления и увеличению натуральной мощности линии.

Идеальной может быть непрерывная равномерная компенсация погонной емкостной проводимости за счет увеличения рабочей емкости фазных проводов РЛ. Как видно из выражения (3), для увеличения емкостной проводимости необходимо одновременно уменьшать расстояние между фазными проводами (D_CP) и увеличивать фактический радиус (r_ПР) фазного провода (например, за счет расщепления фазных проводов).

Однако радикально уменьшить D_CP невозможно по условиям электрической прочности воздушных промежутков, а расщепление фазных проводов – дорогостоящее мероприятие, которое вряд ли экономически оправдано для сравнительно коротких линий 6–110 кВ.

Кроме того, отношение D_CP / r_ПР в выражениях (3) и (4) находится под символом математической операции логарифма. Поэтому изменение геометрических размеров РЛ и фазных проводов даст весьма ограниченный технический эффект увеличения погонной емкостной проводимости и уменьшения волнового сопротивления [9–10].

Гораздо более эффективной и рациональной является поперечная емкостная компенсация, выполняемая с помощью сосредоточенных конденсаторов, равномерно распределенных вдоль линии. Для этого линия разделяется в общем случае на n одинаковых участков, к каждому из которых подключается конденсатор. В результате натуральную мощность распределительной линии можно увеличить до значений (7) и (8) без реконструкции, связанной с заменой проводов, изоляторов и опор [8].

МАЧТОВЫЕ КОНДЕНСАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ

Практически реализовать поперечную емкостную компенсацию можно с помощью конденсаторных батарей мачтовых (КБМ). Эти установки могут использоваться и для увеличения натуральной мощности воздушных линий, и для местного регулирования напряжения в узлах нагрузки распределительной сети.

КБМ должны распределяться равномерно вдоль воздушной линии и обладать сравнительно небольшой мощностью (до 200 квар). Конденсаторы таких КБМ должны соединяться по схеме Y, коммутироваться однофазными/трехфазными вакуумными выключателями и снабжаться средствами защиты от перенапряжений (рис. 3).

Рис. 3. Структурная схема одноступенчатой КБМ с вакуумным выключателем

Однофазные вакуумные выключатели позволяют симметрировать напряжение линии, у которой погонные параметры проводов различных фаз неодинаковы, что служит источником несимметрии. Однако если такая задача не ставится, то можно использовать трехфазные вакуумные выключатели, хотя это может оказаться менее удобным в эксплуатации.
Команды на включение/отключение вакуумных выключателей формируются контроллером КБМ, который с помощью измерительного трансформатора контролирует линейное напряжение. Контроллер КБМ позволяет при необходимости объединять отдельные одноступенчатые КБМ, выполненные по схеме на рис. 3, в многоступенчатую КБМ и изменять натуральную мощность линии в зависимости от нагрузки, которая контролируется датчиками линейного тока и тока конденсаторов.

ВЫВОД

Поперечная емкостная компенсация позволяет обеспечить работу распределительной линии как в натуральном режиме, так и в режиме генерации реактивной мощности.

Вв втором случае компенсированная распределительная линия осуществляет не только компенсацию реактивной мощности собственно в линии и в распределительном трансформаторе, но и компенсацию реактивной мощности нагрузки.

ЛИТЕРАТУРА

1. Паули В.К. Реактивная мощность – состояние, проблемы, задачи // Новое в российской энергетике. 2006. № 1.
2. Коверникова Л.И., Тульский В.Н., Шамонов Р. Г. Качество электроэнергии в ЕЭС России. Текущие проблемы и необходимые решения // Электроэнергия. Передача и распределение. 2016. № 2(35). С. 28–38.
3. Силаев М.А., Тульский В.Н., Шамонов Р.Г. Влияние режимов работы энергосистем на несинусоидальность и несимметрию напряжений в магистральных электрических сетях // Энергетика России в XXI веке. Инновационное развитие и управление: сб.статей всероссийской конференции. Иркутск: ИСЭМ СО РАН, 2015. С. 189–194.
4. Электротехнический справочник. В 4 т. Т.3. Производство, передача и распределение электрической энергии/ Под общ. ред. профессоров МЭИ В.Г. Герасимова и др. (гл. ред. А.И. Попов). 9-е изд., стер. М.: Издательство МЭИ, 2004. 964 с.
5. Александров Г.Н. Пути снижения потерь электроэнергии в линиях электропередачи // Электротехника. 1992. № 8–9. С.22–24.
6. Александров Г.Н. Передача электрической энергии переменным током. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд., 1990. 176 с.
7. Герасименко А. А., Федин В.Т. Передача и распределение электрической энергии. 2-е изд. Ростов-на-Дону: Феникс, 2008. 715 с.
8. Железко Ю.С. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии: Руководство для практических расчетов. М.: ЭНАС, 2009. 456 с.
9. Мэнсон Д. Решение проблемы качества электроэнергии – дешевле, чем терпеть от нее убытки // Энергоэксперт. 2008. № 4. С. 49–52.
10. Khrennikov A.Yu. Diagnostics of Electrical Equipment Faults and Power Overhead Transmission Line Condition by Monitoring Systems (Smart Grid): Short-Circuit Testing of Power Transformers. New York: Nova Science Publishers, 2016. 165 p.