Продольно-емкостная компенсация

Кроме компенсации реактивной мощности, которую иногда называют «поперечной компенсацией», в электрических сетях применяют также компенсацию реактивного сопротивления ЛЭП с помощью последовательного включения конденсаторов, которую чаще называют «продольной компенсацией».

Продольно-емкостная компенсация (ПЕК) применяется в дальних электропередачах для увеличения пропускной способности ЛЭП и в распределительных сетях среднего и низкого напряжения для снижения потерь напряжения.

а). Использование ПЕК для увеличения пропускной способности ЛЭП.

Известно, что в ЛЭП 110 кВ и выше преобладающим является реактивное сопротивление. Векторная диаграмма напряжений такой ЛЭП изображена на рис.1.

Рис.1. Векторная диаграмма ЛЭП с Х >> R.

На векторной диаграмме отрезок: ab = U₁SinӨ = √3 I X Cos φ.

Умножим последнее равенство слева и справа на U₂ и получим

U₂ U₁ SinӨ = √3 X I U₂ Cos φ или U₂ U₁ SinӨ = P X, откуда

Максимальная пропускная способность: имеет место при минимальном Х.

б). Использование ПЕК для снижения потери напряжения в ЛЭП.

Напряжение у потребителя зависит от величины потерь напряжения в сети, которая, в свою очередь, зависит от сопротивления сети. Например, фазная потеря напряжения (продольная составляющая падения напряжения) в линии (рис.2):

(2)

где: I – ток линии; r, х – ее активное и реактивное сопротивления.

В низковольтных распределительных сетях часто активное сопротивление больше реактивного: r > х. Поэтому там в ΔU₁₂ основную роль играет первое слагаемое: I*r*Cos φ₂.

Рис.2. Схема электропередачи.

В питающих сетях, наоборот, х > г, поэтому ΔU₁₂ в значительной степени определяется реактивной мощностью (РМ) и реак­тивным сопротивлением линий, которое мало зависит от сечения. Снижение потерь напряжения достигается:

а) изменением передаваемой по сети РМ (поперечная компенсация),

б) изменением реактивного сопротивления сети - продольно-емкостная компенсация [2 - 4].

Потеря напряжения в ли­нии определяется выражением (2). Предположим, что она велика и напряжение в конце линии ниже допустимого: U2 = U1 – ΔU12 < U2доп (3)

Чтобы снизить реактивное сопротивление линии и повысить напряжение U₂ до допустимого U_2доп, необходимо включить в нее последовательно конденсаторную батарею (УПК - установку продольной компенсации, рис.3).

Тогда выражение (3) перепишется:

(4)

где X_к — сопротивление УПК.

Векторная диаграмма фазных напряжений до и после компенсации представ­лена на рис. 4.

Рис. 3. Электропередача с УПК.

Рис. 4. Векторные диаграммы.

Из векторной диаграммы (для одной фазы ЛЭП) следует:

U ₂ = U ₁ – I ∙(R + jX)– без УПК,

U ₂¹= U ₁ – I ∙(R + jX) - I ∙(- jX_к) – после включения УПК,

где I – ток в линии.

Величину - I ∙X_кможно рассматривать как отрица­тельное падение напряжения или как дополнительную ЭДС, вводимую в цепь.

Методы расчета Х_К.

Метод 1. При известных U₁ и U₂доп можно определить допустимую потерю напряжения ΔUдоп и необходимое для этого сопротивление УПК X_К:

ΔUдоп = U₁ - U₂доп,

ΔUдоп= I ∙ (R ∙ cosφ₂ + (X - X_к ) ∙ sinφ₂), (5)

I·X_к ·Sinφ₂ = I·X ·Sinφ₂ + I ∙ R ∙ cosφ₂ – ΔUдоп,

X_к ·Sinφ₂ = X ·Sinφ₂ –(ΔUдоп / I – R ∙ cosφ₂),

откуда:; (6)

Метод 2. Также расчет мощности Q_К и сопротивления УПК Х_кможно сделать, зная напряжения по обе стороны УПК: на входе - U₁ и на выходе - U₂ , Cosφ₂, Sinφ₂ и активную мощность Р, проходящую через УПК (рис.5).

Рис. 5. Параметры на входе и выходе УПК.

Параметры на входе УПК: P, I, U₁, Q₁, Cosφ_1.

Параметры на выходе УПК: P, I, U₂, Q₂, Cosφ₂ (активная мощность и ток, проходя через УПК, остаются неизменными).

Реактивная мощность на выходе: Q₂ = Q₁ + Q_К=P * tg φ₁ + Q_К,

откуда мощность УПК: Q_К = Q₂ - P * tg φ₁ = P * (tg φ₂ - tg φ₁). (7)

Неизменная активная мощность:

P = U₁ * I * Cosφ₁ = U₂ * I * Cosφ₂, откуда:

;

;

. Выражения для tg φ₁ и tg φ₂ подставим в (7):

, где (8) U₁ – напряжение на входе УПК,

U₂ – желаемое напряжение на выходе УПК.

Мощность конденсатора в одной фазе: Q_К = I² * Х_К, вар,

Сопротивление конденсатора: Х_К = Q_К / I², Ом,

Емкость конденсатора: С = 1 / ωХ_С, Фарад.

Напряжение на зажимах батареи: U = I X_К, В.

Максимальное повышение напряжения на зажимах конденсаторов УПК, которое может привести к пробою их изоляции, происходит при КЗ на ЛЭП.

На практике применяют лишь частичную компенсацию реактивного сопротивления линии. Полная или избыточная компенсацияв распределительных сетях, непосредственно питающих нагрузку, обычно не при­меняется, так как это связано с возможностью появления в сети перенапряжений.

Применение УПК позволяет улучшить режимы напряжения в сетях. Однако следует учитывать, что эффект повышения напряжения, зависит не только от величины, но и от фазы тока, проходящего через УПК.

Например, при чисто активной нагрузке (Cosφ₂=1, Sinφ₂=0) формула (2) перепишется:то есть снижение потери напряжения с помощью компенсации индуктивного сопротивления становится невозможным.

Наиболее эффективно применение УПК для снижения потерь напряжения в перегруженных радиальных линиях с большим Х (воздушные ЛЭП) и низким Cosφ.

Пример схемы включения батареи ПЕК 6 – 10 кВ приведен на рис.6:

QS1 – QS3 – разъединители или выключатели нагрузки;

С – конденсаторы ПЕК;

F – разрядник для защиты изоляции конденсаторов от опасного повышения напряжения при протекании тока КЗ;

R – ограничительное сопротивление;

Рис.6. Схема УПК.

ТН – трансформатор напряжения для измерения напряжения на конденсаторах и для их разряда после отключения.

По сравнению с поперечной, устройства продольной компенсации, используемые для регулирования напряжения, имеют как преимущества, так и недостатки:

Преимущества:

- Для достижения одинакового эффекта снижения потери напряжения требуется в несколько раз меньшая мощность КБ;

- При изменении нагрузки вырабатываемая в КБ мощность меняется мгновенно, что позволяет использовать ПЕК для снижения колебаний напряжения при питании резкопеременной нагрузки.

Недостатки:

-Увеличение тока КЗ в ЛЭП, обусловленное снижением ее сопротивления;

-Опасность пробоя изоляции конденсаторов при КЗ в линии;

- Низкая эффективность ПЕК при высоком Cos φ потребителя.

4.11. Линейные регуляторы ЛР (вольтодобавочные трансформаторы, последовательные регулировочные трансформаторы).

Предназначены для регулирования напряжения на отдельных ЛЭП или на шинах ЦП. Принцип действия ЛР основан на получении дополнительной ЭДС, складываемой с вектором напряжения сети.

Конструктивно вольтодобавочный трансформатор (ВДТ) состоит из двух трансформаторов:

- последовательный трансформатор;

- регулировочный (питающий) трансформатор.

В зависимости от способа подключения питающего трансформатора различают:

- Продольное регулирование – включение обмоток питающего трансформатора на одноимённые фазные напряжения; коэффициент трансформации– действительная величина.

- Поперечное регулирование – включение обмоток питающего трансформатора на линейное напряжение двух других фаз; коэффициент трансформации – комплексная величина.

- Продольно – поперечное регулирование – включение обмоток питающего трансформатора на линейное напряжение своей и соседней фазы.

Рис.7. Продольный ВДТ.

У продольного ВДТ первичная обмотка питающего трансформатора включена на фазное напряжение (например, С), в рассечку той же фазы включена и вторичная обмотка последовательного трансформатора (рис.7). Угол сдвига ЭДС ΔЕ, наводимой во вторичной обмотке последовательного трансформатора может принимать значения 0 или 180 градусов, в зависимости от положения (слева или справа от средней точки) переключателя отпаек питающего трансформатора. Напряжение на выходе ВДТ может быть выше (угол = 0, ΔЕ > 0) или ниже (угол = 180°, ΔЕ < 0) входного напряжения.

У поперечного ВДТ первичная обмотка питающего трансформатора включена на линейное напряжение (например, АВ, рис.8). Вторичная обмотка последовательного трансформатора включена в рассечку третьей фазы (в данном случае это фаза С).

Рис.8. Поперечный ВДТ.

Величина ЭДС ΔЕ и ее угол сдвига (90° или 270°) зависят от положения переключателя отпаек питающего трансформатора.

ВДТ характеризуются двумя номинальными мощностями:

- Проходная номинальная мощность – мощность проходящая через вторичные обмотки последовательного трансформатора: S_НП = 3·U_ФН·I_Н.

- Габаритная номинальная мощность – мощность, передаваемая через питающий трансформатор к последовательному трансформатору:

S_НГ = 3·ΔЕ_МАКС·I_Н. Обычно ΔЕ_МАКС = 0,15·U_ФН (диапазон регулирования напряжения ±15%), поэтому S_НГ =0,15·S_НП.