Компенсация реактивной мощности в ферросплавном производстве

 

В ферросплавном производстве металлургических предприятий используется большое количество мощных приемников и преобразователей электрической энергии, имеющих низкий коэффициент мощности. Такими приемниками, потребляющими значительную реактивную мощность, являются: руднотермические печи, трансформаторы, реакторы и т.д. Потоки реактивной мощности в электросетях вызывают увеличение тока в линии, увеличение потерь электроэнергии в сети, увеличение падения напряжения, при этом требуется увеличение мощности трансформаторов, коммутационной аппаратуры, а также увеличение сечения токопроводов. Все это связано с большими дополнительными затратами, поэтому важное значение имеют вопросы компенсации реактивной мощности [24… 26].

Повышение коэффициента мощности электроустановок зависит от снижения потребления реактивной мощности [27]. При снижении потребления реактивной мощности, величина коэффициента мощности увеличивается. Устройства, компенсирующие реактивную мощность, несколько усложняют и удорожают эксплуатацию электрических установок. Кроме того, в них создаются некоторые дополнительные потери активной мощности. Однако, потери активной мощности по всей системе электроснабжения до места установки компенсирующего устройства, как правило, значительно превышают потери в самих компенсирующих установках.

Мероприятия по снижению потребления реактивной мощности можно разделить на две группы [28]:

мероприятия, не требующие специальных компенсирующих устройств;

установка специальных компенсирующих устройств.

В первую из этих групп входят мероприятия организационно-технического характера: полная загрузка двигателей и трансформаторов, замена не догруженных двигателей двигателями меньшей мощности, ограничение холостой работы трансформаторов и двигателей, повышение качества ремонта двигателей и т.д. Ко второй группе относятся мероприятия, связанные с установкой в сетях специальных источников реактивной мощности. В качестве источников реактивной мощности используются статические конденсаторы и синхронные компенсаторы. Функции источников реактивной мощности выполняют также синхронные электродвигатели, используемые в электроприводе металлургических установок и агрегатов. Наибольшим быстродействием отличаются статические компенсирующие устройства, состоящие из плавно регулируемого (с помощью тиристоров) индуктивного элемента и батареи конденсаторов, выполняющей функцию фильтра высших гармоник. На рис. 2.1 представлены некоторые варианты статических компенсирующих устройств.

Конденсаторы - специальные емкости, предназначенные для выработки реактивной мощности. По своему действию они эквивалентны перевозбужденному синхронному компенсатору и могут работать лишь как генераторы реактивной мощности. Мощность конденсаторов в одном элементе составляет 10 - 75 квар. Из этих элементов собирают батареи требуемой мощности. Обычно батареи конденсаторов включают в сеть трехфазного тока по схеме треугольника. При отключении конденсаторов необходимо, чтобы запасенная в них энергия разряжалась автоматически без участия дежурного персонала на активное сопротивление, присоединенное к батарее наглухо (рис. 2.2). Значение его должно быть таким, чтобы при отключении не возникало перенапряжений на зажимах конденсаторов.

Конденсаторы по сравнению с другими источниками реактивной мощности обладают рядом преимуществ:

малые потери активной мощности (0,0025 - 0,005 кВт/квар);

простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей);

простота производства монтажных работ (малый вес, отсутствие фундаментов);

для установки конденсаторов может быть использовано любое сухое помещение.

Среди недостатков конденсаторов следует заметить зависимость генерируемой мощности ими реактивной мощности от напряжения, малый срок службы (8 - 10 лет) и недостаточную прочность (особенно при коротких замыканиях и напряжениях выше номинального), ступенчатость регулирования при выдаче реактивной мощности и невозможность ее изменения, чувствительность к искажениям питающего напряжения.

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные двигатели облегченной конструкции без нагрузки на валу. Они могут работать как в режиме генерирования реактивной мощности, так и в режиме ее потребления. К достоинствам синхронных компенсаторов как источников реактивной мощности относятся: положительный регулирующий эффект, заключающийся в том, что при уменьшении напряжения в сети генерируемая мощность компенсатора увеличивается; возможность плавного и автоматического регулирования генерируемой реактивной мощности, что повышает устойчивость режимов работы системы и улучшает режимные параметры сети; достаточная термическая и электродинамическая стойкость обмоток компенсаторов во время короткого замыкания, возможность восстановления поврежденных синхронных компенсаторов путем проведения ремонтных работ. К недостаткам синхронных компенсаторов относятся удорожание и усложнение эксплуатации (по сравнению, например, с батареями конденсаторов) и значительный шум во время работы. Потери активной мощности в синхронных компенсаторах при их полной загрузке довольно значительны и в зависимости от номинальной мощности находятся в пределах 0,011 - 0,03 кВт/квар.

 

Рис. 2.1. Однолинейные принципиальные схемы статических компенсирующих устройств

 

Рис. 2.2. Схема включения батареи статических конденсаторов

 

Для компенсации реактивной мощности руднотермических печей могут применяться следующие методы: прямой, косвенный и комбинированный [29].

Сущность прямого метода компенсации состоит в том, что изменения реактивной нагрузки непосредственно компенсируется за счет генерации реактивной мощности в параллельно подключенных источниках реактивной мощности - статических или вращающихся компенсаторах. При этом регулируемые статические компенсаторы могут быть в виде: батареи конденсаторов, коммутируемой выключателями; батареи конденсаторов с регулируемыми трансформаторами (рис. 2.3, элемент а); батареи конденсаторов с тиристорными переключателями (рис. 2.3, элемент б).

Устройства первого вида для питания руднотермических печей широкого применения не получили ввиду отсутствия возможности быстрого и плавного регулирования мощности батареи конденсаторов. В устройствах второго вида имеется возможность реагировать на быстрые изменения реактивной мощности руднотермических печей и компенсировать колебания напряжения, возникающие с частотой до 8 Гц, при этом возможно пофазное регулирование. К недостаткам схемы относятся генерирование высших гармоник и большие удельные потери. Основными преимуществами третьего устройства являются: высокое быстродействие, возможность пофазного регулирования, отсутствие переходных процессов, осуществление генерации гармоник, достаточная плавность регулирования, определяемая лишь размером каждой ступени батареи конденсаторов.

Сущность косвенного метода заключается в том, что в зависимости от изменения реактивной нагрузки электропечной установки регулируется потребление реактивной мощности управляемым реактором. Регулирование осуществляется таким образом, что суммарная реактивная мощность, потребляемая из сети электропечью и регулируемым реактором, остается почти неизменной и непосредственно компенсируется параллельно включенной нерегулируемой батареей конденсаторов. Существует несколько схем статических компенсаторов, работающих по косвенному методу компенсации: схема с управляемыми насыщающимся реактором и параллельно включенными батареями конденсаторов; схема с тиристорным переключением реакторов и параллельно включенными батареями конденсаторов; схема с тиристорным управлением током, протекающим через реактор и параллельно включенной батареей конденсаторов.

 

Рис. 2.3. Схема прямой компенсации реактивной мощности руднотермической печи

 

Первая схема служит для улучшения коэффициента мощности и снижения колебаний напряжения в питающих сетях, но обладает рядом недостатков: генерирование в сеть высших гармоник, требующих дополнительных фильтров; невысокое быстродействие; большие потери энергии. Вторая схема имеет высокое быстродействие, недостатком же является ступенчатое регулирование и более высокие потери по сравнению с устройством прямой компенсации. Третья же схема подавляет гармоники, которые возникают в руднотермической печи и в самой компенсирующей установке, имеет высокое быстродействие и возможность плавного регулирования.

Наряду с методами прямой и косвенной компенсации возможен и комбинированный метод компенсации, обеспечивающий высокую степень быстродействия, плавность регулирования и низкие потери энергии. Схема компенсатора, однако, при этом существенно усложняется.

Таким образом, вопросам компенсации реактивной мощности в ферросплавном производстве уделено достаточно много внимания. В качестве компенсирующих устройств могут выступать конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы и синхронные машины, т.е. те же устройства, которые применяются на любом промышленном предприятии, но необходимо предпринимать ряд мер по ликвидации асимметричного по фазам распределении реактивной мощности.