973701

1.

Лыкин Анатолий Владимирович
Электроэнергетические
системы и сети
Часть 4
ПОТРЕБИТЕЛИ
РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

2.

Потребителями реактивной мощности в ЭЭС
являются все без исключения электроприемники
переменного тока.
10%
20%
70%
Асинхронные дв игатели
Потери в трансформаторах
Другие электроприемники
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
2

3.

Значительные потери реактивной мощности
имеются в ЛЭП, однако зарядная мощность
линий частично компенсирует эти потери, а
иногда, при недогрузке линий, ЛЭП становятся
источниками реактивной мощности.
Так в среднем на 100 км
в ЛЭП 110 кВ генерируется 3,5 Мвар,
для ЛЭП 220 кВ – 14 Мвар,
для ЛЭП 500 кВ – 90 Мвар.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
3

4.

Величину потребляемой реактивной мощности
электроприемников можно оценить с помощью
коэффициента мощности cos :
Q = S 1 − (cos ) 2 ,
1
Q=P
− 1.
2
(cos )
Часто используют коэффициент реактивной
мощности tg :
Q = Ptg
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
4

5.

Реактивная мощность нагрузок ЭЭС
складывается из отдельных мощностей
электроприемников:
Qн = Qнi = Pнi tg i
i
i
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
5

6.

Коэффициенты мощности и реактивной мощности
некоторых электроприемников
Электроприемники
1. Насосы производственного водоснабжения
2. Вентиляторы, воздуходувки, дымососы
3. Транспортеры
4. Металлорежущие станки
5. Печи сопротивления
6. Дуговые печи
7. Нагревательные приборы
8. Лампы накаливания
9. Сварочные трансформаторы
10. Индукционные печи
11. Газоразрядные лампы
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
cos
0,8…0,85
0,7…0,9
0,4…0,85
0,4…0,5
0,95…0,98
0,8…0,9
1
1
0,3…0,5
0,35
0,35 и 0,5
tg
0,75…0,62
1,02…0,48
2,29…0,62
2,29…1,73
0,33…0,2
0,75…0,48
0
0
3,18…1,73
2,68
2,68 и 1,73
6

7.

Влияние напряжения на величину
потребляемой реактивной мощности оценивают
по статическим характеристикам реактивной
мощности по напряжению.
Так, например, регулирующий эффект
реактивной нагрузки асинхронных двигателей
по напряжению составляет 1,5…3,5,
что означает изменение потребляемой
реактивной мощности на 1,5…3,5 % при
изменении напряжения на 1%.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
7

8.

Генерируемая реактивная мощность
складывается из:
реактивной мощности, вырабатываемой на
электростанциях (60 % всей реактивной
мощности) и
реактивной мощности компенсирующих
устройств, размещенных в электрической сети и
у потребителей (20 %).
20 % генерируемой реактивной мощности
приходится на ЛЭП.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
8

9.

При проектировании электрической сети
должен проверяться баланс реактивной
мощности для всех характерных режимов:
максимальных реактивных нагрузок;
максимальных активных нагрузок;
наименьших активных нагрузок;
послеаварийные и ремонтные.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
9

10. 3.6. ВЫРАБОТКА РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

Главным источником реактивной
мощности в ЭЭС являются генераторы
электростанций.
Изменение выдаваемой реактивной
мощности генератора достигается за
счет изменения синхронной ЭДС
генератора Eq
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
10

11. В номинальном режиме

Мощности номинальные: Sг ном = Pг ном + jQг ном;
Коэффициент мощности: cosφном;
Напряжение номинальное: Uном;
Ток возбуждения Iв ном.
При снижении вырабатываемой активной мощности
генератора возможно увеличение генерируемой
реактивной мощности сверх номинальной.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
11

12.

Вводится понятие располагаемой реактивной
мощности генератора:
Величина располагаемой реактивной
мощности может быть как в режиме выдачи
мощности – в режиме перевозбуждения Г,
так и в режиме потребления генератором
реактивной мощности – режиме
недовозбуждения.
Рассмотрим векторную диаграмму токов и
напряжений синхронного генератора.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
12

13.

Eг
xd
Iг
Uг
Pг + jQг
Eг ном
U
I'г ном
0
Uг ном
0'
Iг ном
jI"г ном
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
13

14.

В соответствие с диаграммой будем иметь:
активная мощность:
Pг ном = 3U г ном I г ном cos = 3U г ном I ' г ном
реактивная мощность:
Qг ном = 3U г ном I г ном sin = 3U г ном I "г ном
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
14

15.

Увеличим угол до значения 1, не меняя при
этом величину вектора тока Iг ном. Новое
положение вектора тока обозначим Iг1. При этом:
Pг1 = 3U г ном I ' г1
Pг1 Pг ном
Qг1 = 3U г ном I "г1
Qг1 Qг ном
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
15

16.

Eq
xd
Iг
Uг
Pг + jQг
A
а
Eг ном
U
I' г ном
B
C
Eг2
Eг1
U1
I' г1 = I' г2
U2
0
jI " г ном
0'
U г ном
I г ном
I г2
jI " г2
I г1
jI " г1
б
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
16

17.

Q+г
Рассмотренные
ограничения на
располагаемую
реактивную мощность
синхронного
генератора хорошо
иллюстрируются на
диаграмме мощностей
синхронной машины,
которая строится в
координатах Pг и Qг,
Qг1
B
Q+гх
Qг2
ОП
C
Qг ном
A
Sг max
D
0
Pг1 = Pг2
Pг ном
P
Pг max = Pт
Q− гх
ОМВ
Q− г
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
17

18. 3.7. КОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Реактивная мощность может
вырабатываться не только на
электростанциях, но и в других точках
ЭЭС.
Для этого используются специальные
устройства, которые называются
компенсирующими устройствами (КУ).
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
18

19.

Размещение КУ вблизи
электроприемников очень удобно для
ЭЭС.
В этом случае требуемая потребителям
реактивная мощность не передается по
сети, а вырабатывается в тех ее точках,
где непосредственно имеется дефицит
реактивной мощности.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
19

20. Установка КУ удовлетворяет трем непротиворечивым целям:

обеспечение баланса реактивной
мощности,
снижение потерь в электрической
сети,
регулирование напряжения.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
20

21. Существует несколько видов КУ:

батареи конденсаторов,
синхронные компенсаторы,
синхронные двигатели,
реакторы,
статические тиристорные компенсаторы
и некоторые другие.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
21

22. Батареи конденсаторов (БК).

A
1
N
2
1
B
C
C
C
2
C
б
A
B
C
M
C
а
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
C
C
в
22

23.

В трехфазной сети фазы БК соединяют в звезду,
и треугольник. При соединении в звезду
мощность БК равна:
2
2
QБК = 3U ф C = U C
а в треугольник
2
QБК = 3U C
Регулирование выдаваемой мощности БК
возможно путем включения и отключения части
параллельных ветвей
конденсаторной батареи. 23
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011

24.

Располагаемая мощность БК меньше
установленной, так как рабочее напряжение на
отдельных конденсаторах меньше их
номинального напряжения.
Шунтовые конденсаторные батареи 6 - 110 кВ с конденсаторами
КС2-1,05-60*
Uном,
кВ
Sуст,
Мвар
Sраспол,
Мвар
Расчетная
стоимость,
тыс. руб.
**)
Количество
параллельных ветвей
Количество
последовательно
включенных
конденсаторов в ветви
Общее
число
конденсаторов
6
2,9
2,4
16
4
4
48
10
5,0
3,8
30
4
7
84
35
17,3
13,5
100
4
24
288
110
52,0
44,5
290
4
72
864
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
24

25.

Недостатки БК:
БК обладают отрицательным регулирующим
эффектом, т. е. при понижении напряжения в
сети они снижают выдаваемую реактивную
мощность, что приводит к еще большему
снижению напряжения.
ступенчатость регулирования мощности
сильная зависимость выдаваемой мощности от
напряжения сети.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
25

26.

Преимущества БК:
Низкая относительная стоимость и небольшие
эксплуатационные расходы
Маленькие потери по сравнению с другими КУ
Большая свобода при выборе мест установки БК
Установленная мощность БК может изменяться в
диапазоне от самых мелких установок 25…50
квар в городских и сельских сетях 380 В до
крупных батарей.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
26

27. Синхронные компенсаторы (СК)

СК представляет из себя синхронный
двигатель, работающий на холостом
ходу
Ротор СК изготовляется облегченным
по сравнению с генератором или
двигателем.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
27

28. Схема замещения СК

Eq
Схема замещения СК
xd
E q = U СК + U СК = U СК + 3 I СК jx d
I СК =
QСК =
Eq − U СК
3 jxd
=−j
Eq − U СК
*
3U СК I СК = jU СК
xd
jQСК
а
Eq
Eq − U СК
3xd
IСК
UСК
IСК
UСК
UСК
б
IСК
UСК
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
UСК
Eq
в
28

29.

Располагаемая реактивная мощность СК в
режиме перевозбуждения Q+СК соответствует
номинальному току возбуждения и равна
номинальной мощности синхронной машины
SСКном.
В режиме недовозбуждения СК потребляет
реактивную мощность (забирает ее из сети).
Величина располагаемой реактивной мощности
СК в режиме недовозбуждения Q–СК
ограничивается минимальным током
возбуждения и для СК составляет 50 %, а для
некоторых даже 30 %, от номинальной
мощности машины. © Лыкин А.В. НГТУ, 2011
29

30.

Достоинствами СК являются:
• плавное регулирование реактивной мощности,
• возможность увеличения выдаваемой
реактивной мощности при понижении
напряжения, что соответствует положительному
регулирующему эффекту такой нагрузки, а также
• возможность как выдачи, так и потребления
реактивной мощности, т. е. широкий диапазон
регулирования.
К недостаткам СК следует отнести их высокую
стоимость и эксплуатационные расходы, а также
повышенные по отношению к другим КУ потери
мощности.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
30

31. Синхронные двигатели (СД)

СД, установленные у потребителей,
могут быть использованы как источники
реактивной мощности.
Располагаемая реактивная мощность
СД может быть больше номинальной
реактивной мощности, если
коэффициент загрузки двигателей
меньше единицы.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
31

32.

+
Q расп = Qном
- средняя относительная величина
располагаемой реактивной мощности СД,
который зависит от загрузки двигателя
активной мощностью и напряжения на его
зажимах = f( ,U), а также от типа СД и по
данным находится в пределах от 0,8 до 1,45.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
32

33.

В режиме недовозбуждения СД могут
потреблять не более 30 % от номинальной
реактивной мощности двигателя.
Хотя СД дороже асинхронных двигателей, они
все же выгоднее асинхронных двигателей,
применяемых совместно с КУ.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
33

34. Шунтирующие реакторы (ШР)

ШР – представляет из себя катушку
индуктивности, рассчитанную на высокое
напряжение, и в противоположность БК
потребляют реактивную мощность из сети
ШР предназначены для компенсации
зарядной мощности ЛЭП высокого и
сверхвысокого напряжения. Мощность,
потребляемая реактором, зависит от
напряжения
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
34

35.

1
QШР = U
L
2
ШР, также как и все другие КУ,
предназначенные для компенсации
реактивной мощности, являются поперечными
элементами сети.
Р
xр
Р1
а
б
в
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
Р2
35

36.

© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
36

37. Статические тиристорные компенсаторы (СТК)

СТК представляет из себя трехфазный
выпрямительный блок, нагрузкой которого
является реактор.
Энергия магнитного поля реактора
используется для генерирования реактивной
мощности путем направления запасенной в
реакторе энергии в ту фазу и те моменты
времени, когда ток в этой фазе опережает
напряжение.
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
37

38.

Схемы СТК весьма разнообразны. На рис.
показана одна схема СТК для включения в сеть
высокого напряжения.
БК
Мощность таких
устройств
составляет 25, 50
или 80 Мвар на
напряжении 10 или
20 кВ
ТРГ
Р1
С
Система
управления
ТК
Р2
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
38

39. 4.2. РЕГУЛИРОВАНИЕ НАПРЯЖЕНИЯ НА ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯХ

Рабочее напряжение на генераторах может
изменяться в пределах от 0,95Uг ном до
1,05Uг ном. (например, от 10.0 до 11,0 кВ).
Регулирование напряжения на шинах
электрической станции производится
автоматически с помощью
быстродействующего автоматического
регулятора возбуждения (АРВ)
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
39

40. Устройства регулирования напряжения могут выполняться как:

индивидуальные АРВ генераторов;
группового регулирования напряжения
(ГРН), а также
блоки ограничения перегрузки ротора –
ОП;
ограничения минимального
возбуждения – ОМВ
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
40

41.

Uc
ГРН
ОП и
ОМВ
АРВ
Iв
Uг,Iг
Блок 1
Генератор
ЭЭС
Блок 2
Схема автоматического регулирования
напряжения на электростанции
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
41

42.

АРВ является первичным регулятором
напряжения и аналогично АРС турбин при
регулировании частоты имеет статизм
Для дополнительной корректировки
напряжения на шинах станции используется
вторичное регулирование напряжения с
помощью устройства ГРН
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
42

43.

Q
Qп + Q
Q2
b
Q1
Q0
c
Qп
d
Q
a
1
2
3
4
U2
U1 U0
U
Первичное и вторичное регулирование
© Лыкин А.В. НГТУ, 2011
напряжения
43