+7 (495) 981-9839
+7 (495) 642-5882

Rus Eng
Заказ обратного звонка
заказать звонок тел.: +7 (495) 981-9839
+7 (495) 642-5882
+7 (498) 653-4068
sales@khomovelectro.ru
Отправить заявку
Компания «Хомов электро» — завод-изготовитель, имея многолетний опыт работы на рынке электротехнического оборудования по производству конденсаторных установок и налаженные прямые поставки комплектующих высокого качества для компенсации реактивной мощности от мировых производителей, — признанных лидеров в своих отраслях бизнеса, готова оперативно и качественно выполнить ваш заказ на изготовление и поставку оборудования в срок.
большой опыт работы
качество продукции
оперативность выполнения
индивидуальный подход

Гармонический анализ и измерения гармоник


	
		
			

Системный подход к проектированию компенсации реактивной мощности среднего напряжения

Необходимость установки оборудования компенсации реактивной мощности с целью исключения штрафов поставщика электроэнергии очевидна. Хорошая окупаемость компенсации реактивной мощности часто приводит к продвижению таких проектов без предварительной инженерной проработки. На среднем напряжении это может привести к неожиданным явлениям при работе оборудования компенсации реактивной мощности: от ложных отключений и перегорания предохранителей до катастрофических аварий. Системный подход к проектированию компенсации реактивной мощности в системах среднего напряжения может помочь избежать непредвиденных ситуаций. Для иллюстрации этого системного подхода, который может применяться независимо от величины, типа и сложности объекта, были выбраны три реальных случая. Методология включает в себя анализ потокораспределения, гармонический анализ, анализ счетов поставщика, величин коэффициента мощности, а также характеристик системы компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторов или, при необходимости, фильтров гармоник. При этом с целью обеспечения правильной работы оборудования компенсации реактивной мощности определяются, анализируются и учитываются при выборе решения различные и противоречащие друг другу конструктивные факторы, включающие в себя дневные и недельные циклы нагрузки, близко расположенные конденсаторы поставщика электроэнергии, требования по коммутации или наличию ступеней, особенности тарифов поставщика, нагрузки с высоким содержанием гармоник и гармонический резонанс.

Выбор решения при проектировании системы компенсации реактивной мощности проводится в 2 этапа: первый этап – измерения гармоник на объекте потребителя для определения нагрузки и содержания гармоник; второй этап – компьютерное моделирование влияния гармоник системы на предлагаемую конденсаторную установку с целью обеспечения требуемой фильтрации и снижения влияния резонанса. Может оказаться недостаточным просто подключить измерительные приборы и проанализировать их показания или выбрать решение для компенсации реактивной мощности на основании ранее полученных данных о потреблении. Упущения на втором этапе являются основным фактором отказов новых устройств компенсации реактивной мощности из-за выхода из строя конденсаторов и предохранителей в результате гармонического резонанса.

Примеры исследования

Рассмотрим три практических примера анализа. В каждом случае использован системный подход независимо от типа и величины объекта. Предприятие коммунального водоснабжения было выбрано, потому что система содержит много различных источников гармоник – от 6- и 18-пульсных ЧРП до озонаторов. Предприятие по выплавке и рафинированию меди было выбрано из-за его большой величины и потому что система содержит мощные выпрямители среднего напряжения с уникальными параметрами. Станция водоочистки муниципального аэропорта была выбрана, потому что система включает в себя 10 имеющихся конденсаторных батарей, которые могут повлиять на предлагаемые батареи 300 квар. Три примера отличаются друг от друга, но подход к созданию работоспособной системы компенсации реактивной мощности один и тот же.

Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения

На предприятии коммунального водоснабжения от сети 13,8 кВ питаются два объекта: объект 1 (станция водоочистки) и объект 2 (станция очистки сточных вод). Ток короткого замыкания составляет 4094 кА. Упрощённая схема системы показана на рис. 1.

На объекте 1 сеть 13,8 кВ подводится к выключателю среднего напряжения. От этого выключателя запитываются другие выключатели, составляющие последовательную цепочку по всему объекту. Всего имеются 16 выключателей, которые питают трансформаторы, уменьшающие напряжение до 480 В. От каждого трансформатора питаются системы управления двигателями.

На объекте 2 сеть 13,8 кВ подводится к распределительному устройству, подобному универсальному распределительному устройству 15 кВ. От него напряжение подаётся на выключатель среднего напряжения. От этого выключателя запитываются другие выключатели, составляющие последовательную цепочку по всему объекту. Всего имеются 10 выключателей, которые питают трансформаторы, уменьшающие напряжение до 480 В. От каждого трансформатора питаются системы управления двигателями.

Пример 2 - предприятие по выплавке и рафинированию меди

Объект запитывается от трёх однофазных трансформаторов с номинальной мощностью 12,5 МВА. Однофазные трансформаторы соединены в 3-фазную батарею по схеме треугольник-звезда, с их помощью напряжение понижается с 69 кВ до 13,8 кВ. К вторичной обмотке трансформатора подключаются 6 цепей. Фидеры PHD-10 и 11 питают медеплавильный цех, PHD-12 и 13 питают цех рафинирования, PHD-14 подключен к газовой турбине Allison и паровой турбине Murray, а PHD-15 – к Solar Turbines. Наиболее мощными источниками токов гармоник являются выпрямители системы рафинирования (например, выпрямители 1, 2, 3, 4, 5, 5B, 6 и 7), питающиеся фидерами PHD-12 и 13. Во время нормальной работы с полной нагрузкой выпрямители 2, 3, 4 и 5B находятся в работе. Во время измерений 16 декабря 2010 г. из-за пониженного потребления в работе были только выпрямители 2 и 5B. Выпрямители 2, 3, 4 и 5B имеют фильтры гармоник на первичной стороне трансформаторов выпрямителей. Упрощённая схема приведена на рис. 2.

Пример 3 - станция водоочистки муниципального аэропорта

Поставщик подаёт питание 12,47 кВ на распредустройство с двусторонним питанием. От распредустройства среднего напряжения запитываются 10 распределительных трансформаторов, которые питают распределительные щиты низкого напряжения, щиты управления и системы управления двигателями. Упрощённая схема приведена на рис. 3.

Анализ измерений гармоник

Целью анализа измерения гармоник является определение гармонического содержания системы, которое может отрицательно воздействовать на систему компенсации реактивной мощности. Контроль качества электроэнергии, как правило, проводится с помощью трансформаторов тока и напряжения 120 В. Измерители качества электроэнергии, например RPM, устанавливаются для записи всех параметров системы питания, включая действующее значение напряжения, действующее значение тока, полную мощность, активную мощность, реактивную мощность, гармоники нагрузки, коэффициент мощности для каждого объекта. Также будут зафиксированы для анализа любые нарушения в работе системы и переходные процессы в системе.

В дополнение к мониторингу системы энергоснабжения на подходящих линиях делаются снимки в ключевых местах, включая мощные двигатели, питающиеся через ЧРП, или другое оборудование, являющееся источником гармоник, например, озонаторы. Типовым измерителем для таких снимков является Dranetz PX5. Снимки нужны для точного моделирования каждого источника гармоник в системе с целью анализа того, как он будет воздействовать на предлагаемую конденсаторную батарею среднего напряжения.

Полезность снимков на оборудовании, производящем гармоники, иллюстрируется рис. 4 - 8, на которых показаны различные источники гармоник. На рис. 4 представлен 6-пульсный привод (диодный выпрямитель) с реактивным сопротивлением 3%. Для сравнения на рис. 5 показан 6-пульсный привод (диодный выпрямитель) в отсутствие реактивного сопротивления линии. На рис. 6 изображён 18-пульсный привод, который построен с помощью трансформатора с несколькими обмотками и сдвигом по фазе. Другие существенные источники гармоник, включая тиристорные преобразователи и озонаторы, показаны на рис. 7 и 8. Типовые данные дают типовые результаты, а конкретные измерения на объекте приносят конкретные результаты. Часто эти конкретные результаты выявляют главную причину проблемы и определяют соответствующие корректирующие действия.

Электронные устройства плавного пуска управляют пусковым моментом двигателя переменного тока. Такое устройство не вырабатывает гармоники в процессе работы, оно будет создавать токи гармоник только при пуске двигателя. Поэтому вклад гармоник устройства плавного пуска не учитывается при компьютерном моделировании для оценки в соответствии со стандартом IEEE Std. 519. Тем не менее, бывают ситуации, когда гармоники устройства плавного пуска моделируются. К примеру, устройство плавного пуска среднего напряжения с конденсатором компенсации реактивной мощности в той же системе управления двигателем нужно моделировать, так как конденсатор компенсации реактивной мощности может иметь параллельный резонанс на характеристической частоте устройства плавного пуска.

Принципы выбора величины конденсатора

Для расчёта количества реактивной мощности, необходимой для получения коэффициента мощности, превышающего заданный, и недопущения штрафов поставщика электроэнергии, необходимы данные о потреблении и коэффициенте мощности как минимум за 12 месяцев. Поставщик электроэнергии, как правило, требует во избежание штрафов иметь коэффициент мощности в пределах от 0,85 до 0,95 (отстающий).

Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения

Предприятие коммунального водоснабжения включает в себя два объекта. Объект 1 находится в работе круглый год, а объект 2 отключается зимой. В качестве требуемого было выбрано значение 92%, это позволяет иметь запас при колебаниях нагрузки, увеличении нагрузки и других факторах неопределённости. С учётом того, что объект 2 не работает 4 месяца в году, было решено применить двухступенчатую конденсаторную батарею с эффективной мощностью каждой ступени 627 квар. Потребление энергии достигает максимума каждый год в августе. На рис. 9 показаны 30-минутные данные потребления для августа 2010 года без компенсации реактивной мощности (коэффициент мощности 0,85-0,89). На рисунке 10 показаны те же данные, но с компенсацией до коэффициента мощности, немного превышающего заданную величину 0,90 (0,92-0,95). При этом полностью отсутствуют дополнительные начисления. В Таблице № 1 приведены расчёты величины конденсаторной батареи на основании данных за 12 месяцев.

Таблица № 1. Расчетное значение требуемой реактивной мощности по месяцам

Месяц, год Измерено Требуется Необходимо Добавлено Скорректированные
кВт коэф. мощн. квар коэф. мощн. квар квар квар квар коэф. мощн.
февраль 200936780,881985,20,921566,8418,4627,71357,40,9381
март 200976130,884109,10,923243,1865,91255,52853,60,9364
апрель 200983280,884495,00,923547,7947,31255,53239,50,9320
май 200985170,884597,00,923628,2968,81255,53341,50,9309
июнь 200988530,884778,30,923771,41007,01255,53522,90,9291
июль 200989520,884831,80,923813,51018,21255,53576,30,9286
август 200991330,884929,50,923890,61038,81255,53674,00,9277
сентябрь 200989360,884823,10,923806,71016,41255,53567,70,9287
октябрь 200980440,884341,70,923426,7915,01255,53086,20,9336
ноябрь 200939610,882137,90,921687,4450,5627,71510,20,9344
декабрь 200936290,881958,70,921545,9412,8627,71331,00,9388
январь 201037500,882024,00,921597,5426,5627,71396,30,9371

Пример 2 - предприятие по выплавке и рафинированию меди

В Таблицах № 2 – № 4 приведены расчёты для определения общего количества реактивной мощности, необходимой в периоды максимума и минимума нагрузки для получения коэффициента мощности выше 90% (отстающий). Из колонки «квар добавлено» видно, что нужны 3 уровня реактивной мощности для компенсации во время максимума и минимума нагрузки. Максимальный уровень реактивной мощности, необходимой в период пика нагрузки, составляет 11 000 квар. Максимальный уровень реактивной мощности, необходимой в период минимума нагрузки, составляет 5000 квар. Скорректированное значение коэффициента мощности после установки конденсаторных батарей будет находиться в диапазоне от 91,4% до 98% в период максимальной нагрузки и в диапазоне от 93% до 97,7% в период минимума нагрузки.

Таблица № 2. Данные о потреблении и коэффициенте мощности за предыдущий период времени

Месяц, год Значения при максимально нагрузке Необходимые значения
кВт квар кВА коэф. мощн. кВт квар кВА коэф. мощн.
октябрь 200916 42017 70524 14768,0%16 420539717 28495,0%
ноябрь 200915 54313 70820 72475,0%15 543510916 36195,0%
декабрь 200915 93614 05421 24875,0%15 936523816 77595,0%
январь 201013 26011 33917 44776,0%13 260435813 95895,0%
февраль 201014 470972417 43483,0%14 470475615 23295,0%
март 201012 247823014 75583,0%12 247402512 89295,0%
апрель 201012 232748414 34085,0%12 232402012 87695,0%
май 201012 474917815 48781,0%12 474410013 13195,0%
июнь 201012 852988816 21679,0%12 852422413 52895,0%
июль 201014 60610 56918 02981,0%14 606480115 37595,0%
август 201014 999861817 29987,0%14 999493015 78895,0%
сентябрь 201014 651935917 38684,0%14 651481615 42295,0%
октябрь 201013 275898116 02882,8%13 275436313 97495,0%
ноябрь 201012 413811914 83283,7%12 413408013 06695,0%

Таблица № 3. Расчетные значения необходимой реактивной мощности (номинальной) по месяцам

Месяц, год квар Скорректированные при максимальной нагрузке
нужно добавлено кВт квар кВА коэф. мощн.
октябрь 200912 30811 00016 420670517 73692,6%
ноябрь 20098599700015 543670816 92991,8%
декабрь 20098816700015 936705417 42891,4%
январь 20106981700013 260433913 95295,0%
февраль 20104968500014 470472415 22295,1%
март 20104205500012 247323012 66696,7%
апрель 20103464500012 232248412 48298,0%
май 20105078500012 474417813 15594,8%
июнь 20105664500012 852488813 75093,5%
июль 20105768500014 606556915 63293,4%
август 20103688500014 999361815 42997,2%
сентябрь 20104543500014 651435915 28695,8%
октябрь 20104618500013 275398113 85995,8%
ноябрь 20104039500012 413311912 79997,0%

Таблица № 4. Расчетные значения необходимой реактивной мощности (эффективной) по месяцам

Месяц, год квар Скорректированные при максимальной нагрузке
нужно добавлено кВт квар кВА коэф. мощн.
октябрь 200912 30810 75016 420695517 83292,1%
ноябрь 20098599691115 543679716 96491,6%
декабрь 20098816691115 936714317 46491,3%
январь 20106981691113 260442813 98094,9%
февраль 20104968460714 470511715 34894,3%
март 20104205460712 247362312 77295,9%
апрель 20103464460712 232287712 56697,3%
май 20105078460712 474457113 28593,9%
июнь 20105664460712 852528113 89592,5%
июль 20105768460714 606596215 77692,6%
август 20103688460714 999401115 52696,6%
сентябрь 20104543460714 651475215 40295,1%
октябрь 20104618460713 275437413 97795,0%
ноябрь 20104039460712 413351212 90096,2%

Пример 3 - станция водоочистки муниципального аэропорта

Чтобы избежать штрафов поставщика электроэнергии, станция водоочистки муниципального аэропорта должна иметь коэффициент мощности выше 85% (отстающий). В качестве заданного было выбрано значение 90%, это позволяет иметь запас при колебаниях нагрузки, увеличении нагрузки и других факторах неопределённости. Было решено применить одноступенчатую конденсаторную батарею 300 квар, чтобы обеспечить коррекцию коэффициента мощности до уровня, превышающего 85% (отстающий) и не допустить опережающего коэффициента мощности. В Таблице № 6 приведены расчёты для определения величины конденсаторной батареи. На основании данных о потреблении за 12 месяцев можно утверждать, что после установки конденсаторной батареи 300 квар коэффициент мощности будет находиться в пределах от 89,5% до 95,6%.

Таблица № 5. Данные о потреблении и коэффициенте мощности за предыдущий период времени

Месяц, год Показания счётчика Измеренные значения
кВт•ч квар•ч кВА•ч коэф. мощн., % число дней кВт квар кВА коэф. мощн., %
январь 20101 170 760728 3171 378 81384,93016261012191584,9
февраль 20101 030 510632 4151 209 09085,2311385850162585,2
март 2010870 647537 7231 023 31585,1291251773147085,1
апрель 2010628 762411 600751 50283,729903591108083,7
май 2010596 353409 355723 33182,530828569100582,4
июнь 2010607 497413 402734 81682,73181755698882,7
июль 2010638 698456 988785 34981,329918657112881,3
август 2010622 044443 062763 70381,529894637109781,5
сентябрь 2010664 320434 717793 91483,731893584106783,7
октябрь 2010586 033366 273691 07984,83081450996084,8
ноябрь 2010669 293377 545768 43687,129962542110487,1
декабрь 2010561 436320 842646 64586,83175543186986,8
среднее720 529461 020855 83384,1301004642119284,1

Таблица № 6. Расчетные значения необходимой реактивной мощности (эффективной) по месяцам

Месяц, год Требуемые Необходимо Добавлено Скорректированные
кВт квар кВА коэф. мощн., % квар квар кВт квар кВА коэф. мощн., %
январь 20101626788180790,02242251626787180690,0
февраль 20101385671153990,01792251385625152091,1
март 20101251606139090,01672251251548136691,6
апрель 2010903438100490,015422590336697592,7
май 201082840192090,016722582834489792,4
июнь 201081739590790,016022581733188192,7
июль 2010918444102090,0212225918432101490,5
август 201089443399390,020422589441298490,8
сентябрь 201089343299290,015222589335996292,8
октябрь 201081439490490,011522581428486294,4
ноябрь 2010962466106890,077225962317101395,0
декабрь 201075536583890,06622575520678296,5
среднее1004486111590,015622510044171,08892,5

Гармонический анализ

В процессе гармонического анализа на входящей шине поставщика электроэнергии (в точке подключения к энергосистеме) определяются коэффициенты гармонических искажений напряжения и тока, возникающих из-за нелинейных нагрузок. Если значения КГИ напряжения и/или тока превышают пределы, заданные стандартом IEEE 519-1992, в ключевых местах системы должны быть установлены устройства для снижения КГИ напряжения и тока до уровня, соответствующего этому стандарту, например, фильтры 5-й гармоники.

Анализ результатов измерений качества электроэнергии позволяет инженеру-проектировщику выработать рекомендации по компенсации реактивной мощности для того, чтобы избежать начислений поставщика электроэнергии за коэффициент мощности. После этого инженер определяет оптимальную величину и место установки конденсаторов и другого оборудования компенсации реактивной мощности. Также инженер выявляет имеющиеся проблемы или проблемные участки и при необходимости вырабатывает соответствующие инженерные рекомендации. При этом точно выбирается оборудование для снижения уровня гармоник до уровня, соответствующего стандарту IEEE 519-1992 (фильтры, дроссели, специальные трансформаторы и т.п.).

Как правило, гармонический анализ на основе стандарта IEEE 519-1992 выполняется для 3 случаев. Первый – это базовый случай существующей системы при отсутствии подключенных конденсаторов. Во втором случае в систему вводится конденсаторная батарея (батареи) для компенсации реактивной мощности. При этом тщательно анализируется воздействие гармоник, чтобы определить, необходим ли фильтр для снижения чрезмерно высокого уровня гармоник, возникающего при введении в систему конденсаторов. Третий случай – это разработка и анализ конденсаторного устройства (устройств), оборудованного фильтром. Его результат становится рекомендуемым проектным решением.

Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения

Для случая 1 анализа представлено максимальное потребление имеющейся системы при отсутствии компенсации реактивной мощности. При анализе для 2-го случая добавляется конденсаторная батарея для повышения коэффициента мощности с мощностью одной ступени 600 квар и 1200 квар эффективной мощности. В 3-м случае проводится анализ при добавлении фильтра в каждую ступень. Моделирование проводится для максимального потребления 9200 кВт при коэффициенте мощности 0,88.

В Таблице № 7 приведены значения КГИ напряжения и тока на входящей шине 13,8 кВ поставщика электроэнергии (в точке подключения к энергосистеме). Значения КГИ напряжения и тока находятся в пределах ограничений, заданных стандартом IEEE 519-1992 за исключением случая 2, когда КГИ равен 6,99% при допустимом значении 5%. В Таблицах № 8 и № 9 приведены значения отдельных гармоник напряжения на входящей линии 13,8 кВ (в точке подключения к энергосистеме). При подключенной первой ступени (600 квар) КГИ напряжения находится в пределах допустимых значений согласно стандарту IEEE 519-1992 за исключением 13-й гармоники в случае 2. При подключении обеих ступеней (1200 квар) КГИ напряжения находится в пределах допустимых значений согласно стандарту IEEE 519-1992 за исключением 5-й гармоники в случае 2.

Таблица № 7. КГИ напряжения и тока в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ

Случай анализа КГИ напряжения на входящей линии 13,87 кВ Норма по IEEE КГИ тока на входящей линии 13,87 кВ Норма по IEEE
12,6554,475
24,4356,995
31,2951,865

Таблица № 8. Значения отдельных гармоник напряжения в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ (600 квар)

Порядок гармоники Случай 1 Случай 2 Случай 3 Норма по IEEE-519
напряжение гармоники, В % напряжение гармоники, В % напряжение гармоники, В %
113 800,0013 800,00-13 800,00-3
5316,862,30366,592,66161,871,173
795,360,69129,830,9477,780,563
11125,750,91368,602,67109,140,793
1356,260,41700,025,0749,220,363
1736,550,2760,420,4432,240,233
1935,550,2635,230,2631,180,233

Таблица № 9. Значения отдельных гармоник напряжения в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ (1200 квар)

Порядок гармоники Случай 1 Случай 2 Случай 3 Норма по IEEE-519
напряжение гармоники, В % напряжение гармоники, В % напряжение гармоники, В %
113 800,0013 800,00-13 800,00-3
5316,862,30366,592,66161,871,173
795,360,69129,830,9477,780,563
11125,750,91368,602,67109,140,793
1356,260,41700,025,0749,220,363
1736,550,2760,420,4432,240,233
1935,550,2635,230,2631,180,233

В Таблицах № 10 и № 11 приведены значения отдельных гармоник тока на входящей линии 13,8 кВ (в точке подключения к энергосистеме). В случае 1 при отсутствии подключенного конденсатора норма стандарта IEEE 519-1992 превышается для тока 5-й гармоники. В случае 2 при подключенной первой ступени (600 квар) превышают норму процентные значения 5-й, 11-й и 13-й гармоник тока. При подключении обеих ступеней (1200 квар) превышают норму процентные значения 5-й и 11-й гармоник тока. В случае 3 при применении фильтра все значения соответствуют норме.

На рис. 11 показаны осциллограммы напряжения и тока при наличии конденсатора для случая 2, из которых видно, что формы тока и напряжения сильно искажены. Искажения устраняются с помощью фильтра (см. рис. 12).

Таблица № 10. Значения отельных гармоник тока в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ (600 квар)

Порядок гармоники Случай 1 Случай 2 Случай 3 Норма по IEEE-519
ток, А % ток, А % ток, А %
1443,86-431,90-431,09--
519,034,2322,025,109,722,264
74,090,925,571,293,340,774
113,440,7710,072,332,980,692
131,300,2916,183,751,140,262
170,650,151,070,250,570,131,5
190,560,130,560,130,490,111,5

Таблица № 11. Значения отдельных гармоник тока в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ (1200 квар)

Порядок гармоники Случай 1 Случай 2 Случай 3 Норма по IEEE-519
ток, А % ток, А % ток, А %
1443,86421,10419,74
519,034,2326,146,216,581,574
74,090,928,772,082,820,674
113,440,7710,132,412,640,632
131,300,291,480,351,010,242
170,650,150,280,010,510,121,5
190,560,130,180,040,440,111,5

На рис. 13 показаны условия резонанса при подключенной конденсаторной батарее 600 квар для случаев 2 и 3. При одной подключенной ступени (600 квар) точка резонанса находится вблизи 13-й гармоники. Без фильтрации гармоник этот резонанс является причиной возникновения чрезмерных искажений тока, это приводит к повреждению конденсатора. Возбуждение на 13-й гармонике можно увидеть на осциллограмме тока без фильтрации, показанной на рис. 14. Подключение фильтра значительно улучшает форму сигнала. Аналогичные результаты получаются для устройства на 1200 квар (при подключении двух ступеней).

В Таблицах № 12 и № 13 приведены напряжение на конденсаторе, ток и полная мощность соответственно для случая 2 (без фильтра) и случая 3 (фильтр 5-й гармоники). Величины напряжения на конденсаторе, тока и полной мощности находятся в пределах, заданных стандартом IEEE 18. Однако в случае 2 наблюдается резонанс, который проявляет себя значениями тока 126% для 600 квар и 106% для 1200 квар. Это может стать причиной проблем при увеличении токов гармоник.

Таблица № 12. Оценка режима работы конденсаторов по стандарту IEEE - случай 2

Случай 2 Напряжение Ток Полная мощность
В номин. % А номин. % кВА номин. %
600 квар13 795,4713 800,0099,9731,7025,10126,27626,80600,00104,50
1200 квар13 782,9813 800,0099,8853,4850,21106,521213,751200,00101,15
Норма IEEE110%135%135%

Таблица № 13. Оценка режима конденсаторов по стандарту IEEE - случай 3

Случай 3 Напряжение Ток Полная мощность
В номин. % А номин. % кВА номин. %
900 квар14 462,2116 524,0087,5229,5331,4593,89706,70900,0078,52
1800 квар14 441,0016 524,0087,3956,7862,8990,281390,081800,0077,23
Норма IEEE110%135%135%

Пример 2 - предприятие по выплавке и рафинированию меди

В случае 1 система энергоснабжения была смоделирована, чтобы точно соответствовать состоянию нагрузки 16 декабря 2010 г. Выпрямители/фильтры 2 и 5B были включены, генератор 1 включен (4270 МВт, 0,7 Мвар), нагрузка распредустройства измельчителя составляла около 2,86 МВт. В случае 2 выпрямители/фильтры 2 и 5B были включены, генератор 1 включен (4270 МВт, 0,7 Мвар), сочетание 1 комбинации ступеней конденсаторной батареи компенсации реактивной мощности и нагрузки фидера рассчитано на минимальное потребление реактивной мощности. Переключатель напряжения на подстанции EPE установлен на +5%, чтобы получить вторичное напряжение 13,8 кВ. В случае 3 выпрямители/фильтры 2, 3, 4 и 5B включены, 1 генератор включен (4270 МВт, 0,7 Мвар), сочетание 4 комбинации ступеней конденсаторной батареи компенсации реактивной мощности и нагрузки фидера рассчитано на максимальное потребление реактивной мощности. Переключатель напряжения на подстанции EPE установлен на +5%, чтобы получить вторичное напряжение 13,8 кВ.

В Таблице № 14 приведены значения КГИ напряжения и тока на главном распредустройстве 13,8 кВ (в точке подключения к энергосистеме). Значения КГИ тока и напряжения в случае 3 находятся в пределах норм, установленных стандартом IEEE 519-1992. В случаях 1 и 2 расчётные значения искажений тока превышают рекомендованные значения (11-я гармоника и КГИ).

В Таблицах № 15 и № 16 показаны гармонические искажения напряжения и тока (величины отдельных гармоник и КГИ) на главном распредустройстве 13,8 кВ. Для случая 1 расчётные величины искажений напряжения (отдельные гармоники и КГИ) остаются ниже рекомендованных пределов. Расчётные искажения тока (11-я гармоника и КГИ) превышают нормы, установленные стандартом IEEE 519, но не увеличивают искажения напряжения. Для случая 2 расчётные искажения напряжения (отдельные гармоники и КГИ) остаются ниже рекомендованных пределов. Расчётные значения искажений тока всё так же превышают рекомендуемые пределы (11-я гармоника и КГИ). Хотя величины КГИ и 11-й гармоники ниже по сравнению со случаем 1, искажения тока по-прежнему превышают нормы. Для случая 3 расчётные значения искажений напряжения и тока (отдельные гармоники и КГИ) ниже рекомендуемых пределов.

Случай анализа КГИ напряжения КГИ тока
распредустройство 13,8 кВ Норма по IEEE распредустройство 13,8 кВ Норма по IEEE
12,405,09,908,0
22,305,09,508,0
31,905,05,508,0

Таблица № 15. Значения отдельных гармоник напряжения в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ

Порядок гармоники Случай 1 Случай 2 Случай 3 Норма по IEEE-519
напряжение гармоники, В % напряжение гармоники, В % напряжение гармоники, В %
114 589,5100,013 964,5100,013 995,4100,03,0%
32,40,022,90,0212,30,093,0%
591,00,6270,50,5033,00,243,0%
7173,91,19153,71,1087,10,623,0%
90,50,000,50,000,60,003,0%
11192,91,32176,91,27166,41,193,0%
13140,80,97130,30,93137,80,983,0%
150,50,000,50,000,80,013,0%
17126,30,87117,80,8494,40,673,0%
1986,00,5980,30,5843,10,313,0%

Таблица № 16. Значения отдельных гармоник тока в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ

Порядок гармоники Случай 1 Случай 2 Случай 3 Норма по IEEE-519
ток, А % ток, А % ток, А %
1423,9100,0386,1100,0488,5100,0-
30,90,21,10,34,50,910,0%
519,94,715,54,07,21,510,0%
727,26,424,16,213,72,810,0%
90,10,00,10,00,10,010,0%
1119,24,517,64,616,63,44,5%
1311,92,811,02,811,62,44,5%
150,00,00,00,00,10,04,5%
178,11,97,62,06,11,24,0%
195,01,24,61,22,50,54,0%

На рис. 15 показаны осциллограммы напряжения и тока при наличии конденсатора для случая 2, из которых видно, что формы тока и напряжения сильно искажены. Искажения устраняются с помощью фильтра (см. рис. 16).

На рис. 17 показан резонанс для случаев 2 и 3. В случае 2 точка параллельного резонанса находится на 3,8 (228 Гц), а параллельного – на 4,6 (276 Гц). В случае 3 точка параллельного резонанса смещается к 3,2 (192 Гц), а точка последовательного резонанса остаётся на 4,6 (276 Гц).

В Таблице № 17 приводятся величины напряжения на конденсаторе, тока и полной мощности для случая 3. Эти значения находятся в пределах норм стандарта IEEE 18.

Таблица № 17. Оценка режима работы конденсаторов по стандарту IEEE

Случай 3 Напряжение Ток Полная мощность
В номин. % А номин. % кВА номин. %
Фильтр 214 62717 25084,8102,9120,6385,32594,63600,072,1
Фильтр 314 63317 25084,8103,1120,6385,52598,23600,072,2
Фильтр 414 63317 25084,8128,6150,7985,33244,84500,072,1
Фильтр 5B14 64317 25084,9154,5180,9585,43899,75400,072,2
Фильтр 10-114 64117 25084,934,240,2185,0865,11200,072,1
Фильтр 10-214 64117 25084,934,240,2185,0865,11200,072,1
Фильтр 1114 65117 25084,934,240,2185,1866,51200,072,2
Фильтр 12-114 65917 25085,034,340,2185,2867,71200,072,3
Фильтр 12-214 65917 25085,068,580,4285,21735,32400,072,3
Фильтр 12-314 65917 25085,0102,8120,6385,22603,03600,072,3
Фильтр 13-114 65717 25085,034,340,2185,3867,71200,072,3
Фильтр 13-214 65717 25085,068,680,4285,31735,42400,072,3
Фильтр 13-314 65717 25085,068,680,4285,31735,42400,072,3
Норма IEEE110%180%135%

Пример 3 - станция водоочистки муниципального аэропорта

Одноступенчатые батареи фильтров предлагается подключить к имеющемуся распредустройству 12,47 кВ. Максимальное потребление при моделировании – 1915 кВА при коэффициенте мощности 84,9% для распредустройства А и 838 кВА при коэффициенте мощности 83,6% для распредустройства В. Для 1-го случая анализа представлено максимальное потребление имеющейся системы при отсутствии компенсации реактивной мощности. При анализе для 2-го случая добавляется конденсаторная батарея для повышения коэффициента мощности. В 3-м случае проводится анализ при добавлении фильтра.

В Таблицах № 18 и № 19 приведены сводные данные по КГИ напряжения и тока на распредустройствах А и В 12,47 кВ (в точках подключения к энергосистеме) для всех анализируемых случаев. Значения КГИ напряжения и тока находятся в пределах норм стандарта IEEE 519-1992.

Таблица № 18. Значения КГИ напряжения и тока в распредустройстве А

Случай анализа КГИ напряжения КГИ тока
распредустройство 12,47 кВ Норма по IEEE распредустройство 12,47 кВ Норма по IEEE
10,505,03,2012,0
20,605,03,2012,0
30,705,04,1012,0

Таблица № 19. Значения КГИ напряжения и тока в распредустройстве В

Случай анализа КГИ напряжения КГИ тока
распредустройство 12,47 кВ Норма по IEEE распредустройство 12,47 кВ Норма по IEEE
10,405,07,5012,0
20,505,07,5012,0
30,605,07,4012,0

В случае 2 (рис. 18) первый набор резонансных точек определяется LC-контуром трансформатора подстанции и конденсаторных батарей (4 – 1200 квар). Второй набор резонансных точек определяется индуктивностью фидера и конденсаторами фидера (2 – 1200 квар). При отключении конденсаторных батарей подстанции точки последовательного и параллельного резонанса (1-й набор) будут сдвигаться вправо (в сторону более высоких порядков гармоник). В установившемся режиме с расчётными точками последовательного и параллельного резонанса нет проблем. Однако параллельный резонанс (4-я гармоника, 240 Гц) может возникнуть при включении трансформатора. На рис. 19 резонанс определяется LC-контуром, состоящим из трансформатора подстанции и конденсаторных батарей (4 – 1200 квар). При отключении конденсаторных батарей подстанции точки последовательного и параллельного резонанса будут сдвигаться вправо (в сторону более высоких порядков гармоник).

На рис. 20 первый набор резонансных точек определяется одноступенчатыми батареями фильтров 300 квар. Второй набор резонансных точек возникает из-за LC-контура, образованного трансформатором подстанции и конденсаторными батареями (4 – 1200 квар). Третий набор резонансных точек определяется индуктивностью фидера и конденсаторами фидера (2 – 1200 квар). При отключении конденсаторных батарей подстанции точки последовательного и параллельного резонанса (2-й набор) будут сдвигаться вправо (в сторону более высоких порядков гармоник). На рис. 21 первый набор резонансных точек определяется одноступенчатыми батареями фильтров 300 квар. Второй набор резонансных точек

возникает из-за LC-контура, образованного трансформатором подстанции и конденсаторными батареями (4 – 1200 квар). При отключении конденсаторных батарей подстанции точки последовательного и параллельного резонанса (2-й набор) будут сдвигаться вправо (в сторону более высоких порядков гармоник). Важность учёта при анализе конденсаторов, имеющихся у поставщика электроэнергии и в системе, очевидна.

Таблица № 20. Оценка режима работы конденсаторов по стандарту IEEE для Случая 2 и Случая 3

Случай 2 Напряжение Ток Полная мощность
В номин. % А номин. % кВА номин. %
PACE-CAP111 49812 47092,251,355,6292,11020,51200,085,0
PACE-CAP211 49812 47092,251,355,6292,11020,51200,085,0
PACE-CAP311 49812 47092,251,355,6292,11020,51200,085,0
PACE-CAP411 49812 47092,251,355,6292,11020,51200,085,0
TWY-CAP111 96412 47095,953,355,6295,91104,81200,092,1
TWY-CAP211 96412 47095,953,355,6295,91104,81200,092,1
TWY-CAP311 96412 47095,953,355,6295,91104,81200,092,1
TWY-CAP411 96412 47095,953,355,6295,91104,81200,092,1
PACE-CAP511 47312 47092,051,155,6291,91016,01200,084,7
PACE-CAP511 44712 47091,851,055,6291,71011,41200,084,3
Норма IEEE110%135%135%
Случай 3 Напряжение Ток Полная мощность
В номин. % А номин. % кВА номин. %
ФИЛЬТР A12 14714 41084,310,212,0384,5213,4300,071,1
ФИЛЬТР В12 64814 41087,810,612,0387,8231,2300,077,1
PACE-CAP111 53312 47092,551,455,6292,41026,81200,085,6
PACE-CAP211 53312 47092,551,455,6292,41026,81200,085,6
PACE-CAP311 53312 47092,551,455,6292,41026,81200,085,6
PACE-CAP411 53312 47092,551,455,6292,41026,81200,085,6
TWY-CAP111 98212 47096,153,455,6296,01108,01200,092,3
TWY-CAP211 98212 47096,153,455,6296,01108,01200,092,3
TWY-CAP311 98212 47096,153,455,6296,01108,01200,092,3
TWY-CAP411 98212 47096,153,455,6296,01108,01200,092,3
Норма IEEE110%135%135%

В Таблице № 20 приведены величины напряжения на конденсаторе, тока и полной мощности для случая 2 и случая 3. Эти значения соответствуют нормам, установленным стандартом IEEE 18.

Характеристики фильтра

Кроме определения величины реактивной мощности и характеристик фильтра имеются другие важные аспекты проектирования. Фильтр будет увеличивать коэффициент мощности выше заданного, при этом будет допустимо изменение нагрузки. Более высокое номинальное напряжение конденсаторов будет определять диапазон напряжений системы в установившемся состоянии, например, от 13,8 до 14,4 кВ. При этом фильтр будет работать с напряжением, током и полной мощностью, меньшими номинальных, то есть будет иметься запас на случай нештатной ситуации. Более высокое номинальное напряжение конденсаторов позволяет также иметь запас при переходных перенапряжениях. Ограничители напряжения, установленные на дросселях и конденсаторах, ограничивают напряжение до безопасных уровней.

Фильтр может иметь перечисленные ниже дополнительные функции. Желательно иметь выключатель нагрузки для отключения при необходимости устройства (устройств) от системы. Конденсаторы индивидуально защищаются с помощью плавких предохранителей, а также ограничителей перенапряжения. Дополнительную защиту от повреждения обеспечивают защита от несимметрии (59N) и защита от потери фазы. Контроллер коэффициента мощности с измерением тока и напряжения в одной фазе может быть установлен или непосредственно в батарее, или за ней на входе оборудования.

Таблица № 21. Сводная информация о требуемых конденсаторах компенсации реактивной мощности на фидер

Наименование фидера Эффективная реактивная мощность, квар Номинальная реактивная мощность, квар Конденсаторная батарея
макс. требуемая1 требуемая1 добавлено на фазу2 всего ступеней ступень 1, квар ступень 2, квар ступень 3, квар
PHD-102700,01500,02344,02400,0400 х 2212001200-
PHD-111600,0750,01172,01200,0400 х 111200--
PHD-127390,04820,07532,17200,0400 х 63120024003600
PHD-134920,03500,05469,46000,0400 х 53120024002400
Примечания:
1. Реактивная мощность, необходимая для получения коэффициента мощности 95% (отстающий).
2. Номиналы отдельных конденсаторов и количество на фазу.

Таблица № 22. Сводная информация о комбинациях ступеней многоступенчатых конденсаторов компенсации реактивной мощности

Комбинация ступеней Ступень (ступени) фидера Общая реактивная мощность, квар
PHD-10 PHD-11 PHD-12 PHD-13 Номинальная Эффективная на 13,8 кВ Эффективная на 14,4 кВ
11111480030723345
21111, 2720046075017
31, 2111, 2, 310 80069117525
41, 211, 2, 31, 2, 316 80010 75111 706

Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения

Необходим двухступенчатый однорезонансный фильтр 5-й гармоники на 13,8 кВ, который устанавливается на 270 футов (82 м) дальше разветвления между объектом 1 и объектом 2. Фильтр будет настроен на частоту 4,7-й гармоники.

Его нужно использовать с ЧРП. Каждая ступень будет иметь номинальную реактивную мощность 900 квар (эффективная - 600 квар). При работе обоих объектов подключаются две ступени фильтра, а в течение месяцев, когда объект 2 не работает, одна ступень отключается.

Пример 2 - предприятие по выплавке и рафинированию меди

Предлагается использовать сочетание одноступенчатых и многоступенчатых однорезонансных фильтров на фидерах PHD-10 - PHD-13. Величины конденсаторов компенсации реактивной мощности и сочетания ступеней приведены в Таблицах № 21 и № 22.

Пример 3 - станция водоочистки муниципального аэропорта

Необходима установка одноступенчатых однорезонансных фильтров 5-й гармоники на распредустройстве 12,47 кВ (распредустройства А и В). Фильтры будут настроены на частоту 4,2-й гармоники. Каждая ступень будет иметь номинальную мощность 300 квар (эффективная – 225 квар).

Отсутствие предварительной инженерной проработки может привести к неожиданным явлениям при работе оборудования компенсации реактивной мощности: от ложных отключений и перегорания предохранителей до катастрофических аварий. В связи с этим необходимо учитывать степень важности системного подхода при проектировании компенсации реактивной мощности среднего напряжения.

Методология включает в себя измерения потокораспределения и гармоник, гармонический анализ, анализ счетов поставщика, величин коэффициента мощности, а также характеристик системы компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторов или, при необходимости, фильтров гармоник. Проводится тщательный гармонический анализ в точке подключения к энергосистеме, выходящий за пределы требований стандарта IEEE 519. При этом требуются частотные характеристики для определения точек резонанса предлагаемых конденсаторов и фильтров, а также оценка предлагаемых решений на основе стандарта IEEE 18.

Мы рассмотрели три примера исследования. В каждом из них использовался системный подход к проектированию системы компенсации реактивной мощности независимо от величины, типа и сложности объекта.

Выводы и обобщения

Случай 1 – максимальное потребление при отсутствии конденсаторной батареи

Во всех трёх примерах исследования в случае 1 имеющаяся система может соответствовать или не соответствовать стандарту IEEE 519, но значение коэффициента мощности не соответствует требуемому (наличие штрафов).

Случай 2 – максимальное потребление при подключенной конденсаторной батарее

Во всех трёх примерах исследования в случае 2, хотя при введении конденсаторной батареи коэффициент мощности соответствует требуемому, без фильтра в результате резонанса могут возникнуть чрезмерные искажения напряжения и тока.

Случай 3 – максимальное потребление при подключенном фильтре

Во всех трёх примерах исследования в случае 3 при применении фильтрующих устройств искажения тока и напряжения в точке подключения к энергосистеме соответствуют нормам стандарта IEEE 519. При этом корректируется коэффициент мощности и устраняются условия возникновения разрушающего резонанса.

143405, Московская область, г. Красногорск, ул. Ильинский тупик, д.6, Бизнес-центр "Березовая роща", офис 5.
Тел.: +7 (495) 981-98-39, +7 (495) 642-58-82, +7 (498) 653-40-68, факс:+7 (498) 653-40-69.
E-mail: sales@khomovelectro.ru. Время работы: с 8:00 до 17:00. © 2017 «Хомов электро»