Качество электроэнергии. Практическое руководство

1.3 Реактивная мощность

Чисто индуктивная реактивная мощность потребляется двигателями и трансформаторами, работающими без нагрузки (если пренебречь потерями в меди, железе и, где возможно, потерями на трение). Можно считать, что силовые конденсаторы имеют чисто емкостную реактивную мощность, так как они имеют очень низкие потери (менее 0,05%).

Рис.3. Кривые напряжения, тока и мощности для чисто реактивной нагрузки (ϕ =9 0°)

Если напряжение и ток имеют сдвиг по фазе на 90°, одна половина кривой мощности находится в положительной области, а другая – в отрицательной (рис. 3). Активная мощность равна нулю, так как положительная и отрицательная области уравновешивают друг друга. Реактивная мощность определяется как мощность, которая циркулирует между генератором и нагрузкой на частоте питающего напряжения для обеспечения нарастания и спада магнитного поля.

Q [вар] = V [В] · I [А] · sin φ

1.4 Полная (кажущаяся) мощность

Значение полной мощности является основным параметром при выборе номинальных параметров сетей энергоснабжения. На полную мощность системы должны рассчитываться генераторы, трансформаторы, распределительные устройства, предохранители, автоматические выключатели и проводники.

Рис.4. Треугольник мощностей

Значение полной мощности – это результат произведения значений напряжения и тока без учёта фазового сдвига. S [Вт] = V [В] · I [А] Полная мощность определяется как векторная сумма активной и реактивной мощностей. S [ВА]=√(P^2 [Вт]+Q^2 [вар])

1.5 Коэффициент мощности (cos φ и tg φ)

Удобным параметром для определения активного и реактивного компонентов мощности, напряжения и тока является косинус угла сдвига фаз (фазовый угол) между током и напряжением. В электротехнической практике этот параметр получил название «коэффициент мощности».

Значение коэффициента мощности при полной нагрузке обычно маркируется на электрических машинах.
Тангенс (tg) фазового угла φ удобен для выражения отношения реактивной мощности к активной.
Два следующих выражения показывают соотношение между косинусом и тангенсом фазового угла.

Так как система распределения электроэнергии должна быть рассчитана на полную мощность, предпринимаются усилия для снижения её значения. Если параллельно потребителю электроэнергии установлены конденсаторы соответствующей величины, реактивный ток циркулирует между конденсатором и потребителями. Это значит, что этот дополнительный ток не протекает по остальной части распределительной сети. Если таким способом достигнут коэффициент мощности, равный единице, через систему распределения протекает только активный ток.

Рис.5. Треугольник мощностей, иллюстрирующий действие компенсаций	Реактивная мощность QC, скомпенсированная конденсатором, - это разность между индуктивной реактивной мощностью до компенсации Q1 и реактивной мощностью после компенсации Q2, то есть QC = Q1 - Q2
	QC [вар] = P [Вт] · (tg φ1 – tg φ2)

1.6 Необходимость компенсации реактивной мощности

Реактивный ток, циркулирующий между генератором энергоснабжающей компании и потребителем, превращается в тепловую энергию в системе распределения электроэнергии, то есть создаётся дополнительная нагрузка на генераторы, трансформаторы, кабели и распределительное устройство. Это приводит к потерям электроэнергии и падению напряжения. Если доля реактивного тока высока, имеющиеся сечения проводников не могут полностью использоваться для передачи полезной энергии, возможно их нужно соответственно увеличить. С точки зрения энергоснабжающей компании низкий коэффициент мощности приводит к увеличению затрат на начальные инвестиции и обслуживание, и эти дополнительные затраты перекладываются на тех, кто за них ответственен, то есть на потребителей с низким коэффициентом мощности. Поэтому в дополнение к счётчику активной энергии устанавливается счётчик реактивной энергии.

Глава 2. Методы компенсации реактивной мощности

2.1 Индивидуальная компенсация

В простейшем случае конденсатор соответствующей величины устанавливается параллельно каждой индуктивной нагрузке. Это полностью исключает дополнительную нагрузку на кабельную сеть, включая кабель, питающий компенсированную нагрузку. Недостатком является то, что конденсатор работает только в то время, когда работает подключенный к нему потребитель электроэнергии. Кроме того, не всегда можно легко установить конденсатор непосредственно около машины, реактивную мощность которой он должен компенсировать (из-за нехватки места, затрат на установку).

Рис. 8. Индивидуальная компенсация реактивной мощности	Применение:
	Для компенсации реактивной мощности ненагруженных трансформаторов  Для приводов, работающих в продолжительном режиме  Для приводов с длинными кабелями питания или кабелями, не имеющими запаса по сечению
	Преимущества:
	Полное устранение реактивной мощности из внутренней распределительной системы Низкая стоимость на квар.
	Недостатки:
	Система компенсации реактивной мощности распределяется по всему объекту Высокая стоимость установки Требуется более высокая общая мощность конденсаторов, так как не учитывается коэффициент одновременности.

2.2 Групповая компенсация

Электрические машины, которые всегда включаются в одно и то же время, могут быть объединены в группу и иметь общий конденсатор компенсации. Вместо нескольких небольших индивидуальных конденсаторов устанавливается один конденсатор, емкость которого подбирается расчетным путем.

Рис. 9. Групповая компенсация реактивной мощности	Применение:
	Для нескольких индуктивных нагрузок, всегда работающих одновременно.
	Преимущества:
	Аналогичны индивидуальной компенсации реактивной мощности, но за меньшую цену.
	Недостатки:
	Применяется только для групп потребителей, которые всегда работают одновременно.

2.3 Централизованная компенсация реактивной мощности

Ёмкость компенсации реактивной мощности устанавливается в центральной точке, например, на вводном распределительном щите низкого напряжения. Такая система покрывает общее потребление реактивной мощности. Ёмкость делится на несколько секций, которые подключаются и отключаются с помощью автоматического реле регулирования реактивной мощности и контакторов в соответствии с нагрузкой.

Этот метод используется сегодня в большинстве случаев. Централизованную систему компенсации реактивной мощности легко контролировать. Современные реле регулирования реактивной мощности позволяют постоянно контролировать состояние контактора, cosφ, активный и реактивный ток и гармоники, имеющиеся в системе распределения электроэнергии. Обычно общая ёмкость оказывается меньше, так как при проектировании системы может быть учтён коэффициент одновременности для всего производства, то есть ёмкость используется лучше. Однако она не устраняет циркуляцию реактивного тока во внутренней распределительной системе, но если применяются проводники с правильно выбранным сечением, это не является недостатком.

Рис. 10. Типовая схема централизованной компенсации реактивной мощности	Применение:
	Может использоваться, если внутренняя система распределения электроэнергии потребителя имеет достаточную пропускную способность.
	Преимущества:
	Простой принцип действия; простота контроля состояния Хорошее использование ёмкости Простота монтажа Меньшая величина необходимой ёмкости за счет учета неодновременности нагрузки Снижение затрат для систем распределения электроэнергии, в которых есть проблемы с гармониками, так как проще обеспечить отстройку от резонансных частот.
	Недостатки:
	Не уменьшаются реактивные токи во внутренней распредсистеме потребителя Дополнительные затраты на систему автоматического управления

2.4 Гибридная компенсация реактивной мощности

Рис. 11. Типовая схема гибридной компенсации реактивной мощности

С экономической точки зрения часто оказывается, что целесообразным может быть сочетание трех методов, описанных выше.

Глава 3. Определение требуемой величины конденсатора

3.1 Тарифы

Обычно энергоснабжающие компании имеют фиксированные тарифы для небольших потребителей электроэнергии, а с крупными потребителями заключаются договоры на условиях, являющихся предметом переговоров.

В большинстве договоров стоимость электроэнергии включает в себя следующие составляющие:

Мощность	[кВт],	измеряемая как наибольшее потребление за месяц (или за год) в течение периода в 15 мин.
Активная энергия	[кВт·ч],	измеряемая с помощью измерителя активной энергии, обычно учитывается по обычному и внепиковому тарифам.
Реактивная энергия	[квар·ч],	измеряемая с помощью измерителя реактивной энергии, иногда учитывается по обычному и внепиковому тарифам.

Обычной практикой является выставление счёта за реактивную энергию, только если реактивная мощность превышает 50% от активной мощности нагрузки. Это соответствует cos φ = 0,9. При этом не ставится условие, что коэффициент мощности никогда не должен опускаться ниже 0,9. Начисления основываются на среднем значении коэффициента мощности за месяц. В некоторых регионах предусматриваются другие значения коэффициента мощности, например 0,85 или 0,95.

В других тарифах мощность тарифицируется не в кВт, а в кВА. В этом случае стоимость реактивной энергии включается в цену за мощность. Для минимизации платы в этом случае необходимо стремиться к cos φ = 1. В любом случае можно считать, что если правильно выбраны параметры устройств компенсации реактивной мощности, затраты на реактивную энергию могут быть сэкономлены.

3.2 Ориентировочная оценка

Точные методы определения необходимой реактивной мощности приводятся в следующих разделах настоящего руководства. Но иногда может оказаться нужным быстро оценить порядок требуемой величины. Приведённые данные можно использовать для того, чтобы проверить правильность результатов расчёта. Также может возникнуть случай, когда инженер выполнил точный расчёт, но сомневается в результате и предполагает, что в его рассуждениях имеется ошибка. Приведённые ниже данные можно использовать, чтобы удостовериться, что величины, полученные при расчёте, являются правильными.

Нагрузка	Мощность конденсатора
➛ Двигатели с индивидуальной КРМ	➛ 35 - 40% номинальной мощности двигателя
➛ Трансформаторы с индивидуальной КРМ	➛ 2,5% мощности трансформатора ➛ 5% для старых трансформаторов
➛ Централизованная КРМ	➛ 25 - 33% мощности трансформатора для получения cos φ = 0,9 ➛ 40 - 50% мощности трансформатора для получения cos φ = 1

Таблица 1. Ориентировочная оценка требуемой мощности конденсатора

3.3 Список потребителей

При проектировании новой установки для нового объекта или части объекта целесообразно сначала сделать ориентировочную оценку предъявляемых требований. Более точная картина складывается при составлении перечня подключаемых нагрузок с их электрическими характеристиками с учётом коэффициента одновременности. В случаях, когда впоследствии возможно расширение системы, система компенсации реактивной мощности должна быть спроектирована и установлена таким образом, чтобы расширение не сопровождалось большими расходами. Должны быть рассчитаны на увеличение нагрузки кабели к системе компенсации реактивной мощности и релейная защита; также должно быть предусмотрено место для установки дополнительных конденсаторов.

3.4 Определение требуемой емкости конденсатора с помощью измерений

Амперметры и измерители коэффициента мощности часто устанавливаются в распределительном щите. Также для измерения тока удобны токовые клещи. Измерения производятся на питающей линии (например, на трансформаторе) или на линии, питающей оборудование, реактивную мощность которого нужно компенсировать. Одновременное измерение напряжения в распредсистеме повышает точность расчёта, но вместо этого может быть использовано значение номинального напряжения (например, 380 или 400 В).

Активная мощность P определяется по измеренным на-пряжению V, полному току Is и коэффициенту мощности:

P[кВт]=√3∙V[Вт]∙I[А]∙cos⁡〖φ∙〗 〖10〗^(-3)

Если задан целевой коэффициент мощности cos φ, мощность конденсатора может быть рассчитана по следующей формуле. Однако проще определить коэффициент «f» по таблице 2 (стр. 12) и умножить его на рассчитанное значение активной мощности.

QC [вар] = P [Вт] · (tg φфакт – tg φцелевой)

или

QC [вар] = P [Вт] · f

Пример: Измеренный полный ток IS:  248 А Имеющийся коэффициент мощности cos φ факт   0,86 Требуемый коэффициент мощности cos φ целевой   0,92 Напряжение V   397 В

Расчет:

Примечание:

Описанные выше измерения, естественно, дают значения только в данный момент времени. Однако нагрузка может сильно меняться в течение суток и в зависимости от времени года. Поэтому измерения должны проводиться персоналом, знакомым с электроустановкой. Должны проводиться несколько измерений, при этом должны быть включены нагрузки, реактивная мощность которых должна быть скомпенсирована. Измерения должны проводиться быстро, и все показания должны считываться по возможности одновременно, чтобы любое внезапное изменение нагрузки не исказило результаты.  

3.5 Измерения с регистрацией активной и реактивной мощности

Более реальные результаты получаются с помощью приборов с записью результатов измерений. Параметры могут записываться в течение длительного периода времени, при этом также фиксируются пиковые значения. Необходимое значение мощности конденсатора рассчитывается следующим образом:

QC	– необходимая мощность конденсатора
QL	– измеренная реактивная мощность	QC [вар] = QL [вар] – (P [Вт] · tg φцелевой)
P	– измеренная активная мощность
tg φцелевой	– значение tg φ, соответствующее заданному значению cos φ (можно получить из таблицы 2, к примеру, для cos φ = 0,92 соответствующее значение tg φ = 0,43)

3.6 Измерения по показаниям счётчиков

В начале рабочей смены считываются показания счётчиков активной и реактивной энергии. Затем считываются показания обоих счётчиков через 8 часов. Если в течение этого времени был перерыв в работе, длительность 8-часового периода должна быть увеличена на время этого перерыва.

RM1 – начальные показания счётчика реактивной энергии

RM2 – конечные показания счётчика реактивной энергии

AM1 – начальные показания счётчика активной энергии AM2 – конечные показания счётчика активной энергии.

Используя это расчётное значение tgφ и заданное значение cosφ, из таблицы 2 можно получить значение коэффициента f. Необходимую мощность конденсатора можно рассчитать по следующей формуле, где k – коэффициент трансформации трансформаторов тока счётчиков:

Пример:		Расчет:
Были получены следующие показания счётчиков:	(AM1) = 115,3 (AM2) = 124,6
Показания счётчика активной энергии	(RM1) = 311,2 (RM2) = 321,2
Время между замерами	8 ч.
Трансформатор тока (ТТ) коэффициент передачи	150/5 А (= 30)

3.7 Определение емкости конденсатора с помощью счёта энергоснабжающей компании

Величину необходимой мощности конденсатора можно определить относительно просто и точно с помощью месячного счёта энергоснабжающей компании. Если потребление энергии постоянно в течение года, за основу может быть взято потребление за год или за любой месяц (кроме месяца, в котором происходит закрытие года). Если имеются сезонные колебания, разумеется, должен быть выбран счёт сезона с высоким потреблением. Если используется раздельное измерение по обычному и внепиковому тарифам, для расчёта как правило берутся результаты для обычного тарифа. Можно считать, что мощность конденсатора, выбранного таким образом, будет приемлемой для компенсации реактивного тока в ночное время. Однако в некоторых случаях, когда преимущественно используется более дешёвая внепиковая энергия, внепиковым потреблением пренебрегать нельзя.

3.7.1 Тариф за киловатт-час

В тарифе за киловатт-час максимальная мощность, активная энергия и реактивная энергия тарифицируются как отдельные статьи. Как правило, в договорах на поставку электроэнергии не предусматривается плата за реактивную энергию, если её величина не превышает 50% активной энергии. При этом оплачивается только количество, которое превышает эту величину. Это примерно соответствует cos φ = 0,9. Однако рекомендуется использовать при расчёте немного большее значение, например, 0,92, чтобы иметь небольшой запас по номинальной мощности конденсатора. 

Пример расчёта с использованием данных из счёта энергоснабжающей компании:
Активная мощность:    99 кВт Активная энергия (обычный тариф):    17 820 кВт·ч Реактивная энергия (обычный тариф):    19 245 квар·ч

Теперь можно из таблицы 2 получить реальное значение cos φ. Расчётное значение tg φ = 1,08 соответствует значению cos φ_факт = 0,68. Затем из таблицы 2 получаем коэффициент f = 0,65 (cos φ_{целевой} = 0,92).

Необходимая мощность конденсатора определяется как произведение активной мощности на коэффициент f

99 кВт х 0,65 = 64,35 квар

В данном случае должен быть выбран конденсатор с номинальной мощностью 75 квар. Если требуется учесть возможное расширение объекта в будущем, следует выбрать несколько большую ёмкость, например, 100 квар.

3.7.2 Тариф с оплатой за присоединённую мощность

В этом случае энергоснабжающая компания основывает счёт на максимальном количестве электроэнергии, потребленной пользователем в данном месяце. Если для этой цели измеряется не активная, а полная мощность, целесообразно выбрать конденсатор такой мощности, при которой будет достигаться cos φ = 1.

Пример расчёта с использованием данных из счёта энергоснабжающей компании

Максимальная активная мощность    104 кВт Коэффициент мощности cos φфакт    0,62

Из таблицы 2 для нескорректированного cos φ_факт = 0,62 и заданного cos φ_{целевой} = 1 находим коэффициент f= 1,27. Теперь можно рассчитать необходимую номинальную мощность конденсатора.

Произведение активной мощности на коэффициент f

104 кВт х 1,27 = 132,08 квар

В данном случае можно использовать систему компенсации реактивной мощности с мощностью компенсации от 150 до 175 квар со ступенчатым регулированием.

Электронные балласты для люминесцентных ламп, а также светодиодные светильники не требуют компенсации реактивной мощности как таковой. Однако из-за нелинейного характера нагрузки, особенно при большом количестве ламп, возрастает уровень высших гармоник тока (см. главу, по-священную качеству электроэнергии, начиная со страницы 32).

4.1.1 Таблица выбора для газоразрядных ламп

В данной таблице приведены конденсаторы, подходящие для различных типов ламп.

Мощность лампы	Емкость шунтирующего конденсатора
Вт	мкФ
Ртутные лампы высокого давления
50	7.0/ 230 В
80	8.0/ 230 В
125	100/ 230 В
250	18.0/ 230 В
400	25.0/ 230 В
700	40.0/ 230 В
1000	60.0/ 380 В
Натриевые лампы низкого давления
18	5.0/ 230 В
35	20.0/ 230 В
55	20.0/ 230 В
90	25.0/ 230 В
135	45.0/ 230 В
150	20.0/ 230 В
180	40.0/ 230 В
Натриевые лампы высокого давления
50	8.0/ 230 В
70	12.0/ 230 В
100	12.0/ 230 В
150	20.0/ 230 В
250	32.0/ 230 В
400	50.0/ 230 В
1000	100.0/ 230 В

Примечание: В случае балластов с низкими потерями для последовательной установки можно применять конденсаторы с меньшей емкостью, чем указано в таблицах. Рекомендуемая емкость может варьировать от одного изготовителя ламп к другому, но емкость, указанная на дросселе всегда имеет приоритет.

Существуют типоразмеры конденсаторов, которые используются последовательно с балластами с низкими потерями чаще всего:

• 18 Вт 2.7 мкФ /480 В
• 36 Вт 3.4 мкФ /450 В 3.5 мкФ /450 В
• 58 Вт 5.3 мкФ /450 В 5.4 мкФ /450 В

Мощность лампы	Емкость шунтирующего конденсатора		Емкость последовательного конденсатора
Вт	мкФ		мкФ
Люминесцентные лампы
от 4 до 16	2.0/ 230 В
от 18 до 20	4.5/ 230 В		2.9 / 450 В
от 36 до 40	4.5/ 230 В		3.6 / 450 В
от 58 до 65	7.0/ 230 В		5.7 / 450 В
Металлогалогенные лампы
35	6.0/ 230 В
70	12.0/ 230 В
150	20.0/ 230 В
250	32.0/ 230 В
400	35.0/ 230 В
1000	85.0/ 230 В
2000	60.0/ 380 В
3500	100.0/ 380 В

 

4.1.2 Групповая компенсация реактивной мощности для газоразрядных ламп

Рис. 15. Групповая компенсация реактивной мощности газоразрядных ламп, распределенных по трем фазам (с конденсатором типа LKT)	Если несколько газоразрядных ламп включаются и выключаются одновременно, и нагрузка при этом симметрична по фазам, можно использовать трехфазную конденсаторную сборку с номинальным напряжением 440 В.
	Компенсирующая мощность:
	QC = n ∙ C∙ 0.015
	QC: компенсирующая мощность в квар  n: количество ламп, распределенных по трем фазам  С: шунтирующая емкость на лампу в мкФ
	Пример: 24 люминесцентных ламп по 58 Вт
	24 ∙ 7 мкФ∙ 0.015 = 2.52 квар

4.2 Индивидуальная компенсация реактивной мощности трансформаторов

Предписания энергоснабжающих компаний, касающиеся допустимых номиналов конденсаторов, подключаемых к трансформаторам, могут меняться в зависимости от региона. Перед установкой систем компенсации рассматриваемого типа, рекомендуется получить консультацию своей энергоснабжающей организации. Современные трансформаторы имеют магнитопровод, для намагничивания которого достаточно совсем небольшой реактивной мощности. Если мощность компенсирующего конденсатора окажется чрезмерной, возможно возникновение перенапряжений при холостом ходе трансформатора.

Для применения с трансформаторами лучше всего подходят конденсаторы со встроенными предохранителями-разъединителями. Если такие конденсаторы подключаются непосредственно к выводам трансформатора, следует учитывать, что кабели к конденсатору должны быть рассчитаны на полную мощность короткого замыкания.

 

Номинальная мощность трансформатора [в кВА ]	Компенсирующая мощность [в квар]
100 - 160	2.5
200 - 250	5.0
315 - 400	7.5
500 - 630	12.5
800	15.0
1000	20.0
1250	25.0
1600	35.0

Таблица 3. Примерные требования к мощности конденсаторов при индивидуальной компенсации реактивной мощности трансформаторов, установленные Федеральной ассоциацией энергетики и водных ресурсов Германии.

Рис. 16. Трансформатор с постоянно включенными компенсирующими конденсаторами

Конденсатор с предохранителем-разъединителем может подключаться непосредственно к выводам трансформатора. Это означает, что кабели к конденсатору должны быть рассчитаны на полный ток короткого замыкания. Примечание: Рассматриваемые предохранители-разъединители работают при чисто емкостном токе. Соответственно, категорически запрещается размыкать их под нагрузкой, поскольку это может привести к возникновению электрической дуги. Если все же предполагается отключение конденсатора при работающем трансформаторе, следует использовать автоматический выключатель.

4.3 Индивидуальная компенсация реактивной мощности двигателей

Величина компенсирующей мощности должна составлять порядка 90% кажущейся мощности двигателя на холостом ходу.

Необходимая мощность конденсатора

QC[квар] = 0.9 √3 ∙ V[В]∙I0[A]

Это позволяет получить коэффициент мощности порядка 0.9 под номинальной нагрузкой и 0.95-0.98 на холостом ходу. Для асинхронных двигателей с номинальной скоростью 1500 об/мин Федеральная ассоциация энергетики и водных ресурсов Германии (BDEW) рекомендует ориентироваться на номиналы конденсаторов, приведенные в таблице 4. Приведенные значения должны быть увеличены на 5% для двигателей на 1000 об/мин и снижены на 15% для двигателей на 750 об/мин.

 

Номинальная мощность двигателя [в кВт ]	Компенсирующая мощность [в квар]
1 - 1.9	0.5
2 - 2.9	1.0
3 - 3.9	1.5
4 - 4.9	2.0
5 - 5.9	2.5
6 - 7.9	3.0
8 - 10.9	4.0
11 - 13.9	5.0
14 - 17.9	6.0
18 - 21.9	7.5
22 - 29.9	10.0
30 - 39.9	примерно 40% мощности двигателя
40 и более	примерно 35% мощности двигателя

Таблица 4. Примерные требования BDEW к мощности конденсаторов при индивидуальной компенсации реактивной мощности двигателей.

Примечание: В случае электрических машин с индивидуальной компенсацией реактивной мощности, когда конденсаторы подключаются непосредственно к клеммам двигателя, компенсирующая мощность ни при каких обстоятельствах не должна быть завышенной. В частности это относится к двигателям центрифуг с большими маховыми массами на валу, которые могут долго вращаться по инерции после отключения. Шунтирующий конденсатор может привести к переходу двигателя в генераторный режим и возникновению опасных перенапряжений, способных вывести из строя и конденсатор, и двигатель.

В простейшем случае конденсатор подключается непосредственно к клеммам двигателя. При этом не требуется какой-либо дополнительной защиты конденсатора от перегрузок по току, т.к. эту функцию выполняет защита двигателя. Если для защиты двигателя используется автоматический выключатель, рекомендуется снизить его порог срабатывания.

Примечание: Регулируемые электроприводы в зависимости от используемой технологии не потребляют или почти не потребляют реактивную мощность. Однако из-за нелинейного характера нагрузки они потребляют из сети несинусоидальный ток и являются источником гармоник в ней (см. главу, посвященную качеству электроэнергии, начиная со страницы 32).

 

Рис. 17. Типовая схема постоянно включенного компенсатора реактивной мощности двигателя		Сниженный ток отсечки выключателя:
	где
		Ith: новая уставка тока отсечки [А]  In: номинальный ток двигателя согласно заводской табличке [А]  cos ϕ1: cos ϕ по заводской табличке  cos ϕ2: cos ϕ с компенсацией (примерно 0.95)
		Трехфазный конденсатор разряжается непосредственно через обмотки двигателя, сопротивление которых невелико. Поэтому разрядные сопротивления не требуются.

4.3.1 Индивидуальная компенсация реактивной мощности двигателей лифтов и подъемников

Рис. 18. Схема компенсации реактивной мощности двигателя подъемника с отдельным контактором подключения конденсатора и цепью быстрого разряда

Двигатели подъемников и лифтов оборудуются средствами обеспечения безопасности, в частности механическими тормозами, автоматически срабатывающими при пропадании питания. Если трехфазный шунтирующий конденсатор будет подключен непосредственно к двигателю, то наличие в нем запасенной энергии может привести к задержке экстренного торможения и даже несрабатыванию тормоза. Поэтому конденсатор следует включать в цепь до магнитного пускателя, или иного коммутационного аппарата, управляющего двигателем. Конденсатор при этом должен подключаться через отдельный контактор и иметь цепь быстрого разряда, представляющую собой либо разрядные дроссели непосредственно на выводах конденсатора, либо разрядные сопротивления, подключаемые через дополнительные контакты контактора.

Централизованная система КРМ является самой простой в части наблюдения за ее работой. Современные контроллеры КРМ позволяют отслеживать в режиме реального времени состояние коммутационных аппаратов, cos ϕ, активную и реактивную составляющие тока, уровень гармоник в сети. Обычно при централизованной КРМ требуемая полная мощность конденсаторов оказывается меньше, чем при индивидуальной компенсации, поскольку в первом случае возможен учет коэффициента одновременности нагрузок. Это позволяет оптимально использовать установленную мощность конденсаторов.

Рис. 22. Типичная схема автоматизированной системы компенсации реактивной мощности

Глава 5. Особенности продукции

5.1 Силовые конденсаторы

Силовые конденсаторы, изготавливаемые на заводе в Германии, являются оптимальной основой для построения как конденсаторных батарей фиксированной емкости, так и автоматизированных систем компенсации реактивной мощности. Везде, где требуется снижение потребления реактивной мощности, повышение качества электроэнергии и уменьшение затрат на электроснабжение, наши конденсаторы являются наилучшим выбором.

Основные достоинства конденсаторов:

• Высокая перегрузочная способность
• Длительный срок службы
• Максимальная надежность и безопасность

В дополнение к вышеперечисленному мы используем запатентованную конструкцию с контактными кольцами, что позволяет не только сделать конденсаторы «бессвинцовыми», но и повысить их надежность. Конденсаторы выпускаются в четырех исполнениях: «базовое», «стандартное», «премиальное» (Premium) и «для тяжелых условий» (Heavy Duty). Это позволяет выбрать наиболее подходящий вариант, исходя из предполагаемых максимальных токов, температуры окружающей среды и срока службы.

Каждый конденсатор имеет уникальный серийный номер, содержащий информацию о его изготовителе и ссылку на результаты его заводских испытаний.

4 конструктивных особенности, гарантирующих надежную работу

Важные технические параметры

В рамках постоянно ведущихся работ по усовершенствованию силовых конденсаторов, уделяет особое внимание наиболее важным в современных условиях применения параметрам. К таковым, прежде всего, относятся:

• Устойчивость к перенапряжениям
• Стойкость к большим токам
• Термостойкость

Устойчивость к перенапряжениям

В соответствии с требованиями стандартов МЭК 60831-1 и -2, а также EN 60831-1 и -2, все силовые конденсаторы рассчитаны на следующие перенапряжения:

• 8 часов ежедневно:	1.10 х Номинальное напряжение конденсатора
• 20 минут ежедневно:	1.15 х Номинальное напряжение конденсатора
• 5 минут:	1.20 х Номинальное напряжение конденсатора
• 1 минута	1.30 х Номинальное напряжение конденсатора

В приведенной ниже таблице приведены номинальные напряжения конденсаторов и максимальные величины перенапряжений.

Номинальное напряжение конденсатора	240 В	400 В	440 В	480 В	525 В	600 В	690В	760В	800В
8 часов ежедневно	264 В	440 В	484 В	528 В	578 В	660 В	759 В	836 В	880 В
30 минут ежедневно	276 В	460 В	506 В	552 В	604 В	690 В	794 В	874 В	920 В
5 минут	288 В	480 В	528 В	576 В	630 В	720 В	828 В	912 В	960 В
1 минута	312 В	520 В	572 В	624 В	683 В	780 В	897 В	988 В	1040 В

Стойкость к большим токам

В современных сетях электроснабжения практически всегда присутствуют высшие гармоники. Рост количества устройств, таких как преобразователи частоты, приводит к ухудшению условий работы конденсаторов. При работе конденсаторов в сетях с большим уровнем гармоник возможно возникновение опасных резонансных явлений, из-за которых увеличиваются протекающие через конденсаторы токи.

Применимые стандарты требуют, чтобы допустимый длительный ток через конденсаторы составлял не менее 1.3 номинального значения. Однако даже эта величина может быть превышена в сетях с высокими уровнями гармоник. Поэтому все силовые конденсаторы рассчитаны на длительный ток, составляющий от 1.5 до 2.7 номинального значения в зависимости от исполнения конденсатора.

Термостойкость

Высокие температуры отрицательно влияют на срок службы конденсаторов. Эксплуатация и хранение конденсаторов при температурах, превышающих допустимые пределы, приводит к резкому снижению срока службы. В зависимости от максимально допустимой температуры окружающей среды конденсаторы подразделяются на три класса:

Температурные классы	Максимальная температура окружающей среды
	Абсолютный максимум температуры	Средняя за 1 день	Средняя за 1 год
B	45 °C	35 °C	25 °C
C	50 °C	40 °C	30 °C
D	55 °C	45 °C	35 °C

Температуры, указанные выше, относятся непосредственно к окружающей среде, с которой контактирует конденсатор. Иными словами, это температура внутри шкафа или оболочки, в которой установлены конденсаторы. Практика показывает, что приведенные в таблице температуры могут легко быть превышены. Например, высокие температуры весьма вероятны, если система КРМ содержит фильтры с реакторами.

Конденсаторы исполнений «Стандарт», «Премиум» и «Для тяжелых условий» (Heavy Duty) рассчитаны на длительное воздействие температур не менее 60 °C.

Повышенной термостойкости конденсаторов способствует их компактная конструкция, обеспечивающая оптимальное рассеивание тепла.

	Необслуживаемый разъем В разъеме AKD используется хорошо зарекомендовавшая технология WAGO CAGE CLAMP®. Применяемая конструкция пружинных клемм обеспечивает надежный электрический контакт, устойчивый к вибрации и не требующий обслуживания. К разъему можно подключать одно- и многожильные кабели. Разъемы AKD соответствуют степени защиты IP20 (EN 60529) и обеспечивают защиту от случайного прикосновения пальцами и схожими по размеру предметами к токоведущим частям.
5.2 Контроллеры управления реактивной мощностью
	Контроллеры компенсации реактивной мощности являются интеллектуальными устройствами, которые могут быть адаптированы к конкретной сети и системе КРМ, что исключает возможность неправильной работы оборудования. Ошибочные подключения и неверно установленные измерительные трансформаторы автоматически выявляются и отображаются на дисплее, что экономит время на поиск неисправностей. Универсальные алгоритмы управления позволяют реализовать любые стратегии КРМ во всех четырех квадрантах. В дополнение к предупреждению излишних затрат на реактивную энергию, контроллеры обеспечивают: -    снижение потерь в электроустановке потребителя и в питающей сети; -    повышение использования генерирующих мощностей; - снижение износа электрооборудования.

Применение микропроцессорного управления обеспечивает достижение заданного коэффициента мощности за минимальное количество коммутаций. Это минимизирует износ коммутационных аппаратов в системе КРМ и искажения на стороне питающей сети. В некоторых исполнениях контроллеров имеется возможность защиты системы от чрезмерных токов гармоник путем ее отключения. Дружественный интерфейс наших контроллеров заслужил высокую оценку со стороны заказчиков.

Контроллер управления реактивной мощностью с мониторингом качества электроэнергии

Контроллер качества электроэнергии PQC удачно дополняет функционал контроллеров реактивной мощности, что позволяет соответствовать новым требованиям, предъявляемым самими современными системами повышения качества электроэнергии.

Благодаря встроенному микропроцессору PQC способен решать задачи, выходящие за рамки традиционной компенсации реактивной мощности. В частности, в контроллере реализованы новые механизмы защиты, способные защитить не только электроустановку, но и саму систему КРМ. Контроллер PQC контролирует переменные состояния, связанные с риском аварий в сети, и обеспечивает сигнализацию, если они выходят за пределы, установленные техническими стандартами. Кроме того, PQC защищает систему КРМ, работающую в данной сети, отключая ее при возникновении перегрузок. Это значительно снижает риск аварийных отключений системы. Неисправные или частично неисправные ступени конденсаторных батарей автоматически выявляются и исключаются из использования. Исключительно гибкая система управления оповещениями гарантирует, что сообщения, относящиеся к событию, будут направлены туда, где востребована соответствующая информация. Возможность индивидуальной настройки каждого контроллера позволяет использовать PQC где угодно, что делает его идеальным решением для управления качеством электроэнергии во временных системах электроснабжения.

Контроллер PQC прост в установке, имеет интуитивно понятную логику работы, а также автоматическую настройку, хорошо известную пользователям, знакомым с контроллерами КРМ. Имеющиеся средства самодиагностики повышают эксплуатационную надежность изделия, что позволяет снизить затраты и свести к минимуму риск отключений оборудования.

Основные особенности Одно- и трехфазные измерения Работа в четырех квадрантах 6 или 12 выходов управления + 1 контакт сигнализации 5 настраиваемых характеристик управления Меню с простым и понятным языком (немецкий, английский, французский) с графическим диалоговым окном Встроенный мониторинг системных переменных с обработкой данных и сигнализацией   Рекомендованное применение Контроллер PQC обеспечивает четырехквадрантную КРМ в следующих областях: Системы электроснабжения потребителей Сети с генераторами Сети низкого и среднего напряжения Системы КРМ с отстройкой от гармоник или без таковой

Рис. 29. Типичные кривые регулирования для КРМ с оптимизацией ресурса коммутационных аппаратов и индуктивном целевом cos ф при потреблении энергии и емкостном - при экспорте энергии.

Работа с PQC

Контроллер PQC имеет монохромный дисплей с подсветкой, разрешением 128х64, и клавиатуру с пятью клавишами для перемещения по меню (доступны немецкий, английский и французский языки).

Меню структурированы интуитивно понятным образом, что упрощает работу с устройством. На дисплее PQC выводится основная информация по каждой фазе и состояние релейных выходов устройства. Имея эту информацию, оператор может «на глаз» оценить текущий режим системы КРМ. Интеллектуальная функция сигнализации обеспечивает уведомление оператора о критических состояниях системы либо с помощью уведомлений на дисплее, либо с помощью сухого контакта.

Пуско-наладка PQC

При первом включении PQC автоматически определяет конфигурацию системы, в которую включен контроллер, задействованные выходы и емкости соответствующих конденсаторов (мощность компенсации в квар). Оператор выбирает подходящую для конкретного применения характеристику управления или настраивает PQC на выполнение заданных требований. Пять «профилей» управления, специально разработанные под наиболее типичные применения, уже запрограммированы в энергонезависимой памяти устройства. После завершения процедуры пуско-наладки PQC начинает переключать ступени конденсаторной батареи в соответствии с выбранной характеристикой.

Глава 6. Установка

6.1 Трансформаторы тока

6.2 Защита от перегрузок по току и выбор кабелей

При выполнении монтажных работ следует руководствоваться положениями VDE0100 и VDE0105 (ассоциация электротехники и информационных технологий Германии), общими рекомендациями BDEW (Федеральная ассоциация энергетики и водных ресурсов Германии), а также учитывать требования, установленные энергоснабжающей организацией. Согласно CDE0560 часть 46 длительно допустимое действующее значение тока через конденсатор должно составлять не менее 1.3 номинального значения (при номинальном синусоидальном напряжении и номинальной частоте). С учетом того, что отклонение емкости может составлять 10% (т.е. С=1.1 С_ном), максимальный ток может достигать 1.38 номинального значения. Возможность такой перегрузки, а также бросков тока через конденсаторы, должна учитываться при выборе аппаратов защиты и сечений кабелей.

Примечание: Силовые конденсаторы имеют допустимый ток до 2.7 х I_НОМ.

Таблица 5. Уставки защит от перегрузок по току и сечение кабелей по VDE 0298 ч. 4 (способ подключения С)

Мощность, квар	400 В/50Гц			525  В/50 Гц			690  В/50  Гц
	Ток, А	Уставка, A	Сечение, мм2	Ток, А	Уставка, A	Сечение, мм2	Ток, А	Уставка, A	Сечение, мм2
2.5	3.6	10	4 x 1.5	2.7	10	4 x 1.5	2.1	10	4 x 1.5
5	7.2	10	4 x 1.5	5.5	10	4 x 1.5	4.2	10	4 x 1.5
6.25	9.0	16	4 x 2.5	6.9	10	4 x 1.5	5.2	10	4 x 1.5
7.5	10.8	16	4 x 2.5	8.2	16	4 x 2.5	6.3	10	4 x 1.5
10	14.4	20	4 x 2.5	11.0	16	4 x 2.5	8.4	16	4 x 2.5
12.5	18.0	25	4 x 4	13.7	20	4 x 2.5	10.5	16	4 x 2.5
15	21.7	35	4 x 6	16.5	25	4 x 4	12.6	20	4 x 2.5
17.5	25.3	35	4 x 6	19.2	35	4 x 6	14.6	25	4 x 4
20	28.9	50	4 x 10	22.0	35	4 x 6	16.7	25	4 x 4
25	36.1	50	4 x 10	27.5	50	4 x 10	20.9	35	4 x 6
27.5	39.7	63	4 x 16	30.2	50	4 x 10	23.0	35	4 x 6
30	43.3	63	4 x 16	33.0	50	4 x 10	25.1	35	4 x 6
31.25	45.1	63	4 x 16	34.4	50	4 x 10	26.1	50	4 x 10
37.5	54.1	80	3 x 25/16	41.2	63	4 x 16	31.4	50	4 x 10
40	57.7	80	3 x 25/16	44.0	63	4 x 16	33.5	50	4 x 10
43.75	63.1	100	3 x 35/16	48.1	80	3 x 25/16	36.6	63	4 x 16
45	65.0	100	3 x 35/16	49.5	80	3 x 25/16	37.7	63	4 x 16
50	72.2	100	3 x 35/16	55.0	80	3 x 25/16	41.8	63	4 x 16
52.5	75.8	125	3 x 50/25	57.7	80	3 x 25/16	43.9	63	4 x 16
60	86.6	125	3 x 50/25	66.0	1 00	3 x 35/16	50.2	80	3 x 25/16
62.5	90.2	125	3 x 50/25	68.7	1 00	3 x 35/16	52.3	80	3 x 25/16
67.5	97.4	160	3 x 70/35	74.2	125	3 x 50/25	56.5	80	3 x 25/16
68.75	99.2	160	3 x 70/35	75.6	125	3 x 50/25	57.5	80	3 x 25/16
75	108.3	160	3 x 70/35	82.5	125	3 x 50/25	62.8	100	3 x 35/16
87.5	126.3	200	3 x 95/50	96.2	160	3 x 70/35	73.2	125	3 x 50/25
93.75	135.3	200	3 x 95/50	103.1	160	3 x 70/35	78.4	125	3 x 50/25
100	144.3	200	3 x 95/50	110.0	160	3 x 70/35	83.7	125	3 x 50/25
112.5	162.4	250	3 x 120/70	123.7	200	3 x 95/50	94.1	160	3 x 70/35
125	180.4	250	3 x 120/70	137.5	200	3 x 95/50	104.6	160	3 x 70/35
150	216.5	315	3 x 185/95	165.0	250	3 x 120/70	125.5	200	3 x 95/50
175	252.6	400	2x 3 x 95/50	192.5	315	3 x 185/95	146.4	250	3 x 120/70
200	288.7	400	2x 3 x 95/50	219.9	315	3 x 185/95	167.3	250	3 x 120/70
225	324.8	500	2x 3 x 120/70	247.4	400	2x 3 x 95/50	188.3	315	3 x 185/95
250	360.8	500	2x 3 x 120/70	274.9	400	2x 3 x 95/50	209.2	315	3 x 185/95
275	396.9	630	2x 3 x 185/95	302.4	500	2x 3 x 120/70	230.1	400	2x 3 x 95/50
300	433.0	630	2x 3 x 185/95	329.9	500	2x 3 x 120/70	251.0	400	2x 3 x 95/50
350	505.2	800	2x 3 x 240/120	384.9	630	2x 3 x 185/95	292.9	500	2x 3 x 120/70
375	541.3	800	2x 3 x 240/120	412.4	630	2x 3 x 185/95	313.8	500	2x 3 x 120/70
400	577.4	800	2x 3 x 240/120	439.9	630	2x 3 x 185/95	334.7	500	2x 3 x 120/70
500	721.7 1	1000	3x 3 x 185/95	549.9	800	2x 3 x 240/120	418.4	630	2x 3 x 185/95

Таблица 6. Уставки защит от перегрузок по току и сечение кабелей по VDE 0298 ч. 4 (способ подключения С)

Сечение, мм2	NYM D в мм	NYY D в мм	NYY/NYCWY D в мм	H05VV-F D в мм	H07RN-F D в мм
2 x  1.5	9.0	11.0	12.0	10.5	11.5
2 x  2.5	10.5	13.0	14.0	12.5	13.5
3 x  1.5	10.0	11.0	13.0	11.0	12.5
3 x  2.5	11.0	13.0	14.0	13.0	14.5
3 x  4.0	12.5	15.0	16.0	-	16.0
3 x  6.0	14.0	16.0	17.0	-	20.0
3 x 10.0	17.0	19.0	18.0	-	25.5
3 x 16.0	20.0	21.0	21.0	-	29.0
4 x  1.5	10.5	13.0	14.0	12.5	13.5
4 x  2.5	12.0	14.0	15.0	14.0	15.5
4 x  4.0	14.0	16.0	17.0	-	18.0
4 x  6.0	15.0	17.0	18.0	-	22.0
4 x 10.0	18.0	20.0	20.0	-	28.0
4 x 16.0	23.0	23.0	23.0	-	32.0
4 x 25.0	27.5	27.0	28.0	-	37.0
4 x 35.0	31.0	30.0	29.0	-	42.0
4 x 50.0	-	35.0	34.0	-	48.0
4 x 70.0	-	40.0	37.0	-	54.0
4 x 95.0	-	45.0	42.0	-	60.0
4 x 120.0	-	50.0	47.0	-	-
4 x 150.0	-	53.0	52.0	-	-
4 x 185.0	-	60.0	60.0	-	-
4 x 240.0	-	71.0	70.0	-	-
5 x  1.5	11.0	13.5	15.0	13.5	15.0
5 x  2.5	13.0	15.0	17.0	15.5	17.0
5 x  4.0	15.0	16.5	18.0	-	19.0
5 x  6.0	18.0	19.0	20.0	-	24.0
5 x 10.0	20.0	21.0	-	-	30.0
5 x 16.0	24.0	23.0	-	35.0	-
7 x   1.5	-	13.5	-	-	-
10 x 1.5	-	17.0	-	-	-
12 x 1.5	-	17.5	-	-	-
14 x 1.5	-	18.0	-	-	-
16 x 1.5	-	19.0	-	-	-
24 x 1.5	-	23.0	-	-	-

 

NYM:	легкий кабель с пластмассовой оболочке
NYY:	кабель в полимерной оболочке
NYCY	кабель с концентрическим повивом жил в полимерной оболочке
NYCWY:	кабель с концентрическим повивом жил и экраном из медной ленты в полимерной оболочке
H05W-F:	обычный гибкий кабель с резиновой оболочкой (NLH, NMH)
H07RN-F:	усиленный гибкий кабель с резиновой оболочкой (NSH)

 

Таблица 7. Кабельные вводы с кабельными сальниками

Метрическая резьба	Кабельный ввод	Внешний диаметр кабеля	Диаметр отверстия, мм
M 16 x 1.5	11	6.5 - 10.5	19.0
-	13.5	8.0 - 12.5	21.0
M 20 x 1.5	16	10.0 - 15.0	23.0
M 25 x 1.5	21	12.0 - 20.0	29.0
M 32 x 1.5	29	19.0 - 26.5	38.0
M 40 x 1.5	36	29.0 - 34.0	48.0
-	42	34.0 - 41.0	55.0
M 50 x 1.5	48	40.0 - 45.0	60.0

6.3 Степень защиты

Стандарт EN 60529 регламентирует обозначение степени защиты оболочек электротехнических изделий кодами, представляющими собой комбинации двух букв и двух цифр. Обозначение «IP» означает «защита от проникновения» (ingress protection).

Ниже приведены наиболее часто встречающиеся комбинации.

Таблица 8. Наиболее распространенные степени защиты

Степень защиты	От случайного прикосновения	От твердых объектов	От жидкостей
IP00	нет	нет	нет
IP10	от случайного неумышленного контакта	свыше 50 мм в диаметре	нет
IP20	от пальцев и иных объектов длиной до 80 мм	свыше 12.5 мм в диаметре	нет
IP30	от инструментов и проводников толщиной более 2.5 мм	свыше 2.5 мм в диаметре	нет
IP31	от инструментов и проводников толщиной более 2.5 мм	свыше 2.5 мм в диаметре	водяные капли, падающие вертикально
IP40	от предметов и частиц толщиной более 1 мм	свыше 1 мм в диаметре	нет
IP41	от предметов и частиц толщиной более 1 мм	свыше 1 мм в диаметре	водяные капли, падающие вертикально
IP42	от предметов и частиц толщиной более 1 мм	свыше 1 мм в диаметре	водяные капли, падающие под углом 15° к вертикали
IP43	от предметов и частиц толщиной более 1 мм	свыше 1 мм в диаметре	водяные капли, падающие под углом 60° к вертикали
IP54	полная защита	отложение пыли	обливание водой с любого направления
IP65	полная защита	проникновение пыли	водяные струи с любого направления

Глава 7. Формулы для расчетов

8.2 Где возникают гармоники?

В промышленных распредсистемах низкого напряжения, особенно при наличии регулируемых электроприводов, и в любом жилом доме, где их источниками являются телевизоры, компьютеры, энергосберегающие лампы с электронным балластом... Большое количество таких устройств, включенных в вечернее время и создающих искажения кривой тока в одни и те же моменты времени, способно создать высокие уровни гармоник даже в сетях среднего напряжения.

8.3 Каков будет уровень гармоник, если система КРМ еще не установлена?

а) На объекте с собственной распределительной системой низкого напряжения:

Уровень гармоник будет зависеть от установленной мощности полупроводниковых выпрямителей и преобразователей.

Если, например, в системе установлен мощный преобразователь с 6-пульсной схемой выпрямления и его мощность составляет 50% номинальной мощности трансформатора, то уровни гармоник напряжения будут следующие:

• 4% - для 5-й гармоники (250 Гц)
• 3% - для 7-й гармоники (350 Гц)

Однако более распространен случай, когда в системе находятся несколько небольших преобразователей, не связанных друг с другом. Поскольку токи, потребляемые их выпрямителями, не обязательно совпадают по фазе, соответствующие напряжения гармоник будут ниже, чем в приведенном выше случае.

Если, например, установлено несколько выпрямителей с общей мощностью 25% номинальной мощности трансформатора, уровень гармоник составит:

• 1-1.5% - для 5-й гармоники (250 Гц)
• 0.7-1% - для 7-й гармоники (350 Гц)

Эти приблизительные значения позволяют провести предварительную оценку необходимости установки расстроенной системы КРМ.

б) В сети среднего напряжения:

В настоящее время большинство сетей среднего напряжения подвержено влиянию бытовых приборов (в основном, телевизоров), генерирующих гармоники. Это особенно заметно, если изучить суточный график 5-й гармоники.

8.4 Какой эффект оказывает система КРМ на сеть с гармониками?

Система КРМ без расстраивающих элементов образует с реактивными сопротивлениями линии колебательный контур. Резонансную частоту при этом можно оценить по следующей формуле:

Мощность короткого замыкания S_SC в точке присоединения системы КРМ

• определяется в основном трансформатором (S_SC/V_SC);
• понижается на 10% за счет влияния импеданса сети среднего напряжения;
• может значительно снизиться при длинном кабеле между трансформатором и системой КРМ.

Пример:

• Трансформатор 1000 кВА, V_SC=6%;
• Мощность короткого замыкания на стороне СН – 150 МВА, S­_SC ≈2.6 МВА;
• Система КРМ на 400 квар из 8 ступеней без расстройки.

При переключении ступеней конденсаторной батареи КРМ резонансная частота системы f_r существенно меняется и иногда оказывается близка к частоте какой-либо гармоники в сети.

Если собственная частота колебательного контура оказывается близкой к частоте гармоники, следует ожидать роста напряжения на частоте этой гармоники из-за резонанса. В определенных условиях напряжение может вырасти примерно во столько раз, сколько составляет добротность системы Q (в промышленных сетях порядка 5-10!).

Рис.41. Коэффициенты усиления напряжений гармоник в системе КРМ без расстройки, установленной в сети низкого напряжения

8.5 Когда в сети может возникнуть опасный резонанс?

Из вышеприведенной главы можно видеть, что вероятность появления проблем с резонансом на частоте гармоник можно предварительно оценить. Для этого можно использовать простые правила:

1.) Если резонансная частота

• на 10% выше/ниже частоты гармоники в сети, последняя будет усиливаться, если сеть имеет высокое значение Q (например, в вечернее и ночное время) с увеличением амплитуды до четырех раз;
• на 20% выше частоты гармоники в сети, последняя будет усиливаться, если сеть имеет высокое значение Q с ростом амплитуды до 2.5 раз;
• на 30% выше частоты гармоники в сети, последняя будет усиливаться незначительно, с ростом амплитуды до 1.7 раз.

2.) В сети, не имеющей собственных источников гармоник, но при наличии существенного уровня гармоник на стороне среднего напряжения, возможны следующие явления:

• при резонансной частоте ниже 400 Гц: резонансный «пик» на частоте 7-й гармоники;
• при резонансной частоте ниже 300 Гц: опасный резонансный «пик» на частоте 5-й гармоники (250 Гц);

8.6 Когда в сети может возникнуть опасный резонанс?

Мощность короткого замыкания сети определяет ее резонансную частоту и, если в ней присутствуют генераторы гармоник, амплитуду гармоник, присутствующих в напряжении.

• Если мощность короткого замыкания сети в точке присоединения системы КРМ слишком мала, это приведет к проблемам.
• Если мощность короткого замыкания кардинально меняется из-за оперативных переключений, это также приведет к проблемам.

Пример:

На многих крупных промышленных объектах бесперебойность электроснабжения обеспечивается путем «закольцовывания» сети низкого напряжения. Такая сеть имеет высокую мощность короткого замыкания, и даже при наличии крупных систем КРМ и мощных нелинейных нагрузок, вроде выпрямителей, в ней не возникает никаких проблем с гармониками. Это связано с тем, что резонансная частота оказывается высокой, и токи высших гармоник гасятся, не создавая больших падений напряжения в сети среднего напряжения. Но если в кольцевой линии появляется разрыв, например, из-за работ по обслуживанию, мощность короткого замыкания при определенных условиях может существенно упасть, в результате чего резонансная частот окажется ниже 300 Гц.

8.7 Напряжения и токи в системах КРМ без расстройки

При возникновении резонанса действующее напряжение в сети почти не изменяется, но действующее значение тока через конденсатор увеличивается значительно. В случае резонанса на частоте 5-й гармоники, уровень которой примем равным 15%, ситуация будет следующей:

• Действующее значение напряжения в сети увеличится на 1%
• Амплитуда линейного напряжения вырастет на 10-15% (в зависимости от угла сдвига фаз)
• Действующее значение тока конденсатора вырастет на 25%!

В случае резонанса на частоте 11-й гармоники, уровень которой примем равным 10%, ситуация будет следующей:

• Действующее значение напряжения в сети увеличится на 0.5%
• Амплитуда напряжения питания вырастет на 6-10%
• Действующее значение тока конденсатора вырастет на 50%!

Вот почему стойкость к большим токам является одной из самых важных характеристик конденсатора!

Конденсаторы способны выдерживать перегрузки до 2.7 номинального тока, причем в длительном режиме!

Глава 9. Проектирование систем с гармониками

9.1 Что следует сделать, если резонанс возможен, но маловероятен?

Значительная часть проектируемых электроустановок попадает в данную категорию. Например:

• В сети нет собственных источников гармоник, на стороне среднего напряжения также нет гармоник, но резонансная частота ниже 400 Гц.
• Если в конфигурацию сети вносятся изменения, например, во время работ по обслуживанию, при которых резонансная частота может упасть ниже 400 Гц.
• Если в дальнейшем планируется установить установки, содержащие выпрямители.

Для защиты электроустановки от возникновения резонанса без расстройки в случае, когда случайно создадутся условия для его возникновения, рекомендуется установить прибор для мониторинга состояния сети. Такие приборы контролируют все три фазы системы электроснабжения и обеспечивают аварийное отключение оборудования при достижении опасного уровня гармоник. Если уровень гармоник снизится до приемлемого, оборудование может быть включено снова. Пиковые значения сохраняются и могут быть просмотрены по последовательному интерфейсу.

Для распределительных систем с симметричной нагрузкой также возможно установить контроллер компенсации реактивной мощности. Данное устройство тоже контролирует состояние системы и способно обнаружить резонанс при его возникновении. При этом производится определение напряжений гармоник в контролируемых фазах и рассчитывается действующее значение тока через конденсаторы. Если происходит превышение заданного предела, производится отключение электроустановки, с последующим включением при снижении уровня гармоник. 

9.2 Проектирование систем КРМ в сетях с гармониками

Сбор наиболее полной информации, необходимой для проектирования системы КРМ, предполагает выполнение следующих мероприятий:

• Измерение напряжений и токов гармоник в течение нескольких дней без каких-либо устройств КРМ;
• Математический расчет резонансных частот сети.

После этого необходимо оценить ожидаемый уровень гармоник в этой сети:

9.3 Меры по противодействию ожидаемому резонансу

Если из-за резонанса при установке системы КРМ ожидается увеличение напряжений гармоник до следующих уровней:

Возможны серьезные нарушения в работе оборудования:

•  проблемы с IT-системами и станками с ЧПУ
•  повреждение выпрямителей и полупроводниковых преобразователей
•  бесконтрольное отключение ячеек и выключателей
•  отключение систем КРМ без расстройки
•  возникновение перенапряжений в распредсистеме
•  повышение потерь в трансформаторах и асинхронных двигателях из-за вихревых токов

Если уровень отдельных гармоник в сети без КРМ превышает 1.5% (7-я гармоника и выше) или 2% (5-я гармоника), и резонансная частота сети окажется близкой к частотам гармоник, следует рассчитывать на то, что из-за резонансного усиления уровень гармоник превысит указанные значения. В подобных ситуациях следует использовать только расстроенные системы КРМ, т.к. в противном случае пострадает надежность электроснабжения.

Расстроенный конденсатор представляет собой конденсатор, последовательно с которым включен фильтрующий дроссель (реактор). Частота последовательного резонанса такой цепи задается индуктивностью дросселя таким образом, чтобы она была ниже частоты 5-й гармоники (250 Гц). Данная цепь ведет себя как индуктивность для всех частот, превышающих частоту последовательного резонанса. Соответственно, резонанс между конденсатором и паразитными индуктивностями сети становится невозможным. Расстроенная система подавляет часть токов гармоник. Для исключения возможности перегрузки из-за 5-й гармоники, все еще присутствующей в сети, в настоящее время существует практика выбирать резонансную частоту расстроенной цепи, равной 189 Гц или ниже.

Расстроенная цепь характеризуется резонансной частотой контура конденсатор-дроссель f_r или отношением падения напряжения на дросселе к падению напряжения на конденсаторе p. Эти два параметра связаны следующим соотношением:

Пример:             p=0.07 (расстройка 7%) в системе 50 Гц, fr=189 Гц

Импеданс расстроенного конденсатора при 250 Гц ниже, чем импеданс самого конденсатора (без расстройки). Эта разница характеризуется коэффициентом x.

Расстроенная система КРМ для 5-й гармоники имеет:

• Характеристику последовательного контура при x>1
• Характеристику параллельного контура при x<1

При ярко выраженной склонности к последовательному резонансу, максимальный уровень гармоники с частотой 250 Гц должен быть ограничен, чтобы исключить перегрузку реактора.

 

→p = 5.7% →p = 7 % →p = 8 % →p = 14%

fr =  210 Гц fr =  189 Гц fr =  177 Гц fr =  134 Гц

x = 2.4 x = 1.33 x = 1.0 x = 0.42

→ v250max = 4% → v250max = 5% → v250max = 5% → v250max = 5%

→ при расстройке 7% → при расстройке 5.7% → при расстройке 14%

до 4% х 5(=250 Гц/50 Гц) х 1.33 = 0.27 х In до 4% х 5(=250 Гц/50 Гц) х 2.40 = 0.48 х In до 4% х 5(=250 Гц/50 Гц) х 0.42 = 0.08 х In

(I_n = номинальный ток системы при 50 Гц)

При проектировании расстроенной системы КРМ следует учитывать следующие факторы:

•  Конденсаторы с расстройкой и без нее никогда не должны устанавливаться параллельно друг другу в одной и той же распредсистеме.
•  Параллельная работа фильтров с различными коэффициентами расстройки (p) возможна, но нагрузка на них окажется разной, в связи с чем в случае высоких уровней гармоник необходимо провести тщательный расчет их режимов.
•  Если распредсистемы низкого напряжения изолированы друг от друга (т.е. трансформаторы не могут быть соединены на стороне низкого напряжения), то при необходимости в одной из них допускается использовать КРМ с расстройкой, а во второй – без расстройки.
•  Любое выбранное устройство КРМ должно соответствовать требованиям конкретной энергоснабжающей организации.

9.4 Максимально допустимые уровни гармоник

При оценке качества электроэнергии следует руководствоваться применимыми для конкретного случая стандартами. Для большинства источников питания низкого напряжения, подключенных к распределительным сетям общего пользования, обычно применимы два стандарта:

•  EN 50160 «Характеристики напряжения для электроэнергии, поставляемой электросетями общего пользования» - рассмотрены напряжения гармоник до 25-го порядка.
•  EN 61000-2-2 «Уровни совместимости для низкочастотных кондуктивных помех и сигналов систем сигнализации в низковольтных электросетях общего пользования» - рассмотрены напряжения гармоник до 50-го порядка включительно.

10.2 Влияние систем КРМ без расстройки

Система КРМ без расстройки совместно с реактивными сопротивлениями сети образует колебательный контур, резонансная частота f_r которого убывает с ростом компенсирующей мощности. Вблизи резонансной частоты импеданс колебательного контура оказывается очень низким, что может значительно снизить уровень сигналов команд в СДУ.

Рис.44. Зависимость коэффициента импеданса α*от количества введенных ступеней конденсаторной батареи.

При полностью введенных конденсаторах системы КРМ коэффициент импеданса α* ≥ 0.5 может быть достигнут только для частоты сигнала СДУ 166 Гц.

Если поддержание требуемого коэффициента импеданса невозможно, следует выбрать систему КРМ с расстройкой. Установка режекторного фильтра ЗЧ последовательно с системой КРМ для увеличения импеданса, как это делалось в свое время, в современных электросетях с большим количеством гармоник не рекомендуется.

10.3 Влияние систем КРМ без расстройки

Расстройка систем КРМ позволяет снизить резонансную частоту (вопрос подробно рассматривается ниже, начиная со стр. 43) до величины, не превышающей 250 Гц. Все гармоники, лежащие выше резонансной частоты расстроенного контура, будут не усиливаться, а напротив, ослабляться. Это позволяет получить адекватные значения коэффициента импеданса α^* для рабочих частот СДУ, отстоящих достаточно далеко от резонансной частоты расстроенной цепи.

В зависимости от конкретной реализации расстроенной системы КРМ, частоты команд СДУ могут быть надежно заблокированы без необходимости применения режекторного фильтра ЗЧ.

Для того чтобы обеспечить максимальную надежность работы системы КРМ и исключить влияние на сигналы СДУ, используемые энергоснабжающими организациями, мы рекомендуем следующие типовые решения для коэффициентов компенсации (отношение мощности трансформатора к компенсирующей мощности) до 50 %:

Частота дистанционного управления (в Гц)	Тип системы КРМ (коэффициент расстройки)	На что обратить внимание… Основные преимущества и недостатки
≥ 166	p = 14% (fr = 134 Гц)	Только оказывает блокирующий эффект на гармоники; годится для систем с гармониками, кратными трем. Решение дорогое.
≥ 216.67	p = 8% (fr = 177 Гц)	Оказывает умеренный блокирующий эффект на гармоники, не годится для систем с гармониками, кратными трем. Решение относительно дорогое.
≥ 228	p = 7% (fr = 189 Гц)	Недорогое решение. Приемлемый блокирующий эффект; не годится для систем с гармониками, кратными трем.
≥ 270	p = 5.67% (fr = 210 Гц)	Блокирующий эффект на гармоники, зачастую, слишком велик. Не годится для систем с гармониками, кратными трем. Не рекомендуется без предварительного анализа режимов системы.

Рис.45. Зависимость коэффициента импеданса α*от количества введенных ступеней конденсаторной батареи при расстройке 14%.

Рис.46. Зависимость коэффициента импеданса α*от количества введенных ступеней конденсаторной батареи при расстройке 8%.

Приведенные рекомендации основаны на многолетнем практическом опыте и не противоречат рекомендациям по предотвращению недопустимого влияния на СДУ, разработанным Федеральной ассоциацией энергетики и водных ресурсов Германии (BDEW), Ассоциацией компаний, обеспечивающих безопасность Австрии (VSO) и Ассоциацией электросетевых компаний Швейцарии (VSE).

10.4 Варианты расстроенных систем КРМ

• Расстройка от 12.5 до 14%

Вариант с расстройкой от 12.5 до 14% пригоден для распредсистем с частотами СДУ выше 166 Гц, и режекторный фильтр ЗЧ не требуется. Недостатком такого решения является более высокая стоимость дросселей и конденсаторов, а также низкая способность к подавлению гармоник, присутствующих в промышленных сетях. В сетях низкого напряжения с высокими уровнями 5-й гармоники данный вариант лучше не рассматривать, особенно в системах мощностью >200 квар. Вместо него лучше предпочесть варианты с p=7 или 8%. Однако, сети низкого напряжения с очень высокими уровнями 3-й гармоники (150 Гц) являются исключением. Источником 3-й гармоники обычно является сама трехфазная система со значительной несимметрией нагрузки или большое количество однофазных источников, что характерно для офисных зданий, банков, больниц и крупных магазинов. Для исключения резонанса на рассматриваемой частоте следует использовать расстроенную систему с резонансной частотой ниже 150 Гц; варианты с расстройкой 14% подходят лучше всего. В целом, варианты с расстройкой 7 или 8% в таких системах использовать не следует.

•  Расстройка от 7 до 8%

Системы КРМ с расстройкой 7% имеют доказанную эффективность для большинства промышленных применений. Резонансная частота имеет оптимальное значение с точки зрения подавления чаще всего встречающихся в промышленных сетях гармоник (в основном 5-й и 7-й) и обеспечения достаточного запаса по перегрузочной способности. Для промышленных сетей с более или менее симметричной нагрузкой с обычными уровнями гармоник и частотами СДУ выше 228 Гц рассматриваемое решение является идеальным! Варианты с расстройкой 8% предназначены для сетей с частотой СДУ 216.67 Гц.

•  Расстройка от 5 до 5.67%

Как правило, системы с такой расстройкой используются из-за их повышенной способности к подавлению гармоник. Если, однако, в системе присутствует высокий уровень гармоник, проникающих из сети среднего напряжения, вариант с расстройкой 5-5.67% рассматривать не следует из-за риска перегрузки. Вместо него следует предпочесть вариант с p=7%. При очень высоких уровнях гармоник следует рассмотреть возможность установки фильтров, рассчитанных под конкретный объект. См. параграф 12.1 «Пассивные фильтры» (с.51).

•  Комбинированная расстройка

Этот вариант системы КРМ содержит несколько ступеней с разными резонансными частотами (как правило, 12.5/14% и 5/5.67%). Количество ступеней и номиналы их компонентов выбираются так, чтобы отношение мощностей было примерно 1:1. Системы с комбинированной расстройкой раньше широко использовались в сетях, где частоты СДУ, используемые энергоснабжающей организацией, лежали в диапазоне от 166 до 190 Гц, поскольку это более простое решение по сравнению с установкой расстроенной системы КРМ с режекторными фильтрами ЗЧ. В настоящее время данное решение не рекомендуется из-за высоких уровней гармоник в современных сетях, связанного с этим риска перегрузки ступеней, неравномерного распределения тепловых потерь по ступеням и ограничений, связанных с системой управления.

•  Индуктивные системы КРМ

В сетях с емкостным коэффициентом мощности (например, солнечные фермы, сети с большим количеством импульсных источников питания и т.д.) требуется установка индуктивностей, а не конденсаторов. Были созданы регулируемые системы КРМ для подобных случаев. Дополнительная информация по этому вопросу приведена в параграфе «Компенсация емкостной реактивной мощности» на стр.59.

10.5 Контроль состояния действующих систем КРМ

Обслуживание систем КРМ после их установки не менее важно, чем предшествующая работа по проектированию и планированию. Очень часто о системе КРМ после успешного ввода в эксплуатацию попросту забывают. Пользователь в большинстве случаев не задумывается о том, что контакторы, коммутирующие конденсаторы, изнашиваются, до тех пор, пока не происходит отказ контактора с соответствующими последствиями. Контакторы, переключающие емкостные нагрузки, работают в тяжелых режимах. При дребезге контактов возникают большие зарядные и разрядные токи в конденсаторах, в результате чего контакты подвергаются быстрому износу. Своевременная замена контакторов значительно продлевает срок службы системы КРМ. В контроллерах КРМ реализованы счетчики коммутационных циклов контакторов, что позволяет вовремя оповещать пользователя об их износе. Контроллер указывает оптимальное время замены контакторов, что помогает снизить эксплуатационные затраты. В целях организации планово-предупредительного ремонта пользователь может просматривать общее число коммутационных циклов для каждой ступени в отдельности.

Изменение обстановки в сети может привести к нарушениям в работе всей распредсистемы низкого напряжения. Целью мониторинга состояния системы является выявление таких нарушений на ранней стадии. Измерители качества электроэнергии обеспечивают своевременное оповещение о проблемах до того, как произойдет отказ всей системы или ее компонентов. Все параметры, относящиеся к надежности и безопасности сетей низкого и среднего напряжения, температуры чувствительных компонентов системы, потребление активной и реактивной энергии постоянно регистрируются и анализируются, с последующим формированием отчетов.

10.6 Что делать, если в сети высокий уровень гармоник, но потребление реактивной мощности низкое?

В подобных случаях существует несколько способов ограничения токов гармоник, вызванных процессами в нагрузках, которые их создают.

Наиболее распространенным способом решения проблемы являются:

•  Установка нескольких пассивных фильтров (резонансных контуров), настроенных на совместную работу.
•  Выделение нагрузок с сильной нелинейностью и чувствительных потребителей в раздельные группы, питаемые от разных трансформаторов.

Однако эти решения имеют два основных недостатка:

•  Улучшение качества электроэнергии достигается только для конкретной электроустановки. Каждое последующее расширение может свести к нулю все достигнутые результаты.
•  Очень часто реализация рассматриваемых решений на действующем объекте оказывается проблематичной.

Для следующих случаев:

•  Очень высокие уровни 3-й, 9-й и 15-й гармоник с вызываемым ими большим током нейтрального проводника;
•  Необходимость в последовательных резонансных контурах для ограничения токов гармоник, попадающих в сеть среднего напряжения;
•  Низкое потребление реактивной мощности при высоких токах гармоник, например, из-за большого количества регулируемых асинхронных электроприводов.

следует рассмотреть установку активных фильтров гармоник или комбинаций пассивных фильтров с активными фильтрами, которые часто оказываются более оптимальным решением.

Глава 11. Измерение и анализ качества электроэнергии

Реализация измерений качества электроэнергии и нагрузок потребителей, а также требования к формируемым отчетам (извлечение из документа «Рекомендации по измерению уровней гармоник и мощности в электрических сетях», изданного Ассоциацией производителей электротехники и электроники Германии).

11.1 Введение

Электросети Германии являются одними из самых надежных в мире. Однако надежность электроснабжения не означает высокого качества электроэнергии. Форма напряжения в сети может отличаться от синусоидальной, а само напряжение – отклоняться от номинального значения. Поэтому обеспечение высокого качества электроэнергии становится все более важным как в промышленных, так и в муниципальных распределительных сетях. Количество и разнообразие полупроводниковых преобразователей, от импульсных источников питания до регулируемых электроприводов прокатных станов, за последние годы значительно выросло. Кроме того, строятся новые высоковольтные линии постоянного тока (HVDC), как в глубине материковой части страны, так и на морском шельфе, где размещены ветряные фермы. Таким образом, в производстве и потреблении значительной части электроэнергии так или иначе участвует силовая электроника. Вот почему в настоящее время контроль качества электроэнергии стал важным фактором как при проектировании, так и при эксплуатации электросетей. Приведенные рекомендации устанавливают минимальные требования к техническим отчетам, связанным с измерением и анализом качества электроэнергии, а также выбором номинальной мощности.

11.2 Качество электроэнергии

Термин «качество электроэнергии» часто используется для описания возмущений, влияющих на качество электропитания, в частности:

•  Гармоники с частотой до 2.5 кГц в напряжении питания и/или потребляемом токе;
•  Быстрые изменения напряжения (например, фликер), а также медленные изменения напряжения, такие как выход за пределы нормальных значений;
•  Коммутационные перенапряжения, которые, зачастую, проявляются только резонансным «звоном» в кабельных линиях;
•  Напряжения и токи интергармоник с частотой до 2 кГц , а также напряжения и токи субгармоник;
•  Асимметрия токов и напряжений;
•  Помехи на звуковых частотах.

11.3 Параметры энергопотребления

При измерении качества электроэнергии важно различать основную гармонику (например, 50 Гц), высшие гармоники и прочие составляющие, вызванные несимметрией или модуляцией:

•  Активная мощность, коэффициент мощности по первой гармонике и реактивная мощность искажения;
•  Реактивная мощность, вызванная несимметрией/модуляцией;
•  Реактивная мощность (включает в себя все перечисленные формы реактивной мощности и всегда положительна);
•  Полная мощность, включающая в себя все вышеперечисленные компоненты;
•  Коэффициент мощности λ и коэффициент мощности по первой гармонике cos ϕ.

При записи гармоник следует использовать десятиминутные интервалы. Современные измерительные приборы позволяют задавать и дополнительные интервалы. Во многих случаях следует использовать усредненные за 10 минут значения для выявления «динамических» событий в электросети. С этой целью приборы обеспечивают измерение максимальных значений измеряемых параметров за 10 и/или 200 мс, в зависимости от типа прибора. Полученные результаты должны оцениваться с точки зрения влияния на качество электроэнергии.

11.4 Нормативная база

Качество электроэнергии и параметры, связанные с соотношением активных и реактивных мощностей, обычно анализируются в соответствии со следующими стандартами и рекомендациями:

•  МЭК 61000 – предельные значения величин, относящиеся к качеству электроэнергии в промышленных и муниципальных электросетях низкого и среднего напряжения (только напряжения);
•  EN 50160 – общественные электросети, осуществляющие электроснабжение на высоком, среднем и низком напряжении (только напряжения);
•  Указания по применению VDE 41хх по электроснабжению на высоком, среднем и низком напряжении (только напряжения);
•  МЭК 60871 – высоковольтные силовые конденсаторы;
•  МЭК 60831 – низковольтные силовые конденсаторы;
•  DIN EN 61800 – регулируемые электроприводы;
•  прочие международные стандарты: IEEE 519, GB/T 15543, GOST 13109, Engineering Recommendations G5/4-1 and P28;
•  договор с энергоснабжающей организацией, в котором прописаны условия, касающиеся коэффициента мощности cos ϕ, и иные согласованные условия.

Измеренные значения должны быть в установленных пределах от 95 до 100% времени измерения (обычно неделя), в зависимости от конкретного стандарта.

11.5 Работы по измерению

По итогам измерения качества электроэнергии в окончательный отчет должна быть записана следующая информация:

• Полное наименование компании, местоположения и подстанции;
• Причина выполнения измерений (плановая проверка, наличие возмущений, предполагаемое расширение сети, проектирование объекта);
• Точный метод измерения;
• Схема (упрощенная или подробная), из которой ясно, в какой точке проводились измерения, и в каком состоянии находились коммутационные аппараты;
• Условия нагрузки (обычная нагрузка или отличающаяся от нормальной);
• Точный метод измерения;
• Контролируемый потребитель (например, регулируемый привод или сварочный аппарат) с указанием его характеристик и, по возможности, профиля нагрузки;
•  Оборудование КРМ и состояние относящихся к нему коммутационных аппаратов;
•  Фильтры в сети;
•  Генерирующие мощности и системы аварийного электропитания;
•  Используемая при измерениях нормативная база (стандарты, указания);
•  Кем выполнялись измерения;
•  Имя диспетчера распределительной сети.

11.6 Пригодность измерительного оборудования

Перед выполнением измерений следует провести техническое совещание с заказчиком для полного прояснения обстоятельств, связанных с необходимостью изменений. По результатам этой встречи делаются выводы о том, какое измерительное оборудование следует использовать.

Следует понимать разницу между простыми задачами, когда речь идет о записи статистических данных простыми приборами, и технически сложным анализом процессов в сети, требующих приборов с разрешением по частоте от 20 до 150 Гц, способных вести запись «по событию». Это особенно важно для последнего поколения преобразователей и резонансов в сети, обусловленных емкостями приборов (например, системы КРМ без расстройки, входные фильтры, силовые кабели).

Измерение качества электроэнергии

Для измерения качества электроэнергии следует всегда использовать приборы класса А по МЭК 61000-4-30. Это гарантирует, что результаты измерений удовлетворяют соответствующим стандартам, и позволяют использовать их без ограничений. Для оценки обстановки в точке присоединения к сети общего пользования следует использовать 10-минутный интервал измерения. В случае анализа характеристик нагрузки интервал измерений может быть сокращен, или же можно использовать запись осциллограмм (например, для выявления коммутационных возмущений). Для правильного определения значений фликера при настройке прибора следует задать номинальное значение напряжение питания.

Сигналы звуковых частот

Перед измерениями необходимо выяснить у заказчика или энергоснабжающей организации, какие сигналы ЗЧ используются в сети, после чего ввести в прибор соответствующие величины. Частота сигнала и его уровень имеют большое значение при выборе мер по снижению уровня гармоник.

Измерение тока

Токи могут измеряться с помощью разъемных трансформаторов тока или катушек Роговского. При этом следует учитывать коэффициент трансформации и фазовый сдвиг тока относительно напряжения. Если измерительный прибор имеет функцию построения векторных диаграмм, это следует использовать для исключения ошибок измерения. Современные измерительные приборы имеют возможность «постобработки» данных для коррекции результатов, полученных при неправильных настройках.

Измерение мощности

Во многих случаях измерение мощностей следует проводить с разрешением, соответствующим интервалу опроса прибора в 15 минут. При этом следует учитывать передаточные характеристики трансформаторов напряжения, особенно в сетях среднего и высокого напряжения. В зависимости от трансформатора значительные искажения измеряемых величин могут наступать при частотах от 1 кГц, что определяется собственными резонансными частотами трансформатора. В настоящее время используется все больше силовых преобразователей, генерирующих четные гармоники и интергармоники. Поэтому следует оценить возможность проведения соответствующего анализа с помощью используемых измерительных приборов и при необходимости отразить это в отчете. Точность результатов измерения всегда должна оцениваться как до измерения, так и после, с учетом класса точности прибора, характеристик трансформатора и прочих участвующих в измерении устройств. Положение катушки Роговского, например, может влиять на точность измерений, причем величина ошибки может доходить до 20%.

11.7 Реализация измерений

Перед началом проведения измерений необходимые изменения нагрузки или состояния коммутационных аппаратов должны быть обговорены с эксплуатирующей организацией. Соответствующая информация должна быть зафиксирована главным энергетиком, если она не очевидна из результатов измерений.

Продолжительность измерений, которые должны покрывать все условия нагрузки, выбирается, исходя из упомянутой информации. Только после этого можно принимать меры, касающиеся оперативного управления сетью – например, если пределы, установленные стандартами, достигнуты или превышены.

Если производятся измерения случайных процессов, может потребоваться внешний запуск при коммутациях аппаратов или изменениях нагрузки.

Во избежание производственного травматизма, для длительных измерений, проводимых без надзора, допускается использовать только сертифицированное оборудование, измерительные кабели и адаптеры.

11.8 Формат отчета и рекомендации

Существует два возможных варианта технических отчетов, представляющих результаты измерений:

•  Краткая пояснительная записка с избранными измерениями
•  Подробный отчет с разделами, посвященными теории (объяснение наблюдаемых явлений, таких как фликер, гармоники, просадки напряжения и др.) и описанию процедур измерения, а также различными приложениями, относящимися к конкретным точкам, где проводились измерения.

В обоих случаях следует провести оценку результатов измерений с точки зрения соответствия стандартам, требованиям сетевого оператора или иным установленным пределам. При этом лицо, выполняющее анализ сети, часто не являющееся экспертом в области качества электроэнергии, имеет возможность оценить выполненные измерения и изложить свои выводы, касающиеся эксплуатации данной сети.

Если установленные пределы превышены, например, для гармоник, фликера (быстрые колебания напряжения) или реактивной мощности, в отчете должны быть приведены рекомендации по исправлению ситуации, касающиеся энергоснабжающей организации или потребителей:

•  Повышение мощности короткого замыкания путем замены трансформатора или повышения пропускной способности сети;
•  Изменение частоты модуляции полупроводниковых преобразователей, установленных в системе;
•  Замена диодных выпрямителей, подключенных к сети, на активные схемы выпрямления;
•  Установка систем КРМ на базе конденсаторов с контакторным управлением (или, для быстро изменяющихся нагрузок, с использованием твердотельных ключей), а в некоторых случаях и на базе реакторов;
•  Применение пассивных фильтров (с учетом их емкостной реактивной мощности);
•  Установка активных фильтров гармоник;
•  Установка систем динамической фильтрации, которые способны генерировать как емкостную, так и индуктивную реактивную мощность.

Необходимо также упомянуть и возможные будущие изменения в сети заказчика (увеличение потребления, установка регулируемых электроприводов и др.). При этом рекомендации должны содержать лишь объективную оценку эффективности предлагаемых мер на стороне заказчика или энергоснабжающей организации и экономических показателей (например, потерь электроэнергии), без рекламы каких либо компаний или оборудования.

Глава 12. Системы фильтрации гармоник

12.1 Системы с пассивными фильтрами

Пассивные фильтры, представляющие собой последовательные колебательные контуры, настраиваются непосредственно на конкретные гармоники. Формально, такие фильтры предназначены только для фильтрации гармоник, а не для целей КРМ. Поскольку в современных электроустановках, как правило, требуется относительно небольшая мощность компенсации, подавление максимального количества гармоник при минимальной реактивной мощности оказывается непростой задачей. Пассивные фильтры имеют номинальный ток порядка 300 А при реактивной мощности всего 100 квар, что является образцовым с экономической точки зрения решением!

Эффективное подавление гармоник имеет побочный эффект в виде высокого риска перегрузки системы в случае изменения условий в сети. Для получения оптимального подавления гармоник при минимальном риске перегрузки самые современные системы фильтрации оборудуются устройством автоматической расстройки отдельных ступеней. Это позволяет повышать или понижать эффективность фильтрации, обеспечивая адаптацию системы в виде оптимальной степени расстройки. Пассивная система фильтрации с автоматической расстройкой обычно состоит из следующих компонентов: Цепь нагрузки из нескольких модулей фильтра (силовые конденсаторы, реакторы, коммутационная аппаратура, защита от перегрузки по току); До трех расстроенных ступеней регулирования на модуль фильтра (расстраивающие конденсаторы, реакторы, защита от перегрузки по току); Система управления верхнего уровня (измерительный прибор, анализирующий процессы в сети, с функцией контроллера).       Систему управления верхнего уровня анализирует и сохраняет данные о качестве электроэнергии и величине нагрузки ступеней фильтра. На основании собранных данных она управляет ступенями регулирования фильтра и расстраивающих цепей. При этом контролируемыми переменными обычно являются уровни гармоник и величина нагрузки.

12.2 Системы с активными фильтрами

Основным преимуществом активных фильтров является то, что они обеспечивают подавление высших гармоник, не оказывая влияния на коэффициент мощности для основной гармоники (50 Гц). Кроме того, активные фильтры сохраняют свою эффективность при расширении объекта и изменении параметров сети. Модульная конструкция активных фильтров позволит выбрать номинальную мощность фильтра в соответствии с новыми требованиями, и дальнейшие изменения могут проводиться в любое время путем добавления дополнительных модулей. Это означает, что первоначальные вложения в оборудование не пропадут даром!

Принцип действия активных фильтров гармоник

 

Рис.49. Принцип действия активного фильтра I1: Ток основной гармоники I1: Ток подавляемой гармоники

Активные фильтры включаются в параллель с источниками гармоник. Фильтр производит анализ токов гармоник, создаваемых нелинейными нагрузками, и обеспечивает ввод компенсирующего тока, который находится в противофазе с подавляемыми гармониками. При этом фильтр может действовать как во всем частотном спектре (от 2-й до 50-й гармоники), так и избирательно – на целевую гармонику. Работа фильтра обеспечивает подавление токов гармоник в точке присоединения, при условии, что номинал системы выбран правильно. Пара «фильтр – нелинейная нагрузка» выглядит для сети как линейная цепь, потребляющая чисто синусоидальный ток. Установка такого фильтра проста. Все, что требуется – трехфазный фидер с нулевым проводником или без него. На линии, идущей к нелинейной нагрузке, следует установить трансформатор тока.

Рис.50. Уровни гармоник, измеренные без фильтра

Рис.51. Уровни гармоник, измеренные с фильтром

Типичные области применения активных фильтров:

•  Распределительная система с многочисленными полупроводниковыми преобразователями, для которой не допускается большая эмиссия токов гармоник в питающую сеть, например, если к электроустановкам ведут длинные линии и, как следствие, мощность короткого замыкания низка;
•  В системе установлены современные регулируемые электроприводы, создающие высокий уровень гармоник, но не требующие компенсации реактивной мощности;
•  Сети низкого напряжения с высоким уровнем 3-й гармоники, причиной которой являются однофазные источники гармоник. См. описание проблем с нулевым проводником на с.33.

В дополнение к подавлению гармоник активные фильтры могут выполнять и другие функции, такие как динамическая компенсация реактивной мощности и симметрирование нагрузки.

Специализированные быстродействующие системы с регулированием по напряжению позволяют подавлять гармоники вплоть до 100-го порядка путем влияния на импеданс системы. См. тему «Активные фильтры» (с регулированием по напряжению) на с.57 и далее.

Глава 13. Полезная информация

13.1 Активные фильтры (с управлением по току):

«Активность против гармоник»

Потребителям электроэнергии предлагаются всевозможные средства для снижения уровня гармоник в их распределительных сетях по приемлемым ценам. Обычный способ полного подавления или ослабления гармоник состоит в установке устройства, замыкающего токи гармоник через пассивные элементы. Это подразумевает, однако, установку последовательных резонансных контуров (индуктивностей и конденсаторов) для каждой подавляемой гармоники, чтобы исключить нежелательные явления. Более удобным решением является использование активного фильтра гармоник.

Правильная установка оборудования имеет определяющее значение для эффективной работы устройств подавления гармоник. Неправильное подключение системы может привести не только к снижению эффективности работы фильтра, но и усилению имеющихся возмущений в сети, а иногда и к возникновению новых. Каждая электроустановка требует правильного заземления. Эффективная и грамотно спроектированная система заземления является основой любой системы электроснабжения. При наличии дефектов в системе заземления возникают паразитные наводки и электромагнитные помехи, а гармоники получают возможность свободного распространения. Основной же функцией заземления является исключение возможности возникновения опасных для жизни потенциалов на корпусе оборудования относительно земли при неисправностях и исключение помех протеканию тока с корпуса на землю. Это является единственным способом обеспечить быстрое срабатывание защиты от перегрузки по току за счет того, что ток, потребляемый из сети при замыкании на землю, оказывается достаточно большим. Еще одной задачей системы заземления является выравнивание потенциалов между различными частями электроустановки, т.к. в противном случае могла бы возникнуть нежелательная разница потенциалов.

Строгое разделение N и PE

Если разделение между проводниками N и PE не обеспечено, например, в случае, когда токи нагрузки протекают по PE-проводнику, вокруг проводников заземления и выравнивания потенциалов возникают электромагнитные поля, которые могут приводить к нежелательным эффектам. Поскольку указанные поля могут возникать и в экранированных кабелях связи, результатом может стать потеря передаваемых данных. Наличие контакта РЕ-проводника с проводящими средами (например, трубы водоснабжения, газоснабжения, отопления и др.) приводит к протеканию токов нагрузки через них. Как следствие, возникают паразитные напряжения и коррозия.

Поэтому основным требованием при проектировании современных систем электроснабжения является четкое разделение проводников N и РЕ, которые должны оставаться изолированными друг от друга с момент ввода электроустановки в эксплуатацию.

В нашей практике был случай, когда была нарушена телефонная связь, а экраны мониторов мигали из-за влияния гармоник. Измерения уровня гармоник показали, что в системе доминировала 3-я гармоника, составлявшая целых 35% от номинального тока. Оказалось, что она протекала не только в нейтрали (N), но и в РЕ-проводнике.

Типовой пример

Обычный ПК с адаптером питания на 250 Вт имеет ток утечки 1 мА. В это значение входят как основная гармоника (50 Гц), так и различные высшие гармоники. Ток утечки «загрязняет» РЕ-проводник, что в целом не сильно влияет на надежность системы. Если к сети подключено 100 ПК, этот ток составит порядка 0.1 А. Полагая сопротивление РЕ-проводника равным 1 Ом, получим, что падение напряжения в нем составит 0.1 В. Рабочая система заземления обычно имеет низкое сопротивление (проводник сечением 10 мм² имеет сопротивление лишь 0.0012 ом/м). Однако, в системе с номинальным током нагрузки 100 А, ток 3-й гармоники может легко достигать 40 А, что в нашем случае даст падение напряжения не менее 40 В.

Данный случай - классический с точки зрения использования активного фильтра гармоник. Компенсируя токи гармоник нагрузок, генерирующих их в большом количестве, фильтр исключает протекание токов гармоник в распределительной сети и защищает других потребителей от их влияния. Однако данный механизм работает только в том случае, когда проводники N и РЕ строго разделены. На практике было показано, что использование активных фильтров позволяет снизить уровень гармоник с 30% до примерно 5%. Это достигается с нагрузками, не только сильно искажающими входные токи, но и имеющими «пики» в потребляемом токе.

Моделирование различных условий в распределительных системах позволяет получить полное представление о влиянии тех или иных мер на уровень гармоник. Для простоты рассмотрим однофазную сеть с проводниками N и РЕ. К системе электроснабжения подключены две нагрузки, первая из которых эмитирует гармоники в источник питания, а вторая – либо не создает гармоник, либо эти гармоники нейтрализуются фильтром. В идеальном случае ток, протекающий в РЕ-проводнике состоит только из токов фильтра нагрузки, вызываемых, например, импульсными источниками питания или входными фильтрами сети.

Гармоники, естественно, частично отводятся в РЕ-проводник через упомянутые фильтры. Для выполнения моделирования с максимально реалистичными условиями, амплитуда и порядок каждой гармоник были взяты по результатам предварительного анализа системы.

Форма тока является приближенной к условиям, имеющим место в реальной питающей сети под нагрузкой. Ток утечки фильтра имеет порядок единиц миллиампер, несмотря на присутствие гармоник. Соответственно, его влияние на функционирование РЕ-проводника незначительно. Если же допустить, что N- и РЕ-проводники не разделены должным образом (например, между шинами N и РЕ распределительного щита есть перемычка), токи нагрузки начинают протекать через РЕ-проводник. Поскольку проводники N и РЕ фактически оказываются включены в параллель, ток распределяется по ним обратно пропорционально их сопротивлениям.

Указанное соединение между проводниками N и РЕ подразумевает, что паразитные напряжения и соответствующие электромагнитные поля будут воздействовать на броню кабелей и кабельные каналы, а также на трубы водопровода, газоснабжения и центрального отопления. Таким образом, все металлические компоненты здания оказываются источниками помех. Проводник заземления теперь нагружен токами нагрузки и на нем возникает потенциал относительно земли. В зависимости от амплитуды тока и сопротивления могут возникать напряжения до 100 В. При протекании токов гармоник через проводник заземления, величина тока может вырасти до уровней, значительно превышающих номинальный ток нагрузки. Помимо риска, что вся система будет работать неправильно, это может привести к недопустимому нагреву проводников N/РЕ. При плохом стечении обстоятельств это может привести к пожару. Напряжение в РЕ-проводнике естественным образом расчет пропорционально току, что приводит к появлению высокого потенциала относительно земли. Поскольку теперь потенциал РЕ-проводника не равен нулю, он теряет способность решать задачи, для которых он предназначен.

Выводы

Установка активных фильтров является эффективной мерой по снижению уровня гармоник и их нежелательного влияния на распределительную систему. Однако очень важно, чтобы все компоненты системы и фильтра были правильно смонтированы и подключены. Как показывает практика, следует обязательно измерить ток, протекающий по «земляному» проводнику, т.к. при наличии в нем недопустимых токов это тут же будет выявлено. Куда сложнее выявить и локализовать нежелательную связь между N- и РЕ-проводниками. Это требует хорошего знания того, как проложены кабели, и плана здания. Только неуклонно следуя вышеприведенным рекомендациям, можно провести «ревизию» распределительной сети и повысить качество питающего напряжения.

13.2 Активные фильтры (с управлением по напряжению):

«Случай с резервными генераторами»

В настоящее время практически все потребители, подключенные к сети, представляют собой нелинейные нагрузки. Потребляемый ими несинусоидальный ток приводит к искажениям напряжения в сети и появлению в нем высших гармоник. Результатом этого становится перегрузка различных электроприборов и установок, что может привести к нарушению нормальной работы предприятия и потери эксплуатационной надежности оборудования. Решить данную проблему помогают активные и пассивные фильтры. 

Проблемы с гармониками при использовании резервного генератора

Резонансные пики в системе были вызваны конденсаторами в передатчиках, которые не имели расстройки. Это приводило к появлению резонанса на частоте порядка 1450 Гц, который следовало устранить с помощью фильтра. Однако резонансная частота сильно изменялась в зависимости от мощности короткого замыкания внутри установки. При работе с внешним питанием мощность короткого замыкания была велика, и резонансная частота составляла свыше 3 кГц, а при питании от резервного генератора мощность короткого замыкания была намного меньше, в результате чего резонансная частота падала до 1.5 кГц.

При выборе системы фильтров основной целью было обеспечить бесперебойную работу сети как при внешнем питании, так и при питании от резервного генератора. Кроме того, требовалось исключить возможность появления помех в звуковом канале передатчика, т.к. гармоники обычно лежат в слышимом диапазоне частот.

Только активные фильтры с управлением по напряжению

Пассивные фильтры при частотах, превышающих частоту собственного резонанса, ведут себя как индуктивности с низким сопротивлением для гармоник, что обеспечивает их избирательное подавление. Их недостатком является то, что они рассчитаны на определенный диапазон частот и могут создавать дополнительную емкостную реактивную мощность, что приведет к нежелательному емкостному коэффициенту мощности. Однако это не единственная причина того, что в рассматриваемом случае пассивный фильтр не годится – спектр частот в системе сильно меняется при питании от генератора.

Активные фильтры формируют компенсирующий ток в противофазе с током гармоник, за счет чего и достигается их нейтрализация. Они могут автоматически адаптироваться к изменению частот, которые требуется подавить. Следует различать фильтры с управлением по току и по напряжению. Первые из них измеряют ток, протекающий через нагрузку, и рассчитывают величину компенсирующего тока, который должен вводиться в противофазе. Фильтры с управлением по напряжению могут иметь регулируемый импеданс, т.е. они не только подавляют гармоники, но и способны активно гасить резонанс. В случае с сетью, питающей передатчики, активный фильтр с регулированием по напряжению является оптимальным решением. При использовании фильтра с регулированием по току возможно появление неустойчивости в системе, содержащей контур регулирования тока (в самом фильтре) и регулятор напряжения генератора.

Решение: быстродействующий активный фильтр

Телерадиокомпании был поставлен активный фильтр с управлением по напряжению. Устройство с номинальной мощностью 70 кВА и трехпроводным подключением способно подавлять гармоники с порядком до 100 (т.е. с частотой до 5 кГц), причем как по всему спектру частот, так и избирательно, когда подавляются лишь избранные гармоники. Кроме того, фильтр обеспечивает активное демпфирование резонанса. Время реакции фильтра, составляющее 20 мкс, делает его пригодным для систем с резкими изменениями нагрузки. При этом фильтр не нуждается в трансформаторах тока, что упрощает его подключение к электроустановке.

Фильтр с управлением по напряжению удовлетворяет всем требованиям как при работе системы от внешнего источника, так и при питании от резервного генератора. Какое-либо влияние на питающую сеть полностью исключено. Гармоники, высокие уровни которых ранее создавали проблемы, оказались эффективно подавленными. Это особенно заметно при работе от резервного генератора, т.к. практически исчезли слышимые шумы. Кроме того, в обоих режимах работы характерные для системы 5-я и 7-я гармоники от импульсного преобразователя снизились до некритичных уровней, не превышающих 1%. 

13.3 Индуктивная компенсация реактивной мощности для солнечных ферм

«Особый случай»

В последние десятилетия необходимость снижения зависимости от ископаемого топлива привела к появлению так называемых «солнечных ферм», представляющих собой электростанции на солнечных батареях. Они зарекомендовали себя как надежный источник электроэнергии. При построении больших энергосистем важным фактором является достижение максимального КПД, т.к. это способствует снижению стоимости выработанной электроэнергии и повышению надежности электроснабжения. Помимо обычных мер, используемых для улучшения отдачи солнечных модулей, существует потенциал для дальнейшей оптимизации их работы.

В Германии большинство солнечных ферм имеют мощность от 1 до 20 МВт, что связано с техническим регламентом Федеральной ассоциации энергетики и водных ресурсов Германии (BDEW) «Указания по подключению и обеспечению параллельной работы генерирующих мощностей в сетях среднего напряжения». Начиная с 2008 г. данный документ является руководящим в части требований, связанных с подключением электростанций к сетям среднего напряжения.

В вышеупомянутых «Указаниях» содержится требование обеспечить в точке присоединения коэффициент мощности, совместимый с нормальной работой сети. Это означает, что генерирующая электроэнергию установка должна при любых условиях нагрузки обеспечить наличие реактивной мощности, при которой коэффициент мощности в точке присоединения будет удерживаться между 0.95 (индуктивный) до 0.95 (емкостной). При перевозбуждении (емкостном коэффициенте мощности) будет наблюдаться нежелательное повышение напряжения, а при недовозбуждении, наоборот, понижение. Поэтому генерирующие мощности должны поддерживать стабильное напряжение.

Различные конфигурации сети и условия нагрузки приводят к большому разнообразию требований, которые сетевые операторы оговаривают применительно к конкретным сегментам сети. Эти требования могут сильно отличаться от одного оператора к другому. Обычно они задаются в виде зависимости коэффициента мощности от активной мощности (кривая cos ϕ(Р)) или в виде функции напряжения (кривая Q(V)). В указаниях BDEW содержится требование обеспечить достижение заданного коэффициента мощности в течение 10 секунд после возмущения.  

Потенциал для оптимизации 1: Современные инверторы обычно способны генерировать реактивную мощность. Как следствие, они способны не только отдавать в сеть энергию солнечных батарей, но и обеспечить соответствие приведенным выше кривым. Однако у такого подхода есть большой недостаток: инверторы отдают полную (кажущуюся) мощность, т.е. векторную сумму активной и реактивной мощностей. Чем больше требуемая реактивная мощность, тем меньшую активную (т.е. приносящую доход) мощность способен отдать в сеть инвертор, независимо от знака сдвига тока относительно напряжения (опережающий или отстающий).

Пример: Если задан коэффициент мощности, равный 0.95, инверторы должны обеспечить реактивную мощность, составляющую 33% от активной. Однако, если бы требуемая реактивная мощность обеспечивалось бы подходящей системой КРМ, то инверторы смогли бы работать с коэффициентом мощности, равным единице, что увеличило бы полезную (активную) мощность инверторов на 5% при той же кажущейся мощности. 

Потенциал для оптимизации 2: При работе современных инверторов без нагрузки (особенно ночью, или когда солнечные батареи не работают из-за пасмурной погоды, тумана, снега и др.) их полная мощность холостого хода ложится на сеть большой емкостной нагрузкой. Для исключения этого нежелательного эффекта инверторы часто отключают в такие периоды, но это существенно снижает их срок службы. В этом случае наличие внешней системы КРМ дает значительный потенциал для оптимизации системы.

Потенциал для оптимизации 3: Длина кабелей между солнечной фермой и точкой подключения к сети среднего напряжения нередко составляет несколько километров. Все кабели прокладываются вместе, соответственно длинные подземные кабели имеют значительную емкость, в то время как у воздушных ЛЭП доминирует индуктивная составляющая. Один километр подземного кабеля может быть источником нескольких квар емкостной реактивной мощности. При этом эта мощность генерируется вне солнечной фермы и не обнаруживается системой управления инвертором. Поэтому ее следует компенсировать отдельно.

Проблема: Требования сетевого оператора относятся к точке подключения солнечной электростанции, которая может находиться в нескольких километрах от нее. Это означает, что требования BDEW должны выполняться не на самой электростанции, а именно в точке ее подключения к сети.

Решение: Некоторое время назад было проведено серьезное исследование на реальной солнечной электростанции среднего размера. При этом были использованы все три подхода к оптимизации, рассмотренные выше. По результатам была разработана и введена в эксплуатацию система КРМ.

Основные параметры солнечной электростанции

Номинальная мощность: .....................................................................3122 кВт

Годовая выработка электроэнергии: ....................................................2849400 кВт∙ч

Площадь солнечных батарей: ..............................................................4.7 га

Годовая экономия выбросов CO₂: ........................................................1710 т

Расстояние от солнечной фермы до точки подключения: ...................... 5 км

Требования сетевого оператора:

Целевой коэффициент мощности должен быть не хуже 0.95 (индуктивный) при отдаче электроэнергии в сеть.

Коэффициент мощности ни при каких обстоятельствах не должен быть емкостным при питании со стороны сети.

Коэффициент мощности должен выходить на целевое значение в течение не более 10 секунд (требование BDEW).

Поскольку все три приведенных требования предполагают обеспечение индуктивного характера реактивной мощности, была установлена система КРМ с реактивной мощностью 990 квар. При этом все компоненты были распределены по семи шкафам. В системе были реализованы ступени регулирования различной величины, которые включали в себя реакторы с низкими потерями, высоковольтные ячейки и групповую защиту от перегрузок по току. Для правильной работы рассматриваемой системы очень важно обеспечить точные измерения и расчеты, связанные с реактивной мощностью. Для этого была реализована система синхронизированных измерений в двух точках – удаленной точке присоединения и непосредственно на электростанции. Данные передавались в контроллер КРМ, который переключал ступени регулирования. Полученное быстродействие было достаточным для выполнения требования о выходе на заданное значение коэффициента мощности за время не более 10 секунд.

Результат: Благодаря дополнительной активной (оплачиваемой) мощности, достигнутой за счет системы КРМ, все инвестиции окупились за 22 месяца, после чего доходы от солнечной электростанции увеличились на 5%.