Компания «Хомов электро» — завод-изготовитель, имея многолетний опыт работы на рынке электротехнического оборудования по производству конденсаторных установок и налаженные прямые поставки комплектующих высокого качества для компенсации реактивной мощности от мировых производителей, — признанных лидеров в своих отраслях бизнеса, готова оперативно и качественно выполнить ваш заказ на изготовление и поставку оборудования в срок.
большой опыт работы
качество продукции
оперативность выполнения
индивидуальный подход
Системный подход к проектированию компенсации реактивной мощности среднего напряжения
Необходимость установки оборудования компенсации реактивной мощности с целью исключения штрафов поставщика электроэнергии очевидна. Хорошая окупаемость компенсации реактивной мощности часто приводит к продвижению таких проектов без предварительной инженерной проработки. На среднем напряжении это может привести к неожиданным явлениям при работе оборудования компенсации реактивной мощности: от ложных отключений и перегорания предохранителей до катастрофических аварий. Системный подход к проектированию компенсации реактивной мощности в системах среднего напряжения может помочь избежать непредвиденных ситуаций. Для иллюстрации этого системного подхода, который может применяться независимо от величины, типа и сложности объекта, были выбраны три реальных случая. Методология включает в себя анализ потокораспределения, гармонический анализ, анализ счетов поставщика, величин коэффициента мощности, а также характеристик системы компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторов или, при необходимости, фильтров гармоник. При этом с целью обеспечения правильной работы оборудования компенсации реактивной мощности определяются, анализируются и учитываются при выборе решения различные и противоречащие друг другу конструктивные факторы, включающие в себя дневные и недельные циклы нагрузки, близко расположенные конденсаторы поставщика электроэнергии, требования по коммутации или наличию ступеней, особенности тарифов поставщика, нагрузки с высоким содержанием гармоник и гармонический резонанс.
Выбор решения при проектировании системы компенсации реактивной мощности проводится в 2 этапа: первый этап – измерения гармоник на объекте потребителя для определения нагрузки и содержания гармоник; второй этап – компьютерное моделирование влияния гармоник системы на предлагаемую конденсаторную установку с целью обеспечения требуемой фильтрации и снижения влияния резонанса. Может оказаться недостаточным просто подключить измерительные приборы и проанализировать их показания или выбрать решение для компенсации реактивной мощности на основании ранее полученных данных о потреблении. Упущения на втором этапе являются основным фактором отказов новых устройств компенсации реактивной мощности из-за выхода из строя конденсаторов и предохранителей в результате гармонического резонанса.
Примеры исследования
Рассмотрим три практических примера анализа. В каждом случае использован системный подход независимо от типа и величины объекта. Предприятие коммунального водоснабжения было выбрано, потому что система содержит много различных источников гармоник – от 6- и 18-пульсных ЧРП до озонаторов. Предприятие по выплавке и рафинированию меди было выбрано из-за его большой величины и потому что система содержит мощные выпрямители среднего напряжения с уникальными параметрами. Станция водоочистки муниципального аэропорта была выбрана, потому что система включает в себя 10 имеющихся конденсаторных батарей, которые могут повлиять на предлагаемые батареи 300 квар. Три примера отличаются друг от друга, но подход к созданию работоспособной системы компенсации реактивной мощности один и тот же.
Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения
На предприятии коммунального водоснабжения от сети 13,8 кВ питаются два объекта: объект 1 (станция водоочистки) и объект 2 (станция очистки сточных вод). Ток короткого замыкания составляет 4094 кА. Упрощённая схема системы показана на рис. 1.
На объекте 1 сеть 13,8 кВ подводится к выключателю среднего напряжения. От этого выключателя запитываются другие выключатели, составляющие последовательную цепочку по всему объекту. Всего имеются 16 выключателей, которые питают трансформаторы, уменьшающие напряжение до 480 В. От каждого трансформатора питаются системы управления двигателями.
На объекте 2 сеть 13,8 кВ подводится к распределительному устройству, подобному универсальному распределительному устройству 15 кВ. От него напряжение подаётся на выключатель среднего напряжения. От этого выключателя запитываются другие выключатели, составляющие последовательную цепочку по всему объекту. Всего имеются 10 выключателей, которые питают трансформаторы, уменьшающие напряжение до 480 В. От каждого трансформатора питаются системы управления двигателями.
Пример 2 - предприятие по выплавке и рафинированию меди
Объект запитывается от трёх однофазных трансформаторов с номинальной мощностью 12,5 МВА. Однофазные трансформаторы соединены в 3-фазную батарею по схеме треугольник-звезда, с их помощью напряжение понижается с 69 кВ до 13,8 кВ. К вторичной обмотке трансформатора подключаются 6 цепей. Фидеры PHD-10 и 11 питают медеплавильный цех, PHD-12 и 13 питают цех рафинирования, PHD-14 подключен к газовой турбине Allison и паровой турбине Murray, а PHD-15 – к Solar Turbines. Наиболее мощными источниками токов гармоник являются выпрямители системы рафинирования (например, выпрямители 1, 2, 3, 4, 5, 5B, 6 и 7), питающиеся фидерами PHD-12 и 13. Во время нормальной работы с полной нагрузкой выпрямители 2, 3, 4 и 5B находятся в работе. Во время измерений 16 декабря 2010 г. из-за пониженного потребления в работе были только выпрямители 2 и 5B. Выпрямители 2, 3, 4 и 5B имеют фильтры гармоник на первичной стороне трансформаторов выпрямителей. Упрощённая схема приведена на рис. 2.
Пример 3 - станция водоочистки муниципального аэропорта
Поставщик подаёт питание 12,47 кВ на распредустройство с двусторонним питанием. От распредустройства среднего напряжения запитываются 10 распределительных трансформаторов, которые питают распределительные щиты низкого напряжения, щиты управления и системы управления двигателями. Упрощённая схема приведена на рис. 3.
Анализ измерений гармоник
Целью анализа измерения гармоник является определение гармонического содержания системы, которое может отрицательно воздействовать на систему компенсации реактивной мощности. Контроль качества электроэнергии, как правило, проводится с помощью трансформаторов тока и напряжения 120 В. Измерители качества электроэнергии, например RPM, устанавливаются для записи всех параметров системы питания, включая действующее значение напряжения, действующее значение тока, полную мощность, активную мощность, реактивную мощность, гармоники нагрузки, коэффициент мощности для каждого объекта. Также будут зафиксированы для анализа любые нарушения в работе системы и переходные процессы в системе.
В дополнение к мониторингу системы энергоснабжения на подходящих линиях делаются снимки в ключевых местах, включая мощные двигатели, питающиеся через ЧРП, или другое оборудование, являющееся источником гармоник, например, озонаторы. Типовым измерителем для таких снимков является Dranetz PX5. Снимки нужны для точного моделирования каждого источника гармоник в системе с целью анализа того, как он будет воздействовать на предлагаемую конденсаторную батарею среднего напряжения.
Полезность снимков на оборудовании, производящем гармоники, иллюстрируется рис. 4 - 8, на которых показаны различные источники гармоник. На рис. 4 представлен 6-пульсный привод (диодный выпрямитель) с реактивным сопротивлением 3%. Для сравнения на рис. 5 показан 6-пульсный привод (диодный выпрямитель) в отсутствие реактивного сопротивления линии. На рис. 6 изображён 18-пульсный привод, который построен с помощью трансформатора с несколькими обмотками и сдвигом по фазе. Другие существенные источники гармоник, включая тиристорные преобразователи и озонаторы, показаны на рис. 7 и 8. Типовые данные дают типовые результаты, а конкретные измерения на объекте приносят конкретные результаты. Часто эти конкретные результаты выявляют главную причину проблемы и определяют соответствующие корректирующие действия.
Электронные устройства плавного пуска управляют пусковым моментом двигателя переменного тока. Такое устройство не вырабатывает гармоники в процессе работы, оно будет создавать токи гармоник только при пуске двигателя. Поэтому вклад гармоник устройства плавного пуска не учитывается при компьютерном моделировании для оценки в соответствии со стандартом IEEE Std. 519. Тем не менее, бывают ситуации, когда гармоники устройства плавного пуска моделируются. К примеру, устройство плавного пуска среднего напряжения с конденсатором компенсации реактивной мощности в той же системе управления двигателем нужно моделировать, так как конденсатор компенсации реактивной мощности может иметь параллельный резонанс на характеристической частоте устройства плавного пуска.
Принципы выбора величины конденсатора
Для расчёта количества реактивной мощности, необходимой для получения коэффициента мощности, превышающего заданный, и недопущения штрафов поставщика электроэнергии, необходимы данные о потреблении и коэффициенте мощности как минимум за 12 месяцев. Поставщик электроэнергии, как правило, требует во избежание штрафов иметь коэффициент мощности в пределах от 0,85 до 0,95 (отстающий).
Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения
Предприятие коммунального водоснабжения включает в себя два объекта. Объект 1 находится в работе круглый год, а объект 2 отключается зимой. В качестве требуемого было выбрано значение 92%, это позволяет иметь запас при колебаниях нагрузки, увеличении нагрузки и других факторах неопределённости. С учётом того, что объект 2 не работает 4 месяца в году, было решено применить двухступенчатую конденсаторную батарею с эффективной мощностью каждой ступени 627 квар. Потребление энергии достигает максимума каждый год в августе. На рис. 9 показаны 30-минутные данные потребления для августа 2010 года без компенсации реактивной мощности (коэффициент мощности 0,85-0,89). На рисунке 10 показаны те же данные, но с компенсацией до коэффициента мощности, немного превышающего заданную величину 0,90 (0,92-0,95). При этом полностью отсутствуют дополнительные начисления. В Таблице № 1 приведены расчёты величины конденсаторной батареи на основании данных за 12 месяцев.
Таблица № 1. Расчетное значение требуемой реактивной мощности по месяцам
Месяц, год
Измерено
Требуется
Необходимо
Добавлено
Скорректированные
кВт
коэф. мощн.
квар
коэф. мощн.
квар
квар
квар
квар
коэф. мощн.
февраль 2009
3678
0,88
1985,2
0,92
1566,8
418,4
627,7
1357,4
0,9381
март 2009
7613
0,88
4109,1
0,92
3243,1
865,9
1255,5
2853,6
0,9364
апрель 2009
8328
0,88
4495,0
0,92
3547,7
947,3
1255,5
3239,5
0,9320
май 2009
8517
0,88
4597,0
0,92
3628,2
968,8
1255,5
3341,5
0,9309
июнь 2009
8853
0,88
4778,3
0,92
3771,4
1007,0
1255,5
3522,9
0,9291
июль 2009
8952
0,88
4831,8
0,92
3813,5
1018,2
1255,5
3576,3
0,9286
август 2009
9133
0,88
4929,5
0,92
3890,6
1038,8
1255,5
3674,0
0,9277
сентябрь 2009
8936
0,88
4823,1
0,92
3806,7
1016,4
1255,5
3567,7
0,9287
октябрь 2009
8044
0,88
4341,7
0,92
3426,7
915,0
1255,5
3086,2
0,9336
ноябрь 2009
3961
0,88
2137,9
0,92
1687,4
450,5
627,7
1510,2
0,9344
декабрь 2009
3629
0,88
1958,7
0,92
1545,9
412,8
627,7
1331,0
0,9388
январь 2010
3750
0,88
2024,0
0,92
1597,5
426,5
627,7
1396,3
0,9371
Пример 2 - предприятие по выплавке и рафинированию меди
В Таблицах № 2 – № 4 приведены расчёты для определения общего количества реактивной мощности, необходимой в периоды максимума и минимума нагрузки для получения коэффициента мощности выше 90% (отстающий). Из колонки «квар добавлено» видно, что нужны 3 уровня реактивной мощности для компенсации во время максимума и минимума нагрузки. Максимальный уровень реактивной мощности, необходимой в период пика нагрузки, составляет 11 000 квар. Максимальный уровень реактивной мощности, необходимой в период минимума нагрузки, составляет 5000 квар. Скорректированное значение коэффициента мощности после установки конденсаторных батарей будет находиться в диапазоне от 91,4% до 98% в период максимальной нагрузки и в диапазоне от 93% до 97,7% в период минимума нагрузки.
Таблица № 2. Данные о потреблении и коэффициенте мощности за предыдущий период времени
Месяц, год
Значения при максимально нагрузке
Необходимые значения
кВт
квар
кВА
коэф. мощн.
кВт
квар
кВА
коэф. мощн.
октябрь 2009
16 420
17 705
24 147
68,0%
16 420
5397
17 284
95,0%
ноябрь 2009
15 543
13 708
20 724
75,0%
15 543
5109
16 361
95,0%
декабрь 2009
15 936
14 054
21 248
75,0%
15 936
5238
16 775
95,0%
январь 2010
13 260
11 339
17 447
76,0%
13 260
4358
13 958
95,0%
февраль 2010
14 470
9724
17 434
83,0%
14 470
4756
15 232
95,0%
март 2010
12 247
8230
14 755
83,0%
12 247
4025
12 892
95,0%
апрель 2010
12 232
7484
14 340
85,0%
12 232
4020
12 876
95,0%
май 2010
12 474
9178
15 487
81,0%
12 474
4100
13 131
95,0%
июнь 2010
12 852
9888
16 216
79,0%
12 852
4224
13 528
95,0%
июль 2010
14 606
10 569
18 029
81,0%
14 606
4801
15 375
95,0%
август 2010
14 999
8618
17 299
87,0%
14 999
4930
15 788
95,0%
сентябрь 2010
14 651
9359
17 386
84,0%
14 651
4816
15 422
95,0%
октябрь 2010
13 275
8981
16 028
82,8%
13 275
4363
13 974
95,0%
ноябрь 2010
12 413
8119
14 832
83,7%
12 413
4080
13 066
95,0%
Таблица № 3. Расчетные значения необходимой реактивной мощности (номинальной) по месяцам
Месяц, год
квар
Скорректированные при максимальной нагрузке
нужно
добавлено
кВт
квар
кВА
коэф. мощн.
октябрь 2009
12 308
11 000
16 420
6705
17 736
92,6%
ноябрь 2009
8599
7000
15 543
6708
16 929
91,8%
декабрь 2009
8816
7000
15 936
7054
17 428
91,4%
январь 2010
6981
7000
13 260
4339
13 952
95,0%
февраль 2010
4968
5000
14 470
4724
15 222
95,1%
март 2010
4205
5000
12 247
3230
12 666
96,7%
апрель 2010
3464
5000
12 232
2484
12 482
98,0%
май 2010
5078
5000
12 474
4178
13 155
94,8%
июнь 2010
5664
5000
12 852
4888
13 750
93,5%
июль 2010
5768
5000
14 606
5569
15 632
93,4%
август 2010
3688
5000
14 999
3618
15 429
97,2%
сентябрь 2010
4543
5000
14 651
4359
15 286
95,8%
октябрь 2010
4618
5000
13 275
3981
13 859
95,8%
ноябрь 2010
4039
5000
12 413
3119
12 799
97,0%
Таблица № 4. Расчетные значения необходимой реактивной мощности (эффективной) по месяцам
Месяц, год
квар
Скорректированные при максимальной нагрузке
нужно
добавлено
кВт
квар
кВА
коэф. мощн.
октябрь 2009
12 308
10 750
16 420
6955
17 832
92,1%
ноябрь 2009
8599
6911
15 543
6797
16 964
91,6%
декабрь 2009
8816
6911
15 936
7143
17 464
91,3%
январь 2010
6981
6911
13 260
4428
13 980
94,9%
февраль 2010
4968
4607
14 470
5117
15 348
94,3%
март 2010
4205
4607
12 247
3623
12 772
95,9%
апрель 2010
3464
4607
12 232
2877
12 566
97,3%
май 2010
5078
4607
12 474
4571
13 285
93,9%
июнь 2010
5664
4607
12 852
5281
13 895
92,5%
июль 2010
5768
4607
14 606
5962
15 776
92,6%
август 2010
3688
4607
14 999
4011
15 526
96,6%
сентябрь 2010
4543
4607
14 651
4752
15 402
95,1%
октябрь 2010
4618
4607
13 275
4374
13 977
95,0%
ноябрь 2010
4039
4607
12 413
3512
12 900
96,2%
Пример 3 - станция водоочистки муниципального аэропорта
Чтобы избежать штрафов поставщика электроэнергии, станция водоочистки муниципального аэропорта должна иметь коэффициент мощности выше 85% (отстающий). В качестве заданного было выбрано значение 90%, это позволяет иметь запас при колебаниях нагрузки, увеличении нагрузки и других факторах неопределённости. Было решено применить одноступенчатую конденсаторную батарею 300 квар, чтобы обеспечить коррекцию коэффициента мощности до уровня, превышающего 85% (отстающий) и не допустить опережающего коэффициента мощности. В Таблице № 6 приведены расчёты для определения величины конденсаторной батареи. На основании данных о потреблении за 12 месяцев можно утверждать, что после установки конденсаторной батареи 300 квар коэффициент мощности будет находиться в пределах от 89,5% до 95,6%.
Таблица № 5. Данные о потреблении и коэффициенте мощности за предыдущий период времени
Месяц, год
Показания счётчика
Измеренные значения
кВт•ч
квар•ч
кВА•ч
коэф. мощн., %
число дней
кВт
квар
кВА
коэф. мощн., %
январь 2010
1 170 760
728 317
1 378 813
84,9
30
1626
1012
1915
84,9
февраль 2010
1 030 510
632 415
1 209 090
85,2
31
1385
850
1625
85,2
март 2010
870 647
537 723
1 023 315
85,1
29
1251
773
1470
85,1
апрель 2010
628 762
411 600
751 502
83,7
29
903
591
1080
83,7
май 2010
596 353
409 355
723 331
82,5
30
828
569
1005
82,4
июнь 2010
607 497
413 402
734 816
82,7
31
817
556
988
82,7
июль 2010
638 698
456 988
785 349
81,3
29
918
657
1128
81,3
август 2010
622 044
443 062
763 703
81,5
29
894
637
1097
81,5
сентябрь 2010
664 320
434 717
793 914
83,7
31
893
584
1067
83,7
октябрь 2010
586 033
366 273
691 079
84,8
30
814
509
960
84,8
ноябрь 2010
669 293
377 545
768 436
87,1
29
962
542
1104
87,1
декабрь 2010
561 436
320 842
646 645
86,8
31
755
431
869
86,8
среднее
720 529
461 020
855 833
84,1
30
1004
642
1192
84,1
Таблица № 6. Расчетные значения необходимой реактивной мощности (эффективной) по месяцам
Месяц, год
Требуемые
Необходимо
Добавлено
Скорректированные
кВт
квар
кВА
коэф. мощн., %
квар
квар
кВт
квар
кВА
коэф. мощн., %
январь 2010
1626
788
1807
90,0
224
225
1626
787
1806
90,0
февраль 2010
1385
671
1539
90,0
179
225
1385
625
1520
91,1
март 2010
1251
606
1390
90,0
167
225
1251
548
1366
91,6
апрель 2010
903
438
1004
90,0
154
225
903
366
975
92,7
май 2010
828
401
920
90,0
167
225
828
344
897
92,4
июнь 2010
817
395
907
90,0
160
225
817
331
881
92,7
июль 2010
918
444
1020
90,0
212
225
918
432
1014
90,5
август 2010
894
433
993
90,0
204
225
894
412
984
90,8
сентябрь 2010
893
432
992
90,0
152
225
893
359
962
92,8
октябрь 2010
814
394
904
90,0
115
225
814
284
862
94,4
ноябрь 2010
962
466
1068
90,0
77
225
962
317
1013
95,0
декабрь 2010
755
365
838
90,0
66
225
755
206
782
96,5
среднее
1004
486
1115
90,0
156
225
1004
417
1,088
92,5
Гармонический анализ
В процессе гармонического анализа на входящей шине поставщика электроэнергии (в точке подключения к энергосистеме) определяются коэффициенты гармонических искажений напряжения и тока, возникающих из-за нелинейных нагрузок. Если значения КГИ напряжения и/или тока превышают пределы, заданные стандартом IEEE 519-1992, в ключевых местах системы должны быть установлены устройства для снижения КГИ напряжения и тока до уровня, соответствующего этому стандарту, например, фильтры 5-й гармоники.
Анализ результатов измерений качества электроэнергии позволяет инженеру-проектировщику выработать рекомендации по компенсации реактивной мощности для того, чтобы избежать начислений поставщика электроэнергии за коэффициент мощности. После этого инженер определяет оптимальную величину и место установки конденсаторов и другого оборудования компенсации реактивной мощности. Также инженер выявляет имеющиеся проблемы или проблемные участки и при необходимости вырабатывает соответствующие инженерные рекомендации. При этом точно выбирается оборудование для снижения уровня гармоник до уровня, соответствующего стандарту IEEE 519-1992 (фильтры, дроссели, специальные трансформаторы и т.п.).
Как правило, гармонический анализ на основе стандарта IEEE 519-1992 выполняется для 3 случаев. Первый – это базовый случай существующей системы при отсутствии подключенных конденсаторов. Во втором случае в систему вводится конденсаторная батарея (батареи) для компенсации реактивной мощности. При этом тщательно анализируется воздействие гармоник, чтобы определить, необходим ли фильтр для снижения чрезмерно высокого уровня гармоник, возникающего при введении в систему конденсаторов. Третий случай – это разработка и анализ конденсаторного устройства (устройств), оборудованного фильтром. Его результат становится рекомендуемым проектным решением.
Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения
Для случая 1 анализа представлено максимальное потребление имеющейся системы при отсутствии компенсации реактивной мощности. При анализе для 2-го случая добавляется конденсаторная батарея для повышения коэффициента мощности с мощностью одной ступени 600 квар и 1200 квар эффективной мощности. В 3-м случае проводится анализ при добавлении фильтра в каждую ступень. Моделирование проводится для максимального потребления 9200 кВт при коэффициенте мощности 0,88.
В Таблице № 7 приведены значения КГИ напряжения и тока на входящей шине 13,8 кВ поставщика электроэнергии (в точке подключения к энергосистеме). Значения КГИ напряжения и тока находятся в пределах ограничений, заданных стандартом IEEE 519-1992 за исключением случая 2, когда КГИ равен 6,99% при допустимом значении 5%. В Таблицах № 8 и № 9 приведены значения отдельных гармоник напряжения на входящей линии 13,8 кВ (в точке подключения к энергосистеме). При подключенной первой ступени (600 квар) КГИ напряжения находится в пределах допустимых значений согласно стандарту IEEE 519-1992 за исключением 13-й гармоники в случае 2. При подключении обеих ступеней (1200 квар) КГИ напряжения находится в пределах допустимых значений согласно стандарту IEEE 519-1992 за исключением 5-й гармоники в случае 2.
Таблица № 7. КГИ напряжения и тока в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ
Случай анализа
КГИ напряжения на входящей линии 13,87 кВ
Норма по IEEE
КГИ тока на входящей линии 13,87 кВ
Норма по IEEE
1
2,65
5
4,47
5
2
4,43
5
6,99
5
3
1,29
5
1,86
5
Таблица № 8. Значения отдельных гармоник напряжения в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ (600 квар)
Порядок гармоники
Случай 1
Случай 2
Случай 3
Норма по IEEE-519
напряжение гармоники, В
%
напряжение гармоники, В
%
напряжение гармоники, В
%
1
13 800,00
13 800,00
-
13 800,00
-
3
5
316,86
2,30
366,59
2,66
161,87
1,17
3
7
95,36
0,69
129,83
0,94
77,78
0,56
3
11
125,75
0,91
368,60
2,67
109,14
0,79
3
13
56,26
0,41
700,02
5,07
49,22
0,36
3
17
36,55
0,27
60,42
0,44
32,24
0,23
3
19
35,55
0,26
35,23
0,26
31,18
0,23
3
Таблица № 9. Значения отдельных гармоник напряжения в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ (1200 квар)
Порядок гармоники
Случай 1
Случай 2
Случай 3
Норма по IEEE-519
напряжение гармоники, В
%
напряжение гармоники, В
%
напряжение гармоники, В
%
1
13 800,00
13 800,00
-
13 800,00
-
3
5
316,86
2,30
366,59
2,66
161,87
1,17
3
7
95,36
0,69
129,83
0,94
77,78
0,56
3
11
125,75
0,91
368,60
2,67
109,14
0,79
3
13
56,26
0,41
700,02
5,07
49,22
0,36
3
17
36,55
0,27
60,42
0,44
32,24
0,23
3
19
35,55
0,26
35,23
0,26
31,18
0,23
3
В Таблицах № 10 и № 11 приведены значения отдельных гармоник тока на входящей линии 13,8 кВ (в точке подключения к энергосистеме). В случае 1 при отсутствии подключенного конденсатора норма стандарта IEEE 519-1992 превышается для тока 5-й гармоники. В случае 2 при подключенной первой ступени (600 квар) превышают норму процентные значения 5-й, 11-й и 13-й гармоник тока. При подключении обеих ступеней (1200 квар) превышают норму процентные значения 5-й и 11-й гармоник тока. В случае 3 при применении фильтра все значения соответствуют норме.
На рис. 11 показаны осциллограммы напряжения и тока при наличии конденсатора для случая 2, из которых видно, что формы тока и напряжения сильно искажены. Искажения устраняются с помощью фильтра (см. рис. 12).
Таблица № 10. Значения отельных гармоник тока в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ (600 квар)
Порядок гармоники
Случай 1
Случай 2
Случай 3
Норма по IEEE-519
ток, А
%
ток, А
%
ток, А
%
1
443,86
-
431,90
-
431,09
-
-
5
19,03
4,23
22,02
5,10
9,72
2,26
4
7
4,09
0,92
5,57
1,29
3,34
0,77
4
11
3,44
0,77
10,07
2,33
2,98
0,69
2
13
1,30
0,29
16,18
3,75
1,14
0,26
2
17
0,65
0,15
1,07
0,25
0,57
0,13
1,5
19
0,56
0,13
0,56
0,13
0,49
0,11
1,5
Таблица № 11. Значения отдельных гармоник тока в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ (1200 квар)
Порядок гармоники
Случай 1
Случай 2
Случай 3
Норма по IEEE-519
ток, А
%
ток, А
%
ток, А
%
1
443,86
421,10
419,74
5
19,03
4,23
26,14
6,21
6,58
1,57
4
7
4,09
0,92
8,77
2,08
2,82
0,67
4
11
3,44
0,77
10,13
2,41
2,64
0,63
2
13
1,30
0,29
1,48
0,35
1,01
0,24
2
17
0,65
0,15
0,28
0,01
0,51
0,12
1,5
19
0,56
0,13
0,18
0,04
0,44
0,11
1,5
На рис. 13 показаны условия резонанса при подключенной конденсаторной батарее 600 квар для случаев 2 и 3. При одной подключенной ступени (600 квар) точка резонанса находится вблизи 13-й гармоники. Без фильтрации гармоник этот резонанс является причиной возникновения чрезмерных искажений тока, это приводит к повреждению конденсатора. Возбуждение на 13-й гармонике можно увидеть на осциллограмме тока без фильтрации, показанной на рис. 14. Подключение фильтра значительно улучшает форму сигнала. Аналогичные результаты получаются для устройства на 1200 квар (при подключении двух ступеней).
В Таблицах № 12 и № 13 приведены напряжение на конденсаторе, ток и полная мощность соответственно для случая 2 (без фильтра) и случая 3 (фильтр 5-й гармоники). Величины напряжения на конденсаторе, тока и полной мощности находятся в пределах, заданных стандартом IEEE 18. Однако в случае 2 наблюдается резонанс, который проявляет себя значениями тока 126% для 600 квар и 106% для 1200 квар. Это может стать причиной проблем при увеличении токов гармоник.
Таблица № 12. Оценка режима работы конденсаторов по стандарту IEEE - случай 2
Случай 2
Напряжение
Ток
Полная мощность
В
номин.
%
А
номин.
%
кВА
номин.
%
600 квар
13 795,47
13 800,00
99,97
31,70
25,10
126,27
626,80
600,00
104,50
1200 квар
13 782,98
13 800,00
99,88
53,48
50,21
106,52
1213,75
1200,00
101,15
Норма IEEE
110%
135%
135%
Таблица № 13. Оценка режима конденсаторов по стандарту IEEE - случай 3
Случай 3
Напряжение
Ток
Полная мощность
В
номин.
%
А
номин.
%
кВА
номин.
%
900 квар
14 462,21
16 524,00
87,52
29,53
31,45
93,89
706,70
900,00
78,52
1800 квар
14 441,00
16 524,00
87,39
56,78
62,89
90,28
1390,08
1800,00
77,23
Норма IEEE
110%
135%
135%
Пример 2 - предприятие по выплавке и рафинированию меди
В случае 1 система энергоснабжения была смоделирована, чтобы точно соответствовать состоянию нагрузки 16 декабря 2010 г. Выпрямители/фильтры 2 и 5B были включены, генератор 1 включен (4270 МВт, 0,7 Мвар), нагрузка распредустройства измельчителя составляла около 2,86 МВт. В случае 2 выпрямители/фильтры 2 и 5B были включены, генератор 1 включен (4270 МВт, 0,7 Мвар), сочетание 1 комбинации ступеней конденсаторной батареи компенсации реактивной мощности и нагрузки фидера рассчитано на минимальное потребление реактивной мощности. Переключатель напряжения на подстанции EPE установлен на +5%, чтобы получить вторичное напряжение 13,8 кВ. В случае 3 выпрямители/фильтры 2, 3, 4 и 5B включены, 1 генератор включен (4270 МВт, 0,7 Мвар), сочетание 4 комбинации ступеней конденсаторной батареи компенсации реактивной мощности и нагрузки фидера рассчитано на максимальное потребление реактивной мощности. Переключатель напряжения на подстанции EPE установлен на +5%, чтобы получить вторичное напряжение 13,8 кВ.
В Таблице № 14 приведены значения КГИ напряжения и тока на главном распредустройстве 13,8 кВ (в точке подключения к энергосистеме). Значения КГИ тока и напряжения в случае 3 находятся в пределах норм, установленных стандартом IEEE 519-1992. В случаях 1 и 2 расчётные значения искажений тока превышают рекомендованные значения (11-я гармоника и КГИ).
В Таблицах № 15 и № 16 показаны гармонические искажения напряжения и тока (величины отдельных гармоник и КГИ) на главном распредустройстве 13,8 кВ. Для случая 1 расчётные величины искажений напряжения (отдельные гармоники и КГИ) остаются ниже рекомендованных пределов. Расчётные искажения тока (11-я гармоника и КГИ) превышают нормы, установленные стандартом IEEE 519, но не увеличивают искажения напряжения. Для случая 2 расчётные искажения напряжения (отдельные гармоники и КГИ) остаются ниже рекомендованных пределов. Расчётные значения искажений тока всё так же превышают рекомендуемые пределы (11-я гармоника и КГИ). Хотя величины КГИ и 11-й гармоники ниже по сравнению со случаем 1, искажения тока по-прежнему превышают нормы. Для случая 3 расчётные значения искажений напряжения и тока (отдельные гармоники и КГИ) ниже рекомендуемых пределов.
Случай анализа
КГИ напряжения
КГИ тока
распредустройство 13,8 кВ
Норма по IEEE
распредустройство 13,8 кВ
Норма по IEEE
1
2,40
5,0
9,90
8,0
2
2,30
5,0
9,50
8,0
3
1,90
5,0
5,50
8,0
Таблица № 15. Значения отдельных гармоник напряжения в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ
Порядок гармоники
Случай 1
Случай 2
Случай 3
Норма по IEEE-519
напряжение гармоники, В
%
напряжение гармоники, В
%
напряжение гармоники, В
%
1
14 589,5
100,0
13 964,5
100,0
13 995,4
100,0
3,0%
3
2,4
0,02
2,9
0,02
12,3
0,09
3,0%
5
91,0
0,62
70,5
0,50
33,0
0,24
3,0%
7
173,9
1,19
153,7
1,10
87,1
0,62
3,0%
9
0,5
0,00
0,5
0,00
0,6
0,00
3,0%
11
192,9
1,32
176,9
1,27
166,4
1,19
3,0%
13
140,8
0,97
130,3
0,93
137,8
0,98
3,0%
15
0,5
0,00
0,5
0,00
0,8
0,01
3,0%
17
126,3
0,87
117,8
0,84
94,4
0,67
3,0%
19
86,0
0,59
80,3
0,58
43,1
0,31
3,0%
Таблица № 16. Значения отдельных гармоник тока в точке подключения к энергосистеме 13,8 кВ
Порядок гармоники
Случай 1
Случай 2
Случай 3
Норма по IEEE-519
ток, А
%
ток, А
%
ток, А
%
1
423,9
100,0
386,1
100,0
488,5
100,0
-
3
0,9
0,2
1,1
0,3
4,5
0,9
10,0%
5
19,9
4,7
15,5
4,0
7,2
1,5
10,0%
7
27,2
6,4
24,1
6,2
13,7
2,8
10,0%
9
0,1
0,0
0,1
0,0
0,1
0,0
10,0%
11
19,2
4,5
17,6
4,6
16,6
3,4
4,5%
13
11,9
2,8
11,0
2,8
11,6
2,4
4,5%
15
0,0
0,0
0,0
0,0
0,1
0,0
4,5%
17
8,1
1,9
7,6
2,0
6,1
1,2
4,0%
19
5,0
1,2
4,6
1,2
2,5
0,5
4,0%
На рис. 15 показаны осциллограммы напряжения и тока при наличии конденсатора для случая 2, из которых видно, что формы тока и напряжения сильно искажены. Искажения устраняются с помощью фильтра (см. рис. 16).
На рис. 17 показан резонанс для случаев 2 и 3. В случае 2 точка параллельного резонанса находится на 3,8 (228 Гц), а параллельного – на 4,6 (276 Гц). В случае 3 точка параллельного резонанса смещается к 3,2 (192 Гц), а точка последовательного резонанса остаётся на 4,6 (276 Гц).
В Таблице № 17 приводятся величины напряжения на конденсаторе, тока и полной мощности для случая 3. Эти значения находятся в пределах норм стандарта IEEE 18.
Таблица № 17. Оценка режима работы конденсаторов по стандарту IEEE
Случай 3
Напряжение
Ток
Полная мощность
В
номин.
%
А
номин.
%
кВА
номин.
%
Фильтр 2
14 627
17 250
84,8
102,9
120,63
85,3
2594,6
3600,0
72,1
Фильтр 3
14 633
17 250
84,8
103,1
120,63
85,5
2598,2
3600,0
72,2
Фильтр 4
14 633
17 250
84,8
128,6
150,79
85,3
3244,8
4500,0
72,1
Фильтр 5B
14 643
17 250
84,9
154,5
180,95
85,4
3899,7
5400,0
72,2
Фильтр 10-1
14 641
17 250
84,9
34,2
40,21
85,0
865,1
1200,0
72,1
Фильтр 10-2
14 641
17 250
84,9
34,2
40,21
85,0
865,1
1200,0
72,1
Фильтр 11
14 651
17 250
84,9
34,2
40,21
85,1
866,5
1200,0
72,2
Фильтр 12-1
14 659
17 250
85,0
34,3
40,21
85,2
867,7
1200,0
72,3
Фильтр 12-2
14 659
17 250
85,0
68,5
80,42
85,2
1735,3
2400,0
72,3
Фильтр 12-3
14 659
17 250
85,0
102,8
120,63
85,2
2603,0
3600,0
72,3
Фильтр 13-1
14 657
17 250
85,0
34,3
40,21
85,3
867,7
1200,0
72,3
Фильтр 13-2
14 657
17 250
85,0
68,6
80,42
85,3
1735,4
2400,0
72,3
Фильтр 13-3
14 657
17 250
85,0
68,6
80,42
85,3
1735,4
2400,0
72,3
Норма IEEE
110%
180%
135%
Пример 3 - станция водоочистки муниципального аэропорта
Одноступенчатые батареи фильтров предлагается подключить к имеющемуся распредустройству 12,47 кВ. Максимальное потребление при моделировании – 1915 кВА при коэффициенте мощности 84,9% для распредустройства А и 838 кВА при коэффициенте мощности 83,6% для распредустройства В. Для 1-го случая анализа представлено максимальное потребление имеющейся системы при отсутствии компенсации реактивной мощности. При анализе для 2-го случая добавляется конденсаторная батарея для повышения коэффициента мощности. В 3-м случае проводится анализ при добавлении фильтра.
В Таблицах № 18 и № 19 приведены сводные данные по КГИ напряжения и тока на распредустройствах А и В 12,47 кВ (в точках подключения к энергосистеме) для всех анализируемых случаев. Значения КГИ напряжения и тока находятся в пределах норм стандарта IEEE 519-1992.
Таблица № 18. Значения КГИ напряжения и тока в распредустройстве А
Случай анализа
КГИ напряжения
КГИ тока
распредустройство 12,47 кВ
Норма по IEEE
распредустройство 12,47 кВ
Норма по IEEE
1
0,50
5,0
3,20
12,0
2
0,60
5,0
3,20
12,0
3
0,70
5,0
4,10
12,0
Таблица № 19. Значения КГИ напряжения и тока в распредустройстве В
Случай анализа
КГИ напряжения
КГИ тока
распредустройство 12,47 кВ
Норма по IEEE
распредустройство 12,47 кВ
Норма по IEEE
1
0,40
5,0
7,50
12,0
2
0,50
5,0
7,50
12,0
3
0,60
5,0
7,40
12,0
В случае 2 (рис. 18) первый набор резонансных точек определяется LC-контуром трансформатора подстанции и конденсаторных батарей (4 – 1200 квар). Второй набор резонансных точек определяется индуктивностью фидера и конденсаторами фидера (2 – 1200 квар). При отключении конденсаторных батарей подстанции точки последовательного и параллельного резонанса (1-й набор) будут сдвигаться вправо (в сторону более высоких порядков гармоник). В установившемся режиме с расчётными точками последовательного и параллельного резонанса нет проблем. Однако параллельный резонанс (4-я гармоника, 240 Гц) может возникнуть при включении трансформатора. На рис. 19 резонанс определяется LC-контуром, состоящим из трансформатора подстанции и конденсаторных батарей (4 – 1200 квар). При отключении конденсаторных батарей подстанции точки последовательного и параллельного резонанса будут сдвигаться вправо (в сторону более высоких порядков гармоник).
На рис. 20 первый набор резонансных точек определяется одноступенчатыми батареями фильтров 300 квар. Второй набор резонансных точек возникает из-за LC-контура, образованного трансформатором подстанции и конденсаторными батареями (4 – 1200 квар). Третий набор резонансных точек определяется индуктивностью фидера и конденсаторами фидера (2 – 1200 квар). При отключении конденсаторных батарей подстанции точки последовательного и параллельного резонанса (2-й набор) будут сдвигаться вправо (в сторону более высоких порядков гармоник). На рис. 21 первый набор резонансных точек определяется одноступенчатыми батареями фильтров 300 квар. Второй набор резонансных точек
возникает из-за LC-контура, образованного трансформатором подстанции и конденсаторными батареями (4 – 1200 квар). При отключении конденсаторных батарей подстанции точки последовательного и параллельного резонанса (2-й набор) будут сдвигаться вправо (в сторону более высоких порядков гармоник). Важность учёта при анализе конденсаторов, имеющихся у поставщика электроэнергии и в системе, очевидна.
Таблица № 20. Оценка режима работы конденсаторов по стандарту IEEE для Случая 2 и Случая 3
Случай 2
Напряжение
Ток
Полная мощность
В
номин.
%
А
номин.
%
кВА
номин.
%
PACE-CAP1
11 498
12 470
92,2
51,3
55,62
92,1
1020,5
1200,0
85,0
PACE-CAP2
11 498
12 470
92,2
51,3
55,62
92,1
1020,5
1200,0
85,0
PACE-CAP3
11 498
12 470
92,2
51,3
55,62
92,1
1020,5
1200,0
85,0
PACE-CAP4
11 498
12 470
92,2
51,3
55,62
92,1
1020,5
1200,0
85,0
TWY-CAP1
11 964
12 470
95,9
53,3
55,62
95,9
1104,8
1200,0
92,1
TWY-CAP2
11 964
12 470
95,9
53,3
55,62
95,9
1104,8
1200,0
92,1
TWY-CAP3
11 964
12 470
95,9
53,3
55,62
95,9
1104,8
1200,0
92,1
TWY-CAP4
11 964
12 470
95,9
53,3
55,62
95,9
1104,8
1200,0
92,1
PACE-CAP5
11 473
12 470
92,0
51,1
55,62
91,9
1016,0
1200,0
84,7
PACE-CAP5
11 447
12 470
91,8
51,0
55,62
91,7
1011,4
1200,0
84,3
Норма IEEE
110%
135%
135%
Случай 3
Напряжение
Ток
Полная мощность
В
номин.
%
А
номин.
%
кВА
номин.
%
ФИЛЬТР A
12 147
14 410
84,3
10,2
12,03
84,5
213,4
300,0
71,1
ФИЛЬТР В
12 648
14 410
87,8
10,6
12,03
87,8
231,2
300,0
77,1
PACE-CAP1
11 533
12 470
92,5
51,4
55,62
92,4
1026,8
1200,0
85,6
PACE-CAP2
11 533
12 470
92,5
51,4
55,62
92,4
1026,8
1200,0
85,6
PACE-CAP3
11 533
12 470
92,5
51,4
55,62
92,4
1026,8
1200,0
85,6
PACE-CAP4
11 533
12 470
92,5
51,4
55,62
92,4
1026,8
1200,0
85,6
TWY-CAP1
11 982
12 470
96,1
53,4
55,62
96,0
1108,0
1200,0
92,3
TWY-CAP2
11 982
12 470
96,1
53,4
55,62
96,0
1108,0
1200,0
92,3
TWY-CAP3
11 982
12 470
96,1
53,4
55,62
96,0
1108,0
1200,0
92,3
TWY-CAP4
11 982
12 470
96,1
53,4
55,62
96,0
1108,0
1200,0
92,3
Норма IEEE
110%
135%
135%
В Таблице № 20 приведены величины напряжения на конденсаторе, тока и полной мощности для случая 2 и случая 3. Эти значения соответствуют нормам, установленным стандартом IEEE 18.
Характеристики фильтра
Кроме определения величины реактивной мощности и характеристик фильтра имеются другие важные аспекты проектирования. Фильтр будет увеличивать коэффициент мощности выше заданного, при этом будет допустимо изменение нагрузки. Более высокое номинальное напряжение конденсаторов будет определять диапазон напряжений системы в установившемся состоянии, например, от 13,8 до 14,4 кВ. При этом фильтр будет работать с напряжением, током и полной мощностью, меньшими номинальных, то есть будет иметься запас на случай нештатной ситуации. Более высокое номинальное напряжение конденсаторов позволяет также иметь запас при переходных перенапряжениях. Ограничители напряжения, установленные на дросселях и конденсаторах, ограничивают напряжение до безопасных уровней.
Фильтр может иметь перечисленные ниже дополнительные функции. Желательно иметь выключатель нагрузки для отключения при необходимости устройства (устройств) от системы. Конденсаторы индивидуально защищаются с помощью плавких предохранителей, а также ограничителей перенапряжения. Дополнительную защиту от повреждения обеспечивают защита от несимметрии (59N) и защита от потери фазы. Контроллер коэффициента мощности с измерением тока и напряжения в одной фазе может быть установлен или непосредственно в батарее, или за ней на входе оборудования.
Таблица № 21. Сводная информация о требуемых конденсаторах компенсации реактивной мощности на фидер
Наименование фидера
Эффективная реактивная мощность, квар
Номинальная реактивная мощность, квар
Конденсаторная батарея
макс.
требуемая1
требуемая1
добавлено
на фазу2
всего ступеней
ступень 1, квар
ступень 2, квар
ступень 3, квар
PHD-10
2700,0
1500,0
2344,0
2400,0
400 х 2
2
1200
1200
-
PHD-11
1600,0
750,0
1172,0
1200,0
400 х 1
1
1200
-
-
PHD-12
7390,0
4820,0
7532,1
7200,0
400 х 6
3
1200
2400
3600
PHD-13
4920,0
3500,0
5469,4
6000,0
400 х 5
3
1200
2400
2400
Примечания:
1. Реактивная мощность, необходимая для получения коэффициента мощности 95% (отстающий).
2. Номиналы отдельных конденсаторов и количество на фазу.
Таблица № 22. Сводная информация о комбинациях ступеней многоступенчатых конденсаторов компенсации реактивной мощности
Комбинация ступеней
Ступень (ступени) фидера
Общая реактивная мощность, квар
PHD-10
PHD-11
PHD-12
PHD-13
Номинальная
Эффективная на 13,8 кВ
Эффективная на 14,4 кВ
1
1
1
1
1
4800
3072
3345
2
1
1
1
1, 2
7200
4607
5017
3
1, 2
1
1
1, 2, 3
10 800
6911
7525
4
1, 2
1
1, 2, 3
1, 2, 3
16 800
10 751
11 706
Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения
Необходим двухступенчатый однорезонансный фильтр 5-й гармоники на 13,8 кВ, который устанавливается на 270 футов (82 м) дальше разветвления между объектом 1 и объектом 2. Фильтр будет настроен на частоту 4,7-й гармоники.
Его нужно использовать с ЧРП. Каждая ступень будет иметь номинальную реактивную мощность 900 квар (эффективная - 600 квар). При работе обоих объектов подключаются две ступени фильтра, а в течение месяцев, когда объект 2 не работает, одна ступень отключается.
Пример 2 - предприятие по выплавке и рафинированию меди
Предлагается использовать сочетание одноступенчатых и многоступенчатых однорезонансных фильтров на фидерах PHD-10 - PHD-13. Величины конденсаторов компенсации реактивной мощности и сочетания ступеней приведены в Таблицах № 21 и № 22.
Пример 3 - станция водоочистки муниципального аэропорта
Необходима установка одноступенчатых однорезонансных фильтров 5-й гармоники на распредустройстве 12,47 кВ (распредустройства А и В). Фильтры будут настроены на частоту 4,2-й гармоники. Каждая ступень будет иметь номинальную мощность 300 квар (эффективная – 225 квар).
Отсутствие предварительной инженерной проработки может привести к неожиданным явлениям при работе оборудования компенсации реактивной мощности: от ложных отключений и перегорания предохранителей до катастрофических аварий. В связи с этим необходимо учитывать степень важности системного подхода при проектировании компенсации реактивной мощности среднего напряжения.
Методология включает в себя измерения потокораспределения и гармоник, гармонический анализ, анализ счетов поставщика, величин коэффициента мощности, а также характеристик системы компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторов или, при необходимости, фильтров гармоник. Проводится тщательный гармонический анализ в точке подключения к энергосистеме, выходящий за пределы требований стандарта IEEE 519. При этом требуются частотные характеристики для определения точек резонанса предлагаемых конденсаторов и фильтров, а также оценка предлагаемых решений на основе стандарта IEEE 18.
Мы рассмотрели три примера исследования. В каждом из них использовался системный подход к проектированию системы компенсации реактивной мощности независимо от величины, типа и сложности объекта.
Выводы и обобщения
Случай 1 – максимальное потребление при отсутствии конденсаторной батареи
Во всех трёх примерах исследования в случае 1 имеющаяся система может соответствовать или не соответствовать стандарту IEEE 519, но значение коэффициента мощности не соответствует требуемому (наличие штрафов).
Случай 2 – максимальное потребление при подключенной конденсаторной батарее
Во всех трёх примерах исследования в случае 2, хотя при введении конденсаторной батареи коэффициент мощности соответствует требуемому, без фильтра в результате резонанса могут возникнуть чрезмерные искажения напряжения и тока.
Случай 3 – максимальное потребление при подключенном фильтре
Во всех трёх примерах исследования в случае 3 при применении фильтрующих устройств искажения тока и напряжения в точке подключения к энергосистеме соответствуют нормам стандарта IEEE 519. При этом корректируется коэффициент мощности и устраняются условия возникновения разрушающего резонанса.