Гармонический анализ и измерения гармоник

Системный подход к проектированию компенсации реактивной мощности среднего напряжения

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

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

Примеры исследования

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

Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения

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

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

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

Пример 2 - предприятие по выплавке и рафинированию меди

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

Пример 3 - станция водоочистки муниципального аэропорта

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

Анализ измерений гармоник

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

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

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

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

Принципы выбора величины конденсатора

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

Пример 1 – предприятие коммунального водоснабжения

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

Таблица № 1. Расчетное значение требуемой реактивной мощности по месяцам

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

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

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

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

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

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

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

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

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)

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

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

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

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.

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

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

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

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

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

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

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

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

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.