Уважаемые господа!

Для современных крупных промышленных предприятий горно-металлургического комплекса проблема компенсации реактивной мощности на напряжениях 6…35 кВ с каждым годом ставится все актуальнее.

Для современных крупных промышленных предприятий горно-металлургического комплекса проблема компенсации реактивной мощности на напряжениях 6…35 кВ с каждым годом ставится все актуальнее.

Сейчас она уже не может не рассматриваться, поскольку кроме затрат на оплату потребленной (или генерируемой) реактивной мощности имеется также и проблема затрат, связанных с простоем оборудования из-за воздействий на него высших гармонических составляющих (ВГС).

Но если раньше проблема качества сети при повышении косинуса фи (cos φ) касалась только узкого круга нагрузок, то сейчас она существенно расширилась, поскольку современные разработки в области управления мощными асинхронными двигателями и дуговыми печами с помощью полупроводниковых преобразователей существенно повысили производительность таких устройств, но одновременно привели к существенному ухудшению показателей качества сети предприятия.   

Кроме уменьшения содержания ВГС (уменьшения искажения кривой напряжения THDU), при повышении cos φ существенной проблемой является обеспечение требований ГОСТ 13109-97 в части требований к провалам (просадкам) напряжения и к содержанию дозы фликкера (колебания напряжения, называемые «мерцанием» или «фликкер-эффектом», с частотой от 1 до 30 Гц и максимумом возмущений при частоте 9 Гц). Превышение показателей ГОСТ по двум последним величинам приводит к выходу из строя электронного оборудования и мерцанию ламп освещения не только у самого потребителя, но и у смежных с ним промышленных и бытовых потребителей.

На крупном металлургическом или машиностроительном предприятии можно выделить несколько групп нагрузок 6…35кВ:

1. Двигательная, стабильная нагрузка без ВГС – это приводы различных транспортеров, насосов, вентиляторов, скорость которых не регулируется во время технологического процесса;
2. Двигательная, стабильная нагрузка с ВГС – это все регулируемые виды приводов, где применяются выпрямители, тиристорно-управляемые устройства, инверторы частоты – т.е. привода прокатных станов, горных подъемных машин, насосов с регулируемой производительностью и.т.п. Спектр гармоник не широкий и сосредоточен, как правило, вокруг одной из нечетных гармоник (обычно 5-й, 7-й, 11-й и 13-й);
3. Быстроизменяющаяся нестабильная нагрузка с ВГС, провалами напряжения и фликкер-эффектом – это ДСП всех видов, электрифицированный ЖД-транспорт и т.п. Спектр гармоник очень широкий и может достигать до 81-й включительно, с пиками на 3-й, 5-й, 7-й, и 11-й гармониках;

Последняя группа заслуживает особого внимания, поскольку кроме затрат на оплату потребляемой ею реактивной энергии, которые могут достигать до 50…60% от всей оплаты за реактивную энергию по предприятию, такая нагрузка постоянно генерирует широкий спектр ВГС, недопустимый по величине фликкер-эффект и просадки напряжения, существенно увеличивая вероятность возникновения резонансов и выхода из строя оборудования.

В совокупности со скоростью протекания процессов в несколько полупериодов сети, это приводит к появлению выбросов тока и напряжения в сети до 3-х кратных от номинальных значений, к «перекрытию» токоведущих частей при отсутствии необходимого срабатывания защитных аппаратов – т.е. к повреждениям оборудования, вынужденным простоям, недоотпускам продукции и убыткам предприятия, а также штрафам за невыполнение требований ГОСТ по ПКЭ.

Для возможности предотвращения таких последствий и выбора адекватной системы компенсации проанализируем все средства компенсации реактивной мощности, доступные современным предприятиям. Технические характеристики сведены в таблицы.


НЕРЕГУЛИРУЕМЫЕ СИСТЕМЫ

Тип системы	Нерегулируемые батареи конденсаторов	Нерегулируемые синхронные двигатели
Техническое описание	Конденсаторные батареи подключаются к сети дискретно без регулировки	Синхронный двигатель с ручным регулированием возбуждения
Точность регулирования cos	нет	нет
Быстродействие	нет	нет
Симметричность регулирования	По 3-м фазам	По 3-м фазам
Способ регулирования	Ручное включение и отключение	Ручное регулирование
Способ коммутации	Отдельный выключатель с низким ресурсом	Нет (бесконтактный)
Вероятность генерации (перекомпенсации)	высокая	высокая
Вероятность перенапряжений	высокая	высокая
Влияние на систему	постоянно	Только когда двигатель включен в работу
Ресурс системы	Определяется ресурсом выключателя батареи и наличием гармоник в сети	Определяется ресурсом двигателя
Наличие реакторов или фильтров	нет	нет
Наличие защит от ВГС	нет	нет
Влияние на ПКЭ в сети	ухудшение	ухудшение
Предотвращение резонанса	нет	нет

Применение нерегулируемых систем без реакторов, выглядит привлекательно с точки зрения минимальных первичных капиталовложений, однако с учетом отсутствия регулирования генерации реактивной мощности в сети энергоснабжающей компании, и ухудшения ПКЭ в случае наличия нелинейных нагрузок, такие способы компенсации сведут на «нет» экономический эффект от повышения cos φ.

Отсутствие реакторов будет приводить к периодическим резонансам с последующим выходом из строя оборудования, поэтому данные способы не являются решением проблемы, а только ее ухудшением.

Применение нерегулируемых конденсаторных установок возможно на всех напряжениях в диапазоне 6…35 кВ, применение компенсации за счет перевозбуждения синхронных двигателей – только 6  и 10 кВ.


РЕГУЛИРУЕМЫЕ СИСТЕМЫ МЕДЛЕННОГО ДЕЙСТВИЯ

Тип системы	Регулируемые батареи конденсаторов	То же с детюнинговыми реакторами
Техническое описание	Конденсаторы подключаются к сети через отдельные коммутационные аппараты по командам регулятора
	Без реакторов	С детюнинговыми реакторами
Точность регулирования cos	Обеспечение среднесуточного cos в пределах 0,95 …0,99 (зависит от конфигурации ступеней)
Быстродействие	1…5 минут (с учетом разряда конденсаторов)
Симметричность регулирования	По 3-м фазам
Способ регулирования	Автоматически
Способ коммутации	Электромеханические вакуумные контакторы
Вероятность генерации (перекомпенсации)	Низкая, но зависит от правильности выбора минимальной ступени на этапе разработки
Вероятность перенапряжений	Зависит от ПКЭ системы
Влияние на систему	Постоянно
Ресурс системы	Определяется ресурсом контакторов (100…300 тыс. В-О)
Наличие реакторов или фильтров	нет	Да, реакторы «детюнинговые»
Наличие защит от ВГС	Есть, путем отключения ступеней	Не требуется
Влияние на ПКЭ в сети	Нет или ухудшение (зависит от ПКЭ системы)	Уровень THDU и фликера аналогичен таковому без установки
Предотвращение резонанса	Путем отключения ступеней и снижения cos φ	Полное, но зависит от правильности выбора частоты  «детюнинговых» реакторов на этапе разработки

Регулируемые системы без реакторов оптимально подходят, в основном, для компенсации стабильных нагрузок, не генерирующих ВГС. Сферу их применения также определяет и низкая скорость реакции таких установок, обусловленная необходимостью разряда конденсаторов (в среднем – от 5 до 10 минут) перед повторным включением в работу каждой ступени. Поэтому они смогут работать в оптимальном режиме поддержания cos φ нагрузок, плавно изменяющихся во времени, например, - для приводов насосов, конвейеров и т.п. Данные установки могут избегать повреждений оборудования от резонанса благодаря защитам, отключающим ступени при создании резонанса, однако в этом случае не будет обеспечиваться необходимый cos φ, что сведет на «нет» эффективность такой установки, если в системе электроснабжения предприятия имеется высокий уровень ВГС. ПКЭ при этом будут только ухудшаться.

Применение регулируемых конденсаторных установок наиболее эффективно на напряжениях 6 и 10 кВ - подробные технические характеристики регулируемых систем приведены в разделе «Автоматические конденсаторные установки 6, 10 кВ».



На напряжение 35 кВ удельная стоимость аналогичных систем резко возрастает за счет высокой стоимости коммутационных аппаратов 35 кВ, конденсаторных батарей и сопутствующего оборудования, а эффективность (точность подержания cos φ) - существенно снижается за счет больших величин ступеней и длительного времени разряда конденсаторов.

Применение регулируемых систем с детюнинговыми реакторами является существенным шагом вперед в сочетании экономии затрат на реактивную энергию, с одновременным предотвращением выхода из строя оборудования из-за воздействия ВГС. При этом, ПКЭ остаются без изменений (на том же уровне, что и до внедрения компенсирующих устройств), поэтому такие системы оптимальны в случаях, когда отсутствует необходимость обеспечения требований ГОСТ 13109-97 в системе электроснабжения предприятия и необходимо только обеспечить работоспособность оборудования системы компенсации реактивной мощности в условиях высокого содержания ВГС.


РЕГУЛИРУЕМЫЕ СИСТЕМЫ БЫСТРОГО ДЕЙСТВИЯ

Тип системы	Статические тиристорные компенсаторы (бесступенчатая компенсация) с фильтрами гармоник СТК (или ФКУ или SVC)
Техническое описание	Тиристорно-управляемый реактор (ТУР или ТРГ) регулирует выдачу реактивной мощности батареями нескольких фильтров гармоник отдельно в каждой фазе по принципу косвенной компенсации. Фильтры гармоник рассчитываются для каждого конкретного объекта отдельно
Точность регулирования cos	Обеспечение cos φ = 1,0 в реальном времени
Быстродействие	Время реакции системы – не более 20мс
Симметричность регулирования	По каждой фазе отдельно
Способ регулирования	Автоматически
Способ коммутации	Бесступенчатое регулирование тока тиристором
Вероятность генерации (перекомпенации)	нет
Вероятность перенапряжений	нет
Влияние на систему	Постоянно
Ресурс системы	Определяется только условиями охлаждения тиристоров
Наличие реакторов или фильтров	Да, реакторы фильтровые
Наличие защит от ВГС	Нет необходимости
Влияние на ПКЭ в сети	При правильном расчете и выборе оборудования – коррекция ПКЭ в полном соответствии с требованиями ГОСТ 13109-97
Предотвращение резонанса	Полное, но зависит от правильности выбора фильтров на этапе разработки

Кроме системы типа СТК (или ФКУ, или SVC) ведущими мировыми производителями аналогичного оборудования разработаны еще несколько видов устройств, обеспечивающих компенсацию реактивной мощности с быстродействием в пределах полупериода сети (20 мс) – например TSC (тиристорно-управляемые конденсаторы), STATCOM (статический синхронный компенсатор), SSSC (статический синхронный продольный компенсатор) и т.п., однако они на сегодняшний день не получили широкого распространения для напряжений 6…35 кВ ввиду либо своей высокой стоимости, либо трудоемкости монтажа и настройки или по другим техническим и экономическим причинам.

С другой стороны, системы СТК (SVC), которые иногда еще называют фильтро-компенсирующими устройствами (ФКУ) эксплуатируются во всем мире на многих металлургических, горно-рудных, добывающих, машиностроительных, сталелитейных и других предприятиях а также на электрифицированной ЖД и зарекомендовали себя, как наиболее подходящие для задач быстродействующей компенсации реактивной мощности с обеспечением заданных ПКЭ, поэтому нами подробно рассмотрены именно эти системы.

Системы СТК (SVC) являются оптимальным решением для компенсации быстродействующих нагрузок с ВГС на всех напряжениях в диапазоне 6…35 кВ – в особенности таких, как ДСП и электрифицированный ЖД-транспорт, поскольку обладают как необходимым быстродействием, так и защитой от ВГС, обеспечивая при этом cos φ = 1,0 одновременно с необходимыми ПКЭ по ГОСТ 13109-97.

Следует особо отметить, что дополнительным эффектом СТК является повышение КПД тех нагрузок, которые они компенсируют. Так, например для дуговых печей уменьшается время плавки при тех же затратах активной электроэнергии, снижается расход электродов и т.п. При правильном внедрении СТК срок окупаемости может быть всего лишь 2…3 года – при том, что такие системы, как правило, в 10…15 раз дороже автоматических установок без реакторов.

Подробные технические характеристики СТК приведены в разделе «Статические компенсаторы 6…35 кВ».