ДонНТУ   Портал магістрів

Розробка рекомендацій щодо обгрунтування рівня компенсаціі реактивної потужності в електиричних мережах

Зміст

Вступ

В сучасний час гостро стає питання економії енергоресурсів. Для більшості промислових підприємств електроенергія є основним джерелом енергії. Тому ставає питання про скорочення втрат при передачі та споживанні електроенергії. У багатьох сферах йде процес розвитку енергозберігаючих технологій спрямованих на ефективне використання промислових систем і технологічних установок. До основних електроприймачів на будь-якому підприємстві можна віднести: електродвигуни та трансформатори. Їх принцип роботи заснований на створенні електромагнітного поля, яке вимагає споживання реактивної потужності. Але реактивна потужність не виробляє корисної роботи, а лише призводить до додаткової завантаженні ліній, що знижує коефіцієнт потужності, приводячи до збільшення втрат активної потужності через нагрівання провідників. Також наявність реактивної потужності впливає на рівень напруги в мережі і якість електроенергії, що призводить до додаткових втрат в провідниках, збільшення плати постачальнику електроенергії і т.д.

1. Актуальність теми

Актуальність даної теми визначається необхідністю зниження витрат споживача за рахунок зниження споживання реактивної потужності і зниження можливе при використанні компенсуючих пристроїв - конденсаторних установок, синхронних компенсаторів, СТК - які встановлюються на шинах нижчої напруги підстанції споживача. Дані пристрої дозволяють знизити плату за споживання реактивної потужності і підвищити напругу на шинах підстанції.

2. Наукова значимість

Вартість електроенергії складає значну частину собівартості продукції. Тому компенсація реактивної енергії, яка приведе до зниження втрат електроенергії і знизить витрати підприємства за її споживання, має доцільність і є одним з пріоритетних напрямків у розвитку енергозберігаючих технологій.

3.Сучасні пристрої компенсації реактивної потужності

Для підвищення ефективності використання електроенергії необхідно використовувати більш економічні способи її генерації, передачі та споживання. Винятки факторів, що призводять до виникнення втрат, призведе до більш раціонального використання електричних систем. Одним з рішень даної проблеми є підвищення коефіцієнта потужності. Найбільш це ефективно при підключенні пристроїв, що компенсують якнайближче до індуктивному навантаженні.

Найбільш перспективним засобом компенсації реактивної потужності активно-індуктивних навантажень є косинусні конденсатори та конденсаторні установки (КУ). Конденсаторні установки широко застосовуються в мережах і системах електропостачання промпідприємств та енергооб'єктів практично всіх рівнів не тільки у вигляді індивідуальної, групової та централізованої компенсації реактивної потужності (РМ), а також у симетрувальних, фільтруючих, комбінованих (симетрія-компенсуючих, фільтро-симетрувальних і т. п.) пристроях, ємнісних перетворювачах параметрів електроенергії і т.п. У цілому, стан КУ середньої напруги в Україні, можна охарактеризувати як плачевний: в основному це КУ нерегульовані, без належних засобів захисту (реакторів і інш.), Найчастіше з екологічно шкідливими конденсаторами (з просоченням трихлордифенілом), виробленими до середини 80-х рр., що вимагають негайної заміни та спеціальної утилізації. Завдання впровадження сучасних високоефективних КУ стає все більш актуальною.

Європейські виробники конденсаторних установок домоглися високого рівня і можуть запропонувати конденсатори промислової частоти потужністю досягає 1МВар з номінальною напругою до 24кВ.

Схеми з включенням конденсаторів в зірку застосовуються в установках з плавним регулюванням РМ (містять реактори з тиристорним управлінням) і фільтрокомпенсірущіх пристроях, що містять одну або кількох ланцюгів з послідовним з'єднанням конденсаторів і фільтрових реакторів, налаштованих на певні частоти вищих гармонійних складових. Такі установки дозволяють одночасно здійснювати компенсацію РМ, часткове придушення присутніх у компенсується мережі гармонік, що спотворюють синусоидальность напруги та інші функції. Однофазні КУ з регульованим декомпенсіро дроселем застосовуються на напрузі 27 кВ (для залізниць). Конденсатори КУ поздовжньої компенсації можуть виготовлятися з підвищеними перевантажувальними здібностями. Трифазні косинусні та фільтрувальні конденсатори випускаються зазвичай до напруги 12 кВ. У автоматичних КУ з номінальною напругою 6-12 кВ найчастіше використовують ступеневу включення трифазних конденсаторів, хоча в ряді випадків більш ефективним є включення однофазних конденсаторів в зірку. Комутація ступенів КУ, як правило, проводиться вакуумними контакторами. Для зниження кидків струму при комутаціях застосовуються пускові (демпфирующие) реактори (англ. - inrush reactors), серійно випускаються з індуктивностями 0,05-0,1 мГн для номінальних струмів конденсаторів 50-200 А.

У всі зростаючому кількості випадків використання КУ в умовах погіршення показників якості електроенергії з ГОСТ 13109-97 зазвичай застосовуються:

  • Конденсатори з нестандартними номінальними напругами (наприклад 6,6 і 11 кВ замість 6,3 і 10,5 кВ) для роботи в умовах позитивних (що перевищують номінальне) відхилень напруги,

  • Антирезонансні дроселі (також звані «детюнінговимі» - англ. - Detuned reactors) найчастіше з коефіцієнтами расстройки (те ж: неузгодженості / заспокоєння) 7 і 14% (відповідних резонансним частотам контуру «конденсатор-дросель» 189 і 134 Гц), для зниження перевантаження конденсаторів струмами вищих гармонійних складових,

  • регулятори та інші пристрої захисту, контролюючі відповідні перевантаження конденсаторів, обмежувачі перенапруг і т.п.

    У разі істотної несинусоїдальності напруги додатково застосовуються налаштовані фільтруючі пристрої.

    У системах захисту сучасних КУ, що працюють в умовах відхилень і несинусоїдальності напруги, застосовуються пристрої (блоки) контролюючі:

  • надлишковий тиск усередині корпусу конденсатора, у вигляді відповідного датчика, встановленого в корпусі конденсатора,

  • стан зовнішніх запобіжників для уникнення несиметричних режимів, наприклад за допомогою застосування спеціальних тримачів з індикацією та сигналізацією спрацювання,

  • Коефіцієнти несинусоїдальності (спотворення синусоидальности кривої) напруги (THDU) і струму (THDІ), в тому числі і перевантаження по окремих гармонійним складовим,

  • Величину власного струму КУ і вхідного напруги для пристроїв, що відключають КУ у разі перевищення максимально допустимих значень напруги і струму конденсаторів,

  • Напруга на котушках вакуумних контакторів для захисту від небезпечного режиму неустройчівого контакту (брязкоту контакту) при зниженій напрузі, температуру конденсаторів і / або внутрішнього простору КУ,

  • струм небалансу при використанні схеми з включенням однофазних конденсаторів більш ніж в одну зірку (для спрацьовування захисту від появи асиметрії ємності в гілках КУ).

    • Для реєстрації та відповідного функціонування захисту КУ зазвичай застосовуються універсальні пристрої, які одночасно здійснюють всі перераховані функції контролю. У той же час, частковий контроль можуть виконувати як індивідуальні пристрої, так і сучасні регулятори ємності КУ. Останні, зазвичай звані «регуляторами коефіцієнта потужності», в т.ч. можуть контролювати як THDU, так і THDІ, а також окремі гармонійні складові власного струму КУ (при цьому, такі регулятори мають відповідно два входи для вимірювальних ланцюгів струму). Застосовуються також регулятори без контролю власного струму КУ, що обчислюють струмовий перевантаження відповідної ступені регулювання за величиною THDU. У разі обліку одночасного впливу на елементи КУ декількох показників якості електроенергії в пристрої захисту або регуляторі КУ важливо мати можливість корекції максимально допустимої величини струму: так, наприклад, при зниженій напрузі може допускатися кілька завищена перевантаження елементів струмами вищих гармонік і т.п. Слід зазначити, що чутливість сучасних регуляторів досягла величини 2 мА. Електротехнічний ринок України, особливо останнім часом, наповнюється новими модифікаціями регуляторів, що відрізняються не тільки елементної базою і функціями, але і новими підходами до побудови алгоритмів регулювання. У більшості випадків в основі алгоритму традиційних регуляторів лежить регулювання за величиною і знаку РМ, яка зазвичай визначається по струму однієї з фаз і лінійному напрузі між двома іншими фазами трифазної мережі. У разі несиметрії напруг / струмів, підключення трансформатора струму, як правило, робиться у фазі з мінімальним струмом (для того, щоб уникнути режиму перекомпенсації в інших фазах), хоча при цьому виникає відповідна недокомпенсація РМ. Для компенсації РМ при істотно несиметричних режимах слід застосовувати несиметричні схеми КУ, в т.ч. схему, що складається з трьох груп однофазних конденсаторів різної ємності, які регулюються за спеціальними алгоритмами спеціальними типами регуляторів [1,2].

    4. Огляд досліджень та розробок

    Методика розрахунку оптимальної потужності компенсуючих установок з умови мімнімуму наведених витрат [3,4,5].

    Розрахунок для ПС «Комуна»

    де Зmin мінімальні витрати;

    Ен – коефіцієнт економічної ефективності капітальних вкладень, приймаємо 0,25;

    Кку и КВ – вартість КУ і вимикачів відповідно;

    Иconst – постійні витрати;

    Иvar – змінні витрати;

    П – плата за перетікання реактивної потужності.

    Згідно добовим (зимовим і літнім) графіками навантаження ПС «Комуна» визначається добова плата за перетікання РМ при різній номінальній потужності КУ.

    Таблица 1 – Суточная плата за перетоки реактивной мощности зимой для Т1

    ПС Qky, Мвар с 7-22 год. с 23-6 год. Wp, МВт*г tgϕ Kϕ П1, т.грн П2, т.грн П, т.грн. ΣПзима
    WQ сп, Мвар*г WQ ген, Мвар*г WQ сп, Мвар-г WQ ген, Мвар-г
    Комуна

    		0,9 0 3,43 0 2,9 26,6 -0,24 1 0,17748 0 0,17748 37,8
    0,75 0 1,18 0 1,55 26,6 -0,10 1 0,09486 0 0,09486 20,2
    0,6 3,32 0 1,18 0,03 26,6 0,17 1 0,093636 0 0,093636 19,9
    0,45 6,81 0 2,59 0 26,6 0,35 1,01 0,19176 0,001918 0,193678 41,3
    0,3 5,57 0 2,54 0 26,6 0,30 1,0025 0,165444 0,000414 0,165858 35,3
    0,15 7,82 0 3,85 0 26,6 0,44 1,0361 0,238068 0,008594 0,246662 52,5
    0 10,07 0 5,2 0 26,6 0,57 1,1024 0,311508 0,031898 0,343406 73,1


    Таблица 2– Суточная плата за перетоки реактивной мощности летом для Т1

    ПС Qky, Мвар 7-22 год. 23-6 год. Wp, МВт*г tgϕ Kϕ П1, т.грн П2, т.грн П, т.грн. ΣПліто
    WQ сп, Мвар-г WQ ген, Мвар-г WQ сп, Мвар-г WQ ген, Мвар-г
    Комуна

    		0,9 1,14 1,51 0,43 1,91 29,9 -0,06 1 0,14892 0 0,14892 22,63584
    0,75 2,49 0,61 0,88 1,01 29,9 0,06 1 0,13056 0 0,13056 19,84512
    0,6 4,13 0 1,33 0,11 29,9 0,18 1 0,118116 0 0,118116 17,95363
    0,45 6,38 0 2,57 0 29,9 0,30 1,0025 0,18258 0,000456 0,183036 27,82154
    0,3 8,63 0 3,92 0 29,9 0,42 1,0289 0,25602 0,007399 0,263419 40,03968
    0,15 10,88 0 5,27 0 29,9 0,54 1,0841 0,32946 0,027708 0,357168 54,28947
    0 13,13 0 6,62 0 29,9 0,66 1,1681 0,4029 0,067727 0,470627 71,53538
















    Таблица 3– Суточная плата за перетоки реактивной мощности зимой для Т2



    ПС Qky, Мвар 7-22 год. 23-6 год. Wp, МВт*г tgϕ Kϕ П1, т.грн П2, т.грн П, т.грн. ΣПзима
    WQ сп, Мвар-г WQ ген, Мвар-г WQ сп, Мвар-г WQ ген, Мвар-г
    Комуна

    		0,9 1,35 0,3 2,16 0,06 65,9 0,05 1 0,075276 0 0,075276 16,03
    0,75 3,48 0,03 3,45 0 65,9 0,10 1 0,141372 0 0,141372 30,11
    0,6 5,73 0 4,8 0 65,9 0,16 1 0,214812 0 0,214812 45,75
    0,45 7,98 0 6,15 0 65,9 0,21 1 0,288252 0 0,288252 61,40
    0,3 10,23 0 7,5 0 65,9 0,27 1,0004 0,361692 0,000145 0,361837 77,07
    0,15 12,42 0 8,85 0 65,9 0,32 1,0169 0,433908 0,007333 0,441241 93,98
    0 14,73 0 10,2 0 65,9 0,38 1,1225 0,508572 0,0623 0,570872 121,60



    Таблица 4– Суточная плата за перетоки реактивной мощности летом для Т2


    ПС Qky, Мвар 7-22 год. 23-6 год. Wp, МВт*г tgϕ Kϕ П1, т.грн П2, т.грн П, т.грн.

    ΣПліто

    WQ сп, Мвар-г WQ ген, Мвар-г WQ сп, Мвар-г WQ ген, Мвар-г
    Комуна

    		0,9 0 3,89 0,5 2,15 24,7 -0,22 1 0,14178 0 0,14178 21,6


    		0,75 0,18 1,06 0,7 0,55 24,7 -0,03 1 0,051612 0 0,051612 7,8


    		0,6 1,06 0,44 1,06 0 24,7 0,07 1 0,043248 0 0,043248 6,6


    		0,45 3,16 0,29 2,41 0 24,7 0,21 1 0,113628 0 0,113628 17,3


    		0,3 5,26 0,14 3,76 0 24,7 0,36 1,0121 0,184008 0,002226 0,186234 28,3


    		0,15 7,36 0 5,11 0 24,7 0,50 1,0625 0,254388 0,015899 0,270287 41,1


    		0 9,61 0 6,46 0 24,7 0,65 1,16 0,327828 0,052452 0,38028 57,8



    Розрахунок змінних витрат, тобто плати за втрати електроенергії в системі. Враховуються втрати тільки в трансформаторах ПС.

    Річні втрати електроенергії розрахуються за формулою:

    где - втрати в обмотках трансформатора,

    ΔРст – втрати в сталі трансформатора.

    Число годин максимальних втрат τм визначаються за формулою:

    де Тм – число годин використання максимального навантаження.

    Величина Тм визначається з річного споживання електроенергії

    где Рmax – максимальна потужність.

    Для умов Донбасу приймається що кількість зимових діб на рік становить 213 днів, а річних - 152, тоді [6,7]:

    Величина Тм і τм для трансформаторів ПС «Комуна» показана в табл. 5

    Таблиця 5 - Результати розрахунку Тм і τм

    Тр-р

    Суточное потребление э/э, МВт*ч

    Wгод, МВт*ч

    Рмакс, МВТ

    Тм, ч

    τм, ч


    Зима

    Лето





    Т1

    26,6

    29,9

    10210,6

    2,08

    4908,9

    3312,1

    Т2

    65,9

    24,7

    17791,1

    3,76

    4731,7

    3123,9



    Результати розрахунку річних втрат електроенергії наведемо в таблиці 6 і 7.

    Таблиця 6 - Річні втрати електроенергії для Т1.
    Qky Pmax Qmax S, МВА dPмд, кВт dWt, МВТ*ч Иvar, тыс
    0,9 2,08 1,09 2,09 1,544 120,68 82,1
    0,75 2,08 1,09 2,11 1,572 120,82 82,2
    0,6 2,08 1,09 2,14 1,617 121,04 82,3
    0,45 2,08 1,09 2,18 1,677 121,33 82,5
    0,3 2,08 1,09 2,22 1,752 121,70 82,8
    0,15 2,08 1,09 2,28 1,844 122,15 83,1
    0 2,08 1,09 2,35 1,952 122,68 83,4



    Таблиця 7 - Річні втрати електроенергії для Т2
    Qky Pmax Qmax S, МВА dPмд, кВт dWt, МВТ*ч Иvar, тыс
    0,9 3,76 1,09 3,76 3,60 130,13 88,5
    0,75 3,76 1,09 3,78 3,62 130,23 88,6
    0,6 3,76 1,09 3,79 3,65 130,38 88,7
    0,45 3,76 1,09 3,81 3,69 130,58 88,8
    0,3 3,76 1,09 3,84 3,75 130,84 89,0
    0,15 3,76 1,09 3,88 3,82 131,15 89,2
    0 3,76 1,09 3,91 3,89 131,52 89,4



    Результати розрахунку витрат З наведені в табл.8 і 9.

    Таблиця 8 - Результати розрахунку З для Т1.
    Qky Kky Kв Иconst Иvar П 3
    0,9 50,032 32 11,81261 82,06308 60,43908 174,8228
    0,75 62,606 64 18,23126 82,15703 40,0503 172,0901
    0,6 56,376 64 17,33414 82,30414 37,8981 167,6304
    0,45 34,418 32 9,564192 82,50444 69,07487 177,748
    0,3 28,188 32 8,667072 82,75791 75,36736 181,8393
    0,15 21,196 32 7,660224 83,06456 106,8285 210,8523
    0 0 0 0 83,42438 144,6809 228,1053



    Таблиця 9 - Результати розрахунку З для Т2.
    Qky Kky Kв Иconst Иvar П 3
    0,9 50,032 32 11,81261 88,49153 37,58 158,3965
    0,75 62,606 64 18,23126 88,5565 37,96 176,3965
    0,6 56,376 64 17,33414 88,65825 52,33 188,415
    0,45 34,418 32 9,564192 88,79677 78,67 193,6346
    0,3 28,188 32 8,667072 88,97207 105,38 218,065
    0,15 21,196 32 7,660224 89,18415 135,07 245,2114
    0 0 0 0 89,433 179,40 268,8314



    Побудуємо залежність витрат З від потужності КУ.

    Рисунок 1 Залежність 3(Qбк) для Т1(5 кадрів , час анімації 10с, розмір 9кБ)

    Рисунок 1 – Залежність З(Qбк) для Т1(5 кадрів , час анімації 10с, розмір 10кБ)

    Рисунок 1 Залежність 3(Qбк) для Т2

    Рисунок 2 – Залежність З(Qбк) для Т2

    З отриманих залежностей можна зробити висновок що оптимальною потужністю КУ для Т1 є Qбк = 0,6 МВАр.



    Висновки

    Новизна даної роботи полягає в комплексному підході до вирішення завдання компенсації реактивної потужності. Пропонується методика і програма вибору оптимального використання конденсаторних батарей. Таким чином, при розглянутому рівні вартості КУ, їх установка є економічно доцільною. У подальших дослідженнях необхідно визначити оптимальну величину нормативного коефіцієнта ефективності, норми відрахувань на обслуговування КУ, вартості спожитої електроенергії.

    При написанні даного реферату магістерська робота не завершена. Остаточний варіант роботи можна отримати у автора або наукового керівника після грудня 2013.

    Перелік посилань

    1. Современные аспекты применения конденсаторных установок cреднего напряжения/Ю.П.Зубюк канд.техн.наук, ООО «Электросфера».
    2. Ильяшов В.Л. Конденсаторные установки промышленных предприятий. - М.: Энергоатомиздат, 1983. - 152 с.
    3. Методика розрахунків за перетоки реактивної електроенергії між енергопостачальною організацією і її споживачами. - Київ, 1997. - 36 с.
    4. Указания по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях. - М: Энергия, 1974. - 72 с.
    5. Методика начисления платы за перетоки реактивной электроэнергии между электропередающей организацией и ее потребителями. - Введ. Мин. топэнерго Украины, приказ № 19 от 17.01.02.
    6. Железко Ю.С. Стратегия снижения потерь мощности и повышения качества электроэнергии в электрических системах // Электричество. - 1992. - № 5. - С. 6-12.
    7. Справочник по проектированию электроэнергетических систем / Под ред. С.С. Рокотяна, И.М. Шапиро. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 352 с.