Регулирование напряжения путем поперечной компенсации реактивной мощности с помощью конденсаторной батареи

1. Цель работы:

-изучить влияние поперечной емкостной компенсации на величину напряжений в узлах распределительной сети.

2. Основные положения:

Потребляемая мощность складывается из активной, то есть полезной, и реактивной составляющих. Такой процесс обусловлен электромагнитными явлениями в природе.

При протекании тока по проводнику возникает вокруг него электрическое и магнитное поле. Если геометрия проводника похожа на катушку, то магнитная составляющая имеет высокое значение. Поэтому основное потребление реактивного тока происходит электроприемниками, содержащими в своей конструкции катушки: трансформаторы, электрические двигатели. Прямолинейный проводник может потреблять реактивный ток из сети, но значение которого очень мало и незначительно по сравнению с вышеуказанной группой электроприемников.

Основным показателем такого параметра электроприемников является коэффициент мощности, который определяет соотношение между активной и реактивной мощностью.

(1)

где Р – активная (полезная) мощность, кВт; Q – реактивная мощность, кВАр; S – полная мощность, кВт.

Величина коэффициента мощности не остается постоянной различают мгновенное и средневзвешенное значение коэффициента мощности.

Повышение коэффициента мощности может быть осуществлено так называемым естественным (без применения специальных средств) и искусственным способом.

Повышение коэффициента мощности естественным способом предусматривает следующие основные мероприятия.

1. Выбор электродвигателей с номинальной мощностью равной или близкой мощности рабочей мощности, полная их загрузка и ограничение времени холостого хода.

2. Мощность электродвигателей следует выбирать в соответствии с режимом производственного оборудования, не допуская излишних запасов мощности.

3. Применение электродвигателей с более высоким коэффициентом мощности (высокоскоростных на шариковых подшипниках).

4. Переключение обмоток электродвигателя при нагрузке меньше 50% с треугольника на звезду. Отключение первого из параллельно работающих трансформаторов при значительном снижении нагрузки.

Как правило, все эти мероприятия в сельском хозяйстве используются редко и прибегают к использованию искусственного повышения коэффициента мощности, т.е. устанавливают специальные устройства.

Для сельских электроустановок наиболее применимый способ повышения коэффициента мощности – это компенсация реактивной мощности при помощи батарей конденсаторов. Широкое применение статических конденсаторов при компенсации реактивной мощности объясняется их значительными преимуществами по сравнению с другими способами, а именно:

- более высоким коэффициентом полезного действия (то есть малыми удельными потерями активной мощности, не более 0,005 кВт на 1 кВАр компенсирующего устройства, то есть не более 5%);

- отсутствием вращающих частей;

- простотой монтажа и эксплуатации;

- сравнительно не высоким капиталовложением;

- широкой возможностью подбора малой необходимой мощности конденсаторов;

- возможностью установки в любых точках электросети;

- отсутствием шума во время работы.

Компенсация реактивной мощности в зависимости от места может быть индивидуальной, групповой, целевой и централизованной. Лучший вариант – групповая компенсация, так как при этом имеется оптимальный вариант между затратами и эффектом от компенсации.

Мощность конденсаторов пропорциональна квадрату напряжения

Q_c = U_c² * ω * C * 10^-9, (2)

где - суммарная мощность конденсаторов 3-х фаз, кВАр; - номинальное напряжение на зажимах конденсаторов, В; - угловая частота тока, с^-1; С – емкость, мкФ.

При соединении конденсаторов в треугольник U_c = U, при соединении в звезду U_c = U / √3 (U –линейное напряжение).

Мощность конденсаторной батареи необходимую для повышения коэффициента мощности со значения и до значения определяется по выражению

Q = P * (tg φ₁ – tg φ₂), (3)

где Р – активная мощность установки, кВт; - угол сдвига фаз до включения батареи конденсаторов; - угол сдвига фаз после включения.

Конденсаторная установка допускает только ступенчатое регулирование. Количество ступеней регулирования определяют по усредненному графику нагрузки. При этом изменение напряжения при включении секции конденсаторных установок не должно превышать 1…2 % от номинального значения.

3. Задания и порядок выполнения лабораторной работы:

3.1. Собрать схему лабораторных испытаний (рис. 1, ВСЕ модули стенда должны быть ОТКЛЮЧЕНЫ!). Схема представляет собой линию электропередачи с радиальным питанием. Источник питания «Модуль трехфазной сети» 1, представляющий собой сеть бесконечной мощности, через понижающий трансформатор 2 питает «линию электропередачи» 3, работающую в режиме холостого хода (без нагрузки). Измеритель мощности 4 предназначен для измерения линейного напряжения на шинах потребителя.

Рис. 1. Линия электропередачи в режиме холостого хода

3.2. Установить параметры «линии электропередачи»:

а) минимальное значение продольной составляющей (переключатель SA1 в положение 1);

б) отключить поперечную составляющую (переключатели SA2, SA3 в положении 1).

Нейтраль трансформатора оставить не заземленной (режим работы с изолированной нейтралью).

3.3. Включить питание стенда и нажать кнопку «Вкл» модуля «трехфазной сети».

3.4. Перевести модуль «измерителя мощности» в режиме измерения линейных напряжений. Записать величину напряжения электропередачи при работе в режиме холостого хода.

3.5. Нажать кнопку «Откл» модуля «трехфазной сети».

3.6. Отключить питание.

3.7. Собрать схему лабораторных испытаний (рис. 2, ВСЕ модули стенда должны быть ОТКЛЮЧЕНЫ!), представляющую собой «линию электропередачи» 3, работающую на «индуктивную нагрузку» 5.

Рис. 2. Линия электропередачи в режиме работы на индуктивную нагрузку

3.8. Установить переключатель SA1 величины «индуктивной нагрузки» в положение 3.

3.9. Включить питание стенда и нажать кнопку «Вкл» модуля «трехфазной сети».

3.10. Перевести модуль «измерителя мощности» в режим измерения линейных напряжений. Записать величину напряжения электропередачи в режиме работы на индуктивную нагрузку.

3.11. Нажать кнопку «Откл» модуля «трехфазной сети».

3.12. Отключить питание.

3.13. Собрать схему лабораторных испытаний (рис. 3, ВСЕ модули стенда должны быть ОТКЛЮЧЕНЫ!), представляющую собой «линию электропередачи» 3 с устройством поперечной «емкостной компенсации» 6, работающую на «индуктивную нагрузку» 5. В качестве устройства поперечной емкостной компенсации (конденсаторной батареи) использовать модуль «емкостной нагрузки». Переключатель величины емкости конденсаторной батареи SA1 установить в положение 5.

Рис. 3. Линия электропередачи в режиме работы на индуктивную нагрузку с устройством поперечной емкостной компенсации

3.14. Включить питание стенда и нажать кнопку «Вкл» модуля «трехфазной сети».

3.15. Перевести модуль «измерителя мощности» в режиме измерения линейных напряжений. Записать величину напряжения электропередачи с устройством поперечной емкостной компенсации в режиме работы на индуктивную нагрузку.

3.16. Нажать кнопку «Откл» модуля «трехфазной сети».

3.17. Отключить питание.

3.18. По полученным результатам заполнить таблицу 1 (за номинальное напряжение электропередачи принять величину напряжения в режиме холостого хода), сделать вывод о влиянии поперечной емкостной компенсации на величины напряжений в узлах распределительной сети и параметры качества электрической энергии (величину длительного отклонения напряжения).

3.19. Оформить отчет по лабораторной работе.

Таблица 1.

Экспериментальные данные работы

Режим работы ЛЭП	Номинальное напряжение сети, В	Напряжение электропередачи, В	Отклонение напряжения, %
Холостой ход
U_AB
U_BC
U_CA
Индуктивная нагрузка
U_AB
U_BC
U_CA
Поперечная емкостная компенсация, индуктивная нагрузка
U_AB
U_BC
U_CA