Компенсация реактивной мощности, поглощаемой трансформатором

Материал из Руководство по устройству электроустановок

Перейти к: навигация , поиск
Общие правила проектирования электроустановок
Подключение к распределительной сети высокого напряжения
Подключение к низковольтной распределительной сети
Руководство по выбору архитектуры сети высокого и низкого напряжения
Распределение в системах низкого напряжения
Защита от поражения электрическим током
Выбор сечения и защита проводников
Низковольтная распределительная аппаратура
Защита от перенапряжений в низковольтных сетях
Энергоэффективность в электрических сетях
Компенсация реактивной мощности и фильтрация гармоник
Управление гармониками
Особые источники питания и нагрузки
Электроустановки жилых помещений и коттеджей
Электромагнитная совместимость (ЭМС)

Содержание


Индуктивные реактивные сопротивления трансформатора

При измерении на стороне высокого напряжения трансформатора потери реактивной мощности в трансформаторе могут (в зависимости от тарифа) требовать компенсации.

До сих пор в роли потребителей реактивной мощности рассматривались устройства с параллельным подключением к сети. Они потребляют наибольшее количество реактивной мощности. Однако, реактивные сопротивления с последовательным соединением, такие как индуктивные реактивные сопротивления силовых линий и реактивные сопротивления рассеяния обмоток трансформатора, также поглощают реактивную мощность.

При учете на стороне высокого напряжения трансформатора потери реактивной энергии в трансформаторе могут (в зависимости от тарифа) требовать компенсации. Поскольку рассматриваются только потери реактивной мощности, трансформатор может быть представлен с помощью элементарной схемы (рис. L19). Все значения реактивных сопротивлений приведены к вторичной обмотке трансформатора, на которой параллельное ответвление представляет путь намагничивающего тока. Намагничивающий ток остается практически постоянным (около 1,8% номинального тока) при изменении нагрузки от нуля до номинальной в нормальном режиме, т.е. при постоянном напряжении на первичной обмотке. Поэтому на стороне высокого или низкого напряжения может устанавливаться постоянный (нерегулируемый) шунтирующий конденсатор для компенсации потерь реактивной мощности намагничивания.


Рис L18.jpg


Рис. L19 : Реактивные сопротивления трансформатора на фазу


Потери реактивной мощности в последовательно включенном реактивном сопротивлении XL, обусловленном магнитным потоком рассеяния

Простая иллюстрация этого явления приводится на векторной диаграмме (рис. L20).

Реактивная составляющая тока через нагрузку = I sin φ, так что, QL = VI sin φ.

Реактивная составляющая тока от источника = I sin φ’ так что, QE = EI sin φ’

где V и E выражены в кВ.

Можно видеть, что E > V и sin φ’ > sin φ.

Разница между EI sin φ’ и VI sin φ XL дает значение квар на фазу (поглощение XL).

Можно показать, что такое значение квар равно I2XL (аналог потерь активной мощности (кВт) I2R - потери в последовательно соединенных элементах).

Из формулы I2XL легко вывести поглощаемое значение квар при любом значении нагрузки для заданного трансформатора.

Если используются значения в относительных единицах (вместо значений в процентах), можно выполнить прямое умножение I на XL.


Рис L19.jpg


Рис. L20 : Поглощение реактивной энергии последовательным индуктивным сопротивлением


Реактивная мощность, поглощаемая трансформатором, не может не приниматься во внимание и может составлять около 5% от номинальной мощности трансформатора при его номинальной нагрузке. В трансформаторах реактивная мощность поглощается обоими реактивными сопротивлениями с параллельным (намагничивающие) и последовательным соединением(магнитный поток рассеивания). Полная компенсация может обеспечиваться параллельно подключенной КБ низкого напряжения.

Пример:

Трансформатор 630 кВА с реактивной составляющей напряжения короткого замыкания 4% работает при полной нагрузке.

Каковы его нагрузочные потери реактивной мощности (квар)?

4% = 0,04 о.е., Iо.е. = 1

Потери = I2XL = 12 x 0,04 о.е.,

единица мощности = 630 кВА

Трехфазные нагрузочные потери реактивной мощности (квар) = 630 х 0,04 = 25,2 квар (или 4% от 630 кВА).

При половине нагрузки, т.е. I = 0,5 о.е. потери составят: 0,52 x 0,04 = 0,01 о.е. или в квар: 630 x 0,01 = 6,3 квар.

Данный пример и векторная диаграмма (рис. L22) показывают, что:

  • Коэффициент мощности на стороне первичной обмотки нагруженного трансформатора отличается (нормально ниже) от коэффициента на вторичной обмотке (из-за потерь реактивной мощности (квар).
  • Нагрузочные потери реактивной мощности (квар) при полной нагрузке равны реактивному сопротивлению трансформатора в о.е. умноженному на Sном. (нагрузочные потери реактивной мощности (квар), равные 4% номинальной мощности кВА трансформатора).
  • Нагрузочные потери реактивной мощности (квар) изменяются согласно квадрату тока (или мощности кВА).

Для определения общих потерь реактивной мощности (квар) трансформатора необходимо добавить постоянные потери в цепи намагничивающего тока (приблизительно 1,8% номинального значения кВА трансформатора) к указанным нагрузочным потерям. Рис. L21 показывает потери реактивной мощности (квар) при холостом ходе и при полной нагрузке для типового распределительного трансформатора. В принципе, последовательно включенные индуктивные сопротивления могут компенсироваться последовательно включенными нерегулируемыми конденсаторами (как в общем случае протяженных высоковольтных линий передачи). Однако, такая схема сложна для выполнения, тем более, что при уровнях напряжения, рассматриваемых в данном руководстве, всегда применима параллельная компенсация.

В случае учета на стороне высокого напряжения достаточно повысить коэффициент мощности до значения, при котором потери реактивной мощности в трансформаторе плюс потребление реактивной мощности нагрузки ниже уровня, при котором взимается дополнительная плата за электроэнергию. Этот уровень зависит от тарифа, но часто соответствует значению tg φ = 0,31 (cos φ = 0,955).


Номинальная мощность (кВА) Реактивная мощность (квар), подлежащая компенсации
Без нагрузки Полная нагрузка
100 2,5 6,1
160 3,7 9,6
250 5,3 14,7
315 6,3 18,4
400 7,6 22,9
500 9,5 28,7
630 11,3 35,7
800 20 54,5
1000 23,9 72,4
1250 27,4 94,5
1600 31,9 126
2000 37,8 176


Рис. L21 : Потери реактивной мощности для распределительных трансформаторов с первичными обмотками 20 кВ


Теоретически, потери реактивной мощности (квар) в трансформаторе могут быть полностью компенсированы путем регулирования блока конденсаторов таким образом, чтобы создать небольшой избыток реактивной мощности конденсаторов (QC) по сравнению с реактивной мощностью нагрузки (QL) (QC - QL > 0). При этом коэффициент мощности на стороне НН (cos φ) увеличится и будет опережающим. В таком случае вся реактивная мощность потерь трансформатора поступает от КБ, а на стороне высокого напряжения трансформатора коэффициент мощности 1, как показано на рис. L22.


Рис L20.jpg


Рис. L22 : Перекомпенсация нагрузки до полной компенсации потерь реактивной мощности в трансформаторе


С практической точки зрения, компенсация реактивной энергии в трансформаторе осуществляется конденсаторами, главным образом предназначенными для повышения коэффициента мощности нагрузки (централизовано, по группам или индивидуально). В отличие от большинства других элементов, потребляющих реактивную мощность, потребление трансформатором (из-за реактивного сопротивления рассеяния) значительно изменяется при изменении уровня нагрузки, так что, если для трансформатора применяется индивидуальная компенсация, то средний уровень нагрузки должен приниматься в качестве гарантированного.

Однако, такое потребление реактивной мощности составляет, как правило, относительно небольшую часть общей реактивной мощности установки, и поэтому рассогласование компенсации с временным изменением нагрузки не представляет проблемы.

Рис. L21 показывает типовые значения потерь реактивной энергии для намагничивающей цепи (строка «Без нагрузки»), а также общие потери при полной нагрузке для стандартных распределительных трансформаторов с первичным напряжением 20 кВ (с учетом нагрузочных потерь).