Источники реактивной мощности в электрических системах

Источниками реактивной мощности в электрических системах являются генераторы электрических станций, специальные синхронные машины — синхронные компенсаторы, а также статические компенсаторы и конденсаторные батареи. Строго говоря, генераторы, синхронные компенсаторы и статические компенсаторы могут не только выдавать, но и потреблять реактивную мощность. Шунтирующие реакторы ее только потребляют, конденсаторные батареи — только выдают. Линии электропередачи также могут рассматриваться в качестве источников реактивной мощности в режимах малых нагрузок.

Синхронный генератор. Для явнополюсного синхронного генератора с э.д.с. возбуждения нельзя получить простую схему замещения в силу магнитной несимметрии его ротора. Активная и реактивная мощности на шинах явнополюсного генератора определяются в соответствии с выражениями вида

 (23.1)

где — фазовый сдвиг между векторами э.д.с. возбуждения пропорциональной току возбуждения генератора, и напряжением  на его шинах;  и  — синхронные индуктивные сопротивления генератора по продольной и поперечной осям.

Для неявнополюсного генератора, у которого выражения (4.56) принимают вид

 (23.2)

и схема замещения представляет собой э.д.с. за реактивностью

На режимы выдачи и потребления реактивной мощности синхронным генератором налагаются ограничения:

- по номинальному току статора и, соответственно, по его полной трехфазной мощности

- по номинальному току возбуждения

- по минимальному току возбуждения

Первое из них можно представить как где  — номинальный линейный ток,

или

то есть получаем зависимость в виде окружности с центром в начале координат и радиусом  .

Второе ограничение можно записать как (поскольку При этом для неявнополюсного генератора в соответствии с (23.2) получим:

Рис. 23.1.

Полагая и окончательно запишем:

то есть получили уравнение окружности с радиусом (рис. 23.1, кривая 2); ее центр смещен по оси на влево.

Третье ограничение связано с тепловыми режимами генераторов; для многих генераторов обычно .

Активная мощность синхронного генератора не должна превышать ее номинального значения таким образом, область допускаемых режимов его работы в плоскости  (см. рис. 23.1) ограничена справа номинальным током возбуждения (или  сверху — номинальной активной мощностью и слева — минимальной потребляемой реактивной мощностью

Синхронный компенсатор (СК). Это явнополюсная синхронная машина, не имеющая первичного двигателя. СК может выдавать или потреблять только реактивную мощность  Выражение для нетрудно получить из (1.57), полагая (то есть э.д.с. и напряжение  на шинах синхронного компенсатора всегда совпадают по фазе):

В режиме недовозбуждения (когда  получаем  т.е. синхронный компенсатор потребляет реактивную мощность из сети, и, наоборот, при происходит генерация реактивной мощности. Под номинальной мощностью синхронного компенсатора  понимают максимальную выдаваемую им в сеть реактивную мощность (т.е. при При работе СК из сети потребляется активная мощность порядка 2..Л% которая расходуется на механические потери и потери в обмотках СК.

Конденсаторные батареи. Широкое применение конденсаторные батареи получили в сетях с номинальным напряжением до 110 кВ. Конденсаторы изготовляются на напряжение до 10 кВ и при необходимости, их объединяют в батареи (КБ). Реактивная мощность, вырабатываемая КБ, определяется выражением

где  — проводимость конденсаторной батареи емкостью на частоте f =50 Гц

Активная мощность, потребляемая КБ из сети, составляет 0,3., 0,4%  и определяется в основном потерями в диэлектрике конденсаторов.

Статические компенсаторы. Принципиальная схема статического компенсатора, приведенная на рис. 23.2, содержит реактор с проводимостью  изменение которой осуществляется либо специальной системой подмагничивания реактора (управляемые реакторы), либо за счет управления тиристорами, последовательно включенными с неуправляемым реактором (статический тиристорный компенсатор). Батарея конденсаторов с проводимостью подключается параллельно реактору, как правило, через выключатель, предназначенный для ее режимных коммутаций.

Рис. 23.2.

Эффективным средством повышения надежности работы электропередач высших классов напряжения является однофазное автоматическое повторное включение (ОАПВ). При возникновении на воздушной линии однофазного короткого замыкания поврежденная фаза линии отключается на время 0,5...1,5 сек для обеспечения самопогасания дуги подпитки, после чего восстанавливается симметричный трехфазный режим электропередачи. Расчеты квазистационарного режима паузы при ОАПВ проводят для оценки возможности самопогасания дуги подпитки или выбора специальных мер, обеспечивающих гашение, а также для проверки отсутствия недопустимого повышения напряжений на отключенной фазе после погасания дуги (см. пример 3, этого параграфа). Как показывают результаты экспериментальных исследований и расчеты, надежное самопогасание имеет место для токов 40...70 А ( ВЛ 500, 750, 1150 кВ).

Задачу определения тока подпитки удобно решать относительно двух составляющих тока: электростатической  вызванной емкостными связями отключенной фазы с оставшимися в работе, и электромагнитной вызванной продольной э.д.с, наводимой в отключенной фазе токами фаз, оставшихся в работе (рис. 23.3):

Рис. 23.3.

Для приближенного определения тока подпитки введем следующие допущения: мощность питающих систем — бесконечно большая, линия электропередачи — идеально транспонированная, потери не учитываются.

Рис. 23.4.

Для определения электростатической составляющей тока подпитки, как правило, окалывается достаточным представить линию в виде емкостной схемы замещенияи определить междуфазную емкостную проводимость  [например, по (23.4)]. Для определения эквивалентной э.д.с.  (см. рис. 23.4б), вызванной действием э.д.с. фаз b ис, сделаем дополнительные допущения: модули фазных э.д.с. по концам линии будем считать одинаковыми, системы э.д.с. — уравновешенными (см. рис. 23.3), в качестве средних значений э.д.с. вдоль фаз b ис примем их средние геометрические значения, например, (см. рис. 23.4.в). Тогда эквивалентную э.д.с.  можно выразить через э.д.с. фазы а и угловой сдвиг между

где вектор э.д.с. фазы а в конце линии  совмещен с вещественной осью

Эквивалентная проводимость —

Таким образом, электростатическая составляющая тока подпитки

 (23.33)

При указанных допущениях составляющая тока не зависит от места к.з.  Электромагнитную составляющую тока подпитки определим по схеме замещения отключенной фазы (рис. 23.5), которая представляет собой комбинацию индуктивной схемы замещения (собственные и взаимные погонные индуктивные сопротивления и  и емкостной (собственная погонная емкостная проводимость

Рис. 23.5. Определим продольные э.д.с. и

при следующих допущениях: каждый из токов зададим средним значением по концам участков с учетом фазового сдвига между ними, например,

Кроме того, каждый из токов в неповрежденных фазах приближенно определим в симметричной схеме (до к.з. и отключения фазы). Тогда , следовательно,  для продольных э.д.с:

где — средние токи в фазе  по соответствующим участкам в исходном симметричном режиме. Окончательно электромагнитная составляющая тока подпитки (см. рис. 2.16) определяется выражением

(23.34)

где , а формулы для определения собственных  и взаимных х_т сопротивлений приведены в [1].

Используя (23.13), (23.17) можно получить формулу для тока в любой точке линии  или

 (23.35)

где — отсчитывается от начала линии;

Для снижения токов подпитки используется компенсационный реактор, включаемый в нейтраль шунтирующего (см. рис. 23.3). После преобразования четырехлучевой звезды индуктивных сопротивлений и четырехугольнику получим (см. рис. 23.3-23.5):

При заданной величине  соответствующим выбором величины компенсационного реактора можно полностью скомпенсировать электростатическую составляющую тока. При этом необходимая величина компенсационного реактора определится из выражения

Кроме того, наличие реактора на линии (с компенсационным реактором или без него) может существенно уменьшить и электромагнитную составляющую тока при (см. рис. 23.5).