Д.т.н. профессор Серебряков А.С., д.т.н. профессор Герман Л.А.,

Нижегородский филиал Московского государственного

университета путей сообщения (МИИТ), Россия,

аспирант Дулепов Д.Е.

Нижегородский государственный инженерно-экономический институт

Исследование переходных процессов в дискретно регулируемых установках для компенсации реактивной мощности

При постоянно меняющейся нагрузке потребителей электроэнергии работа установок для компенсации реактивной мощности (КУ) будет эффективна только в том случае, если эти установки будут дискретно регулируемыми. Здесь под дискретно регулируемыми установками мы будем понимать установки, рассчитанные на частое включение и выключение при изменениях нагрузки. Несмотря на большое количество печатных работ, посвященных анализу КУ, процессы в дискретно регулируемых КУ исследованы недостаточно полно. В предлагаемой работе делается попытка обобщить теоретические и практические исследования по созданию регулируемых установок для поперечной компенсации реактивной мощности.

Схема включения КУ приведена на рис.1. Известно, что в КУ последовательно с основным элементом установки – конденсатором С включается реактор L, назначение которого ограничение токов, протекающих через конденсатор. Кроме компенсации реактивной мощности КУ выполняет и функцию подавления 3-ей гармоники в питающем напряжении. Для этого контур LC настраивается на третью гармонику с небольшой расстройкой и сопротивление контура для третьей гармоники близко к нулю. Установка подключается к сети с помощью выключателя Q1. На момент включения в цепь КУ включается демпфирующий резистор R, назначение которого – ограничение тока и напряжения на конденсаторе в начале переходного периода. В дальнейшем демпфирующий резистор шунтируется выключателем Q2. Проанализируем процессы при включении КУ.

Из условия получается, что , т.е реактивное сопротивление конденсатора практически в 9 раз больше реактивного сопротивления реактора. Это значит, что электрическая энергия, запасаемая в конденсаторе примерно в 9 раз больше магнитной энергии, запасаемой в реакторе. Угол сдвига по фазе между питающим напряжением и током в установившемся режиме близок к 90°, а угол сдвига по фазе между питающим напряжением и напряжением на конденсаторе близок к нулю.

Наличие двух накопителей энергии обусловливает переходный процесс, описываемый системой дифференциальных уравнений второго порядка, во время которого ток через конденсатор и напряжение на конденсаторе могут превысить свои установившиеся значения. Значения перенапряжений зависят от момента включения установки т.е. начальной фазы питающего напряжения и начальных условий – напряжения на конденсаторе и тока в дросселе. Наиболее опасным для конденсатора является величина напряжения, от которой зависит эксплуатационная надежность конденсатора КУ. Поэтому в дальнейшем будем анализировать именно эту величину. На рис.2 приведена зависимость коэффициента перенапряжения т.е. отношения максимального значения на конденсаторе в переходном режиме к установившемуся значению от начальной фазы psi питающего напряжения при нулевых начальных условиях, т.е при и .

Как видно из рис.2 в кривой, характеризующей перенапряжения наблюдаются два минимума по числу накопителей энергии. Минимум при начальной фазе равной нулю соответствует совпадению значения питающего напряжения с начальным и установившимся значением напряжения на конденсаторе, равном нулю. Но в этом случае начальное значение тока не совпадает с установившимся значением и это несовпадение обусловливает переходный процесс и перенапряжение на конденсаторе.

Рис.2. Зависимость коэффициента перенапряжения от начальной фазы psi питающего напряжения при нулевых начальных условиях

Минимум при начальной фазе, близкой к 90° обусловлен совпадением нулевого начального значения тока с его установившимся значением. Однако при этом нулевое начальное значение напряжения на конденсаторе не совпадает с его установившимся значением. Это несовпадение также обусловливает переходный процесс и перенапряжение на конденсаторе (рис. 3). Как отмечалось выше, запасаемая энергия в конденсаторе значительно больше, чем энергия, запасаемая в реакторе. Поэтому в последнем случае перенапряжение будет больше (1,462 вместо 1,305).

Рис.3. Переходный процесс при начальной фазе напряжения, равной 90° при нулевых начальных условиях

Максимальное значение перенапряжения на конденсаторе в наиболее неблагоприятных условиях, как видно из рис.2, может превосходить установившееся значение на 70%. Такие перенапряжения могут очень быстро вывести конденсаторы из строя. Поэтому для дискретно управляемых КУ они не допустимы, что и вынуждает включать в цепь балластный резистор R.

На рис.4 показан переходный процесс при начальной фазе напряжения, равной 89° при начальных условиях, соответствующих установившемуся режиму: кВ.

Рис.4. Переходный процесс при начальной фазе напряжения, равной 89° при начальных условиях, соответствующих установившемуся режиму: кВ.

Из сказанного выше следует, что если подобрать начальные условия, соответствующие установившемуся режиму, то переходный процесс будет отсутствовать и перенапряжений на конденсаторе не возникнет.

Перед отключением главного выключателя демпфирующий резистор целесообразно расшунтировать для того, чтобы облегчить условия работы главного выключателя, так как отключение емкостных токов вызывает затруднения. Начальная фаза тока при расшунтировании резистора может быть любой, т.е. введение балластного резистора может производиться несинхронно в любой момент времени.