Компенсиращи реактори

• За да се компенсира реактивната мощност, производството и преносът на електроенергия трябва да се реализират с минимални загуби на активна енергия
  
  
• При дълги захранващи линии, когато са слабо или ненатоварени (нощно време, почивни и празнични дни), се проявява капацитивна реактивна енергия
  
  
• Когато качеството на електроенергията е от съществено значение, управляемите шунтови реактори (variable shunt reactors – VSR) са привлекателна алтернатива на реакторите от непроменлив тип

Промените и диверсификацията в производството на електроенергия и натоварванията очертават рамка от нови изисквания към мрежите за пренос и разпределение на електрическа енергия. За тези нови изисквания допринасят както търговските, така и екологичните фактори. Осигуряването на високо качество на електрозахранването също е сред причините, диктуващи тези промени.

Динамичните и вариращи във времето въздействия, свързани с генерирането на възобновяема енергия, също оказват влияние върху оперативността на мрежите. Потокът на активната мощност в мрежата и балансът на реактивната мощност трябва да бъдат регулирани, за да се поддържа стабилността на напрежението – ключ към качеството на захранването при преноса на електроенергия. Напрежението в мрежата също трябва да се поддържа в определени граници, независимо от натоварването, което може да варира във времето (часово, дневно или сезонно).

Принцип на компенсиране на реактивна енергия

Факторът на мощността cosj в електрическите вериги за променлив ток е безразмерна величина, която изразява отношение на активната мощност към пълната мощност, и представлява число между 0 и 1. При наличието на реактивни (консервативни) елементи (бобини, ел. двигатели, кондензатори) част от енергията на генераторите създава магнитни или електрически полета в тези елементи и се колебае двупосочно между тях и генераторите, като това е т.н. реактивна енергия. Поради тази причина при нисък фактор на мощността се увеличават загубите в електроразпределителните системи. Факторът на мощността е и стандартната мярка за ефективността на една електрическа система. При фактор на мощността 0 – 1,0 реактивната енергия се нарича индуктивна. При фактор на мощността -1,0 – 0 тя се нарича капацитивна. Това доколко преносът, разпределението и потреблението на електроенергията в една система се извършват икономично, ефективно и екологично се определя от дела на реактивната мощност от общата енергия.

За да се компенсира реактивната мощност, производството и преносът на електроенергия трябва да се реализират с минимални загуби на активна енергия. Тъй като обикновено тя се доставя на големи разстояния от генериращи мощности като ТЕЦ, ВЕЦ, АЕЦ, част от произведената енергия се заплаща без извършена работа при влошаване на качеството й, тъй като производството на реактивна мощност в централите натоварва допълнително преносната и разпределителната мрежи, трансформаторите и прекъсвачите с реактивен ток. По този начин се влошава качеството на енергията, повишават се загубите в преносните съоръжения, увеличава се падът на напрежение, топлинните загуби, амортизиращи изолацията, и авариите.

Ако реактивната мощност не бъде компенсирана, полученият реактивен ток натоварва допълнително съоръженията, увеличава капиталовите разходи и намалява надеждността и качеството на електрозахранването. По отношение на екологичния баланс се увеличават парниковите газове от генерирането на енергия.

Компенсиране на реактивна енергия

При наличието на индуктивни товари като двигатели, дросели, трансформатори и др. се проявява индуктивна енергия. Този тип реактивна енергия се компенсира посредством комплектни кондензаторни уредби (ККУ), състоящи се от трифазни силови кондензатори, капацитивни контактори, контролер. Когато има наличие на хармоници, се прилагат усилени батерии или дроселирани комплектни кондензаторни уредби, комбиниращи кондензаторни батерии и филтър за хармоници.

Правилното оразмеряване и управление на компенсираща уредба разтоварва кабелите и трансформаторите от преноса на индуктивна енергия и увеличава активната. По този начин се намалява натоварването при комутацията на контактори и се удължава животът им, редуцират се топлинните загуби и стареенето на изолацията. Благодарение на компенсацията на индуктивната реактивна енергия се елиминират загубите при производството и преноса, като се намаляват парниковите газове, отделяни при производство на електроенергия.

Ако индуктивната енергия не бъде компенсирана, това води до влошаване на характеристиките на подаваната към абонатите енергия, понижаване на напрежението в мрежата, претоварване на мрежата, на трансформаторите и прекъсвачите и др. Вследствие се допускат големи топлинни загуби и се съкращава животът на преносните съоръжения и разпределителната апаратура. Повишават се емисиите на парникови газове и зачестяват аварийните ситуации.

При дълги захранващи линии, при които отчитането е в точката на присъединяване на СрН, когато са слабо или ненатоварени (нощно време, почивни и празнични дни), се проявява капацитивна енергия. Съвременните сградни системи и методи на производство на енергия повишават нуждата от компенсиране на капацитивна енергия, например при определени специфични типове товари – UPS, инвертори, LED осветление и др.

За разлика от компенсирането на индуктивна енергия, компенсирането на капацитивна е много по-скъпо и сложно. За компенсирането на капацитивна енергия най-често се използват трифазни шунтови реактори на ниско напрежение със суха изолация.

Тъй като компенсирането на реактивната капацитивна енергия на ниво СрН е сложно и скъпо, най-целесъобразно е компенсирането на капацитивната енергия да се извършва в част ниско напрежение и при минимален брой стъпки. Изборът на управляеми компенсиращи реактори е въпрос на прогнозиране и икономическа оценка на рентабилността.

Нарастващото използване на консуматори с нелинейни характеристики, като силова електроника, честотни управления, UPS, инвертори и др., предизвиква увеличаване на хармонично натоварване на мрежата. Хармониците водят до изкривяване синусоидата на тока и напрежението, с честоти кратни на честотата на мрежата (50 Hz). Най-голям проблем за 50 Hz мрежи и съоръжения имат от третия (150 Hz), 7 (350 Hz), 11 (550 Hz) до 19 хармоници. Общото ниво на хармоници се изразява чрез общите хармонични изкривявания по напрежение и по ток (Total Harmonic Distortion – THD). Колкото по-високи са THDU или THDI, толкова по-голямо е хармоничното натоварване на системата.

Рентабилно и надеждно решение за регулиране

Реактивните или шунтовите реактори (shunt reactors SR) обикновено се използват за компенсиране на реактивната мощност и за поддържане на стабилност на напрежението. Обичайно реакторите за компенсиране на реактивна енергия са с фиксирани стойности без средства за регулиране на напрежението. Ако е необходимо регулиране, фиксираните реактори се включват и изключват при вариации на натоварването. Големите реактивни стъпки обаче водят до стъпкови промени в нивото на напрежението в системата, особено ако мрежата е слаба. Това създава проблеми с поддържането на качеството на захранването и увеличава натоварването върху прекъсвачите.

Когато качеството на електроенергията е от съществено значение, управляемите шунтови реактори (variable shunt reactors – VSR) са привлекателна алтернатива на реакторите от непроменлив тип. VSR предлагат възможност за регулиране и могат да взаимодействат с други регулиращи устройства като статичните компенсатори на реактивна мощност (Static Var Compensators – SVC).

Управляемите шунтови реактори VSR, базирани на трансформаторни превключватели, имат скорост на регулиране от порядъка на минути между крайните позиции. Тъй като вариациите в натоварването се случват бавно, т.е. в рамките на часове или по-дълго време, VSR от този тип се оказват една много ефективна и надеждна технология за управляеми шунтови реактори.

Управляемите шунтови реактори са приложими при мрежи с разпределено производство (напр. от слънчева или вятърна енергия), тъй като невинаги може да се осигури пълно управление върху електрическите мощности. Това може да създаде проблеми с повишен поток на реактивната мощност поради разликите в реактивната мощност на производството и на потреблението.

При силно вариращи товари, подавани чрез относително дълги въздушни линии или подземни кабели, прилагането на VSR компенсира реактивната енергия и по този начин намалява загубите по линията и подобрява качеството на напрежението. При промяна в мрежите поради инсталиране на допълнителна инфраструктура за пренос, използването на компенсиращи реактори подобрява цялостната надеждност на системата.

За големите реактори с номинална мощност от 300 MVAr вибрациите, произтичащи от електромагнитните сили, ще генерират звук. Силата на вибрациите зависи от твърдостта на механичната структура, изложена на електромагнитните сили. Гъвкавите структури се приспособяват по-добре, отколкото по-твърдите структури.

В трифазни реактори с триядрен магнитопровод намотките също трябва да бъдат правилно подравнени. Прецизните операции по окомплектоване изискват работа с висока точност и квалифицирани оператори, за да се постигнат ниски нива на вибрации и шум. Шунтовите реактори за високо напрежение могат да бъдат изградени като еднофазни или трифазни блокове, като трифазният блок е по-икономичен. Освен по-ниската първоначална инвестиция, трифазната алтернатива генерира по-малки загуби и заема по-малко място в подстанцията. В области, в които разходите за поддържане на резервно оборудване са по-ниски от разходите за трифазен блок, се предпочитат реактори с цел по-висока надеждност. Шунтовите реактори за или над 765 kV са предимно еднофазни, но могат да бъдат проектирани и конструирани и трифазни варианти.

При компенсатор със стандартен триядрен магнитопровод, за силови трансформатори НН например при увеличение на индукцията ще се намали интервалът на регулиране, тъй като ще се понижи разликата на напрегнатостта на магнитното поле между точките, определящи работната област на компенсатора. Ще се промени и магнитната проницаемост на материала, а от там и индуктивността и токът в мрежовата намотка. От друга страна при по-висока индукция в установен режим ще има по-малък обем на магнитопровода.

Броят на навивките на силовата намотка се избира така, че да се получи желаната индукция в режим без управление. Сечението трябва да бъде оразмерено за режим на максимална мощност (при максимален управляващ ток). Силовата намотка се свързва към мрежата, тя е в схема звезда, без изведена неутрала. Броят на навивките на всяко ядро е съобразен, така че да е възможно управляващият ток да се регулира с полупроводникови прибори за НН (индуцираното във всяка фазова намотка напрежение да бъде в определени граници). Броят на навивките в компенсационната намотка се избира така, че амплитудата на индуцираното в нея напрежение да е достатъчна за осъществяване на управление.

Бързо променящи се товари, като заваръчни машини, кранове, смесители и др., представляват потребление на индуктивна енергия. Вследствие на това възниква рязка промяна на индуктивната реактивна мощност и рязко влошаване на фактора на мощността. Овладяването на този динамичен процес е от 1 – 10 ms. За решаване на проблема се използват регулатори с тиристорни изходи и тиристорни ключове.

Статичните компенсатори на реактивна мощност са друг тип регулиращи устройства, които могат бързо и надеждно да контролират напреженията в мрежата. Обикновено се използват за регулиране на напрежението до необходимата зададена точка при нормално статично състояние и при непредвидени условия, като по този начин осигуряват динамичен и бърз контрол на променящи се реактивни товари вследствие на непредвидени ситуации в системата (напр. късо съединение). Те също така могат да увеличат капацитета за пренос, да намалят загубите, да смекчат колебанията на активната мощност и да предотвратят пренапрежения при загуба на товар.

Статичното компенсиране на реактивна мощност се персонализира по начин, по който да отговаря на специфичните нужди на системата, тъй като се състои от множество фиксирани или превключващи разклонения, от които поне едно включва тиристори, а комбинацията от разклонения може да варира много в зависимост от изискванията. Статичните компенсатори на реактивна мощност обикновено включват комбинация от поне два от следните елементи – тиристорно контролиран реактор (TCR); кондензатор с тиристорно превключване (TSC); хармоничен филтър (FC); кондензаторна банка с механично превключване (MSC) или реакторна банка (MSR). Възможни примерни комбинации са TCR/FC или TCR/TSC/FC.