Режимы систем электроснабжения с нелинейными и с несимметричными нагрузками

Наиболее экономичными средствами компенсации реактивной мощности являются нерегулируемые и регулируемые батареи конденсаторов. Это объясняется их преимуществами перед другими средствами компенсации реактивной мощности (синхронными двигателями, синхронными компенсаторами): отсутствие вращающихся частей, простота обслуживания, отсутствие динамической нагрузки на фундаменты, небольшая стоимость, малые потери мощности. Однако применение БК. ограничивается техническими причинами. При наличии в сети высших гармоник тока и напряжения включение конденсаторов приводит к резонансным явлениям на частотах высших гармоник, что ведет к нарушению нормальной работы БК.

Поэтому в сетях, питающих нелинейную нагрузку, установка конденсаторов без защиты их от высших гармоник недопустима. Батареи конденсаторов,   предназначенные для компенсации реактивной мощности, для их нормальной работы необходимо защищать реакторами, устанавливаемыми последовательно с конденсаторами. Величина индуктивного сопротивления реактора должна быть рассчитана так, чтобы в этой цепи создавался резонанс напряжений на частоте, меньшей наименьшей гармоники, возникающей при работе нелинейной нагрузки, должно выполняться условие

где v_p—гармоника, на которую необходимо настроить последовательную LC-цепь; v_min— минимальная гармоника, возникающая при работе нелинейной нагрузки. Индуктивное сопротивление защитного реактора на частоте 50 Гц определяется из условия

где Q_БК.ном—реальная суммарная мощность батареи конденсаторов по данным завода-изготовителя; U_БК.ном—номинальное напряжение батареи конденсаторов; v_min = 5 для вентильных преобразователей с любой фазностью выпрямления; v_min = 3 для дуговых сталеплавильных печей.

Защита конденсаторов от высших гармоник сталкивается с техническими трудностями из-за малого индуктивного сопротивления существующих бетонных реакторов. Например, для защиты от пятой гармоники батарей мощностью 1000 квар на напряжение 10 кВ необходимо установить последовательно с конденсатором 8 бетонных реакторов, а от третьей — более 20 бетонных реакторов в каждой фазе, что практически невыполнимо. Поэтому для защиты высоковольтных конденсаторов необходимо применять низковольтные реакторы, обладающие большим индуктивным сопротивлением.

Возможность применения низковольтных, реакторов обосновывается тем, что в нормальном режиме работы к реактору приложено напряжение основной частоты

где U₁— напряжение сети на основной частоте, приложенное к LC-цепи; v_P — номер гармоники, на которую настроена цепь.

Общее напряжение на реакторе может быть подсчитано по формуле

где

I_v — суммарный ток v-й гармоники в питающей сети при отключенной БК; х_с — индуктивное сопротивление системы; ωL— индуктивное сопротивление защитного реактора на основной частоте; 1/ωС — емкостное сопротивление защищаемой батареи конденсаторов на основной частоте.

Для защиты реактора от перенапряжений в момент включения или при пробое конденсатора параллельно с реактором устанавливается разрядник многократного действия.

При последовательном соединении реактора и конденсатора автоматически повышается напряжение на БК, в том числе и за счет высших гармоник. В то же время заводы-изготовители конденсаторов гарантируют их надежную работу при номинальном напряжении. Следовательно, при включении последовательно с конденсатором реактора необходимо выбирать батареи на следующую, большую ступень напряжения, что является экономически неоправданным. В связи с этим намечается выпуск специальных конденсаторных батарей на повышенное напряжение (например, 7кВ для сетей 6кВ), способных надежно работать в сетях с повышенным содержанием высших гармоник, а также в фильтрах высших гармоник.

Общее напряжение на конденсаторе может быть подсчитано по формуле

|где U_K1— напряжение основной частоты на зажимах конденсатора, которое определяется по формуле

где U_1ф — фазное напряжение основной частоты на шинах; U_ном — номинальное напряжение конденсаторной батареи; U_kv— напряжение v-й гармоники на зажимах конденсатора, которое определяется по формуле

Действующее значение тока в LC-цепи определяется по формуле

где I_k1 — ток первой гармоники в цепи батареи, определяемый по формуле

I_KV—ток v-й гармоники в батарее конденсаторов:

Для инженерных расчетов, в формулах число учитываемых гармоник может быть ограниченно количеством два-три после резонансной. Следовательно, в этих формулах можно принять