Компенсация реактивной мощности коммунально-бытовых нагрузок
Интересный зарубежный опыт использование конденсаторов для компенсации реактивной мощности коммунально-бытовых нагрузок.
Среди многочисленных факторов, оказывающих влияние на эффективность работы системы электроснабжения (СЭС), одно из приоритетных мест занимает вопрос компенсации реактивной мощности (КРМ). Однако, в распределительных сетях коммунально-бытовых потребителей, содержащих преимущественно однофазную, коммутируемую по индивидуальному режиму нагрузку, устройства КРМ применяются еще недостаточно.
Ранее было принято считать, что из-за относительно коротких фидеров городских низковольтных распределительных сетей, небольшой (единицы кВА) присоединенной мощности и рассредоточения нагрузок, проблемы КРМ для них не существует.
Например, в главе 5.2 [1] записано: «для жилых и общественных зданий компенсация реактивной нагрузки не предусматривается». Если принять во внимание, что за последнее десятилетие расход электроэнергии на 1м2 жилищного сектора увеличился втрое, средняя статистическая мощность силовых трансформаторов городских муниципальных сетей достигла 325 кВА, а зона использования трансформаторной мощности сместилась в сторону увеличения и находится в пределах 250...400 кВА [2], то это утверждение вызывает сомнение.
Обработка графиков нагрузки, снятых на вводе многоквартирного жилого дома, показала: в течение суток среднее значения коэффициента мощности (cosj) менялось от 0,88 до 0,97, а пофазные - от 0,84 до 0,99. Соответственно суммарное потребление реактивной мощности (РМ) колебалось в пределах 9...14 кВАр, а пофазное от 1 до 6 кВАр.
Использование конденсаторов для компенсации реактивной мощности коммунально-бытовых нагрузок
На рис.1 показан график суточного потребления РМ на вводе многоквартирного жилого дома. Другой пример: зафиксированное суточное (10.06.07 г.) потребление активной и реактивной электроэнергии на ТП Сызранскиой городской сети (SТР-РА = 400 кВА, электроприемники преимущественно однофазные) составило 1666,46 кВт•ч и 740,17 кВАр•ч (средневзвешенное значение cosj = 0,91 - разброс от 0,65 до 0,97) даже при соответствующем низком коэффициенте загрузки трансформатора - 32% в часы максимума и 11% в часы минимума проведения измерений.
Таким образом, учитывая высокую плотность (кВА/км2) коммунально-бытовой нагрузки, постоянное наличие в перетоках мощности СЭС реактивной составляющей, приводит к значительным потерям электроэнергии в распределительных сетях крупных городов и необходимости их возмещения за счет дополнительных источников генерации.
Сложность решения данного вопроса во многом связана с неравномерным потреблением РМ по отдельным фазам (рис.1), затрудняющая применение традиционных для промышленных сетей установок КРМ на базе трехфазных батарей конденсаторов, управляемых регулятором, установленным в одной из фаз компенсируемой сети.
Для повышения резерва мощности городских СЭС представляет интерес опыт наших зарубежных коллег. В частности наработки дистрибьюторской электроэнергетической компании Edeinor S.A.A. (Перу) (она входит в специализирующуюся на генерации, передаче и распределении электроэнергии в ряде южноамериканских стран группу Endesa (Испания)), по КРМ в низковольтных распределительных сетях на минимальном удалении от потребителей [3]. По заказу Edeinor S.A.A., один из крупнейших производителей низковольтных косинусных конденсаторов - компания EPCOS AG выпустила серию однофазных конденсаторов HomeCap [4] адаптированных для КРМ мелких коммунально-бытовых нагрузок.
Крепление конденсаторов HomeCapНоминальная емкость конденсаторов HomeCap (рис.2) варьируется от 5 до 33 мкФ, что позволяет компенсировать индуктивную составляющую РМ от 0,25 до 1,66 кВАр (при напряжении сети 50 Гц в диапазоне 127...380 В).
В качестве диэлектрика используется усиленная полипропиленовая пленка, электроды выполнены металлическим напылением - технология МКР (Metallized Kunststoff Polypropylene). Намотка секции - стандартная круглая, внутренний объем заполнен нетоксичным полиуретановым компаундом. Как и все косинусные конденсаторы компании EPCOS AG, конденсаторы серии HomeCap обладают свойством "самовосстановления" при локальном пробое обкладок.
Цилиндрический алюминиевый корпус конденсаторов изолирован с помощью термоусадочной поливиниловой трубки (рис.2), а сдвоенные ножевые выводы электродов закрыты диэлектрическим пластиковым колпаком (степень защиты IP53), тем самым, обеспечивая полную безопасность при эксплуатации в бытовых условиях, подтвержденную соответствующим сертификатом стандарта UL 810 (лаборатории по технике безопасности США).
Встроенное устройство, срабатывающее при превышении избыточного давления внутри корпуса, автоматически отключает конденсатор при его перегреве или лавинном пробое секции. Диаметр конденсаторов HomeCap - 42,5±1 мм, а высота, в зависимости от величины номинальной емкости, 70...125 мм. Вертикальное удлинение корпуса конденсатора, в случае срабатывания защиты от превышения внутреннего давления не более 13 мм.
Подключение конденсатора осуществляется двухжильным гибким кабелем сечением 1,5 мм2 и длиной 300 или 500 мм [4]. Допустимый нагрев изоляции кабеля - 105°С.
Эксплуатация конденсаторов HomeCap возможна внутри помещений при температуре окружающей среды -25...+55°С. Отклонение номинальной емкости: -5/+10%. Потери активной мощности не превышают 5-ти Вт на кВАр. Гарантийный срок службы до 100000 ч.
Крепление конденсаторов HomeCap к монтажной поверхности осуществляется хомутом или присоединенным к днищу болтовым (М8х10) соединением.
Установка конденсатора HomeCap в ящике учета.
На рис. 3. показана установка конденсатора HomeCap в ящике учета. Конденсатор (в правом нижнем углу) подключен к клеммам электросчетчика
Конденсаторы HomeCap выполнены в полном соответствии с требованиями стандарта IEC 60831-1/2 [4].
По данным Edeinor S.A.A., [3] установка конденсаторов HomeCap суммарной мощностью 37 000 кВАр в 114 000 домовладений района Инфантас северной части Лимы, повысила средневзвешенный коэффициент мощности распределительной сети с 0,84 до 0,93, что позволило ежегодно экономить примерно 280 кВт·ч на каждый присоединенный кВАр РМ или всего около 19 300 МВт·ч в год. Кроме того, учитывая качественные изменения характера бытовой нагрузки (импульсные источники питания электроприборов, активные балласты энергосберегающих ламп), искажающих синусоидальность напряжения сети, одновременно при помощи конденсаторов HomeCap удалось снизить уровень гармонических составляющих - THDU в среднем на 1%.
В отличие от городских, необходимость КРМ для низковольтных сельских распределительных сетей никогда под сомнение не ставилась [5], так как затраты активной энергии на передачу РМ по протяженной разомкнутой (древовидной) высоковольтной линии (ВЛ) напряжением 6(10) кВ наиболее высокие [6]. При этом недостаточное соотношение средств КРМ к присоединенной мощности электроприемников, объясняется чисто экономическими причинами. Поэтому для СЭС сельских коммунально-бытовых и небольших (до 140 кВт) производственных потребителей вопрос выбора наименее затратного варианта КРМ является приоритетным.
Одной из технической сложностей практического выполнения рекомендации по 80% КРМ непосредственно в низковольтных сельских сетях [5] является отсутствие конденсаторов приспособленных к монтажу на ВЛ. По расчетам, среднее значение остаточной (не допускающей режима перекомпенсации) РМ при передаче по ВЛ-0,4 кВ активной мощности 50 кВт для смешенной, с преобладанием (более 40%) коммунально-бытовой нагрузки, составило 8 кВАр, следовательно, оптимальная номинальная РМ таких конденсаторов должна быть в пределах единиц-нескольких десятков кВАр.
Рассмотрим систему КРМ, применяемую на ВЛ низковольтных сетей г. Джайпур (штат Раджастан, Индия) энергетической компанией Jaipur Vidyut Vitran Nigam Ltd на базе конденсаторов серии PoleCap® (рис.4) производства EPCOS AG [7]. Проведенный мониторинг СЭС, содержащей около 1000 МВА установленной мощности 4600 трансформаторов 11/0,433 кВ единичной мощностью 25-500 кВА, показал: летняя загрузка трансформаторов составила 506 МВА (430 МВт), зимняя - 353 МВА (300 МВт); средневзвешенный cosj - 0,85; полные потери (2005 г.) - 17% от объема отпуска электроэнергии.
В ходе пилотного проекта по КРМ, в узлах присоединения к трансформаторам низковольтных нагрузок, непосредственно на опорах ВЛ-0,4 кВ было установлено 13375 конденсаторов PoleCap, суммарной РМ 70 Мвар. В том числе:13000 конденсаторов 5 кВАр; 250 - 10 кВАр; 125 - 20 кВАр. В результате значение cosj повысилось до 0,95, а потери снизились до 13% [7].
Использование конденсаторов для компенсации реактивной мощности коммунально-бытовых нагрузок Данные конденсаторы (рис.4, и рис.5) - модификация хорошо зарекомендовавшего себя типа металлопленочных конденсаторов, выполненных по технологии МКР/МКК (Metalized Kunststoff Kompakt) [8] - одновременного увеличения площади и повышения электрической прочности контакта слоя металлизации электродов, за счет сочетания ровного и волнового среза кромок пленки, укладываемой с характерной для МКР-технологии небольшим смещением витков. Кроме того, серия PoleCap включает ряд трехфазных конденсаторов РМ 0,5...5 кВАр, выполненных по традиционной технологии МКР [8].
Усовершенствование базовой конструкции серийных МКК-конденсаторов обеспечила возможность непосредственной (без дополнительного футляра) установки конденсаторов PoleCap на открытом воздухе, влажных или запыленных помещениях. Корпус конденсатора выполнен из 99,5%-го алюминия и заполнен инертным газом.
На рис.5 показаны:
прочная пластиковая крышка (поз.1);
герметичное, окруженное пластмассовым кольцом (поз.5) и залитое эпоксидным компаундом (поз.7), исполнение клеммной колодки (поз.8), обеспечивает степень защиты IP54.
Подключение (рис.5) производится через уплотнение кабельного ввода (поз.2) трех одножильных 2-х метровых кабелей (поз.3) и керамического модуля разрядных резисторов (поз.6) производится обжатием и пайкой контактных соединений. Для удобства визуального контроля срабатывания защиты от превышения избыточного давления на удлиненной части корпуса конденсатора появляется ярко-красная полоса (поз.4).
Максимальный допустимый перепад температуры окружающей среды -40...+55°С [8].
Использование конденсаторов для компенсации реактивной мощности коммунально-бытовых нагрузок
Следует отметить, что поскольку конденсаторы КРМ должны иметь защиту от токов короткого замыкания (ПУЭ гл.5), представляется целесообразным встроить внутрь корпуса конденсаторов HomeCap и PoleCap плавкие предохранители, срабатывающие при пробое секции.
Опыт КРМ в коммунально-бытовых сетях развивающихся стран с высоким уровнем сетевых потерь, показывает, что даже простые технические решения - использование нерегулируемых батарей специальных типов косинусных конденсаторов, могут быть экономически весьма эффективны.
Автор статьи: А. Шишкин "ЭЛЕКТРИК" (Радиоаматор-Электрик)
Литература
1. Инструкция по проектированию городских электрических сетей РД 34.20.185-94. Утверждена: Министерством топлива и энергетики РФ 07.07.94, РАО "ЕЭС России" 31.05.94. Введена в действие с 01.01.95 г.
2. Овчинников А. Потери электроэнергии в распределительных сетях 0,4...6(10) кВ // Новости Электротехники. 2003. № 1(19).
3. Коррекция коэффициента мощности в электросетях Перу // КОМПОНЕНТЫ EPCOS №1. 2006.
4. HomeCap capacitors for Power Factor Correction.
5. Указания по выбору средств регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности при проектировании сельскохозяйственных объектов и электрических сетей сельскохозяйственного назначения. М.: Сельэнергопроект. 1978.
6. Шишкин С.А. Реактивная мощность потребителей и сетевые потери электроэнергии // Энергосбережение № 4. 2004.
7. Jungwirth P. Power factor correction on site // EPCOS COMPONENTS №4. 2005.
8. PoleCap PFC Capacitors for Outdoor Low-Voltage PFC Applications. Published by EPCOS AG. 03/2005. Ordering No. EPC: 26015-7600.
Среди многочисленных факторов, оказывающих влияние на эффективность работы системы электроснабжения (СЭС), одно из приоритетных мест занимает вопрос компенсации реактивной мощности (КРМ). Однако, в распределительных сетях коммунально-бытовых потребителей, содержащих преимущественно однофазную, коммутируемую по индивидуальному режиму нагрузку, устройства КРМ применяются еще недостаточно.
Ранее было принято считать, что из-за относительно коротких фидеров городских низковольтных распределительных сетей, небольшой (единицы кВА) присоединенной мощности и рассредоточения нагрузок, проблемы КРМ для них не существует.
Например, в главе 5.2 [1] записано: «для жилых и общественных зданий компенсация реактивной нагрузки не предусматривается». Если принять во внимание, что за последнее десятилетие расход электроэнергии на 1м2 жилищного сектора увеличился втрое, средняя статистическая мощность силовых трансформаторов городских муниципальных сетей достигла 325 кВА, а зона использования трансформаторной мощности сместилась в сторону увеличения и находится в пределах 250...400 кВА [2], то это утверждение вызывает сомнение.
Обработка графиков нагрузки, снятых на вводе многоквартирного жилого дома, показала: в течение суток среднее значения коэффициента мощности (cosj) менялось от 0,88 до 0,97, а пофазные - от 0,84 до 0,99. Соответственно суммарное потребление реактивной мощности (РМ) колебалось в пределах 9...14 кВАр, а пофазное от 1 до 6 кВАр.
Использование конденсаторов для компенсации реактивной мощности коммунально-бытовых нагрузок
На рис.1 показан график суточного потребления РМ на вводе многоквартирного жилого дома. Другой пример: зафиксированное суточное (10.06.07 г.) потребление активной и реактивной электроэнергии на ТП Сызранскиой городской сети (SТР-РА = 400 кВА, электроприемники преимущественно однофазные) составило 1666,46 кВт•ч и 740,17 кВАр•ч (средневзвешенное значение cosj = 0,91 - разброс от 0,65 до 0,97) даже при соответствующем низком коэффициенте загрузки трансформатора - 32% в часы максимума и 11% в часы минимума проведения измерений.
Таким образом, учитывая высокую плотность (кВА/км2) коммунально-бытовой нагрузки, постоянное наличие в перетоках мощности СЭС реактивной составляющей, приводит к значительным потерям электроэнергии в распределительных сетях крупных городов и необходимости их возмещения за счет дополнительных источников генерации.
Сложность решения данного вопроса во многом связана с неравномерным потреблением РМ по отдельным фазам (рис.1), затрудняющая применение традиционных для промышленных сетей установок КРМ на базе трехфазных батарей конденсаторов, управляемых регулятором, установленным в одной из фаз компенсируемой сети.
Для повышения резерва мощности городских СЭС представляет интерес опыт наших зарубежных коллег. В частности наработки дистрибьюторской электроэнергетической компании Edeinor S.A.A. (Перу) (она входит в специализирующуюся на генерации, передаче и распределении электроэнергии в ряде южноамериканских стран группу Endesa (Испания)), по КРМ в низковольтных распределительных сетях на минимальном удалении от потребителей [3]. По заказу Edeinor S.A.A., один из крупнейших производителей низковольтных косинусных конденсаторов - компания EPCOS AG выпустила серию однофазных конденсаторов HomeCap [4] адаптированных для КРМ мелких коммунально-бытовых нагрузок.
Крепление конденсаторов HomeCapНоминальная емкость конденсаторов HomeCap (рис.2) варьируется от 5 до 33 мкФ, что позволяет компенсировать индуктивную составляющую РМ от 0,25 до 1,66 кВАр (при напряжении сети 50 Гц в диапазоне 127...380 В).
В качестве диэлектрика используется усиленная полипропиленовая пленка, электроды выполнены металлическим напылением - технология МКР (Metallized Kunststoff Polypropylene). Намотка секции - стандартная круглая, внутренний объем заполнен нетоксичным полиуретановым компаундом. Как и все косинусные конденсаторы компании EPCOS AG, конденсаторы серии HomeCap обладают свойством "самовосстановления" при локальном пробое обкладок.
Цилиндрический алюминиевый корпус конденсаторов изолирован с помощью термоусадочной поливиниловой трубки (рис.2), а сдвоенные ножевые выводы электродов закрыты диэлектрическим пластиковым колпаком (степень защиты IP53), тем самым, обеспечивая полную безопасность при эксплуатации в бытовых условиях, подтвержденную соответствующим сертификатом стандарта UL 810 (лаборатории по технике безопасности США).
Встроенное устройство, срабатывающее при превышении избыточного давления внутри корпуса, автоматически отключает конденсатор при его перегреве или лавинном пробое секции. Диаметр конденсаторов HomeCap - 42,5±1 мм, а высота, в зависимости от величины номинальной емкости, 70...125 мм. Вертикальное удлинение корпуса конденсатора, в случае срабатывания защиты от превышения внутреннего давления не более 13 мм.
Подключение конденсатора осуществляется двухжильным гибким кабелем сечением 1,5 мм2 и длиной 300 или 500 мм [4]. Допустимый нагрев изоляции кабеля - 105°С.
Эксплуатация конденсаторов HomeCap возможна внутри помещений при температуре окружающей среды -25...+55°С. Отклонение номинальной емкости: -5/+10%. Потери активной мощности не превышают 5-ти Вт на кВАр. Гарантийный срок службы до 100000 ч.
Крепление конденсаторов HomeCap к монтажной поверхности осуществляется хомутом или присоединенным к днищу болтовым (М8х10) соединением.
Установка конденсатора HomeCap в ящике учета.
На рис. 3. показана установка конденсатора HomeCap в ящике учета. Конденсатор (в правом нижнем углу) подключен к клеммам электросчетчика
Конденсаторы HomeCap выполнены в полном соответствии с требованиями стандарта IEC 60831-1/2 [4].
По данным Edeinor S.A.A., [3] установка конденсаторов HomeCap суммарной мощностью 37 000 кВАр в 114 000 домовладений района Инфантас северной части Лимы, повысила средневзвешенный коэффициент мощности распределительной сети с 0,84 до 0,93, что позволило ежегодно экономить примерно 280 кВт·ч на каждый присоединенный кВАр РМ или всего около 19 300 МВт·ч в год. Кроме того, учитывая качественные изменения характера бытовой нагрузки (импульсные источники питания электроприборов, активные балласты энергосберегающих ламп), искажающих синусоидальность напряжения сети, одновременно при помощи конденсаторов HomeCap удалось снизить уровень гармонических составляющих - THDU в среднем на 1%.
В отличие от городских, необходимость КРМ для низковольтных сельских распределительных сетей никогда под сомнение не ставилась [5], так как затраты активной энергии на передачу РМ по протяженной разомкнутой (древовидной) высоковольтной линии (ВЛ) напряжением 6(10) кВ наиболее высокие [6]. При этом недостаточное соотношение средств КРМ к присоединенной мощности электроприемников, объясняется чисто экономическими причинами. Поэтому для СЭС сельских коммунально-бытовых и небольших (до 140 кВт) производственных потребителей вопрос выбора наименее затратного варианта КРМ является приоритетным.
Одной из технической сложностей практического выполнения рекомендации по 80% КРМ непосредственно в низковольтных сельских сетях [5] является отсутствие конденсаторов приспособленных к монтажу на ВЛ. По расчетам, среднее значение остаточной (не допускающей режима перекомпенсации) РМ при передаче по ВЛ-0,4 кВ активной мощности 50 кВт для смешенной, с преобладанием (более 40%) коммунально-бытовой нагрузки, составило 8 кВАр, следовательно, оптимальная номинальная РМ таких конденсаторов должна быть в пределах единиц-нескольких десятков кВАр.
Рассмотрим систему КРМ, применяемую на ВЛ низковольтных сетей г. Джайпур (штат Раджастан, Индия) энергетической компанией Jaipur Vidyut Vitran Nigam Ltd на базе конденсаторов серии PoleCap® (рис.4) производства EPCOS AG [7]. Проведенный мониторинг СЭС, содержащей около 1000 МВА установленной мощности 4600 трансформаторов 11/0,433 кВ единичной мощностью 25-500 кВА, показал: летняя загрузка трансформаторов составила 506 МВА (430 МВт), зимняя - 353 МВА (300 МВт); средневзвешенный cosj - 0,85; полные потери (2005 г.) - 17% от объема отпуска электроэнергии.
В ходе пилотного проекта по КРМ, в узлах присоединения к трансформаторам низковольтных нагрузок, непосредственно на опорах ВЛ-0,4 кВ было установлено 13375 конденсаторов PoleCap, суммарной РМ 70 Мвар. В том числе:13000 конденсаторов 5 кВАр; 250 - 10 кВАр; 125 - 20 кВАр. В результате значение cosj повысилось до 0,95, а потери снизились до 13% [7].
Использование конденсаторов для компенсации реактивной мощности коммунально-бытовых нагрузок Данные конденсаторы (рис.4, и рис.5) - модификация хорошо зарекомендовавшего себя типа металлопленочных конденсаторов, выполненных по технологии МКР/МКК (Metalized Kunststoff Kompakt) [8] - одновременного увеличения площади и повышения электрической прочности контакта слоя металлизации электродов, за счет сочетания ровного и волнового среза кромок пленки, укладываемой с характерной для МКР-технологии небольшим смещением витков. Кроме того, серия PoleCap включает ряд трехфазных конденсаторов РМ 0,5...5 кВАр, выполненных по традиционной технологии МКР [8].
Усовершенствование базовой конструкции серийных МКК-конденсаторов обеспечила возможность непосредственной (без дополнительного футляра) установки конденсаторов PoleCap на открытом воздухе, влажных или запыленных помещениях. Корпус конденсатора выполнен из 99,5%-го алюминия и заполнен инертным газом.
На рис.5 показаны:
прочная пластиковая крышка (поз.1);
герметичное, окруженное пластмассовым кольцом (поз.5) и залитое эпоксидным компаундом (поз.7), исполнение клеммной колодки (поз.8), обеспечивает степень защиты IP54.
Подключение (рис.5) производится через уплотнение кабельного ввода (поз.2) трех одножильных 2-х метровых кабелей (поз.3) и керамического модуля разрядных резисторов (поз.6) производится обжатием и пайкой контактных соединений. Для удобства визуального контроля срабатывания защиты от превышения избыточного давления на удлиненной части корпуса конденсатора появляется ярко-красная полоса (поз.4).
Максимальный допустимый перепад температуры окружающей среды -40...+55°С [8].
Использование конденсаторов для компенсации реактивной мощности коммунально-бытовых нагрузок
Следует отметить, что поскольку конденсаторы КРМ должны иметь защиту от токов короткого замыкания (ПУЭ гл.5), представляется целесообразным встроить внутрь корпуса конденсаторов HomeCap и PoleCap плавкие предохранители, срабатывающие при пробое секции.
Опыт КРМ в коммунально-бытовых сетях развивающихся стран с высоким уровнем сетевых потерь, показывает, что даже простые технические решения - использование нерегулируемых батарей специальных типов косинусных конденсаторов, могут быть экономически весьма эффективны.
Автор статьи: А. Шишкин "ЭЛЕКТРИК" (Радиоаматор-Электрик)
Литература
1. Инструкция по проектированию городских электрических сетей РД 34.20.185-94. Утверждена: Министерством топлива и энергетики РФ 07.07.94, РАО "ЕЭС России" 31.05.94. Введена в действие с 01.01.95 г.
2. Овчинников А. Потери электроэнергии в распределительных сетях 0,4...6(10) кВ // Новости Электротехники. 2003. № 1(19).
3. Коррекция коэффициента мощности в электросетях Перу // КОМПОНЕНТЫ EPCOS №1. 2006.
4. HomeCap capacitors for Power Factor Correction.
5. Указания по выбору средств регулирования напряжения и компенсации реактивной мощности при проектировании сельскохозяйственных объектов и электрических сетей сельскохозяйственного назначения. М.: Сельэнергопроект. 1978.
6. Шишкин С.А. Реактивная мощность потребителей и сетевые потери электроэнергии // Энергосбережение № 4. 2004.
7. Jungwirth P. Power factor correction on site // EPCOS COMPONENTS №4. 2005.
8. PoleCap PFC Capacitors for Outdoor Low-Voltage PFC Applications. Published by EPCOS AG. 03/2005. Ordering No. EPC: 26015-7600.