APPLICATION OF FILTER COMPENSATING DEVICES TO IMPROVE VOLTAGE QUALITY AT COAL MINES

Развитие угледобывающей отрасли в Республике Хакасия привело за последние 5-7 лет к росту числа и мощности угольных разрезов. Эксплуатация систем электроснабжения таких предприятий требует, во-первых, поддержания в них нормативных уровней напряжения и, во-вторых, ставит задачу обеспечения нормативного коэффициента несинусоидальности напряжения и уровней гармонических составляющих для соседних с разрезами потребителей. В составе нагрузок разрезов наиболее мощными являются привода экскаваторов, характеристики и режимы работы которых определяют показатели качества напряжения на шинах их подключения.

В работе выполнено исследование качества напряжения одного из угольных разрезов Республики Хакасия. Электроснабжение предприятия осуществляется от подстанции 35/10 кВ, на которой установлены трансформаторы ТМН-4000/35/10 и ТМН-6300/35/10. От ячеек КРУН-10 кВ отходят линии, питающие не только нагрузку предприятия, но и сторонних потребителей (сельскохозяйственные объекты и жилые поселки). К основному оборудованию разреза относятся экскаваторы Liebherr 9200r. Высоковольтные синхронные двигатели отсутствуют. Все электродвигатели до 1 кВ мощностью от 30 кВт и выше оборудованы преобразователями частоты, электродвигатели выше 1 кВ оборудованы устройствами плавного пуска. В соответствии с проектом на шинах 10 кВ подстанции были установлены фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ) марки УКРМФ-10,5-350-100УХЛ4 и УКРМФ-10,5-600-100 УХЛ4 с возможностью ступенчатого регулирования реактивной мощности, которые на предприятии не используются и находятся в отключенном состоянии. Для обеспечения успешной работы ФКУ был проведен предварительный анализ графиков электрических нагрузок предприятия, анализ изменения коэффициента мощности в зависимости от режима нагрузки, а также анализ параметров качества напряжения по критериям отклонения напряжения и коэффициенту несинусоидальности напряжения. Такой анализ необходим для выбора правильного алгоритма регулирования мощности ФКУ в течение суток для их эффективной и надежной работы.

Результаты суточных замеров отклонений напряжения и соответствующих им потреблений активной и реактивной мощности, выполненные на шинах 10 кВ предприятия, представлены на рисунках 1 и 2.

На приведенных графиках явно прослеживаются значительные отклонения напряжения, соответствующие снижению нагрузки в периоды смены бригад, обслуживающих экскаваторы (режимы минимальной нагрузки). Такие отклонения напряжения крайне неблагоприятно сказываются на показателях качества электроэнергии у присоединенных к подстанции предприятия сторонних потребителей. Продолжительность режимов минимальной нагрузки составляет 16-18% от суточного времени.

Коэффициент мощности в режимах наибольшей нагрузки меняется от 0,76 до 0,85. Коэффициент мощности в режимах минимальной нагрузки лежит в диапазоне от 0,45 до 0,8. В этих режимах также наблюдается повышение в 3 раза коэффициента несинусоидальности напряжения. Спектр гармоник представлен на рисунке 3.

Рисунок 1 - График отклонений фазных напряжений

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.35.1

Рисунок 2 - Графики активной и реактивной трехфазной мощности

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.35.2

Рисунок 3 - Коэффициенты n-х гармонических составляющих линейного напряжения

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.35.3

Анализ результатов проведенных инструментальных измерений позволяет сделать следующие выводы:

1. На предприятии не производится суточное автоматическое регулирование напряжения посредством РПН трансформаторов на подстанции;

2. Требуются мероприятия по повышению коэффициента мощности как в режиме минимальной, так и в режиме максимальной нагрузки;

3. Эксплуатация фильтрокомпенсирующих устройств, установленных на подстанции с целью повышения коэффициента мощности, будет возможна при условии автоматического регулирования настройки фильтров.

С целью анализа характерных режимов совместной работы устройства РПН трансформатора и устройства компенсации реактивной мощности была разработана модель сети в программном комплексе RastrWin

По результатам анализа были предложены меры, позволяющие обеспечить отклонение напряжения на шинах подключения потребителей (шины 10 кВ подстанции) в соответствии с требованиями ГОСТ на качество электроэнергии

Расчеты, выполненные на модели, показали, что регулирование напряжения посредством РПН трансформатора является недостаточным ввиду значительных отклонений напряжения при изменениях нагрузки, если устройства компенсации реактивной мощности отключены. В режимах минимальной нагрузки требуется задействовать полную, а в режимах наибольших нагрузок неполную мощность компенсирующих устройств. То есть целесообразной является совместная работа РПН и компенсирующих устройств, а ввиду того, что нагрузка является резкопеременной, следует рассмотреть вопрос об автоматическом регулировании мощности этих устройств.

Однако несинусоидальность напряжения, обусловленная нелинейностью нагрузки, предъявляет особые требования к выбору типа, состава и мощности устройств компенсации реактивной мощности. Особенности выбора устройств компенсации реактивной мощности в системах с нелинейными нагрузками рассматривалась в работах

Как уже было сказано, на подстанции установлены фильтрокомпенсирующие устройства УКРМФ-10,5-350-100УХЛ4 и УКРМФ-10,5-600-100 УХЛ4, в состав которых входят фильтры, настроенные на пятую и седьмую гармоники.

Анализ возможных режимов работы устройств компенсации реактивной мощности проводился путем построения частотных характеристик (ЧХ) входного сопротивления сети относительно шин 10 кВ подстанции, на которых эти устройства устанавливаются. ЧХ рассчитывались без учета активных сопротивлений элементов сети.

В случае подключения на шины 10 кВ незащищенной реактором конденсаторной батареи (КБ) формула для расчета входного сопротивления имеет вид:

(1)

где:

– сопротивление питающей сети;

– сопротивление КБ;

 – номер гармоники.

В случае подключения на шины 10 кВ одного фильтрового звена (ФКУ), настроенного на 5-ю или на 7-ю гармоники формула для расчета входного сопротивления имеет вид:

(2)

где:

– сопротивление сети;

– сопротивление реактора;

– сопротивление КБ;

 – номер гармоники.

В случае подключения на шины 10 кВ двух фильтровых звеньев, настроенных на 5-ю и на 7-ю гармоники формула для расчета сопротивления эквивалентного фильтрового звена имеет вид:

(3)

где:

– сопротивление сети;

и – сопротивления реактора и КБ фильтра 5-й гармоники;

и – сопротивления реактора и КБ фильтра 7-й гармоники.

Формула для расчета входного сопротивления имеет вид:

(4)

Вопросы анализа режимов работы электрической сети с использованием ЧХ входных сопротивлений рассматривались в работах

Были рассчитаны и проанализированы ЧХ входных сопротивлений для случаев ступенчатого регулирования мощности как незащищенной конденсаторной батареи, так и для вариантов ступенчатого регулирования мощности ФКУ. Результаты расчетов ЧХ входных сопротивлений приведены на рисунках 4 и 5 в виде диаграмм. ЧХ входных сопротивлений на рисунке 4 рассчитаны для случаев подключения на шины 10 кВ нагрузки незащищенных реактором КБ разной мощности. Анализ ЧХ показывает, что при подключении одной КБ мощностью 350 кВАр имеют место резонансные усиления 7-й гармоники напряжения в 8 раз (это составит 36% от напряжения основной частоты) и 5-й гармоники напряжения в 2 раза (это составит 12% от напряжения основной частоты). При подключении одной КБ мощностью 600 кВАр имеют место резонансные усиления 7-й гармоники напряжения в 2 раза (это составит 9% от напряжения основной частоты) и 5-й гармоники напряжения в 4,5 раз (это составит 27% от напряжения основной частоты). При параллельном подключении обеих КБ (суммарная генерируемая мощность составит 950 кВАр) имеет место резонансное усиление 5-й гармоники напряжения в 7 раз (это составит 42% от напряжения основной частоты).

Таким образом, работа незащищенных реактором КБ невозможна ввиду их перегрузки значительными токами высших гармоник, и целесообразно подключение имеющихся ФКУ целью повышения коэффициента мощности, регулирования напряжения и снижения потерь мощности и электроэнергии в сети.

Рисунок 4 - ЧХ входных сопротивлений при подключении КБ

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.35.4

ЧХ входных сопротивлений, представленные на рисунке 5 рассчитаны для случаев подключения на шины 10 кВ нагрузки ФКУ различной мощности.

По результатам расчетов можно сделать вывод об отсутствии 5-й и 7-й гармоник в спектре напряжения при любых мощностях ФКУ. При этом полюса ЧХ входного сопротивления не совпадают ни с одной из канонических гармоник и, следовательно, их резонансные усиления исключены. Подключение ступеней ФКУ можно производить в соответствии с графиком электрических нагрузок в любом сочетании. Регулирование мощности ФКУ может быть автоматическим.

Рисунок 5 - ЧХ входных сопротивлений при подключении ФКУ

DOI:10.23670/IRJ.2023.134.35.5

Инструментальные замеры показателей качества напряжения показали значительные отклонения напряжения, несинусоидальность напряжения и снижение коэффициента мощности в период минимальной нагрузки потребителя.

Моделирование в программном комплексе RastrWin основных режимов работы системы электроснабжения потребителя позволило выявить недостаточность диапазона регулирования напряжения с помощью РПН трансформаторов.

По результатам анализа ЧХ входного сопротивления сети относительно шин 10 кВ питающей подстанции было предложено задействовать на подстанции ступенчато регулируемое ФКУ, в состав которого входят фильтры 5-й и 7-й гармоник. Ожидаемых резонансных усилений гармоник напряжения при подключении ФКУ не было выявлено.