автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.02, диссертация на тему:Повышение эффективности энергосбережения в электросетях предприятий АПК при компенсации реактивной мощности

Направахрукописи

ШИШКИН СЕРГЕЙ АЛЕКСЕЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ЭЛЕКТРОСЕТЯХ ПРЕДПРИЯТИЙ АПК ПРИ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Специальность: 05.20.02 - Электротехнологии и электрооборудование

в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2004

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный . университет имени В.П. Горячкина»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Лещинская Тамара Борисовна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Воробьев Виктор Андреевич

доктор технических наук, профессор Кудрин Борис Иванович

Ведущая организация: Центр энергосбережения ОАО РАО «ЕЭС России»

Защита состоится «_|М_» ШАКАЛУ 2004 г. в /<3 часов на заседании диссертационного совета Д 220.044.02 при ФГОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, Москва, улица Тимирязевская, дом 58, МГАУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО МГАУ.

Автореферат разослан «_!_£_» ¿Х0А/ 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Загинайлов В.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Суммарные технологические потери на транспорт электроэнергии до границы раздела потребитель - энергоснабжающая организация (ЭО), по данным РАО «ЕЭС России», в 2001г. составили 13,1% от ее отпуска (в 1991г. - 8,9%). Значительная часть данных потерь связана с перетоком реактивной мощности (РМ), необходимой для работы электроустановок потребителей, через трансформаторы и линии распределительных сетей, а их снижения можно достичь за счет увеличения степени компенсации РМ (КРМ) непосредственно в электросетях предприятий. Следует также учитывать изменение характера электропотребления, обусловленное увеличением мощностей нелинейных и однофазных нагрузок, опережения, по отношению к активной, роста потребления реактивной энергии, вследствие снижения загрузки силовых трансформаторов — характерную черту современной энергетики, отрицательно влияющую на показатели качества и потери электроэнергии. Рациональная (оптимальная) КРМ в электросетях сельскохозяйственных предприятий, охватывая комплекс вопросов, направленных на повышение экономичности работы электроустановок, включает в себя методы выбора типа и места установки компенсирующих устройств, безопасности эксплуатации, защиты от аварийных режимов, автоматического регулирования. Таким образом, актуальность рассматриваемой темы определяется вопросами энергосбережения - уменьшением потерь при передаче и обеспечением норм качества электроэнергии, что особенно важно для протяженных сельских распределительных сетей 6(10)-0,4 кВ с малой плотностью нагрузки и низкими коэффициентами использования трансформаторной мощности. Эта задача нашла отражение в концепции развития электрических сетей 0,4-35 кВ на период до 2010г., разработанных институтами «Энергосетьпроект» и «РОСЭП» (Сельэнергопроект).

Целью настоящей работы является повышение эффективности энергосбережения в электросетях предприятий АПК за счет автоматического регулирования и оптимизации конструкционного построения современных устройств КРМ на основе разработанной технологической модели.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи:

• проанализировать на примере района электроснабжения (РЭС) с преобладанием сетей сельскохозяйственного назначения влияние потерь от передачи РМ в распределительных сетях 6(10) кВ на величину суммарных технологических потерь электроэнергии;

• рассмотреть возможность использования в автоматических конденсаторных установках (КУ) косинусных конденсаторов (КК) с различным технологическим построением рабочей части и влияние способов их коммутации на качество электроэнергии в компенсируемой сети;

• рассмотреть принцип построения схем измерения входных параметров современных регуляторов РМ автоматических КУ и рекомендовать конструктивные изменения (по сравнению с типовыми схемами) для расширения функцио-

нальных возможностей регулятора;

<>ОС НАЦИОНАЛЬНАЯ БИБЛИОТЕКА

»

С.ПтрвЬг | 09 !00>«т

• обосновать области экономически эффективного использования КУ-6(10) и 0,4 кВ в электросетях предприятий АПК, с учетом режима работы и мощности реактивной нагрузки;

• разработать и показать на практическом примере методику технико-экономической оценки применения регулируемых КУ в электросетях сельскохозяйственных предприятий.

Объектом исследования являются технологические модели устройств компенсации реактивной мощности (УКРМ), обеспечивающие снижение потерь электрической энергии в сетях предприятий ЛПК.

Методы исследования. В работе использованы методы теоретических основ электроснабжения, системные исследования, методы оптимизации и технико-экономических расчетов параметров систем компенсации РМ.

Научная новизна:

• показана возможность и необходимость автоматического регулирования потребления РМ в электрических сетях предприятии АПК, установлены основные функции сигнала регулирования, как для нормального, так и для несимметричного сетевого режима;

• предложены методы оценки способов коммутации ступеней КУ с использованием современных комплектующих элементов и выбор типов КК в зависимости от конкретных режимных параметров компенсируемой сети;

• теоретически исследованы и приведены области экономически эффективного использования КУ в электросетях потребителей 6(10)-0,4 кВ;

• на основе анализа результатов исследования разработаны технические рекомендации и схема устройства, повышающие эксплуатационную надежность и расширяющие функциональные возможности УКРМ.

Новизна и промышленная применимость технических решений подтверждена двумя патентами РФ.

Практическая значимость проведенных исследований состоит в обосновании рационального применения автоматических устройств КРМ в электрических сетях производственных потребителей АПК и, как следствие этого, снижении потерь и обеспечении норм качества электроэнергии.

Реализация результатов исследования. Методика определения требуемой степени компенсации и расчета потерь активной электроэнергии в зависимости от фактического потребления предприятием РМ, выбор типа, мощности и мест установки УКРМ приняты в качестве рекомендаций в ОАО «Истра-хлебопродукт».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО МГАУ (2001, 2002, 2003 гг.), международных научно-практических конференциях «Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности в XXI веке» (Москва 2002, 2003 гг.), 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (МГТУ имени Н.Э. Баумана, 2002 г).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 18 печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 148 страниц, включая 22 таблицы, 40 рисунков и библиографию из 80 наименований.

На защиту выносятся следующие основные положения:

• методика оценки увеличения потерь активной электроэнергии при передаче РМ в распределительных сетях 6(10) кВ сельскохозяйственного назначения и в сетях 6(10)-0,4 кВ предприятий АПК на величину суммарных технологических потерь электроэнергии;

• обоснование использования для КРМ различных типов КК и влияние способов их коммутации на качество электроэнергии в компенсируемой сети;

• схемные построения измерения входных параметров регуляторов РМ автоматических КУ при несимметрии напряжений компенсируемой сети;

• методы технико-экономической оценки эффективности применения регулируемых КУ в электросетях 0,4 кВ сельскохозяйственных предприятий.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность и перспективность решаемых в работе задач, кратко изложена сущность рассматриваемых вопросов и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Компенсация реактивной мощности в сетях электроснабжения» приводятся общетеоретические положения и рассматриваются существовавшие нормативные документы и правила в области КРМ, регламентировавшие взаимоотношения потребителей с ЭО. Последний по времени нормативный документ в области КРМ - «Правила применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реактивной энергии», утвержденные «Главгосэнергонадзором РФ» и действовавшие с 1994г. по январь 2001г., приказом Минэнерго РФ №167 от 28.12.2000г. были признаны утратившими силу с 1.01.2001г. Новые нормативные документы находятся в стадии разработки. Из договоров потребителей с ЭО исключены пункты, устанавливающие экономические значения и технические пределы потребления и генерации РМ и энергии с соответствующими скидками и надбавками. Следовательно, никакой платы непосредственно за потребление РМ и энергии сейчас не взимается, хотя некоторые производственные потребители в отдельных АО-энерго оплачивают потребляемую (или расчетную) реактивную мощность по договору с ЭО. Это затрудняет экономическое обоснование инвестиций в КРМ, так как трудно убедить потребителя, что речь идет не об оплате издержек энергосистемы, которая учитывает потери от протекания РМ в тарифе на электроэнергию.

Сегодняшнее состояние данного вопроса подробно изложено в работах ведущего специалиста в области КРМ Ю.С. Железко.

Условием нормального режима работы любой энергосистемы является соблюдение в ней баланса полной мощности (равенства производимой и потребляемой электроэнергии). При этом баланс непосредственно РМ может быть представлен как:

Рассмотрим приходную (левую) часть выражения (1). Общее потребление РМ в сетях электроснабжения достигает 1...1.3 квар на 1кВт присоединенной мощности. При номинальной нагрузке генераторы электростанций вырабатывают лишь около 60% требуемой РМ, то есть РМ генераторов - составляет

0,5...0,75 квар на 1 кВт их установленной мощности, причем ее полное использование не всегда технически возможно и экономически целесообразно. Учитывая, что около 20 % общего баланса РМ энергосистемы генерируется емкостью ВЛ 110 кВ и выше - (^ы , без учета резерва, примерно 20 % составит отнесенная в соотношении к максимуму активной нагрузки (квар/кВт) РМ, потребляемая в распределительных сетях 35...0,4 кВ (в том числе и предприятий), которая должна быть скомпенсирована -

Проведенный расчет для РЭС с большой долей распределительных сетей 6(10)-0,4 кВ сельскохозяйственного назначения (Кимрский филиал электрических сетей АО "Тверьэнерго") показал: фактические потери в трансформаторах всех уровней напряжения составили 48,3% от общих потерь на передачу электроэнергии (9,92% объема отпуска), относительные потери электроэнергии в трансформаторах всех уровней напряжения - 4,8%. Из всей трансформаторной мощности района 49,6% приходится на мощность трансформаторов 6(10)/0,4 кВ, а 89,5% и 73,3% соответственно на количество и мощность ТП сельскохозяйственного назначения. Учитывая, что ~ 50% районных ТП 220-35/6(10) кВ имеют не менее двух трансформаторов, 50,2% - двойное питание, 12... 13% - телеконтроль и телеуправление, в то время как из 1448 сельских ТП 6(10)/0,4 кВ только 1,6% двух-трансформаторные, износ их оборудования гораздо выше, а 12% из них находятся в эксплуатации сверх установленного нормативного срока, можно считать уровень относительных потерь для трансформаторов данной группы выше среднего (4,8%) значения. Исходя из рекомендуемого 4,5%-го норматива относительных потерь электроэнергии для трансформаторов сельских сетей 6(10)/0,4 кВ и проведенного расчета, сделаем вывод, что передача по сети РМ увеличит только данный норматив на 1...2,5%, а его итоговый рост достигнет 2...4,5%, учитывая потери в линиях сельскохозяйственного назначения, протяженность которых составляет 95% общей длины линий 6(10) кВ.

Протяженность распределительных сетей сельскохозяйственного назначения в расчете на одну питающую ТП 110-35/6(10) кВ - 127 км. Считая технологические потери пропорциональными потреблению электроэнергии и зная ее годовой отпуск на напряжении 0,4 кВ, увеличение потерь от передачи РМ нагрузки в распределительных сетях 6(10) кВ составит 4,2... 1,9 млн. кВтч или с учетом среднегодового отпускного тарифа - 93 коп/кВтч - 3,9... 1,7 млн. руб., что эквивалентно стоимости 12,5...5,4 тыс. квар регулируемых или 17,2...7,5 тыс. квар нерегулируемых КУ-0,4 кВ. Причем, поскольку отпуск электроэнергии сельскохозяйственным потребителям со стороны 0,4 кВ составил 83% от общего объема, а количество ТП 6(10)/0,4 кВ и протяженность ЛЭП 6(10)-0,4 кВ сельскохозяйственного назначения соответственно 89% и 91% от суммарного, вопрос КРМ на напряжении 0,4 кВ наиболее актуален именно для данных распределительных сетей. В среднем при отсутствии КРМ годовой объем передачи реактивной энергии

в распределительные сети 6(10) кВ РЭС только производственными сельскохозяйственными потребителями можно принять равным « 13 000 тыс. квар-ч, с учетом рекомендованного коэффициента мощности соз<р = 0,6 для оценки потребления реактивной энергии (от суммарной активной) для данной группы абонентов.

Небольшие установленные мощности и отсутствие крупных синхронных двигателей делают КУ практически единственным техническим средством КРМ на производственных предприятиях АПК. Выбор технологических параметров КУ для отдельных узлов нагрузки связан с наличием объективной информации о режиме работы устройств передачи электроэнергии, в первую очередь - об использовании трансформаторной мощности. Получить такие сведения можно только с помощью современной измерительной техники и внедрения систем телеметрии.

Во второй главе «Современные компоненты конденсаторных установок компенсации реактивной мощности» приводятся технические требования к комплектующим элементам КУ - силовым (косинусным) конденсаторам (КК), регуляторам РМ, электромагнитным и тиристорным контакторам, фильтрующим антирезонансным и разрядным дросселям, а также рассматриваются вопросы ограничения коммутационных токов конденсаторных батарей (КБ), построение систем автоматического регулирования и работа КУ при несимметрии напряжений компенсируемой сети.

Эксплуатация УКРМ в автоматическом режиме повышает требования к надежности КК. Современные цилиндрические КК, используемые в сетях 0,4 кВ с небольшим (менее 5%) содержанием высших гармоник, изготавливаются по MKPg или МКР-технологии. Единичная мощность цилиндрических низковольтных КК, как правило, не превышает 50 квар 3, 4 (рис. 1), уступая по этому показателю КК в стальном прямоугольном корпусе 1, 2 (рис. 1), поскольку снижение массы и габарита конденсатора при одновременном повышении электрической

0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1

И) 20 30 40 50 60 70 $9 10 20 30 40 50 60 70 80

Рис. 1. Удельные массовые (кг/квар) и объемные (дм 3/квар) характеристики КК: 1 - МБК 400 (диэлектрик - пропиленовая пленка, стандарты 1ЕС 70-70А, Б8 1650); 2 - КПС-0,4-ЗУЗ ("сухие", ТУ 647РК-00213457.027-01); 3 - С8АБР 1-0,4 и 4 - МКК 400-Б (в алюминиевом цилиндрическом корпусе, тип диэлектрика МКК, стандарты 1ЕС 831-1, 2. 1996)

нагрузки связано с характером внутреннего температурного поля и условиями теплопередачи корпуса.

Как видно из рисунка 1, по удельным характеристикам 3,4 цилиндрические КК в 2...2,5 раза превосходят конденсатор КПС - 2, аналогичные характеристики которого ближе к выпускавшимся ранее КК - 7, чем к цилиндрическим. Поэтому, даже учитывая, что цилиндрические КК, выполненные по МКР-технологии, дороже, а стоимость КК составляет около 30% от цены регулируемой КУ, их преимущества делают на сегодняшний день применение КК подобного типа наиболее эффективным.

Во многом идентичные технические характеристики имеют «сухие» метал-лопленочные КК на основе МКК-технологии концерна "EPCOS AG". Расширение площади контактной зоны за счет сочетания ровного и «волнового» среза кромки пленки диэлектрика и специального утолщения цинкового напыления торцевых сторон проводящих обкладок, уложенных с небольшим смещением относительно поверхности пленки, обеспечивает прохождение через КК, без повреждения обмоток, коммутационных бросков пускового тока, до 200...300 раз превышающих номинальный ток КБ (/Rltc). Высокая эксплуатационная надежность МКК-конденсаторов, допускает их использование в низковольтных цепях фильтроком-пенсирующих устройств (ФКУ) и многофазных схемах преобразования, существенно расширив функциональные возможности применения КК, способствуя электромагнитной совместимости нелинейных нагрузок потребителей с сетью.

В процессе эксплуатации ступени регулирования автоматических УКРМ подвержены частым переключениям, при этом пусковые токи оказывают многократные электродинамические воздействия на конденсаторы, сокращая срок службы КБ, ускоряя износ контактов аппаратов коммутации и вызывая появление импульсов 1 и провалов 2 напряжения в компенсируемой сети (рис. 2).

Рис. 2. Осциллограмма напряжения одной из фаз компенсируемой сети при коммутации ступеней КБ обычными электромеханическими контакторами

Согласно законам коммутации, напряжение на конденсаторах батареи не может мгновенно измениться от нуля до напряжения сети ис. Первоначальный

момент их включения подобен симметричному короткому замыканию в месте присоединения КБ мощностью Qкз к сети. Выразим пусковой ток /КБ через ток и мощность короткого замыкания:

— л/^нк

(2)

Наиболее распространенный случай коммутации КБ - одновременное параллельное подключение ступени регулирования УКРМ к сети и общим шинам ранее включенных КБ. Степень влияния каждого из этих факторов на 1№ зависит от соотношения в схеме коммутации величины характеристического сопротивления сети, емкости предварительно заряженных КБ - и индуктивности участков ошиновки между КБ - . Если ступеней КУ одинакова, эквивалентная емкость схемы коммутации увеличится пропорционально числу N включенных батарей, а индуктивность уменьшится в результате параллельного сложения и ¿ш. Для данного случая коммутации КБ пусковой ток /¡^ можно записать в виде:

Ьс • £щ

(3)

Как правило, токоограничивающие элементы в УКРМ (за исключением дросселей специальных фильтрокомпенсационных установок) отсутствуют, в итоге,

I'

в несколько раз превысит непосредственно подключаемых к сети и именно на значение должны рассчитываться защитные и коммутационные аппараты ступеней КБ (ПУЭ, гл. 5.6.11).

Отличие коммутации КБ от других видов электрооборудования, делает неэффективным применение для этого контакторов или магнитных пускателей обычных типов из-за их недостаточного быстродействия, необходимости обеспечения не менее чем 50 % запаса по и больших бросков пусковых токов ( , ), которые нужно ограничивать до допустимой величины , определяемой следующими условиями:

• соблюдением технологического стандарта динамической устойчивости для применяемого типа конденсатора;

• возможностью селективной отстройки защиты УКРМ и отдельных ступеней регулирования, не превышая при этом для плавких вставок действующего значение /дкь=(1.6...1,8)/нке ;

• соответствием номинального тока аппарата коммутации мощности КБ и условию гашения дуги емкостной нагрузки.

В полной мере приведенным требованиям соответствуют специально разработанные электромеханические (конденсаторные) контакторы для коммутации КБ. В отличие от обычных модификаций они снабжены установленными параллельно основным вспомогательными контактами, к которым с двух сторон последовательно подключены съемные токоограничивающие элементы - несколько витков провода высокого удельного сопротивления. Якорь электромагнита одновременно приводит в действие обе группы контактов, но из-за разницы растворов вспомогательные контакты замыкаются на несколько миллисекунд раньше основ-

ных, пропускают пусковой ток и, предварительно подзарядив КБ, ограничивают Its (2) или /кб (3) до уровня /ДКБ (перед срабатыванием основных контактов). После включения основных контактов, вспомогательные контакты размыкаются. Комбинация большого сопротивления вспомогательных контактов в момент коммутации КБ и малого падения напряжения на основных контактах в рабочем режиме позволяет примерно в 2...3 раза сгладить броски пускового тока от /¡СБ> . Контакторы подобного конструктивного исполнения, серийно выпускаемые несколькими фирмами (стандарты IEC 947-4-1/5-1, EN 609474-1/5-1, VDE 0660, категория использования АСбЬ), в том числе "EPCOS AG" (Германия), "LOVATO Electric" (Италия), "BENEDIKT & JÄGER" (Австрия), "MOELLER" (Германия), являются одним из компонентов современных низковольтных КУ. Несмотря на увеличение стоимости КУ, комплектация их конденсаторными контакторами обеспечит стабильность характеристик низко индуктивных КК (стандарты IEC 70 и 831-1/2, VDE 0560) в течение всего срока эксплуатации (100 000... 130 000 ч), соизмеримого с ресурсом срабатывания контактора.

УКРМ с фильтрующими дросселями рекомендуются для применения в узлах нагрузки при доле мощности нелинейных электроприемников более 20% (до этого значения КРМ осуществляется стандартными КУ, а свыше 50% используются ФКУ), так как на одной из частот гармоник емкость КБ может образовать резонансный контур с параллельно включенной индуктивностью трансформатора и элементов сети. По опыту эксплуатации собственная резонансная частота данного контура находится между 250 и 500 Гц, что соответствует частотам 5-й и 7-й гармоники. Резонанс тока приведет к росту амплитуды гармоник, искажающих синусоидальность напряжения сети и перегрузке трансформатора. Поэтому, прежде чем принять решение о выборе типа УКРМ, кроме аналитических расчетов, надо провести проверку уровня сетевых гармонических искажений в компенсируемой сети. При этом, кроме номера гармоники, дополнительными определяющими факторами является доля нелинейных нагрузок узла присоединения КУ и учет возможности резонанса с элементами сети, расположенными непосредственно за трансформатором. Последовательное включение с КБ специального фильтрующего дросселя позволяет избежать резонанса за счет подавления токов высших гармонических частот (эффекта фильтрации), так как - собственная частота резонанса системы «дроссель - КБ» смещена выше частоты основной гармоникиу,. Вносимый дросселем коэффициент частотной расстройки -р, будет равен:

а его стандартная величина- 14 %, 7 %, 5,67 % соответствовать 135,189,210 Гц.

Поскольку все ступени КУ настраиваются на фильтрацию только одной гармоники, частота которой меньше или равна наименьшей частоте спектра гармонических составляющих, присутствующих в компенсируемой сети, для гармоник с частотой выше расстроенный контур (трансформатор - дроссель - КБ) будет выглядеть чисто индуктивным, исключая возможность возникновения резонанса на этих частотах, а на частоте сети он будет функционировать как емкостной, обеспечивая КРМ.

Следует отметить, что наряду с более высокой стоимостью установок с фильтрующими дросселями по отношению к эквивалентным по мощности стандартным КУ, в них уменьшается компенсационная мощность ступени вследствие потерь в дросселе, в зависимости от р (4) составляющих 3,7...12,2 Вт/квар. Однако общие потери активной мощности в системе электроснабжения могут оказаться значительно меньше, чем при отсутствии фильтрации. Поэтому окончательные выводы об эффективности использования данных КУ можно сделать только после анализа показателей качества электроэнергии в конкретной компенсируемой сети.

В настоящее время отечественными потребителями эксплуатируются КУ общей мощностью порядка 30 млн. квар, из которых 18...20 млн. квар управляется вручную. Экономически эффективная степень компенсации РМ индивидуальна для каждого из узлов нагрузки потребителя, поэтому установка в них комплектных КУ с автоматическим регулятором РМ позволит оптимизировать режим компенсации в часы как максимальной, так и минимальной нагрузки и предотвратить возможную генерацию РМ в сеть. Несмотря на многообразие модификаций, большинство современных автоматических регуляторов РМ имеют функционально идентичное построение (рис. 3) и схему измерения входных параметров управления, обеспечивающую формирование сигнала, пропорционального соотношению сигнала полного тока контролируемой фазы, и сигнала одного из линейных напряжений сети, то есть используют в качестве параметра регулирования реактивную составляющую полного тока нагрузки.

-^"Ni-

КУ

Рис. 3. Типовая блок-схема автоматического регулятора РМ

В этом случае (рис. 3) внешняя функция регулирования - signUбудет следующей:

;signIA = /А m„-sin(fi)/-(3,) sign ивс = С/вс ти- sin(©/-90')'

где р, - угол фазового сдвига тока /А.

Принимая значение signUm контролируемой фазы пропорциональным РМ компенсируемой сети, схема измерения отслеживает ее изменение. В зависимости от величины и направления реактивного тока на выходе модулятора (рис. 3) формируется sign&.Um , как разность между уровнями сигналов, соответствующими текущему значению signU^ и заданному режимом компенсации signU^ = const. При превышении signAUРЕГ уставки порогового элемента регулятора signUn автоматически производится дискретная коммутация секций КУ, согласно условию:

где и - уровни сигналов включения и отключения выходной

схемы регулятора, определяемые величиной зоны нечувствительности порогового элемента относительно значения Поскольку зависит от изме-

ряемого тока одной из контролируемых фаз (5), несимметрия напряжений сети, обусловленная наличием токов обратной и нулевой последовательности, приведет к появлению в комплексном выражении полной мощности S наряду с активной Р и реактивной Q составляющей пульсирующей мощности N, которая меняет значение коэффициента (фактора) мощности электроприемников , определяемого выражением:

Это может привести к ложному включению трехфазных КБ и, вследствие их неравномерной загрузки из-за разницы фазных напряжений, неодинаковой генерации РМ по фазам сети, пропорциональной квадрату фактического значения междуфазных напряжений батареи и, как следствие, росту неуравновешенности

Рис. 4. Векторная диаграмма двухканальной схемы измерения входных параметров регулятора РМ в режиме сетевой несимметрии

трехфазной системы напряжений (рис. 4). Направление тока компенсации в отдельных фазах может стать противоположным требуемому, что снизит пропускную способность сети и увеличит потери активной мощности в ее отдельных элементах, в том числе в КБ.

Таким образом, обеспечение эффективного управления источниками РМ актуально не только для нормального, но и для аварийных режимов работы регулируемой сети. В то же время одной из основных причин, сдерживающих использование автоматических КУ в сельских электросетях, является возможность возникновения при работе трехфазных систем электроснабжения несимметрии токов и напряжений, связанной с ростом за последнее десятилетие однофазных нагрузок сетей 0,4 кВ сельскохозяйственного назначения с 25% до 70%, их неравномерном распределении по фазам, а также с преобладанием в распределительных сетях сельскохозяйственного назначения трансформаторов 6(10)/0,4 кВ с соединением обмоток Y-YH

Поэтому, при значительном различиях РМ отдельных фаз регулируемой сети - ДQ целесообразно форсированно отключить КБ с дальнейшим запретом включения до восстановления допустимого диапазона соотношений рассогласования РМ фаз - , но, тогда устройство управления КБ должно содержать не менее двух каналов с одинаковым масштабом измерения сигнала РМ разноименных фаз - signU^ и блок их последующего сложения. Функцию сигнала регулирования (5) для подобного устройства измерения входных параметров регулятора можно представить следующим образом:

«gn/A =/А ^smimt-tp,) signIf.=ICmix-sm(cot-ip2)

signUK'*UKmi.-i3n(at-Wir) ifenl/« =!/««•» in fol-90'/ где - угол фазового сдвига тока .

Запрет коммутации КБ будет присутствовать до тех пор, пока установленная на регуляторе величина будет превышать фактическое значение , не допуская появления в сети противоположно направленных потоков РМ, что при аварийном отключении линии улучшит условия гашение дуги, сократив за счет этого время паузы АПВ, а в случае продолжения работы КУ в режиме несимметрии напряжений - повысит пропускную способность недогруженных фаз и пределы динамической устойчивости параллельных линий электропередачи данного узла энергосистемы.

В третьей главе «Определение эффективности использования конденсаторных установок в электросетях сельскохозяйственных предприятий» приводится технико-экономическое обоснование автоматического регулирования РМ в электросетях предприятий АПК. При отсутствии компенсации суммарные затраты предприятия от потребления РМ - складываются из нескольких составляющих. Обозначим собственный коэффициент мощности предприятия и введем

понятие степени компенсации п, как доли РМ, скомпенсированной КУ (Qку) от фактически потребленной предприятием активной и РМ

Скомпенсированная реактивная энергия ( IV) при этом будет равна:

где Гт - годовое число часов использования наибольшей нагрузки.

Затраты на оплату экономических значений скомпенсированной мощности и энергии Зт, выраженные через значения договорных (экономических) тарифов за РМ и энергию (С£ исоставят (8), (9):

зм =сч"0ку+сгКОМ11 +гто. (Ю)

Другой составляющей Зг будут являться затраты Зш, связанные с потерями электроэнергии в сетях предприятия от точки расчетного учета до места установки КУ, из-за наличия реактивной составляющей тока нагрузки, за вычетом потребления активной мощности конденсаторами:

Зш -'СТЬЛСасу, (11)

где СР- средний тариф электроэнергии (за расчетный период), ]УК- потребление активной энергии, кж — экономический эквивалент РМ, зависящий от количества ступеней трансформации до точки подключения КУ (ориентировочно равный 0,05, 0,08, 0,12, соответственно при одной, двух или трех ступенях трансформации), ^„р,,.- tg(p - разность коэффициентов РМ до и после компенсации, ДС -удельные потери активной мощности в конденсаторах.

Рис. 5. Зависимость суммарных затрат от установленной мощности КУ

Таким образом, учитывая (10) и (11), рассчитываются 31:

Ь =Зт+Зм = + ТтС£) + -/£?>)-ДС^. (12)

Эффективность использования КУ определяется условием:

3% ^ Зку.

(13)

Годовые приведенные затраты на монтаж и эксплуатацию КУ:

•^КУ = 0/^14 + Л) (?КУ КУ >

где Уок,- срок окупаемости КУ, А - коэффициент амортизационных отчислений, к)у& - удельная (руб./квар) стоимость КУ.

Известно, что правильная композиция УКРМ в электросети потребителя снизит затраты на приобретение КУ на 20...50%. Поэтому энергетикам предприятий важно оценить в первом приближении экономические интервалы применения КУ. Для этого сравним суммарные удельные годовые затраты на генерацию РМ - Зс КУ 6(10) кВ - линия 2 и 0,4 кВ -линия 1 (рис. 5).

Анализ графиков свидетельствует, что КРМ до граничного значения ( QBц\ = 1300 квар) предпочтительнее с помощью КУ-0,4 кВ, а свыше с использованием установок 6(10) кВ. Значение бВН1 получено без учета затрат, обусловленных передачей РМ по электросети потребителя , то есть выбора вариантов компоновки и размещения устройств. При групповой КРМ Зт оценивается как стоимость 1...2% потребляемой предприятием активной энергии. Это повысит установок 6(10) кВ (штриховая линия на рис. 5) и увеличится граничное значение (£?вш~ 1300 квар). В целом результат решение этой задачи определяется сопоставлением конкретных технических параметров компенсируемой сети и КУ с учетом тарифов на электроэнергию.

Указания по выбору средств КРМ при проектировании сельскохозяйственных объектов рекомендуют производить регулирование мощности КУ по условию минимума потерь электроэнергии, что подразумевает разбивку КУ на отдельные секции (трехфазные КБ) с последующим независимым автоматическим управлением. При этом критерий оптимизации выбора - минимум приведенных затрат на КРМ. В свою очередь, степень компенсации потребляемой предприятием РМ будет зависеть от типа используемых КУ, а также степени их регулирования, определяемой, в частности, выбором числа и мощности ступеней установки. Расчеты оптимальных показателей для участков графиков, имеющих вид треугольника, трапеции или гиперболы показали, что даже двухступенчатое регулирование снизит потери электроэнергии при КРМ в среднем на 65...70% по сравнению с аналогичным нерегулируемым режимом эксплуатации КУ.

В приложении приведен расчет требуемой степени КРМ и потерь активной энергии в электросетях ОАО «Истра-хлебопродукт», в зависимости от фактического потребления реактивной энергии по суточным зонам. Сделан выбор диапазона регулирования, типа, мощности и мест установки КУ-0,4 кВ, дана оценка требуемых капитальных вложений и срока их окупаемости.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

Собранные и систематизированные сведения о современном состоянии, способах и технических средствах КРМ позволяют сделать следующие выводы:

1. Правильный выбор УКРМ как на стадии проектирования, так и при эксплуатации электрических сетей позволяет сократить переток РМ, что особенно важно для протяженных сельских распределительных сетей 6(10) кВ, увеличить коэффициент использования трансформаторной мощности, обеспечить нормы качества электроэнергии в компенсируемой сети за счет уменьшения влияния им-

пульсных сетевых помех и высших гармоник. Небольшие присоединенные мощности и отсутствие крупных СД в электросетях производственных потребителей сельскохозяйственного назначения, делают для них КУ практически единственным техническим средством КРМ.

2. Разнообразное технологическое исполнение рабочей части, широкий диапазон номинальных мощностей, низкие собственные потери и высокая эксплуатационная надежность КК (стандарты IEC 70 и 831-1/2, VDE 0560) делают возможным модульное построение современных КУ и обеспечивают электромагнитную совместимость компенсируемой сети с нелинейными нагрузками.

3. Дополнительные комплектующие элементы КУ - специальные конденсаторные контакторы сглаживают броски коммутационных токов, предотвращая появление импульсов и провалов напряжения, увеличивают срок службы КК и допустимое число переключений ступеней КУ. Антирезонансные (фильтрующие) дроссели (при доле мощности нелинейных электроприемников от 20 до 50%) адаптируют КУ к наличию гармонических составляющих, а разрядные дроссели КБ уменьшают потери электроэнергии в КУ.

4. Установка комплектных КУ с автоматическим регулятором РМ позволяет оптимизировать режим компенсации в часы как максимальной, так и минимальной нагрузки и предотвращает возможную генерацию РМ в сеть. Несмотря на многообразие модификаций, большинство современных автоматических регуляторов РМ имеют функционально идентичное построение.

5. Появление в сети несимметрии напряжений делает невозможным полное использование компенсационной мощности КУ. Кроме того, неравномерная по-фазная генерация РМ может еще более усилить существующую несимметрию.

6. Эффективность технико-экономических показателей работы КУ определяется совокупностью оптимальных для каждого из узлов нагрузки значений мощности КУ, числа ступеней, места присоединения и функции регулирования.

Проведенные расчеты и анализ результатов обосновывают необходимость, техническую и экономическую целесообразность разработки перспективных направлений КРМ в электросетях предприятий АПК, в связи с этим отмечено следующее:

1. Исходя из 4,5%-го норматива относительных потерь электроэнергии для сельских сетей 6(10)70,4 кВ и приведенного в работе расчета видно, что передача по сети РМ увеличит только для трансформаторов данный норматив на 1 ...2,5%, а его итоговый рост, учитывая потери в линиях 6(10) кВ сельскохозяйственного назначения, достигнет 2...4,5%. В среднем, увеличение потерь от передачи РМ нагрузки в распределительных сетях 6(10) кВ рассматриваемого РЭС составит 4,2... 1,9 млн. кВтч. При этом для выбора УКРМ необходимо наличие объективной информации о режиме работы устройств передачи электроэнергии, в первую очередь - об использовании трансформаторной мощности. Получить такие сведения можно только с помощью современной измерительной техники и внедрения систем телеметрии.

2. Несимметричные сетевые режимы, связанные с ростом за последнее десятилетие однофазных нагрузок сетей 0,4 кВ сельскохозяйственного назначения, а также с преобладанием в них трансформаторов с соединением обмоток Y-YH, яв-

ляются одной из основных причин, сдерживающих применение автоматических КУ в сельских электросетях. Наличие токов обратной и нулевой последовательности приведет к появлению в комплексном выражении полной мощности наряду с активной и реактивной составляющей пульсирующей мощности, которая меняет значение коэффициента (фактора) мощности электроприемников. Поскольку функция сигнала регулирования автоматических устройств КРМ зависит от угла фазового сдвига активной и реактивной составляющих измеряемого тока только одной из контролируемых фаз, может произойти ложное включение трехфазных КБ. Вследствие их неравномерной загрузки из-за разницы фазных напряжений, генерация ими РМ по фазам сети будет неодинакова, что приведет к еще большему росту неуравновешенности трехфазной системы напряжений. Поэтому, при значительном различии РМ отдельных фаз регулируемой сети целесообразно форсированно отключить КБ с дальнейшим запретом включения до восстановления допустимого диапазона соотношений рассогласования РМ фаз. Для этого устройство управления КБ должно содержать не менее двух каналов с одинаковым масштабом измерения сигнала РМ разноименных фаз и блок их последующего пропорционального сложения.

3. Современное конструктивное исполнение позволяет использовать регулируемые КУ-0,4 кВ при небольших требуемых значениях мощности компенсации (150 квар и менее), что характерно для сельскохозяйственных потребителей и ранее считалось неэффективным. Правильная композиция КРМ в электросети потребителя снизит затраты на приобретение КУ на 20...50%. При этом критерий оптимизации выбора - минимум дисконтированных затрат на КРМ. Сравнение суммарных удельных годовых затрат на генерацию РМ установками 6(10) кВ и

0.4.кВ показало, что КРМ до граничного значения (~ 1300 квар) предпочтительнее КУ-0,4 кВ, а свыше с частичным использованием КУ-6(10) кВ. В свою очередь, степень КРМ будет зависеть от диапазона регулирования, определяемого выбором числа и мощности ступеней используемых КУ.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ АВТОРА

1. Шишкин С.Л. Оценка экономической эффективности устройств компенсации реактивной мощности электроустановок потребителей. Сборник научных трудов МГАУ им. В. П. Горячкина. Проблемы хозяйствования предприятий АПК в рыночных условиях. М.: 2001. С. 165-168.

2. Шишкин С.А. Оценка экономической эффективности работы нерегулируемых конденсаторных установок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2002. № 4. С. 14-15.

3. Шишкин С.А. Автоматическое управление конденсаторными установками по току нагрузки // Электрика. 2002. № 5. С. 33-35.

4. Шишкин С.А. Оптимизация выбора конденсаторных установок электросетей предприятий. Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности в XXI веке». М.: «Норма». 2002. вып.З. С. 54-55.

5. Шишкин С.А. Определение эффективности использования конденсаторных установок в электросетях сельскохозяйственных предприятий // Электрика. 2002. №11. С. 9-И.

6. Шишкин С.А. Оптимизация расчетов мощности конденсаторных установок предприятий. Сборник научных трудов МГАУ им. В.П. Горячкина. Электрические аппараты и электротехнологии сельского хозяйства. М: 2002. С. 63-67.

7. Шишкин С.А Построение схем измерения входных параметров автоматических регуляторов реактивной мощности. Материалы 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений». М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана. Часть 1 2002. С. 125-126.

8. Шишкин С.А Специальные контакторы для коммутации конденсаторных батарей // Электрика. 2003. № 3. С. 28-29.

9. Шишкин С. А. Потери электроэнергии и тарифы для потребителей. (Дискуссия по статье Ю.С. Железко «О нормативных документах в области качества электроэнергии и условий потребления реактивной мощности») // Электрика. 2003. № 4. С. 16-17.

10. Шишкин С.А Разрядные дроссели конденсаторных батарей. // Электрика. 2003. №5. С. 15-16.

11. Шишкин С.А. Эффективность использования конденсаторных установок в электросетях 6(10) кВ. // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003. №7. С. 15-17.

12. Патент РФ 31695 на полезную модель И0213/18 // Устройство для компенсации реактивной мощности // С.А Шишкин - №2003108955/20; заявлено 07.04.03, опубликовано 20.08.03. Бюллетень № 23.

13. Шишкин С.А Косинусные конденсаторы для установок автоматической компенсации реактивной мощности // Электрика. 2003. № 10. С. 19-20.

14. Шишкин С.А. Построение схем измерения входных параметров регуляторов реактивной мощности конденсаторных установок // Электротехника. 2003. № 10. С. 52-55.

15. Шишкин С.А. Компенсация реактивной мощности - один из способов повышения эффективности энергосбережения. Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности». М.: «Норма». 2003. вып.4. С. 88-89.

16. Шишкин С.А Выбор мощности и количества ступеней регулирования конденсаторных установок // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Выпуск 3 «Электротехнологии, электрификация и автоматизация сельского хозяйства» М.: 2003. С. 18-23.

17. Шишкин С.А. Компенсация реактивной мощности и потери электроэнергии в сельских распределительных сетях 6(10)/0,4 кВ // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003. № 10. С. 21-23.

18. Шишкин С.А Современные регуляторы реактивной мощности конденсаторных установок // Электрика. 2004. № 1. С. 24-25.

Подписано к печати,

Формат 60x84/16.

Бумага офсетная. Печать офсетная.

Уч.-изд. л. 1,1

Тираж ЮО экз.

Заказ № 43

Отпечатано в лаборатории оперативной полиграфии Московского государственного агроинженерного университета им. В.П. Горячкина

127550, Москва, Тимирязевская, 58

«06 55

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1 КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ В СЕТЯХ

ЭЛЕКТРОСНАБЖНИЯ;.

1.1. Компенсация реактивной мощности.

1.2. К истории вопроса компенсации РМ.

1.3. Компенсация реактивной мощности - один из способов повышения эффективности энергосбережения.

1.4. Компенсация реактивной мощности и технологические потери электроэнергии в сельских распределительных сетях 6(10)-0,4 кВ.

1.5. Оптимизационные расчеты мощности устройств КРМ.

1.6. Компенсация РМ в электросетях потребителей.

Выводы по первой главе.

ГЛАВА 2. СОВРЕМЕННЫЕ КОМПОНЕНТЫ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ.

2.1. Конденсаторы.

2.2. Ограничение коммутационных токов конденсаторных батарей.

1. Специальные электромагнитные контакторы.

2. Тиристорные выключатели конденсаторных батарей.

3. Фильтрующие антирезонансные дроссели.

2.3. Разрядные дроссели конденсаторных батарей.

2.4. Современные регуляторы реактивной мощности конденсаторных установок.

2.5. Эксплуатация автоматических установок компенсации реактивной мощности при несимметрии напряжений.

Выводы по второй главе.

ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК В ЭЛЕКТРОСЕТЯХ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПРЕДПРИЯТИЙ.

3.1. Оценка экономической эффективности КРМ в сетях производственных потребителей.

3.2. Методы экономической оценки потерь электроэнергии в сельских распределительных сетях 0,4 кВ от несимметрии и перетоков РМ.

3.3. Оценка эффективности использования КУ-6( 10) кВ в электросетях потребителей.

3.4. Выбор мощности и количества ступеней регулирования конденсаторных установок.

3.5. Оптимизация размещения КУ в сетях предприятий.

Выводы по третьей главе.

Проблема компенсации реактивной мощности (КРМ) возникла одновременно с практическим использованием переменного тока, поскольку передача необходимой для работы электроустановок реактивной мощности (РМ) является одной из основных составляющих технологических потерь электроэнергии в сетях электроснабжения. Суммарные потери на транспорт электроэнергии до границы раздела «потребитель — энергоснабжающая организация» в 2001 г. составили 13,1 % от ее отпуска (в 1991 г. - 8,9 %). Сегодня, с учетом собственного электропотребления энергосистемы, примерно шестая часть производимой электроэнергии не доходит до потребителя (в 1975 г. потери в сетях общего пользования, согласно энергобаланса народного хозяйства СССР, были равны 7,9 %, а в 1980 г. - 8,3 %). Значительная часть потерь активной энергии обусловлена сетевыми перетоками РМ, а их снижения можно достигнуть за счет увеличения степени компенсации РМ, потребление которой определяется двумя составляющими: а) потерями в трансформаторах и линиях электрических сетей; б) реактивной нагрузкой потребителей.

Следует также учитывать изменение характера электропотребления, обусловленное увеличением мощностей нелинейных и однофазных нагрузок, а также опережающим, по отношению к активной, ростом потребления РМ, вследствие уменьшения загрузки силовых трансформаторов распределительных сетей - характерную черту современной электроэнергетики, в том числе и сельской [1], отрицательно влияющую на показатели качества и потери электроэнергии. Рациональная (оптимальная) КРМ в электросетях сельскохозяйственных предприятий охватывает комплекс вопросов, направленных на повышение экономичности работы электроустановок, включает в себя методы выбора и расчета компенсирующих устройств; места их установки; рациональной и безопасной эксплуатации; защиты от аварийных режимов; автоматического регулирования РМ в сети. Поэтому обеспечение норм качества и снижение потерь электроэнергии в значительной степени определяется наличием и конструктивным построением устройств КРМ.

Таким образом, актуальность рассматриваемой темы определяется вопросами энергосбережения - уменьшением потерь и обеспечением норм качества электроэнергии, что особенно важно для протяженных сельских электрических сетей с малой плотностью нагрузки и низкими коэффициентами использования трансформаторной мощности. Эта задача нашла отражение в концепциях развития распределительных электрических сетей 0,4-35 кВ на период до 2010 г., разработанных институтами «Энергосетьпроект» и «РОСЭП» («Сельэнергопроект»).

Целью настоящей работы является повышение эффективности энергосбережения в электросетях предприятий АПК за счет автоматического регулирования и оптимизации конструкционного построения современных устройств КРМ на основе разработанной технологической модели.

В соответствии с целью поставлены следующие задачи: проанализировать на примере района электроснабжения с преобладанием сетей сельскохозяйственного назначения влияние потерь от передачи РМ в распределительных сетях 6(10) кВ на величину суммарных технологических потерь электроэнергии; рассмотреть возможность использования в автоматических конденсаторных установках (КУ) косинусных конденсаторов (КК) с различным технологическим построением рабочей части и влияние способов их коммутации на качество электроэнергии в компенсируемой сети; ш рассмотреть принцип построения схем измерения входных параметров современных регуляторов РМ автоматических КУ и рекомендовать конструктивные изменения (по сравнению с типовыми схемами) для расширения функциональных возможностей регулятора; обосновать области эффективного использования КУ-6(10) и 0,4 кВ в электросетях предприятий АПК, с учетом режима работы и мощности реактивной нагрузки; разработать и показать на практическом примере методику технико-экономической оценки применения регулируемых КУ в электросетях сельскохозяйственных предприятий.

Объектом исследования являются технологические модели устройств компенсации реактивной мощности (УКРМ), обеспечивающие снижение потерь электрической энергии в распределительных сетях предприятий АПК.

Методы исследования. В работе использованы методы теоретических основ электроснабжения, системные исследования, методы оптимизации параметров систем компенсации РМ и технико-экономических расчетов.

Научная новизна: показана необходимость и возможность автоматического регулирования потребления РМ в электрических сетях предприятий АПК, установлены основные функции сигнала регулирования, как для нормального, так и для несимметричного сетевого режима; предложены методы оценки способов коммутации ступеней КУ с использованием современных комплектующих элементов и выбор типов КК в зависимости от конкретных режимных параметров компенсируемой сети; теоретически исследованы и приведены области экономически эффективного использования КУ в электросетях потребителей 6(10)-0,4 кВ; на основе анализа результатов исследования разработаны технические рекомендации и схема устройства, повышающие эксплуатационную надежность и расширяющие функциональные возможности УКРМ.

Новизна и промышленная применимость технических решений подтверждена двумя патентами РФ;

Практическая значимость проведенных исследований состоит в обосновании рационального применения автоматических устройств КРМ в электрических сетях производственных потребителей АПК и, как следствие этого, снижении потерь и обеспечении норм качества электроэнергии.

Реализация результатов исследования. Методика определения требуемой степени компенсации и расчета потерь активной электроэнергии в зависимости от фактического потребления РМ, а так же выбор типа, мощности и мест установки УКРМ приняты в качестве рекомендаций в ОАО «Истра-хлебопродукт».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО МГАУ (2001, 2002, 2003 гг.), международных научно-практических конференциях «Проблемы экологии и; безопасности жизнедеятельности в XXI веке» (Москва 2002, 2003 гг.), 8-ой Всероссийской научно-технической конференции «Состояние и проблемы измерений» (МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002 г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертации изложены в 18 печатных работах, среди которых 12 — в центральных периодических журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы и приложений. Общий объем 148 страниц, включая 22 таблицы, 40 рисунков и библиографию из 80 наименований.

ВЫВОДЫ ПО ТРЕТЬЕЙ ГЛАВЕ

1. Эффективность технико-экономических показателей работы КУ определяется совокупностью оптимальных для каждого из узлов нагрузки значений мощности КУ, числа ступеней, места присоединения и функции регулирования.

2. Современное конструктивное исполнение позволяет использовать регулируемые КУ-0,4 кВ при небольших требуемых значениях мощности компенсации (150 квар и менее), что характерно для сельскохозяйственных потребителей и ранее считалось неэффективным.

3. Степень компенсации потребляемой предприятием РМ будет зависеть от типа используемых КУ, а так же степени их регулирования, определяемой, в частности, выбором числа и мощности ступеней установки. При этом критерий оптимизации выбора - минимум приведенных затрат на КРМ. Сравнение суммарных удельных годовых затрат на генерацию РМ установками 6(10) кВ и 0,4 кВ показало, что КРМ до граничного значения (~ 1300 квар) предпочтительнее с помощью установок 0,4 кВ, а свыше с использованием КУ-6(10) кВ.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Собранные и систематизированные сведения о современном состоянии, способах и технических средствах КРМ позволяют сделать следующие выводы:

1. Правильный выбор УКРМ как на стадии проектирования, так и при эксплуатации электрических сетей позволяет сократить переток РМ, что особенно важно для протяженных сельских распределительных сетей 6(10) кВ, увеличить коэффициент использования трансформаторной мощности, обеспечить нормы качества электроэнергии в компенсируемой сети за счет уменьшения влияния импульсных сетевых помех и высших гармоник. Небольшие присоединенные мощности и отсутствие крупных СД в электросетях производственных потребителей сельскохозяйственного назначения, делают для них КУ практически единственным техническим средством КРМ.

2. Разнообразное технологическое исполнение рабочей части, широкий диапазон номинальных мощностей, низкие собственные потери и высокая эксплуатационная надежность КК (стандарты IEC 70 и 831 -1/2, VDE 0560) делают возможным модульное построение современных КУ и обеспечивают электромагнитную совместимость компенсируемой сети с нелинейными нагрузками.

3; Дополнительные комплектующие элементы КУ - специальные конденсаторные контакторы сглаживают броски коммутационных токов, предотвращая появление импульсов и провалов напряжения, увеличивают срок службы КК и допустимое число переключений ступеней КУ. Антирезонансные (фильтрующие) дроссели (при • доле мощности нелинейных электроприемников от 20 до 50%) адаптируют КУ к наличию гармонических составляющих, а разрядные дроссели КБ уменьшают потери электроэнергии в КУ.

4. Установка комплектных КУ с автоматическим регулятором РМ позволяет оптимизировать режим компенсации в часы как максимальной, так и минимальной нагрузки и предотвращает возможную генерацию РМ в сеть.

Несмотря на многообразие модификаций, большинство современных автоматических регуляторов РМ имеют функционально идентичное построение.

5. Появление в сети несимметрии напряжений делает невозможным полное использование компенсационной мощности КУ. Кроме того, неравномерная пофазная генерация РМ может еще более усилить существующую несимметрию.

6. Эффективность технико-экономических показателей работы КУ определяется совокупностью оптимальных для каждого из узлов нагрузки значений мощности КУ, числа ступеней, места присоединения и функции регулирования.

Проведенные расчеты и анализ результатов обосновывают необходимость, техническую и экономическую целесообразность разработки перспективных направлений КРМ в электросетях предприятий АПК, в связи, с этим отмечено следующее:

1. Исходя из 4,5%-го норматива относительных потерь электроэнергии для сельских сетей б(10)/0,4 кВ и приведенного в работе расчета видно, что передача по сети РМ увеличит только для трансформаторов данный норматив на 1 .2,5 %, а его итоговый рост, учитывая потери в линиях 6(10) кВ сельскохозяйственного назначения, достигнет 2.4,5 %. В среднем, увеличение потерь от передачи РМ нагрузки в распределительных сетях 6(10) кВ рассматриваемого района электрических сетей составит 4,2. 1,9 млн. кВт-ч. При этом для выбора УКРМ необходимо наличие объективной информации о режиме работы устройств передачи электроэнергии, в первую очередь — об использовании трансформаторной мощности. Получить такие сведения можно только с помощью современной измерительной техники и внедрения систем телеметрии.

2. Несимметричные сетевые режимы, связанные с ростом за последнее десятилетие однофазных нагрузок сетей 0,4 кВ сельскохозяйственного назначения, а также с преобладанием в них трансформаторов с соединением обмоток Y-Y,,, являются одной из основных причин, сдерживающих применение автоматических КУ в сельских электросетях. Наличие токов обратной и нулевой последовательности приведет к появлению в комплексном выражении полной мощности наряду с активной и реактивной составляющей пульсирующей мощности, которая меняет значение коэффициента (фактора) мощности электроприемников. Поскольку функция сигнала регулирования автоматических устройств компенсации РМ зависит от угла фазового сдвига активной и реактивной составляющих измеряемого тока только одной из контролируемых фаз, может произойти ложное включение трехфазных КБ. Вследствие их неравномерной загрузки из-за разницы фазных напряжений, генерация ими РМ по фазам сети будет неодинакова, что приведет к еще большему росту неуравновешенности трехфазной системы напряжений. Поэтому, при значительном различии РМ отдельных фаз регулируемой сети целесообразно форсированно отключить КБ с дальнейшим запретом включения; до восстановления допустимого диапазона соотношений рассогласования РМ-фаз. Для этого устройство управления КБ должно содержать не менее двух каналов с одинаковым масштабом измерения сигнала РМ разноименных фаз и блок их последующего сложения.

3. Современное конструктивное исполнение позволяет использовать регулируемые КУ-0,4 кВ при небольших требуемых значениях мощности компенсации (150 квар и менее), что характерно для сельскохозяйственных потребителей и ранее считалось неэффективным. Правильная композиция КРМ в электросети потребителя снизит затраты на приобретение КУ на 20. .50%. При этом критерий оптимизации выбора - минимум дисконтированных затрат на КРМ. Сравнение суммарных удельных годовых затрат на генерацию РМ установками 6(10) кВ и 0,4 кВ показало, что КРМ до граничного значения (~ 1300 квар) предпочтительнее КУ-0,4 кВ, а свыше с частичным использованием КУ-6(10) кВ. В свою очередь, степень КРМ будет зависеть от диапазона регулирования, определяемого выбором числа и мощности ступеней используемых КУ.

1. Концепция развития электрификации сельского хозяйства России. М.: Россельхозакадемия, 2001. 36с.

2. Минин Г.П. Реактивная мощность. М.: Энергия. 1978. 88с.

3. Железко Ю.С. Применение технологических скидок (надбавок) — один из способов снижения тарифов на электроэнергию. // Электрика. 2001. №6. С. 12-15.

4. Reactive Power and Distortion Power // Intern. Electro technical Commission, Technical Committee № 25. Working Group 7. 1979. Document 25. Rep. 113.

5. Красник B.B. Автоматические устройства по компенсации реактивной мощности в электросетях предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1983. 136с.

6. Указания по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях. М.: Энергия, 1974. 73с.

7. Кудрин Б.И. О государственном плане рыночной электрификации России (ГОРЭЛ) и о концепции энергосбережения. М.: Электрика, 2001. 20с.

8. Правила применения скидок и надбавок к тарифам на электрическую энергию за потребление и генерацию реактивной энергии // Промышленная энергетика. 1998. №10. С. 43-52.

9. Ю.Железко Ю.С. О нормативных документах в области качества электроэнергии и условий потребления реактивной мощности // Электрика. 2003. №1 С. 9-16.

10. Железко Ю.С. Выбор мероприятий по снижению потерь электроэнергии в электрических сетях. М.: Энергоатомиздат, 1989.176с.120 динамике электропотребления // Электрика. 2002. №5. С. 44.46.

11. Шишкин С.А. Потери электроэнергии и тарифы для потребителей. (Дискуссия по статье Ю.С. Железко) // Электрика. 2003 №4. С. 16—17.

12. И.Железко Ю.С., Артемьев А.В., Савченко О.В. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях. Руководство для практических расчетов. М.: Изд-во НЦ ЭНАС, 2002. 280с.

13. Бородин И.Ф., Сердешнов А.П. Пути снижения потерь напряжения и электроэнергии в сельских электросетях // Электрика. 2002. №5. С. 28— 32.

14. Железко Ю.С. Систематические и случайные погрешности методов расчета нагрузочных потерь электроэнергии // Электрические станции. 2001. №12.

15. Инструкция по расчету и анализу технологического расхода электрической энергии на передачу по электрическим сетям энергосистем и энергообъединений. И 34-70-030-87. М.: СПО «Союзтехэнерго», 1987.

16. Кудрин Б.И. О потерях электрической энергии и мощности в электрических сетях // Электрика. 2003. №31 С. 3-9.

17. Левин М.С., Лещинская Т.Б. Особенности компенсации реактивной мощности в сельских сетях 0,38 кВ. Сборник научных трудов МГАУ им. В.П. Горячкина. Электрификация, автоматизация и компьютеризация сельского хозяйства. М: 2000, С. 52—61.

18. Левин М.С., Лещинская Т.Б. О времени максимальных потерь графиков нагрузки в сельских сетях // Электрические станции. 1996. №2. С. 46.

19. Шишкин С.А. Компенсация реактивной мощности и потери электроэнергии в сельских распределительных сетях 6( 10)/0,4 кВ // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003; №10. С. 21-23.

20. Шишкин С.А. Определение эффективности использования конденсаторных установок в электросетях сельскохозяйственных предприятий // Электрика. 2002. №11. С. 9-11.

21. Ильяшов В.П. Конденсаторные установки промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1983. 152с.

22. Шишкин С.А. Оптимизация расчетов мощности конденсаторных установок предприятий. Сборник научных трудов МГАУ им. В.П. Горяч-кина. Электрические аппараты и электротехнологии сельского хозяйства. М.: 2002. С. 63-67.

23. Альбом типовых графиков электрических нагрузок сельскохозяйственных потребителей и сетей. Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства. М.: Сельэнергопроект, 1985.49с.

24. Указания по определению стоимости потерь электроэнергии в сельских электрических сетях. Руководящие материалы по проектированию электроснабжения сельского хозяйства. Киев. Сельэнергопроект, 1988. 35с.

25. Иванов B.C., Соколов В.И. Режимы потребления и качество электроэнергии систем электроснабжения промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1987. 336с.

26. Федоров Е.А. Компенсирующие устройства в сети предприятия. Расчет эффективности // Новости электротехники. 2001. №5(11). С. 12. .14.

27. Установки компенсации реактивной мощности КРМ-0,4 // Электрика. 2001. №5. С. 37-39.

28. Шишкин С.А. Эффективность использования конденсаторных установок в электросетях 6(10) кВ // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2003. № 7. С. 15-17.

29. Конденсаторные установки типа КРМ-6(10). Промышленный каталог 04.11.09-02. (F6280). Информэлектро, 2002.

30. Шишкин С.А. Оценка экономической эффективности устройств компенсации реактивной мощности электроустановок потребителей. Сборник научных трудов МГАУ им. В.П. Горячкина. Проблемы хозяйствования предприятий АПК в рыночных условиях. М.: 2001. С. 165167.

31. Бочаров Г.А., Морозов М.М. Совместная разработка косинусных малогабаритных низковольтных конденсаторов в рамках Интерэлектро // Электротехника. 1983. №11. С. 49-50.

32. Г.Шишкин С.А. Специальные контакторы для коммутации конденсаторных батарей // Электрика. 2003. № 3. С. 28-29.

33. Шишкин С.А. Косинусные конденсаторы для установок автоматической компенсации реактивной мощности//Электрика. 2003. № 10. С. 19-20.

34. Madama G., Sanvito Е. Safety problems with metallised capacitors // Electrical Review. 1984. №14. P. 28-30.

35. Catalogue "NOKIA". Capacitor division. Low voltage, three phase power capacitors. Cat. no. 65.17.82. Tampere. Finland. 1982.

36. Power Factor Correction. Product Profile. Catalog EPCOS AG. Ordering No EPC: 26004-7600. Germany, 2001. 103p.

37. Бессонов Jl.A. Теоретические основы электротехники. M.: Высшая школа, 1973. 750с.

38. Нейман Н.Р., Демирчан К.С. Теоретические основы электротехники. Т.1 и 2. M-J1.: Энергия, 1966. 522 и 406с.

39. Берковский A.M., Лысков Ю.И. Мощные конденсаторные батареи (шунтовые) М.: Энергия, 1967. 168с.

40. Поляков Б.А. Конденсаторные установки для повышения коэффициента мощности. М.: Госэнергоиздат, 1962. 232с.

41. Геворкян М.В. Современные компоненты компенсации реактивной мощности (для низковольтных сетей) М.: Издательский дом «Додэка-XXI», 2003.64с.

42. Damping of Inrush Current in Low-Voltage PFC Equipment. Product Profile. EPCOS AG. Ordering No EPC: 26008-7600. Germany, 2001. 12p.

43. Патент РФ 2070747 H01H9/26 /Устройство для переключения электрических цепей/ Жан Або, Кристиан Лянж, Мишель Ледруа (FR) —5052433/07; заявлено 26.09.91, опубликовано 20.12.96. Бюллетень № 35.

44. Баркан Я.Д. Автоматическое управление режимом батарей конденсаторов. М.: Энергия, 1978. 112с.

45. А.С. 1300599 СССР H02J3/18 /Трехфазная конденсаторная батарея/ Н.В. Арзамасцев, И.Г. Буре и О.А. Бурунин (СССР) №3890842/24-07; заявлено 26.04.85, опубликовано 30.03.87. Бюллетень № 12.

46. Жуков JI.A., Карташев И.Н., Рыжов Ю.П. Дискретное быстродействующее регулирование мощности батарей статических компенсаторов с помощью тиристорных выключателей // Электричество. 1977. №7. С. 68-71.

47. Григорьев О.В., Петухов B.C., Соколов В.А., Красилов И.А. Влияние электронного оборудования на условия работы электроустановок зданий // Электрика. №3. 2003. С. 21-27.

48. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск. ИПК Издательство стандартов, 1998. 31с.

49. Проспект «Конденсаторные установки для компенсации и фильтрации высших гармоник» АО «Электроинтер» Серпуховского конденсаторного завода.

50. Кучинский Г.С., Назаров Н.И., Назарова Г.Т., Переселенцев И.Ф. Силовые электрические конденсаторы. М.: Энергия, 1975.248с.

51. Шишкин С.А. Разрядные дроссели конденсаторных батарей // Электрика. 2003. № 5. С. 15-16.

52. Шишкин С.А. Автоматическое управление конденсаторными установками по току нагрузки // Электрика. 2002. № 5. С. 33.35.

53. Шишкин С.А. Построение схем измерения входных параметров регуляторов реактивной мощности конденсаторных установок // Электротехника. 2003. № 10. С. 52-55.

54. Патент РФ 2029962 G01R25/00 /Способ определения разности фаз двух синусоидальных сигналов/ Романюк Ф.А., Румянцев В.Ю., Тивоненко А.А. (РФ) №5023914/10; заявлено 18.12.91, опубликовано 27.02.95. Бюллетень № 6.

55. Elektronischer Blindleistungsregler eBR 40, VEB Elektro-Anlagenbau Zwickau, 1983. 12s.

56. Устройство автоматическое типа BAKO. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Рижский опытный завод «Энергоавтоматика». Рига. 1979.33с.

57. Устройство автоматическое типа АРКОН-1. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. Рижский опытный завод «Энергоавтоматика». Рига. 1982. 60с.

58. Шишкин С.А. Современные регуляторы реактивной мощности конденсаторных установок // Электрика. 2004. № 1. С. 24-25.

59. Шидловский А.К., Борисов Б.П. Симметрирование однофазных и двух-плечевых электротехнологических установок. Киев. Наукова думка, 1977. 160с.

60. А.С. 1718325 СССР H02J3/18 /Трехфазное ступенчато регулируемое компенсирующее и симметрирующее устройство/ А.А. Яценко, Б.Н. Кулешов, Д.Н. Кошелева и Ю.В. Матюнин (СССР) №4430511/07; заявлено 25.05.88, опубликовано 07.03.92. Бюллетень № 9.

61. Патент РФ 31695 на полезную модель H02J3/18 /Устройство для компенсации реактивной мощности/ С. А. Шишкин (РФ) — №2003108955/20; заявлено 07.04.03, опубликовано 20.08.03. Бюллетень №23.

62. Шишкин С.А. Оценка экономической эффективности работы нерегулируемых конденсаторных установок // Механизация и электрификация сельского хозяйства. 2002. №4: С. 14-15.

63. Карташев И.И., Рыжов Ю.П. Эффективность применения статических регулируемых источников реактивной мощности в условиях роста тарифов на электроэнергию // Промышленная энергетика. 1993. №1. С. 21-23.

64. Инструкция по снижению технологического расхода электрической' энергии на передачу по электрическим сетям энергосистем и энергообъединений. И 34-70-028-86. М.: СТО Союзтехэнерго, 1987. 84с.

65. Шишкин С.А. Компенсация реактивной мощности — один из способов1 повышения эффективности энергосбережения // Материалы Международной научно-практической конференции «Проблемы экологии и безопасности жизнедеятельности». М: Норма, 2003. вып.4. С. 88-89.

66. Фролов В;А. Выбор оптимального числа и мощности ступеней регулируемых конденсаторных установок // Промышленная энергетика. 1993; №1. С. 24-27.

67. Шишкин С.А. Выбор мощности и количества ступеней регулирования конденсаторных установок // Вестник ФГОУ ВПО • МГАУ. Выпуск 3 «Электротехнологии, электрификация и автоматизация сельского хозяйства» М.: 2003. С. 18-23.

68. Гительсон С.М. Теоретические основы оптимального распределения конденсаторов на промышленных предприятиях // Известия высших учебных заведений. Электромеханика. 1960. №8. С. 119-130.

69. Техническая информация. Установки компенсации реактивной мощности. Производственное объединение «Элтехника» Санкт-Петербург, 30с.