Устройства для повышения КЭ могут воздействовать как на один из его показателей, так и на несколько. В последнем случае они называются многофункциональными. Устройства могут изменять свои параметры в процессе работы под воздействием управляющего сигнала (регулируемые устройства), а могут не иметь такой возможности (нерегулируемые устройства). Регулирование может быть плавным или ступенчатым. Осуществление плавного регулирования практически всегда связано с необходимостью изменения угла зажигания тиристоров, что приводит к искажению синусоидальности кривых тока и напряжения. В связи с этим в случаях, когда не требуется частых переключений, вызывающих броски напряжения (колебания), предпочтительнее ступенчатое регулирование. Чем меньше ступень регулирования, тем менее чувствительны броски напряжения, однако стоимость устройства возрастает из-за увеличения числа ступеней. Включение и отключение отдельных частей устройства может осуществляться с помощью контакторов или бесконтактным способом – переключением цепей тиристором в момент перехода тока через нуль.
Регулирование напряжения производят с помощью трансформаторов с РПН и регулируемых КУ. Последние наиболее эффективно использовать для этих целей в сетях 0,4 кВ, где их регулирующий эффект наиболее существен (см. п. 8.4.1). Выпускаемые в настоящее время трансформаторы с РПН и регулируемые КУ имеют ступенчатое переключение ответвлений и секций с помощью электромеханических контакторов.
Размах колебаний напряжения в узле можно снизить, уменьшая реактивное сопротивление предвключенной сети Xс либо размах реактивной нагрузки Q – в обоих случаях снижается произведение QXс . Первый способ реализуется с помощью установок продольной компенсации (включение емкости в рассечку линии). При этом снижаются как колебания напряжения, так и колебания частоты, размах которых определяется произведением РХ. Отрицательной стороной этого способа является увеличение мощности короткого замыкания в узле, что может оказаться недопустимым для отключающей аппаратуры.
Суммарное сопротивление участков предвключенной сети, общее для спокойной I1 и резкопеременной I2 нагрузок, можно снизить, выделив резкопеременную нагрузку на отдельный трансформатор (рис. 8.11). В этом случае общее сопротивление снижается с Х = Xс + Хт1 Хт2 / (Хт1 + Хт2 ) до Xс . Размах колебаний напряжения на шинах спокойной нагрузки снижается в Xс /Х раз, а на шинах резкопеременной – увеличивается в Х / (Хт1 + Хт2 ) раз.
Развитием этого способа, позволяющим снизить размах колебаний напряжения практически до нуля, является применение сдвоенного реактора (рис. 8.12). Коэффициент взаимоиндукции между плечами реактора подбирается таким образом, чтобы в плече, питающем спокойную нагрузку, индуцировалась ЭДС E1 = I2 / (Xс + Хт ).
Рис. 8.11. Схема питания спокойной и резкопеременной нагрузок от различных трансформаторов
Рис. 8.12. Схема питания спокойной и резкопеременной нагрузок через сдвоенный реактор
В этом случае дополнительные потери напряжения в общем для обеих нагрузок сопротивлении Xс + Хт , происходящие при изменении тока I2 , автоматически компенсируются и напряжение на шинах нагрузки I1 остается стабильным. При этом размах колебаний напряжения на шинах нагрузки I2 увеличивается вследствие увеличения суммарного сопротивления внешней по отношению к данной нагрузке сети на Хр . Для реализации этого способа необходимы реакторы с регулируемыми параметрами, так как сопротивление сети системы Xс в процессе эксплуатации изменяется вследствие оперативных переключений, и требуется периодическая подстройка реактора.
Снижение колебаний напряжения за счет снижения колебаний реактивной нагрузки осуществляется с помощью КУ. Эффективность этого способа зависит от скорости, с которой эти КУ могут изменять свою мощность. При недостаточном быстродействии они могут привести даже к ухудшению положения. На рис. 8.13 приведены графики изменения реактивной мощности ЭП, КУ с плавным регулированием мощности и графики суммарной нагрузки, показывающие, что размах колебаний последней при использовании КУ с недостаточным быстродействием возрастает.
Рис. 8.13. Графики реактивной мощности: 1 – электроприемника; 2 – КУ с плавным регулированием; 3 – суммарной нагрузки
При использовании КУ со ступенчатым регулированием возникает вопрос о целесообразном числе ступеней устройства. На рис. 8.14 показано, что при недостаточном их числе размах колебаний напряжения может снизиться несущественно, а частота колебаний резко возрастет.
Снижение несимметрии напряжений может быть достигнуто снижением сопротивления сети токам обратной и нулевой последовательностей и снижением значений самих токов.
Рис. 8.14. Графики реактивной мощности: 1 – электроприемника; 2 – КУ со ступенчатым регулированием; 3 – суммарной нагрузки
Ввиду того что сопротивление основных элементов сети (линии, трансформаторы) токам обратной последовательности равно сопротивлению токам прямой последовательности, снизить сопротивление участков, общих для токов симметричной и несимметричной нагрузки, можно практически только выделением нагрузок на отдельные трансформаторы.
Сопротивление токам нулевой последовательности может быть снижено за счет применения трансформаторов 6–10/0,4 со схемой соединения обмоток «треугольник–звезда с нулем» или «звезда–зигзаг» взамен применяющейся в большинстве случаев схемы «звезда– звезда с нулем». Для действующих трансформаторов сопротивление нулевой последовательности можно уменьшить, установив шунтовое симметрирующее устройство.
Снижение систематической несимметрии в сетях низкого напряжения осуществляют перераспределением нагрузок между фазами, а вероятностной несимметрии – с помощью устройств автоматического перераспределения нагрузок с тиристорным переключением.
Симметрирование режима в сетях 6–10 кВ, являющихся трехпроводными с незаземленной нейтралью, состоит в устранении только токов обратной последовательности. Это достигается путем распределения суммарной мощности конденсаторных батарей между фазами сети таким образом, чтобы создаваемый ими ток обратной последовательности был по возможности ближе по значению к току обратной последовательности нагрузки и направлен противоположно. Для этого достаточно присоединить КУ к двум междуфазным напряжениям.
Для симметрирования однофазной нагрузки может быть применена схема, предусматривающая присоединение реактора и конденсаторной батареи к оставшимся фазам (рис. 8.15), известная как схема Штейнметца (она используется и в некоторых устройствах бытового назначения, использующих трехфазные двигатели, но подключаемых к однофазной сети, например, насосах). При чисто активной нагрузке и подборе мощности реактора QL и БСК QC в соответствии с выражением QL = QC = Pн / 3 схема обеспечивает полное симметрирование нагрузки. Если нагрузка имеет реактивную составляющую, то параллельно ей включают БСК (на рис. 8.15 показана пунктиром).
Рис. 8.15. Схема симметрирования однофазной нагрузки
Снижение уровней высших гармоник достигается с помощью фильтров высших гармоник, представляющих собой последовательно соединенные реактор и БСК (рис. 8.16). Параметры реактора и БСК подбирают таким образом, чтобы их результирующее сопротивление на частоте v-й гармоники было равно нулю. В общем случае на каждую гармонику нужен свой фильтр.
Рис. 8.16. Условная схема фильтра высших гармоник
Результирующее сопротивление фильтра на v-й гармонике Xфv = XLv + XCv будет равно нулю при условии XLv + XCv . Так как XLv = vXL, a XCv = XС /v, где ХL и ХC – сопротивления реактора и БСК на основной частоте, то сопротивление фильтра на основной частоте носит емкостной характер:
Мощность такой конденсаторной установки несколько меньше мощности используемых в ней конденсаторов:
однако одновременно с генерацией реактивной мощности обеспечивается снижение уровней высших гармоник. Поэтому такие установки часто называют фильтрокомпенсирующими (ФКУ). Напряжения на реакторе и на БСК составляют:
Напряжение UL в процентах U для фильтров 5, 7, 11 и 13-й гармоник составляют соответственно 4,2; 2,08; 0,83 и 0,59 %. Напряжение UС на такие же величины превышает 100 %.
Недостатком ФКУ по сравнению с обычными КУ является нерегулируемость их мощности. Технически их можно сделать регулируемыми, составив фильтр каждой гармоники из нескольких секций; каждая из секций должна быть настроена на свою гармонику. Однако требования к законам регулирования ФКУ по условиям генерируемой реактивной мощности и по условиям фильтрации высших гармоник могут оказаться противоречивыми. Например, в режимах малых нагрузок энергосистемы реактивную мощность КУ необходимо снижать, в то время как уровень гармоник в это время повышается и с этой точки зрения ФКУ отключать нельзя. Поэтому целесообразно устанавливать ФКУ мощностью, минимально необходимой для фильтрации высших гармоник, а генерацию остальной мощности, требуемой для выполнения задания энергосистемы, обеспечивать с помощью регулируемых КУ, устанавливаемых отдельно (рис. 8.17).
Многофункциональные устройства повышения КЭ воздействуют на несколько ПКЭ одновременно. К таким устройствам относятся СТК. Схемы их могут быть различными, однако все они состоят из конденсаторов, реакторов и тиристоров, соединенных тем или иным способом. Такие устройства, обладая высоким быстродействием, снижают колебания напряжения. Пофазное регулирование генерируемой и потребляемой ими мощности позволяет симметрировать режим работы сети, а наличие в составе устройства ФКУ – снижать уровень гармоник. Статические компенсаторы могут быть прямого регулирования, когда при регулировании изменяется мощность конденсаторной батареи по требуемому закону, и косвенного регулирования, когда используется нерегулируемая БСК, равная номинальной мощности СТК, а снижение суммарной мощности устройства производится с помощью регулируемого реактора.
