Фильтрокомпенсация

Состав нагрузки с нелинейной характеристикой зависит от типа промышленного предприятия. На металлургических заводах основным источником высших гармоник тока являются тиристорные преобразователи, которые относятся к мощным концентрированным источникам гармоник. Мощность преобразователей достигает 80 - 90% мощности всего электрооборудования.

На химических заводах и предприятиях цветной металлургии наиболее мощными и энергоемкими потребителями являются электролизные установки, питание которых в основном осуществляется от управляемых преобразователей. Преобразователи применяются на заводах по получению химического волокна, для электрохимической обработки металлов.

На целлюлозно-бумажных комбинатах внедряются картонно-бумагоделательные машины, оснащенные регулируемыми приводами с тиристорными преобразователями. На многих предприятиях широко применяются установки электродуговой и контактной сварки с преобразователями в качестве источников питания. Источником высших гармоник являются также газоразрядные лампы, устанавливаемые в цехах промышленных предприятий.

Порядок высших гармоник тока преобразователей определяется по выражению:

V = Tк ± 1,

где т — фазность (пульсность) преобразователя; к = 1,2,3...

Например, для 6-фазного мостового преобразователя ряд канонических гармоник определяется как V = 5,7,11,13,17,19,23,25..., а для 12-фазного преобразователя v = 11,13,23,25... . При работе реальных установок могут появляться неканонические гармоники, вызванные нарушением симметрии импульсов управления тиристоров преобразователя и несимметрией напряжения. Значения гармоник тока зависят от мощности преобразователя, угла управления и длительности коммутации тока.

Применяемые в ряде случаев для привода прокатных станов преобразователи частоты с посредственной связью (циклокоиверторы) отличаются от обычных преобразователей наличием интергармоник.

Работа дуговых сталеплавильных печей (ДСП) сопровождается появлением высших гармоник тока за счет нелинейной характеристики электрической дуги. Уровень гармоник тока сравнительно невелик. Однако с ними приходится считаться из-за постоянного возрастания мощности ДСП. Случайный характер высших гармоник ДСП делает проблематичным их аналитический расчет. Поэтому они в основном определяются экспериментальным путем.

В качестве примера в табл. приведено процентное по отношению к первой гармонике содержание высших гармоник тока дуговой печи производительностью 200 т (ДСП-200).

Примечание. В числителе приведены максимальные, а в знаменателе — средние значения высших гармоник тока, %

Снижение уровней высших гармоник является частью задачи по уменьшению влияния нелинейных нагрузок на питающую сеть и улучшению качества электрической энергии в электрических сетях предприятий.

В таких режимах используются фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ), содержащие конденсаторные батареи и последовательно соединенные с ними фильтровые реакторы с резисторами или без них и предназначенные для фильтрации высших гармоник тока и одновременно генерации реактивной мощности на основной частоте.

Разработаны и внедрены ФКУ в широком диапазоне мощностей и напряжений.

Схемы фильтров, а — узкополосного; б — широкополосного; в — С-типа

Конденсаторные батареи ФКУ должны быть пригодны для эксплуатации при номинальных уровнях напряжения. Допустимые отклонения емкости конденсаторной батареи ФКУ обычно согласовываются заказчиком и изготовителем. При этом необходимо учитывать следующие факторы: отклонения индуктивности фильтровых реакторов, изменения емкости в зависимости от температуры и старения за время эксплуатации.

Кроме того, электрическую связь между фильтровыми реакторами и конденсаторной батареей рекомендуется выполнять с помощью ошиновки, так как их изоляция даже в стационарном режиме находится под воздействием повышенного напряжения, в том числе повышенного напряжения с частотой свыше 50 Гц.

Установлено, что время жизни диэлектриков, в том числе составляющих изоляцию кабелей, существенно уменьшается с повышением частоты переменного электрического поля. Присутствие гармоник обусловливает дополнительные потери в изоляции, что сказывается на явлении теплового старения. Токи утечки в кабелях при уровне высших гармоник 6 — 8,5% в напряжении через 2,5 года эксплуатации становились на 31%, а через 1,5 года — на 43% больше, чем в сети, где гармоники отсутствуют.

Фильтровые реакторы рекомендуется выполнять без магнитной системы. При их выполнении с магнитной системой должна быть обеспечена линейность вебер-амперной характеристики при значении тока, не меньшем арифметической суммы амплитуд тока основной частоты и частоты гармоники настройки, за исключением переходных режимов.

При включении ФКУ с незаряженной конденсаторной батареей к фильтровому реактору теоретически может быть приложено двойное напряжение. Поэтому его продольная изоляция должна быть рассчитана на приложение не менее 1000 раз в год напряжения амплитудой, равной двойной амплитуде номинального напряжения последовательно соединенной конденсаторной батареи ФКУ.

При исполнении фильтровых реакторов без магнитной системы ферромагнитные тела должны располагаться относительно обмоток реакторов на расстоянии, не меньшем половины диаметра обмотки. Расстояние между обмотками реакторов соседних фаз — не менее диаметра обмотки.

В паспортных данных фильтровых реакторов помимо номинального напряжения, номинальной частоты и индуктивности следует указывать также номинальный ток гармоники и резонансную частоту настройки, а также проходную мощность фильтрового реактора.

Конструктивно фильтровые реакторы выполняются в виде многослойной обмотки и каркаса для ее крепления. Обмотки реакторов, предназначенные для установки в помещении, пропитываются кремнийорганическим лаком. Для охлаждения реакторов предусмотрены межслоевые воздушные каналы. Реакторы трех фаз каждого фильтра могут располагаться вертикально друг над другом либо горизонтально на одной площадке в виде отдельной конструктивной единицы с соблюдением расстояний.

Реакторы наружной установки имеют также многослойную обмотку, изготовленную с использованием специального теплостойкого провода с изоляцией из кремнийорганической резины. Система защиты и сигнализации ФКУ включает в себя защиту от токов короткого замыкания, действующую на отключение без выдержки времени, защиту от перегрузки, действующую на отключение с выдержкой времени при действующем значении тока, защиту от выхода конденсаторов из строя, защиту от замыканий на землю, защиту от повторного включения на заряженную конденсаторную батарею.

Широкое применение в качестве защиты от выхода конденсаторов из строя нашла балансная защита, для которой требуется соединение двух нулевых точек звезд отдельных групп конденсаторов, составляющих батарею ФКУ.