// Электрика. – 2007. – № 8.– С. 8–13.
Применение статических тиристорных компенсаторов в системах
электроснабжения промышленных предприятий
О.А. Бушуева, А.С. Новиков
Ивановский государственный энергетический
университет
Объектом исследования стала система электроснабжения одного из
крупнейших российских металлургических предприятий ОАО "Северсталь",
где имеется большое количество электроприёмников с резкопеременным режимом
работы, а также полупроводниковых преобразователей, которые влияют на качество
электроэнергии.
К приёмникам с резкопеременной нагрузкой относятся:
• дуговые сталеплавильные печи ёмкостью 100 т (электросталеплавильный
цех);
• блюминг-слябинг 1300 и непрерывно-заготовочный стан 730/530 (обжимной
цех);
• реверсивный стан 2800 горячей прокатки (листопрокатный цех № 1);
• широкополосный стан 2000 горячей прокатки (листопрокатный цех №
2);
• стан 1700 холодной прокатки (цех холодной прокатки);
• среднесортный стан 350, мелкосортный стан 250, проволочные станы
280 и 150 (сортопрокатный цех).
При работе таких нагрузок снижается качество электроэнергии, которое
проявляется в виде колебаний напряжения и отклонений его от номинального
значения, а также в искажении синусоидальности кривой напряжения. Проведённые
на действующих печах исследования показали, что в ряде случаев при работе печей
наброс реактивной мощности от нуля до максимального значения происходит за
время 0,03 с, что соответствует полутора периодам питающего напряжения. В общем
случае скорость наброса можно оценить* величиной 500 Мвар/с;
при работе группы печей она может возрастать по сравнению с работой одной печи.
Наиболее мощными установками прокатных цехов являются
непрерывные многоклетевые станы для горячей прокатки листа. К таким установкам
относится стан 2000, прокатывающий тяжёлые слябы массой до 36 т на полосы толщиной
1,2 …
|
|
(1) |
, где 
– наброс реактивной
мощности; 
– наброс
активной мощности, соответствующей наибольшему набросу реактивной мощности; r,
x – активное и реактивное сопротивления сети; δ – мощность короткого
замыкания.
Фронт наброса
и сброса реактивной мощности составляет для реверсивных станов горячего проката
(блюминги, слябинги) до 200 Мвар/с, для непрерывных станов горячего проката и
станов холодного проката – до 400 и 2000 Мвар/с.
Колебания напряжения, возникающие при резкопеременных
нагрузках, практически пропорциональны колебаниям реактивной мощности. Поэтому
для их устранения необходимо применение компенсирующих устройств, удовлетворяющих
следующим требованиям: быстродействие, соответствующее изменению реактивной мощности
исходного графика нагрузки; достаточная располагаемая реактивная мощность для
компенсации переменной (компенсация колебания напряжения) и постоянной
(улучшение коэффициента мощности) составляющих потребляемой реактивной
мощности.
Для уменьшения колебаний
напряжения, вызванных набросами реактивной мощности, в цехе установлено восемь
синхронных компенсаторов марки СК-10000-8 (по четыре на каждую секцию шин) с
номинальной располагаемой реактивной мощностью в режиме генерации 7700 квар.
Особенностью этих компенсаторов является способность быстрого нарастания
выдаваемой реактивной мощности (120–200 Мвар/с) благодаря небольшим значениям
постоянной времени обмотки возбуждения и применению специального тиристорного
возбудителя, обеспечивающего многократную форсировку напряжения возбуждения
компенсатора при резкопеременных набросах реактивной мощности.
Все
вышеперечисленные мероприятия не обеспечивают требуемый уровень колебаний
напряжения в сети (что часто приводит к браку продукции и остановке стана), их
частота достигает 48 колебаний в минуту при амплитуде до 2,5 кВ (на шинах 10 кВ
ГПП-11); комплексное решение проблемы возможно с применением статических тиристорных компенсаторов
(СТК), имеющих более высокое быстродействие, чем синхронные компенсаторы (СТК – это комбинированная
электроустановка, содержащая одну или несколько тиристорно-реакторных групп, фильтро-компенсирующее
устройство и систему
автоматического управления).
Требования, предъявляемые к СТК, весьма разнообразны и для каждой
конкретной установки имеют свои особенности, практически исключающие однотипные
решения. Из общих требований следует выделить основные: диапазон регулирования
(генерация – потребление реактивной мощности), тип
управления (симметричный или пофазный), статизм внешней характеристики (зависимость реактивной мощности
от напряжения), необходимость работы при малых и больших изменениях напряжения,
требуемые перегрузки, быстродействие регулирования реактивной мощности (в том
числе требуемые уровни высших гармоник тока при повышениях напряжения) и др.
Требование ограничения перенапряжений не является принципиально необходимым,
поскольку для этой цели можно использовать и другие средства. Однако СТК может
выполнить и эту задачу, если в его схеме содержится мощная индуктивная часть.
Выбор мощности СТК сделан на
основании следующих расчётов. Величины наброса реактивной мощности
определяют исходя из кратности толчков тока по отношению к номинальным
значениям:
|
|
(2) |
где 
– максимальная кратность толчков тока по
отношению к номинальному; 
– суммарная номинальная мощность
электродвигателей привода; 
– значение для данной группы электродвигателей. Согласно
[2], для двигателей постоянного тока* примем 
. Коэффициент
мощности преобразователей находится в пределах 0,3–0,8. Примем для
ориентировочного расчёта средний 
, тогда 
.
Для приводов
горизонтальных валков черновой клети:
МВт;
Мвар;
вертикальных валков черновой клети:
(МВт);
Мвар;
нажимного устройства черновой клети:
(МВт);
Мвар.
Таким образом, величина
наибольшего возможного наброса реактивной мощности составит:
Мвар.
Суммарная располагаемая
мощность синхронных компенсаторов, подключённых на одну секцию шин, составляет:
Мвар.
Колебания напряжения для
прокатных станов определяются по (1). Ввиду того, что величина активного
сопротивления сети много меньше величины реактивного сопротивления, колебания
напряжения, возникающие при работе резкопеременных нагрузок, практически
пропорциональны колебаниям реактивной мощности. Часть реактивной мощности
компенсируется синхронными компенсаторами, поэтому формулу (1) можно записать в
следующем виде:
|
|
(3) |
где 
– мощность КЗ в рассматриваемой точке
сети.
По данным,
предоставленным цехом электроснабжения ОАО "Северсталь", мощность
короткого замыкания на шинах РУ-10 кВ ГПП-11 (секции 3 и 4) составляет 350 МВА,
тогда
.
Предельно
допустимые значения размаха изменения напряжения в точках общего присоединения
к электрическим сетям определяют по кривым (ГОСТ 13109–97, рис. 1, кривая 1), в
зависимости от частоты повторения изменений напряжения, которую определяют по формуле:
, 
.
Таким образом, 
.
Поскольку значения
размаха изменения напряжения превышают предельно допустимые 
, требуются
дополнительные мероприятия по улучшению качества электрической энергии. В связи
с проводимой в последние годы комплексной реконструкцией системы
электроснабжения завода, заменой устаревшего оборудования и вводом новых
производственных мощностей рекомендуется установка статических тиристорных
компенсаторов реактивной мощности. Определение необходимой мощности
тиристорно-реакторной группы производят по формуле:
|
|
(4) |
где 
– допустимое
колебание реактивной мощности нагрузки, равное
|
|
(5) |
, Мвар;
тогда
, Мвар.
К
установке рекомендовано два СТК типа ТКРМ-40/10.5-11110-У1 номинальной
мощностью 40 Мвар (по одному на секции 3 и 4 РУ-10 кВ ГПП-11). Разработчиком
тиристорных компенсаторов реактивной мощности (ТКРМ) является ОАО НИИ
"Преобразователь", изготовителем – ОАО Запорожский завод
"Преобразователь". Основные технические данные компенсаторов:
номинальное напряжение 6,3; 10,5 кВ; мощность компенсатора 6,3; 12,5; 20; 40
Мвар; фильтры 3, 5, 7, 11 и 13 гармоник мощностью 2,7; 4,5; 6,3; 9,9 Мвар.
ТКРМ выполнены по схеме косвенной компенсации,
источником опережающего тока являются силовые фильтры высших гармоник,
стабилизирующим элементом − полупроводниковый стабилизатор мощности (ПСМ)
со встречно включёнными тиристорами, которые вместе с компенсирующими реакторами
собраны в треугольник. Принципиальная схема СТК для стана 2000 приведена на
рисунке.
Охлаждение тиристоров −
принудительное воздушное от встроенного в шкаф вентилятора; охлаждение
составных частей фильтров − естественное воздушное.
Установка
СТК ТКРМ в промышленных сетях 6 и 10 кВ обеспечит быстродействующую компенсацию
реактивной мощности при симметричном и несимметричном её потреблении;
стабилизацию напряжения на шинах потребителя; фильтрацию высших гармоник.
|
|
Рисунок. Принципиальная схема СТК |
