Фильтро компенсирующее устройство принцип работы. Фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ). Технические характеристики укрмф

Фильтрокомпенсирующие устройства - высокотехнологичное оборудование для предотвращения гармонических искажений параметров тока в промышленных системах и на линиях электропередач. Применение подобных устройств позволяет стабилизировать параметры электросети, защитить дорогостоящее оборудование от перепадов напряжения и повысить качества подаваемого ресурса. Предотвращая образование гармоник высшего порядка, фильтрокомпенсирующие установки увеличивают пропускную способность электросетей. Коэффициент нелинейных искажений уменьшается, что позволяет на порядок снизить расходы на обслуживание электросистем.

Компания «Мегавар» давно и успешно работает в этой сфере. Мы проектируем и создаем оборудование любого уровня. В зависимости от потребностей вашего производства, мы подберем и реализуем наиболее подходящие фильтрокомпенсирующие конденсаторы. Высоковольтные системы особенно подвержены воздействию нелинейных нагрузок. Гармоники высшего порядка в таких электросетях опасны, т. к. могут приводить не только к потерям электроэнергии, но и к повреждению промышленного оборудования.

Чтобы выбрать наиболее эффективную систему, необходимо понимать особенности организации производства, параметры и архитектуру существующих сетей, предусмотреть их модернизацию и т. д. Наши специалисты проанализируют поставленную задачу и предложат установку с максимальным КПД, полностью отвечающую требованиям заказчика и возможностям промышленных электросетей. Следуя советам профессионалов, вы сможете не только оптимизировать свое оборудование, но и продлить срок эксплуатации фильтрокоменсирующих установок.

Преимущества продукции ООО «Мегавар»

• Разнообразие моделей. В ассортименте компании фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ), рассчитанные на напряжение от 6,3 до 35 кВ. Мы выпускаем модели мощностью 450-10 тыс.кВар.
• Адаптация к климатическим условиям. Установки нашего производства используются как в умеренном, так и в холодном климате. В каталоге представлены климатические исполнения У1, У3 и ХЛ1).
• Высокое качество и надежность. Для производства фильтрокомпенсирующих устройств мы используем только проверенные комплектующие от европейских и отечественных поставщиков.
• Безопасность. Установки ООО «Мегавар» снижают процент гармонических токов до безопасного уровня, предотвращая аварийные отключения и защищая дорогостоящее оборудование.

Конструкция фильтрокомпенсирующих установок «Мегавар»

При всем разнообразии, устройство ФКУ универсально. В конструкцию каждой модели входят: вводная ячейка в металлическом корпусе, токоограничивающие реакторы (для каждой фазы отдельный элемент), высоковольтные конденсаторы и трансформаторы тока. Ячейка состоит из разъединителя, амперметра и защиты фильтра. Каждый реактор ограничивает ток по одной из фаз.

В общем случае, ФКУ состоит из набора параллельно подключенных фильтров, частично компенсирующих дефицит реактивной мощности и частично локализующих возникающие в системе гармонические колебания.

Климатическое исполнение может включать такие элементы, как люминесцентные лампы, порошковый огнетушитель, системы обогрева и вентиляции. Основные параметры фильтрокомпенсирующих устройств отражены в маркировке ФКУ. В первую очередь указывается номер гармоники (от 3 до 25), далее - номинальное напряжение, затем - реактивная мощность системы (в кВар). Последние 2-3 цифры маркировки обозначают климатическое исполнение.

Где и зачем применяются фильтрокомпенсирующие установки ФКУ?

В системах с нелинейной нагрузкой (инверторы, выпрямители, трансформаторы, силовая электроника и т. д.) помимо активной энергии возникает реактивная. В первом случае энергия расходуется на образование тепла, механическую работу и другую «полезную» нагрузку. Во втором - часть ресурса исчезает в никуда, это «бесполезная» энергия, которая ухудшает качество передаваемого ресурса. Соотношение активной и реактивной мощностей определяет cos ϕ коэффициент мощности. Чем этот показатель выше, тем эффективнее система, тем экономичнее расходуется в ней электроэнергия и безопаснее происходящие процессы.

Фильтрующие конденсаторы (высоковольтные) позволяют компенсировать реактивную мощность сети и повысить общий коэффициент мощности. Сделать это можно разными способами, однако конденсаторные установки имеют целый ряд преимуществ:

• Простота. При легкой установке конденсаторы почти не нуждаются в обслуживании.
• Экономичность. Низкая стоимость отдельных элементов превращает покупку ФКУ в выгодное приобретение для организаций любого уровня.
• Самодостаточность. В процессе работы конденсаторных установок активная энергия остается неизменной. ФКУ не увеличивают активную нагрузку, а стабилизируют ее.
• Длительный срок службы. При грамотном подходе конденсаторные установки прослужат до 20 лет.

Сдвиг фаз между током и мощностью приводит к образованию гармонических искажений, электрических помех и резонансных явлений. Неконтролируемые нагрузки снижают эффективность системы, гармоники высшего порядка могут привести к пробою или аварийному отключению. Избежать негативных последствий также помогут фильтрокомпенсирующие устройства. Внедрение подобных систем повышает коэффициент мощности, надежность системы, снижает энергопотери и предотвращает появление высших гармоник.

В настоящее время большая часть промышленной и коммерческой нагрузки является нелинейной, что увеличивает уровень высших гармоник тока в низковольтных распределительных сетях и во всей системе электроснабжения. Это выражается в перегрузке трансформаторов, увеличении потерь мощности, ускоренном старении оборудования, ложных срабатываниях устройств защиты и т.д. Соответственно устройства сглаживания или компенсации гармонических составляющих тока приобретают все большую значимость как для производителей и поставщиков электроэнергии, так и для их потребителей.

В сетях с повышенным содержанием высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, применение обычных средств компенсации реактивной мощности, рассчитанных на синусоидальные токи и напряжения, связано с техническими трудностями.

При необходимости компенсации нагрузок с быстроизменяющейся реактивной мощностью применяемое повсеместно регулирование мощности конденсаторной батареи путем подключения или отключения ее секций с помощью механических выключателей оказывается затруднительным, а часто и невозможным в связи с высокой стоимостью, малым быстродействием и низкой механической прочностью выключателей, а также ступенчатым характером регулирования мощности батареи. Возможно, кроме того, возникновение ударных коммутационных сверхтоков, зависящих от момента подключения батареи конденсаторов к питающей сети, а также неблагоприятное воздействие на конденсаторы токовых перегрузок при частоте высших гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками.

Практика работы промышленных предприятий свидетельствует о том, что батареи конденсаторов, работающие при несинусоидальном напряжении, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка их токами высших гармоник, которая возникает, как правило, из-за того, что конденсаторные батареи изменяют частотные характеристики систем и способствуют возникновению резонанса токов. При подключении батареи конденсаторов к шинам подстанции, питающей мощную вентильную нагрузку, какое бы ни было значение емкости батареи, всегда найдется такая группа гармоник, при которых конденсаторы вступают в режим резонанса токов (или близкий к нему) с индуктивностью сети.

Токи резонансной группы гармоник, генерируемые вентильным преобразователем в сеть, приложены к батарее конденсаторов непосредственно. В то же время емкостное сопротивление батареи конденсаторов уменьшается с увеличением номера гармоники. Это приводит к тому, что через БК протекают значительные токи резонирующих гармоник, соизмеримые, а иногда и значительно превосходящие ток первой гармоники. Перегрузки по току на конденсаторы допускают до 30%, по напряжению – до 10% от номинальных значений. На самом деле за счет появления резонансных явлений перегрузка по току может достигать 400–500%, т.к. токи резонансных частот могут значительно превышать ток первой гармоники.

Для приведения в соответствие с ГОСТ параметров электроэнергии в сетях любых объектов служат динамические фильтрокомпенсирующие установки – ДФКУ, другие названия:

• активные фильтры гармоник - АФГ;
• в англоязычной литературе – AHC;
• динамические компенсаторы реактивной мощности с функцией фильтра высших гармоник – ДКРф;
• регулируемый источник реактивной мощности - ИРМ).

Эти устройства предназначены для подавления гармоник до 25 включительно. Выборочно либо одновременно, на усмотрение пользователя - компенсации реактивной мощности и контроля коэффициента мощности.

Принцип действия ДФКУ

Электронная измерительная система контролирует активную и реактивную составляющую мощности путем измерения мгновенных значений напряжения и тока в силовой сети. Данные анализируются процессорной системой для определения картины спектра гармоник и фазового угла сдвига тока. Эта информация используется генератором импульсов, поступающих на мост широтно-импульсной модуляции преобразователя на основе IGBT для производства и выдачи в цепь именно такого гармонического тока (по амплитуде, форме и фазе), который необходим для компенсации искажений нагрузки и реактивной составляющей, выходящей за установленные пределы в следующем цикле основной кривой тока (синусоиды).

Особенности и достоинства

• ДФКУ - это единственные устройства повышения качества электроэнергии, которые способны автоматически менять свои собственные характеристики при изменении параметров сети и динамически адаптироваться к изменениям в гармониках нагрузки и реактивной составляющей по каждой фазе;
• отсутствует риск резонанса с какой-либо гармонической частотой;
• устройство легко программируется на компенсацию только отдельных гармоник с целью обеспечения максимального КПД в пределах характеристик устройства;
• на практике величина гармонического тока уменьшается приблизительно на 90%;
• компенсация реактивной мощности сверх заданной величины может осуществляться с точностью до десятых долей процента с миллисекундным быстродействием, что исключает возможность перекомпенсации, присущей статическим батареям конденсаторов;
• изделие автоматически ограничивает ток компенсации по своему максимальному номинальному значению, поэтому ДФКУ не может перегружаться и будет продолжать постоянно работать в таком состоянии без повреждений;
• ДФКУ имеют компактные габариты по сравнению с пассивными фильтрами гармоник;
• для оптимизации компенсации гармоник несколько ДФКУ могут быть соединены в различных конфигурациях, а также в комплексной схеме с пассивными фильтрами и другими устройствами компенсации реактивной мощности;

Результат применения ДФКУ

• поддержка требуемого коэффициента мощности установок нагрузки в строго заданных пределах;
• одновременное устранение несимметрии напряжения по фазам;
• устранение тока гармоник нулевой последовательности;
• подавление всего (либо заданного) спектра высших гармоник;
• компенсация просадок и скачков напряжения, уменьшение фликкер-эффекта;
• уменьшение потерь мощности;
• устранение ложных срабатываний устройств релейной защиты;
• снижение общих расходов на электроэнергию за счёт снижение потерь электроэнергии в питающей и распределительной сети;
• уменьшение потерь активной мощности при максимуме нагрузки энергосистемы; снижение потерь реактивной мощности в питающей и распределительной сетях вследствие уменьшения токовых нагрузок средствами компенсации;
• подключение дополнительной активной нагрузки за счет частичной токовой разгрузки силовых трансформаторов и питающих кабелей;
• уменьшение нагрузки элементов распределительной сети (подводящих линий, трансформаторов и распределительных устройств), тем самым продление их срока службы;
• снижение стоимости оборудования вновь вводимых трансформаторных подстанций и стоимости сооружения питающей и распределительной сети, обусловленное уменьшением токовых нагрузок;
• максимальное использование мощности автономных дизель-генераторов (судовые установки, электроснабжение геологических партий, стройплощадок, установок разведочного бурения и т.д.);
• устранение глубокой "просадки" напряжения на линиях электроснабжения удаленных потребителей и исключение генерации реактивной энергии в сеть в часы минимальной нагрузки;
• обеспечение оперативной коррекции коэффициента мощности для устройств с сильнопеременной нагрузкой и стабилизацию питающего напряжения.

Конструкция

ДФКУ изготавливаются в металлических 19-дюймовых шкафах (IP 21), внутри которых расположены специальные IGBT – модули, модуль индикации и управления и блок коммутации установки к сети. Модули снабжены системой принудительной вентиляции, что допускает работу в помещениях с температурой окружающей среды от +5 до +30 С.

Рис 1. Блок-схема ДФКУ

Технические характеристики

Модель

ДФКУ-0,4-35 У3

ДФКУ-0,4-75 У3

ДФКУ-0,4-110 У3

ДФКУ-0,4-150 У3

ДФКУ-0,4-185 У3

ДФКУ-0,4-225 У3

Схема подключения

4-х проводная

Компенсируемые токи гармонических составляющих фаз и реактива, А

35

75

110

150

185

225

Пиковые токи гармонических составляющих и реактива, А

50

106

155

212

262

318

Потребляемая мощность, кВт

От 300Вт (Х.х.) до 5% компенсируемого тока

Номинальное напряжение, В

380±15%

Частота сети, Гц

50/60±10%

Номера компенсируемых гармоник

2…50

Быстродействие

менее 1 мс

Размеры (ШхВхГ), мм

600х820х1200

600х820х2100

600х820х2300

Вес, кг

95

115

125

240

260

280

Ввод кабеля

Снизу, сверху

Коммуникационный интерфейс

RS485

Степень защиты

IP21

Климатическое исполнение

УХЛ4 (+1…+30°С)

При современном развитии техники многие промышленные предприятия используют много различных преобразователей. Эти преобразователи при работе создают в цепи пульсации тока и напряжения, это приводит к возникновению в сети высших гармоник тока.

Наличие их в сети ухудшают ее качество и оказывают плохое влияние на работу всего оборудования, и могут приводить к сбоям в различных системах. Это может приводить к аварийным отключениям потребителей, ложным срабатыванием различных электронных приборов и устройств. Также наличие гармоник вызывает нагрев в электродвигателях, кабелях и т.д. Необходимо свести к минимуму их влияния на цепь. Для этого используют фильтро-компенсирующее устройство (ФКУ).

Фильтро-компенсирующее устройство состоит из L-C фильтра, настраиваемого на определенную гармонику сети. Обычно это 5, 7, 11 гармоники, как наиболее выраженные. Также часто на предприятиях могут устанавливаться фильтро-компенсирующее устройства настроенные на различные гармоники. Ниже показана схема ФКУ.

Для правильного выбора фильтро-компенсирующего устройства нужно исследовать какие гармоники наиболее влияют на качественный состав сети и ее мощность. Исходя из этих данных проводится расчет и выбор фильтра.

Главным их достоинством есть то, что они не только выполняют роль фильтра, но и компенсируют реактивную мощность. Как и могут быть автоматическими и в автоматическом режиме регулировать реактивную мощность.

При преобладании статической нагрузки (бумагоделательная машина, вентиляторная нагрузка) используют нерегулируемые ФКУ, которые подключаются к цепи и работают в статическом режиме.

Если преобладает динамическая нагрузка (прокатные станы, подъемные машины и т.д.) используют регулируемые При изменении завершении цикла работы какого-либо устройства баланс реактивной мощности изменяется. Так как ФКУ не только компенсирует реактивную составляющую, но и выполняет роль фильтра в цепи, соответственно отключение его от сети не имеет смысла. Для этого подключают декомпенсатор, который поддерживают баланс мощности в цепи.

Наиболее целесообразно устанавливать фильтро-компенсирующее устройство на напряжения 6 кВ, 10 кВ. Так как при работе низковольтных потребителей на стороне низкого напряжения возникают различный спектр гармоник. Компенсировать их на стороне низкого напряжения экономически не целесообразно, потому установка фильтра к каждому потребителю дорого стоит. Высоковольтные потребители создают меньший спектр искажений (3, 5, 7, 11 гармоники), поэтому как с технической так и с экономической стороны проще компенсировать данный спектр на стороне 6 кВ, 10 кВ, чем гораздо более широкий спектр на стороне 0,4 кВ, 0,6 кВ.

Они могут устанавливаться как в помещении так и снаружи. Устанавливаются обычно на ГПП и подключаются к шинам через индивидуальный выключатель. Ниже показаны способы размещения: в помещении и наружное исполнение:

Размещенным в помещении компенсаторам требуется вентиляция. В определенных случаях (в зависимости от вида производства и размещения помещения) для вентиляции требуются фильтры воздуха. Определенный температурный режим должен соблюдаться в помещении, что приводит к дополнительным финансовым затратам.

ФКУ должно быть ограждено и доступ может осуществляться только после разрядки конденсаторов. Они должны снабжаться датчиками напряжения конденсаторов, для безопасности обслуживающего персонала. Если конденсаторы не разрядились до допустимого значения работы по ремонту или обслуживание запрещены.

В настоящее время на промышленных предприятиях широко используются аппаратура и оборудование, эксплуатация которого приводит к появлению в сети гармонических искажений. Основными источниками гармонических искажений являются устройства плавного пуска, частотные преобразователи, 6-12-24-пульсные выпрямители, асинхронные двигатели, сварочное оборудование, электродуговые печи и т.д.

Наличие гармонических искажений приводит к сбоям в работе систем телемеханики, связи, автоматики, росту активных потерь во всех элементах электрооборудования, невозможности эффективного применения систем компенсации реактивной мощности.

Для решения этих проблем применяются фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ). ФКУ позволяют решить одновременно 2 задачи - скомпенсировать реактивную мощность и обеспечить фильтрацию гармоник в сети.

Электрическая часть ФКУ представляет собой симметричную трехфазную RLC-цепь. Т.к. каждая такая цепь может фильтровать только одну гармонику, то для обеспечения фильтрации нескольких гармоник ФКУ, как правило, состоит из нескольких секций, каждая из которых обеспечивает фильтрацию одной из гармоник и компенсацию части дефицита реактивной мощности.

Мы можем изготовить ФКУ для фильтрации 3, 5, 7, 9, 11, 13 15, 17, 19, 21, 23, 25 гармоники.

Типовое исполнение ФКУ – открытое (на раме) либо в утепленном контейнере. Максимальное напряжение ФКУ, выпускаемых нашей компанией – 220 кВ, максимальная мощность - до 6000 квар. ФКУ оснащаются системами защиты и сигнализации.

Наличие собственного производства реакторов позволяет нам предложить клиентам очень компактные ФКУ. Это достигается за счет изготовления реакторов с заданными габаритами, при необходимости возможно производство многослойных реакторов (до 9 слоев).

Внедрению ФКУ должны предшествовать тщательные замеры параметров качества электроэнергии, потому что только в этом случае возможно правильно подобрать параметры установок. Кроме этого, важно учитывать специфику оборудования, которое эксплуатируется на предприятии, где планируется внедрение ФКУ.

Схема размещения ФКУ в контейнере