На фоне строительства энергосистем нового типа конденсаторы , благодаря своей гибкой возможности регулирования реактивной мощности, стали «ключевой опорой» региональных электросетей, позволяя оптимизировать структуру, повысить эффективность передачи и обеспечить устойчивость. Будь то преодоление ограничений пропускной способности при передаче электроэнергии на большие расстояния или обеспечение стабильности напряжения для конечных потребителей, качество их применения напрямую определяет эксплуатационные характеристики электросетей. В данной статье анализируется их значение для расширения возможностей региональных электросетей по четырём направлениям: «синергия конденсаторов и устройств продольной компенсации», «три основные функции», «комплексная защита» и «индивидуальные решения».
I. Конденсаторы: основа устройств последовательной компенсации конденсаторов, изменяющих пропускную способность
Устройства последовательной компенсации с конденсаторами являются основным решением проблемы недостаточной пропускной способности и высоких потерь в электросетях. Как функциональное ядро, батареи конденсаторов напрямую определяют эффективность компенсации за счет точности и стабильности своих параметров.
1. Состав устройств последовательной конденсаторной компенсации: в центре внимания — батареи
Устройство построено на основе конденсаторных батарей с тремя ключевыми модулями:
- Основной модуль: Высоковольтные конденсаторные батареи : индивидуальные значения реактивного сопротивления (например, 20–30 Ом, обычно используемые для линий напряжением 500 кВ) на основе уровней напряжения линии (110 кВ/220 кВ/500 кВ) и требований к передаче, служащие основным компонентом для «компенсирующего индуктивного сопротивления линии»;
- Модуль защиты: MOV + искровой разрядник : металлооксидные варисторы (MOV) подключаются параллельно для поглощения перенапряжения, в то время как искровые разрядники действуют как резервные, обеспечивая безопасность конденсатора в экстремальных условиях эксплуатации;
- Модуль мониторинга: датчики + система ПЛК : сбор данных о токе, напряжении и температуре в режиме реального времени для обеспечения оперативного мониторинга и подачи аварийных сигналов.
Принцип работы: Конденсаторные батареи подключаются последовательно к линиям электропередачи. Благодаря использованию их емкостного сопротивления для компенсации индуктивного сопротивления линий, достигается снижение общего импеданса. Например, для линии напряжением 500 кВ протяженностью 200 км после подбора подходящих конденсаторных батарей предельная пропускная способность, обеспечивающая статическую устойчивость, может быть увеличена на 15–40% , что позволяет решить проблему ограничения мощности ветровой и солнечной энергии на новых энергетических базах.
2. Дифференцированное применение батарей
В зависимости от колебаний нагрузки и темпов проникновения новой энергии компенсационные устройства делятся на два типа, отличающиеся конфигурациями батарей конденсаторов:
- Фиксированного типа (FSC): Конденсаторные батареи с фиксированным реактивным сопротивлением : подходят для стабильных электросетей с суточным колебанием нагрузки < 10% (например, пригородные и сельскохозяйственные линии). Не требуют динамической регулировки, отличаются низкой стоимостью и простотой эксплуатации.
- Управляемый тип (TCSC): Конденсаторные батареи с регулируемым реактивным сопротивлением : динамическая регулировка реактивного сопротивления (0–120% от номинального) с помощью тиристоров, с реакцией на внезапные изменения нагрузки или колебания энергии в течение миллисекунд. Это подавляет подсинхронный резонанс и предотвращает выход напряжения за пределы допустимых значений.
II. Три основные функции конденсаторов: обеспечение безопасной и эффективной работы
В полной цепочке «передача-распределение-потребление» электросетей конденсаторы выполняют функции «оптимизаторов эффективности», «стабилизаторов напряжения» и «энергосберегающих устройств».
1. Повышение стабильности передачи, преодоление ограничений
Увеличение расстояния передачи, как правило, приводит к «снижению пределов мощности и увеличению разницы фазовых углов». Последовательные конденсаторные батареи могут:
- Компенсировать 30–50 % индуктивного сопротивления линии, снижая эквивалентное сопротивление (например, увеличивая предел передачи линий 220 кВ с 1200 МВт до более чем 1500 МВт);
- Уменьшить разницу фазовых углов (с 30° до 20°), повысив помехоустойчивость.
Пример электросети Jibei : устройства продольной компенсации со степенью компенсации 40–50% были установлены на новых каналах электропередачи напряжением 500 кВ. Конденсаторные батареи увеличили пропускную способность ветроэнергетики западной части Внутренней Монголии на 30%, добавив 1,2 млрд кВт·ч годового потребления ветроэнергии.
2. Повышение качества напряжения, гарантия электроснабжения
Конечные потребители (промышленные парки, поселки) часто сталкиваются с проблемами напряжения из-за высоких потерь и концентрированных индуктивных нагрузок. Для решения этой проблемы используются батареи шунтирующих конденсаторов с «регулировкой реактивной мощности»:
- Период пиковой нагрузки: сброс емкостной реактивной мощности для поддержания напряжения в диапазоне ±7%, указанном в GB 12325-2008 ( Качество электроэнергии - Отклонение напряжения питания );
- Период внепиковой нагрузки: поглощение избыточной реактивной мощности для предотвращения превышения напряжением 105% от номинального значения, что может привести к повреждению оборудования.
Полевые испытания в промышленном парке: после установки батарей шунтирующих конденсаторов мощностью 1000 кВАр на линиях напряжением 10 кВ колебания напряжения сократились с ±12% до ±5%, частота отказов двигателей снизилась на 40%, а годовые потери производства, вызванные проблемами напряжения, сократились на 5 миллионов юаней.
3. Сокращение потерь в линии, повышение энергоэффективности
Потери в меди в линиях электропередачи пропорциональны квадрату тока. Конденсаторные батареи снижают общий ток линии (включая активный и реактивный) за счёт компенсации реактивной мощности. Рассмотрим в качестве примера линию напряжением 220 кВ с годовым объёмом передачи 1 млрд кВт·ч:
- Без конденсаторных батарей: коэффициент мощности составляет около 0,85, годовые потери составляют 10 млн кВт·ч;
- С конденсаторными батареями: коэффициент мощности увеличивается до 0,95, что снижает потери на 18% (годовые потери снижаются до 8,2 млн кВт⋅ч). Это эквивалентно экономии 600 тонн условного топлива и сокращению выбросов CO₂ на 12 000 тонн в год, что обеспечивает значительные экономические и экологические преимущества.
III. Механизм комплексной защиты конденсаторов: обеспечение долговременной надежности
В высоковольтных и сильноточных сетях конденсаторные батареи сталкиваются с такими рисками, как перенапряжение (например, удары молнии, короткие замыкания), перегрузка (например, резкое увеличение реактивной мощности) и дисбаланс ёмкости (например, старение или повреждение отдельных конденсаторов). Специальная система комплексной защиты необходима для предотвращения повреждения конденсаторов и сбоев в работе сети.
1. Защита от перенапряжения: двухуровневая защита
Конденсаторы очень чувствительны к перенапряжению (превышающему номинальное напряжение в 1,1 раза), которое может привести к пробою изоляции и необратимому снижению емкости. Необходима система «основная + резервная защита»:
- Основная защита: MOV : подключается параллельно конденсаторным батареям. При скачках напряжения, вызванных неисправностями (например, короткими замыканиями, ударами молнии), MOV поглощает энергию перенапряжения, используя свою нелинейную вольт-амперную характеристику, ограничивая напряжение на клеммах конденсатора до значения, не превышающего номинального, более чем в 1,2 раза.
- Резервная защита: искровой разрядник : если MOV-варистор выходит из строя из-за старения или перегрузки, искровой разрядник за миллисекунды проводит ток, обходя батарею конденсаторов, что позволяет избежать длительного воздействия перенапряжения.
Пример подстанции 500 кВ: Удар молнии вызвал скачок напряжения, превысивший номинал в 2,5 раза. Скоординированные действия варистора и разрядника позволили контролировать напряжение на конденсаторе в пределах 1,15 номинала, что позволило избежать повреждения оборудования.
2. Защита от
- Защита от перегрузки : трансформаторы тока контролируют ток конденсаторной батареи в режиме реального времени. Сигнализация срабатывает, если ток превышает номинал в 1,3 раза в течение более 1 минуты; если ток превышает номинал в 1,5 раза, подается сигнал отключения для отключения питания и предотвращения перегрева.
- Защита от дисбаланса : контролируется разность напряжений между ветвями конденсаторов. Если разность напряжений между любыми двумя ветвями превышает 5%, неисправная ветвь немедленно отключается, чтобы предотвратить распространение неисправности (вызванное старением или внутренним пробоем отдельных конденсаторов).
IV. Индивидуальные решения для конденсаторов: услуги
С учетом характеристик сети мы предлагаем комплексные решения для всего жизненного цикла батарей конденсаторов , охватывающие «проектирование, выбор оборудования, установку и ввод в эксплуатацию, а также эксплуатацию и техническое обслуживание».
1. Индивидуальный дизайн
После выезда на место наши инженеры точно конфигурируют конденсаторные батареи:
- Определить номинальные параметры (например, конденсаторы 121 кВ для линий 110 кВ);
- Выбирать типы конденсаторов в зависимости от условий эксплуатации (металлизированные пленочные конденсаторы для прибрежных районов, высоковольтные керамические конденсаторы для высокогорных регионов);
- Устройства компенсации согласования (FSC для стабильных сетей, TCSC для сетей с большими колебаниями).
2. Услуги
- Ранняя стадия : моделирование PSCAD/EMTDC для оптимизации параметров;
- Средний этап : монтаж бригадами с 10+-летним опытом работы в соответствии с GB 50227-2017 ( Нормы и правила проектирования установок шунтирующих конденсаторов ), а также обучение эксплуатации и техническому обслуживанию;
- Более поздняя стадия : мониторинг в режиме реального времени с помощью облачных платформ и ежеквартальные проверки на месте для продления срока службы до более чем 15 лет.
Заключение: Конденсаторы — основная опора электросетей
С ростом интеграции новых источников энергии и появлением новых нагрузок спрос на «гибкое регулирование реактивной мощности» в электросетях будет продолжать расти, и конденсаторы найдут более широкое применение. Мы продолжим оптимизировать производительность конденсаторов и предоставлять интеллектуальные решения, интегрирующие цифровые двойники и искусственный интеллект, способствуя построению «безопасных, эффективных и низкоуглеродных» электросетей. Если вам нужна конфигурация конденсаторов или оптимизация реактивной мощности, свяжитесь с нами для разработки индивидуальных решений!
Столкнулись с такими проблемами, как высокие потери на линии или новые ограничения подачи электроэнергии? Напишите нам о своем проекте — Hengrong Electric CO., LTD. предоставит вам решения на основе конденсаторов, которые помогут вам эффективно решить эти проблемы!