Компенсатор реактивной мощности

Содержание

Повышение коэффициента мощности промышленного предприятия с помощью автоматической конденсаторной батареи

Общий коэффициент мощности современных производств очень низок из-за наличия индуктивных нагрузок, потребляющих реактивную мощность. В первую очередь это относится к промышленным предприятиям с мощными индуктивными нагрузками и большими колебаниями нагрузки, которые имеют очень низкий коэффициент мощности. Такие производства в наибольшей степени выигрывают от внедрения автоматических конденсаторных батарей. Эти батареи обеспечивают повышение коэффициента мощности и более высокий уровень напряжения на нагрузке, а также приводят к снижению начислений за электроэнергию. Кроме того, автоматические конденсаторные батареи позволяют отключать «лишние» конденсаторы в периоды низкой нагрузки и исключить нежелательные перенапряжения. В большинстве случаев потребитель устанавливает конденсаторную батарею, чтобы избежать начисления штрафов в счёте за электроэнергию. Без достаточной проработки это может привести к большому количеству технических проблем. При этом необходимо также учитывать, что конденсаторные батареи предназначены для долговременной эксплуатации.

На большинстве промышленных и коммерческих объектов основная часть электрического оборудования представляет собой индуктивную нагрузку: асинхронные двигатели, индукционные печи, трансформаторы и лампы с ПРА. Проблемы с качеством электроэнергии на промышленных предприятиях растут в связи с увеличением количества двигателей, питаемых от управляемых выпрямителей, а также общего увеличения уровня гармоник и интергармоник. Такие нагрузки являются причиной низкого коэффициента мощности на промышленных предприятиях. Низкий коэффициент мощности свидетельствует о неэффективном использовании электроэнергии и приводит к увеличению общих расходов на энергоснабжение. Эти проблемы решаются при правильном выборе и установке конденсаторов компенсации реактивной мощности.

Установки реактивной мощности – действенный метод уменьшения нагрузки на линии электропередач и электрораспределительные станции, их внедрение способствует повышению надежности всей электросети. Кроме того, установки реактивной мощности эффективно уменьшают перекос фаз, частотные и амплитудные скачки, снижают уровень высокочастотных гармоник.

Понятие о коэффициенте мощности

Коэффициент мощности является мерой эффективности использования системой электрической мощности. Для того чтобы понять, что такое коэффициент мощности, необходимо сначала уяснить, что мощность бывает трёх видов: активная, реактивная и полная. Активная мощность определяется реально потребляемыми током и напряжением. Она выполняет реальную работу, к примеру, создаёт тепло, свет и движение. Активная мощность измеряется в киловаттах (кВт) и регистрируется электрическим счётчиком в киловатт- часах. Реактивная мощность не выполняет полезную работу, но она необходима для поддержания электромагнитного поля, требуемого для работы многих коммерческих и промышленных нагрузок. Она измеряется в киловольт-амперах реактивных (квар). Общая требуемая мощность, включающая в себя активную и реактивную мощность, называется полной мощностью. Она измеряется в киловольт-амперах (кВА).

Коэффициент мощности – это отношение активной мощности к полной мощности. Коэффициент мощности может иметь значение от 0 до 1,00, при этом типовой диапазон значений – от 0,80 до 0,98. Коэффициент мощности ниже 0,8 считается низким.

Индуктивные нагрузки, приводящие к низкому коэффициенту мощности

Если на предприятии имеются индуктивные нагрузки, которым необходим ток намагничивания для создания магнитного поля, требуется коррекция коэффициента мощности. Индуктивные свойства наиболее явно выражены у двигателей и трансформаторов и чаще встречаются на коммерческих и промышленных объектах. Один из наихудших случаев – это малонагруженный асинхронный двигатель, такая ситуация встречается в циклическом режиме работы, к примеру, при работе пил, конвейеров и измельчителей, в которых двигатель должен быть рассчитан на максимальную нагрузку.

Другие нагрузки, являющиеся причинами низкого коэффициента мощности, включают в себя индукционные печи, большинство штамповочных машин, ткацкие станки, одноударные прессы, автоматизированные станки, сварочные устройства и пускорегулирующие устройства некоторых типов люминесцентных ламп. В таблице № 1 приводятся нескорректированные коэффициенты мощности некоторых производств.

Таблица № 1. Типовые значения коэффициента мощности в некоторых отраслях

Производство или отрасль

Нескорректированный коэффициент мощности

Пильные станки, молочная промышленность

45% — 60%

Производство пластмасс

55% — 70%

Металлообработка, штамповка

60% — 70%

Сельское хозяйство, текстильная и химическая промышленность

65% — 75%

Больницы, литейные производства

70% — 80%

Коррекция коэффициента мощности

Если коэффициент мощности предприятия низкий, оно потребляет больше мощности, чем необходимо для его работы. Низкий коэффициент мощности должен быть скорректирован, так как он существенно увеличивает затраты предприятия. Обычно наиболее экономичным средством повышения коэффициента мощности является установка конденсаторов для компенсации реактивной мощности.

Коррекция коэффициента мощности (компенсация реактивной мощности) – это название технологии, которая используется с начала XX века для восстановления значения коэффициента мощности до значения, как можно более близкого к единице. Это обычно достигается подключением к сети конденсаторов, которые компенсируют потребление реактивной мощности индуктивными нагрузками и таким образом снижают нагрузку на источник. При этом не должно быть никакого влияния на работу оборудования.

Простую аналогию с коэффициентом мощности и реактивной мощностью можно получить, если представить себе садовый шланг. Если конец шланга должен выдавать 10 л в минуту, то кран должен быть открыт таким образом, чтобы обеспечивать это количество воды. Но если шланг протекает, зажат между камнями или перекручен из-за низкого качества, давление будет пониженным. Поэтому для получения требуемого количества 10 л/мин. нужно сильнее открыть кран и подать в шланг больше воды. Это коррекция коэффициента мощности или компенсация реактивной мощности.

Способы установки конденсаторов

Для установки на предприятии необходимо выбрать оптимальные тип, номинал и количество конденсаторов. Имеются 4 способа установки конденсаторов.

Метод № 1: конденсатор на нагрузке

На каждом мощном двигателе устанавливается конденсатор, который подключается во время работы двигателя. Такой способ обычно имеет большие преимущества перед другими методами. Конденсаторы могут подключаться в точке А или В (см. рисунок ниже).

Точка A — обычно используется в большинстве случаев.

Точка B – используется для многоскоростных двигателей, для пуска при пониженном напряжении и т.п.

Метод 2: нерегулируемая конденсаторная батарея

Батареи постоянной мощности подключаются в одной или нескольких точках системы распределения энергии предприятия и запитываются постоянно. Этот способ часто используется, когда предприятие имеет несколько двигателей большой мощности, к которым можно добавить конденсаторы. Если система мало нагружена, реактивная мощность конденсаторов оказывается слишком большой, при этом напряжение может возрасти так сильно, что двигатели, лампы и системы управления могут выйти из строя.

Очень важно помнить, что мощность нерегулируемой конденсаторной батареи должна быть не больше 20% номинальной мощности трансформатора. Более высокие значения могут стать причиной возникновения большого резонансного тока, который может представлять опасность для системы.

Метод 3: автоматическая конденсаторная батарея

Устанавливается в центре управления двигателями на вводе. Такая батарея точно поддерживает заданное значение коэффициента мощности. Это достигается путём подключения и отключения ступеней реактивной мощности в соответствии с требуемым значением с помощью ключа, управляемого контроллером. Автоматическая коммутация обеспечивает точную компенсацию реактивной мощности, при этом не допускаются превышение величины требуемой ёмкости и соответствующие этому перенапряжения.

Метод 4 : Сочетание способов

Поскольку не существует полностью одинаковых систем распределения, каждый случай должен анализироваться отдельно с целью достижения наиболее экономичного решения путём сочетания нескольких методов.

Таблица № 2. Сводная информация о преимуществах и недостатках различных методов

Метод

Преимущества

Недостатки

Отдельные конденсаторы

Наиболее эффективен и гибок

Более высокая стоимость установки и обслуживания

Нерегулируемая батарея

Наиболее экономичен

Менее гибок, требует наличия выключателей

(автоматических выключателей)

Автоматическая батарея

Наилучший метод для меняющихся нагрузок, не допускает перенапряжений, низкая стоимость установки

Более высокая стоимость

Сочетание методов

Наиболее практичен при большом количестве двигателей

Наименее гибок

Индивидуальные особенности предприятий

При принятии решения о том, какой тип конденсаторной установки является наиболее подходящим, необходимо рассмотреть их преимущества и недостатки, а также принять во внимание конкретные условия предприятия, такие как тип нагрузки, постоянство нагрузки, максимальную величину нагрузки, способ пуска двигателя.

Тип нагрузки

Если на предприятии имеется много мощных двигателей (50 л.с. и выше), обычно является целесообразным устанавливать по конденсатору на каждый двигатель и включать двигатель и конденсатор одновременно. Если на предприятии имеется много маломощных двигателей (от 0,5 до 25 л.с.), их группируют и устанавливают один конденсатор в точке управления распределительной системы. Наилучшим решением для предприятий, имеющих как мощные, так и маломощные двигатели, является использование обоих перечисленных способов.

Величина нагрузки

На предприятиях с мощными нагрузками целесообразным является сочетание индивидуальной и групповой компенсации и батарей с нерегулируемыми или автоматически коммутируемыми конденсаторными устройствами. На небольшом производстве может понадобиться только один конденсатор, подключенный к распределительному щиту.

В некоторых случаях компенсация требуется только в отдельном слабом месте сети. Такая ситуация может возникнуть, если предприятие имеет сварочные установки, индукционные нагреватели или приводы постоянного тока. Если нагрузка с низким коэффициентом мощности подключена по отдельному фидеру, общий коэффициент мощности предприятия может быть достаточно высоким. В этом случае дополнительные конденсаторы не нужны.

Постоянство нагрузки

Если предприятие работает круглосуточно с постоянной нагрузкой, наибольшую экономию дают нерегулируемые конденсаторы. Если на предприятии установлен 8-часовой рабочий день 5 дней в неделю, желательно установить коммутирующие устройства для снижения ёмкости во время низкой нагрузки.

Максимальная величина нагрузки

Если фидер или трансформаторы перегружены или если к нагруженным линиям подключаются дополнительные нагрузки, необходима компенсация на нагрузке. Если объект имеет повышенное потребление тока, конденсаторные батареи устанавливаются на главных фидерах. Если нагрузка изменяется, вероятно, лучшим решением будет автоматическая коммутация.

Методика расчета тарификации при различных значениях коэффициента мощности

Принимаем, что имеем нагрузку 400 кВт с коэффициентом мощности 70%. Для повышения коэффициента мощности до 90% общая величина добавленной реактивной мощности (номинал конденсаторной батареи) равна 200 квар.

Общая активная энергия за год – 2 400 000 кВт·ч. Средняя стоимость кВт·ч – 50 кьят. Годовые затраты – 120 000 000 кьят. Изменение тарифа с учётом коэффициента мощности составляет 0,06% за каждый процент ниже или выше 85%.

Изменение тарифа для значения коэффициента мощности 70% (величина штрафа):

= 85 – 70

= 15 x 0,06 %

= 0,9 % x 120 000 000

= 1 080 000 кьят.

Изменение тарифа для значения коэффициента мощности 90% (снижение тарифа):

= 90 – 85

= 5 x 0,06%

= 0,3 % x 120 000 000

= 360 000 кьят.

Годовая экономия: 1 080 000 + 360 00 = 1 440 000 кьят.

Таким образом, экономия за год составляет 1,2% от годовых затрат.

Этот расчёт приведён для иллюстрации оценки предполагаемой годовой экономии.

Ниже приведена схема автоматической конденсаторной батареи мощностью 200 квар и схема её устройства управления. Окупаемость такой установки составляет 2 года и 3 месяца.

Общая стоимость установки (стоимость обследования и рекомендаций, стоимость конденсаторов и стоимость производимых работ) составляет 3 200 000 кьят. Годовая экономия равна 1 440 000 кьят. Таким образом, срок окупаемости составляет 2 года и 3 месяца.

Заключительные выводы и рекомендации

Чаще всего на промышленных предприятиях используется компенсация реактивной мощности на низком напряжении. Имеется большое количество производителей, которые предлагают стандартизированные изделия с номинальными мощностями до 1000 квар и даже выше. Это хорошо известные и распространённые изделия, и поэтому они во многих случаях устанавливаются без достаточной проектной проработки.

При этом воздействию каких-либо проблем подвергается в первую очередь владелец конденсаторной батареи. Убедитесь, что установки соответствуют вашим требованиям, требованиям производителей, требованиям на установку, а также требованиям соответствующих норм, стандартов и правил.

Чтобы увеличить общий коэффициент мощности, выбирайте мощность двигателей в соответствии с механической нагрузкой. Применяйте конденсаторные батареи в центре управления двигателем или на вводе объекта, это облегчит переключения при изменении нагрузки. Для предотвращения проблем, связанных с гармоническим резонансом, и повышенных уровней искажений напряжения устанавливайте фильтры гармоник.

Для чего необходима компенсация реактивной мощности?

Основной нагрузкой в промышленных электросетях являются асинхронные электродвигатели и распределительные трансформаторы. Эта индуктивная нагрузка в процессе работы является источником реактивной электроэнергии (реактивной мощности), которая совершает колебательные движения между нагрузкой и источником (генератором), не связана с выполнением полезной работы, а расходуется на создание электромагнитных полей и создает дополнительную нагрузку на силовые линии питания.

Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети. Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ), численно равный косинусу угла (ф) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е.: cos(ф) = P/S. Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом. Чем ближе значение cos(ф) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности.

Пример: при cos(ф) = 1 для передачи 500 KW в сети переменного тока 400 V необходим ток значением 722 А. Для передачи той же активной мощности при коэффициенте cos(ф) = 0,6 значение тока повышается до 1203 А.

Соответственно все оборудование питания сети, передачи и распределения энергии должны быть рассчитаны на большие нагрузки. Кроме того, в результате больших нагрузок срок эксплуатации этого оборудования может соответственно снизиться. Дальнейшим фактором повышения затрат является возникающая из-за повышенного значения общего тока теплоотдача в кабелях и других распределительных устройствах, в трансформаторах и генераторах. Возьмем, к примеру, в нашем выше приведенном случае при cos(ф) = 1 мощность потерь равную 10 KW. При cos(ф) = 0,6 она повышается на 180% и составляет уже 28 KW. Таким образом, наличие реактивной мощности является паразитным фактором, неблагоприятным для сети в целом.

В результате этого:

  • возникают дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока;
  • снижается пропускная способность распределительной сети;
  • отклоняется напряжение сети от номинала (падение напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).

Все сказанное выше является основной причиной того, что предприятия электроснабжения требуют от потребителей снижения доли реактивной мощности в сети. Решением данной проблемы является компенсация реактивной мощности – важное и необходимое условие экономичного и надежного функционирования системы электроснабжения предприятия. Эту функцию выполняют устройства компенсации реактивной мощности КРМ-0,4 (УКМ-58) — конденсаторные установки, основными элементами которых являются конденсаторы.

Правильная компенсация позволяет:

  • снизить общие расходы на электроэнергию;
  • уменьшить нагрузку элементов распределительной сети (подводящих линий, трансформаторов и распределительных устройств), тем самым продлевая их срок службы;
  • снизить тепловые потери тока и расходы на электроэнергию;
  • снизить влияние высших гармоник;
  • подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
  • добиться большей надежности и экономичности распределительных сетей.

Кроме того, в существующих сетях

  • исключить генерацию реактивной энергии в сеть в часы минимальной нагрузки;
  • снизить расходы на ремонт и обновление парка электрооборудования;
  • увеличить пропускную способность системы электроснабжения потребителя, что позволит подключить дополнительные нагрузки без увеличения стоимости сетей;
  • обеспечить получение информации о параметрах и состоянии сети.

А во вновь создаваемых сетях — уменьшить мощность подстанций и сечения кабельных линий, что снизит их стоимость.

Зачем компенсировать реактивную мощность?

Реактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы, то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках; увеличивается падение напряжения в сетях.

Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи, что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети.

Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии.

По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики компенсации реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности – вот ключ к решению вопроса энергосбережения.

Основные потребители реактивной мощности:

  • асинхронные электродвигатели, которые потребляют 40% всей мощности совместно с бытовыми и собственными нуждами;
  • электрические печи 8%;
  • преобразователи 10%;
  • трансформаторы всех ступеней трансформации 35%;
  • линии электропередач 7%.

В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные э.д.с. обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а косинус фи уменьшается при малой нагрузке. Например, если косинус фи двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75-0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20-0,40.

Мало нагруженные трансформаторы также имеют низкий коэффициент мощности (косинус фи). Поэтому, применять компенсацию реактивной мощности, то результирующий косинус фи энергетической системы будет низок и ток нагрузки электрической, без компенсации реактивной мощности, будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток потребляемый из сети снижается, в зависимости от косинус фи на 30-50%, соответственно уменьшается нагрев проводящих проводов и старение изоляции.

Кроме этого, реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, а следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.

Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок).

Использование конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности позволяет:

  • разгрузить питающие линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства;
  • снизить расходы на оплату электроэнергии
  • при использовании определенного типа установок снизить уровень высших гармоник;
  • подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
  • сделать распределительные сети более надежными и экономичными.

Компенсация реактивной мощности

Компенса́ция реакти́вной мо́щности — целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях и с целью снижения потерь электроэнергии. Осуществляется с использованием компенсирующих устройств. Для поддержания требуемых уровней напряжения в узлах электрической сети потребление реактивной мощности должно обеспечиваться требуемой генерируемой мощностью с учетом необходимого резерва. Генерируемая реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой генераторами электростанций и реактивной мощности компенсирующих устройств, размещенных в электрической сети и в электроустановках потребителей электрической энергии.

Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для промышленных предприятий, основными электроприёмниками которых являются асинхронные двигатели, в результате чего коэффициент мощности без принятия мер по компенсации составляет 0,7— 0,75. Мероприятия по компенсации реактивной мощности на предприятии позволяют:

  • уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличить срок их службы,
  • использовать провода, кабели меньшего сечения за счет уменьшения нагрузки на них,
  • улучшить качество электроэнергии у электроприемников (за счёт уменьшения искажения формы напряжения),
  • уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения токов в цепях,
  • избежать штрафов за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности,
  • снизить расходы на электроэнергию.

Физика процесса

Переменный ток идет по проводу в обе стороны, в идеале нагрузка должна полностью усвоить и переработать полученную энергию. При рассогласованиях между генератором и потребителем происходит одновременное протекание токов от генератора к нагрузке и от нагрузки к генератору (нагрузка возвращает запасенную ранее энергию). Такие условия возможны только для переменного тока при наличии в цепи любого реактивного элемента, имеющего собственную индуктивность или ёмкость. Индуктивный реактивный элемент стремится сохранить неизменным протекающий через него ток, а ёмкостной — напряжение. Через идеальные резистивные и индуктивные элементы протекает максимальный ток при нулевом напряжении на элементе и, наоборот, максимальное напряжение оказывается приложенным к элементам, имеющим ёмкостной характер, при токе, протекающем через них, близком к нулю.

Значительную часть электрооборудования любого предприятия составляют устройства, обязательным условием нормальной работы которых является создание в них магнитных полей, а именно: трансформаторы, асинхронные двигатели, индукционные печи и прочие устройства, которые можно обобщенно охарактеризовать как «индуктивная нагрузка». Гораздо реже применяются устройства, запасающие энергию, которые можно обобщенно считать ёмкостной нагрузкой.

Поскольку одной из особенностей индуктивности является свойство сохранять неизменным ток, протекающий через неё, то при протекании тока нагрузки появляется фазовый сдвиг между током и напряжением (ток «отстает» от напряжения на фазовый угол). Разные знаки у тока и напряжения на период фазового сдвига, как следствие, приводят к снижению энергии электромагнитных полей индуктивностей, которая восполняется из сети. Для большинства промышленных потребителей это означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем, кроме совершающей полезную работу активной энергии, также протекает реактивная энергия, не совершающая полезной работы. Активная и реактивная энергии составляют полную энергию, при этом доля активной энергии по отношению к полной определяется косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением — cosφ. Однако, протекая по кабелям и обмоткам в обратную сторону, реактивный ток снижает в пределах их пропускной способности долю протекающего по ним активного тока, вызывая при этом значительные дополнительные потери в проводниках на нагрев — активные потери. В случае, когда cosφ = 1, вся энергия дойдет до потребителя. В случае cosφ = 0 ток в проводе возрастет вдвое, поскольку одинаковый по величине ток будет протекать в обоих направлениях одновременно. В этом режиме активная мощность нагрузкой не потребляется, за исключением нагрева проводников.

Таким образом, нагрузка принимает и отдает в сеть практически всю энергию, при этом возникает ситуация, в которой потребитель вынужден оплачивать энергию, которая не была использована фактически. В противоположность индуктивным элементам, ёмкостные элементы (например, конденсаторы) стремятся сохранять неизменным напряжение на своих зажимах, то есть для них ток «опережает» напряжение. Поскольку величина потребляемой электроэнергии никогда не является постоянной и может меняться в существенном диапазоне за достаточно малый промежуток времени, то, соответственно, может изменяться и соотношение активной потребляемой энергии к полной (cosφ). При этом чем меньше активная нагрузка потребителя, тем меньше значение cosφ. Из этого следует, что для компенсации реактивной мощности необходимо оборудование, обеспечивающее регулирование cosφ в зависимости от изменяющихся условий работы оборудования — то есть применение установок компенсации реактивной мощности (УКРМ), состоящих, как правило, из батарей ёмкостных элементов (конденсаторов), коммутационного оборудования и устройств управления. Принцип работы УКРМ заключается в подключении к сети необходимого в данный момент времени количества конденсаторов для известного мгновенного значения реактивной мощности.

Основные компоненты УКРМ

  • Источники реактивной мощности
  1. Используются конденсаторы, если реактивная мощность индуктивного характера
  2. Используются катушки индуктивности (реакторы), если реактивная мощность ёмкостного характера (используются для компенсации на ЛЭП);
  • Регулятор реактивной мощности — устройство, измеряющее и поддерживающее величину cosφ на заданном оптимальном уровне путём выдачи команд на исполнительные устройства без участия персонала. В составе регулятора имеется процессор контролирующий напряжение, уровень гармоник, температуру, состояние конденсаторов и обеспечивающий аварийное отключение в критических случаях;
  • Коммутационные устройства, подключающие и отключающие источники реактивной мощности в необходимом количестве в зависимости от команд регулятора. В зависимости от технических требований, используются различные коммутационные устройства:
  1. Конденсаторные электромагнитные контакторы- статическая компенсация.
  2. Тирикон (комбинированный электронно механический контактор) — динамическая компенсация
  3. Тиристорный контактор — динамическая компенсация
  4. Вакуумные контакторы — напряжение > 1кВ
  • Антирезонансные дроссели — используются при повышенном уровне гармоник.
  • Защитные устройства обеспечивающие отключение всей установки или группы конденсаторов.

> См. также

  • Реактивная мощность
  • Коэффициент мощности
  • Контактор

5. Компенсация реактивной мощности

  • •Системы электроснабжения.
  • •1. Нагрев и охлаждение проводников.
  • •1.1. Переходный процесс нагрева – охлаждения.
  • •1.2. Длительно допустимый ток.
  • •1.3. Зависимость длительно допустимого тока от сечения.
  • •1.4. Расчёт температуры проводника при заданной нагрузке.
  • •1.5. Корректировка допустимого тока в зависимости от температуры окружающей среды и количества параллельно проложенных проводников.
  • •1.6. Выбор сечения по длительно допустимому току.
  • •1.7. Постоянная времени нагрева τ и длительность расчетного максимума нагрузки.
  • •1.8. Расчет температуры проводника при прохождении тока кз и проверка кабелей на невозгорание.
  • •2. Экономическое сечение и экономическая плотность тока.
  • •2.1. Расчетные затраты на электропередачу.
  • •2.2. Экономическое сечение и экономическая плотность тока.
  • •2.3. Математическая модель затрат на передачу мощности по лэп.
  • •3. Расчет, анализ и нормирование потерь электроэнергии в электрических сетях.
  • •3.1. Структура фактических (отчетных) потерь электроэнергии.
  • •3.2. Термины и определения.
  • •3.3. Нагрузочные потери.
  • •3.4. Метод средней мощности
  • •3.5. Метод максимальной мощности рм
  • •3.6. Потери холостого хода (хх).
  • •3.7. Климатические потери
  • •3.8. Расход электроэнергии на собственные нужды подстанций
  • •3.9. Погрешности средств измерения
  • •3.10. Коммерческие потери
  • •4.1. Определения
  • •4.2. Падение и потеря напряжения в 3-х фазной лэп с симметричной нагрузкой
  • •4.3. Расчет потери напряжения в ответвлениях от 3-х фазной лэп
  • •4.5. Методы регулирования напряжения в электрических сетях
  • •4.6. Регулирование напряжения в цп с помощью трансформатора
  • •4.7. Расчет вторичного напряжения трансформатора с учетом положения переключателя отпаек
  • •4.8. Регулирование напряжения в цп с помощью трансформаторов с рпн
  • •4.9. Допустимая (располагаемая) потеря напряжения
  • •4.10. Продольно-емкостная компенсация.
  • •5. Компенсация реактивной мощности
  • •5.1. Природа реактивной мощности (рм).
  • •5.2. Реактивная мощность и потери активной мощности.
  • •5.3. Реактивная мощность и потеря напряжения
  • •5.4 Потребители реактивной мощности (рм)
  • •5.6. Источники р.М.
  • •5.7. Синхронные двигатели
  • •5.8. Конденсаторные батареи
  • •5.9. Выбор компенсирующих устройств
  • •5.10. Выбор размещения кб
  • •5.11. Наивыгоднейшее распределение кб в распределительной электрической сети.
  • •5.12. Регулирование мощности кб
  • •5.13. Автоматическое регулирование конденсаторных батарей по реактивной мощности
  • •6. Режимы нейтрали в сетях напряжением ниже 1000 в
  • •6.1. Классификация электрических сетей.
  • •6.2. Система tn- нейтраль заземлена, корпуса занулены
  • •6.2.1. Характеристика и свойства сетей tnc, tns:
  • •6.2.2. Расчет тока однофазного кз, напряжений прикосновения и смещения нейтрали.
  • •6.3. Система tt – нейтраль и корпуса присоединены к разным заземляющим устройствам.
  • •6.3.1. Характеристика и свойства сети тт:
  • •6.3.2. Расчет тока однофазного кз, напряжений прикосновения и смещения нейтрали, расчет требуемой чувствительности узо.
  • •6.4. Система it- нейтраль изолирована, корпуса заземлены.
  • •6.4.1. Характеристика и свойства сети it:
  • •6.4.3. Расчет напряжений прямого и косвенного прикосновений в сети it.
  • •7. Автоматические выключатели
  • •7.1 Определения
  • •7.2. Описание
  • •7.3 Основные характеристики автоматического выключателя
  • •7.3.1. Номинальный ток (In)
  • •7.3.2. Наибольшая предельная отключающая способность (Icu или Icn)
  • •7.3.3. Наибольшая рабочая отключающая способность (Ics)
  • •7.3.4. Время- токовые характеристики расцепителей
  • •7.3.5 Типы расцепителей
  • •7.3.6. Категория применения (a или b) и номинальный кратковременно выдерживаемый ток (Icw)
  • •7.4. Ограничение тока короткого замыкания, токоограничивающие автоматы
  • •7.5. Согласование характеристик автоматических выключателей, каскадирование
  • •7.6. Селективность отключения
  • •7.6.4. Логическая селективность
  • •7.7. Выбор автоматического выключателя и уставок его расцепителей
  • •8. Пуск и самозапуск асинхронных электродвигателей
  • •8.1. Условия успешного пуска асинхронного двигателя (ад)
  • •8.2. Механические характеристики ад
  • •8.3. Механические характеристики приводимых механизмов
  • •8.4. Учет снижения пускового тока в процессе разгона
  • •8.5. Динамический (избыточный) момент и время разгона
  • •8.5. Тормозной момент, кривая выбега и время остановки
  • •8.5. Проверка возможности одиночного и группового самозапуска ад
  • •8.6. Проверка допустимости колебания напряжения для работающих двигателей и освещения при пуске ад
  • •8.7. Пример
  • •8.8. Устройства плавного пуска (упп) (Softstart)
  • •Два способа включения тиристоров
  • •9. Схемы распределения электроэнергии.
  • •9.1. Требования, предъявляемые к схемам.
  • •9.2. Внутрицеховые электрические сети.
  • •9.3. Схемы распределительных сетей напряжением выше 1000 в.
  • •Список литературы

Нерегулируемые установки компенсации реактивной мощности в промышленных сетях электроснабжения

Рост актуальности вопросов компенсации реактивной мощности в РФ. Установки компенсации реактивной мощности в сетях производственных и производственно-коммерческих структур. Риски перекомпенсации реактивной мощности в промышленных сетях электроснабжения.

Вопросы компенсации реактивной мощности в нашей стране приобретают все большую актуальность, а с принятием Правительством РФ 04.05.2012 постановления № 442 «О функционировании розничных рынков электрической энергии, полном и (или) частичном ограничении режима потребления электрической энергии» (в ред. Постановлений Правительства РФ от 28.12.2012 N 1449, от 30.12.2012 N 1482, от 30.01.2013 N 67, от 26.07.2013 N 630, от 31.07.2013 N 652, от 26.08.2013 N 737, от 27.08.2013 N 743, от 10.02.2014 N 95, с изм., внесенными решением ВАС РФ от 21.05.2013 N ВАС-15415/12) (см. п. 91 Основных положений функционирования розничных рынков электрической энергии, п. 2, п. 97), а также ожидаемого утверждения проекта Постановления «Об определении стоимости услуг по передаче электрической энергии с учетом оплаты резервируемой максимальной мощности» (от 17.01.2014) проблемы компенсации реактивной мощности и улучшения качества электроэнергии de facto смещаются из епархии генеральных поставщиков электроэнергии и электросетевых организаций в плоскость ответственности потребителей с присоединенной мощностью энергопринимающих устройств в границах балансовой принадлежности от 750 кВА.

Причем очевидным можно признать факт — пока установленный Правительством РФ порог в 750 кВА, по сути, является стартом принудительно-стимулирующих мероприятий государства по снижению энергопотребления/повышению энергоэффективности и в ближайшей перспективе следует ожидать уменьшения регламентированной нормы, а значит и расширения сегмента потребителей электроэнергии, для которых вопросы компенсации реактивной мощности станут ключевыми в управлении производственной/производственно-коммерческой структурой и через финансовую составляющую будут напрямую влиять на стратегию деятельности/развития, рентабельность и само существование бизнеса.

Установки компенсации реактивной мощности в сетях производственных и производственно-коммерческих структур

На текущий момент рынок средств компенсации реактивной мощности изобилует предложениями отечественных и зарубежных производителей, а эксперты признают, что российские КРМ 6,3 (10,5) кВ, КРМ 0.4 кВ и др. с небольшими объемами потерь по активной мощности (0.0025 — 0.005 кВт/кВАр),резервами перегрузок по току (до 30% от номинальных значений) и напряжению (до 10% от номинальных значений) и, что немаловажно – сравнительно невысокой стоимостью, практически не уступают зарубежным аналогам по функциональности, надежности, простоте инсталляции и обслуживания.

Как зарубежные, так и российские производители, а также продающие компании-инсталляторы предлагают широкий спектр комплексных решений проблемы перетоков реактивной энергии в сетях 10.5, 6.3, 0.4 кВ от реализации дорогих проектов индивидуальной компенсации до сравнительно финансово доступных схем централизованной компенсации реактивной мощности на стороне балансовой принадлежности потребителя электроэнергии, причем нередко и даже после проведения энергоаудита объектов рамках проектов индивидуальной и групповой компенсации реактивной мощности для снижения сметной стоимости, сокращения срока окупаемости и упрощения обслуживания реализуются нерегулируемые установки КРМ, УКРМ и их аналоги.

Вместе с тем, установки компенсации реактивной мощности с ручным управлением уже не отвечают требованиям современных потребительских сетей, а особенно сетей производственного /торгово-производственного назначения, преимущественно имеющих нагрузки нелинейного характера с несинусоидальностью тока/напряжения и повышенным содержанием токов высших гармоник.

Риски перекомпенсации реактивной мощности в промышленных сетях электроснабжения

Двигателя мощных электронасосов сетей водо-/теплоснабжения, трансформаторы электропечей с технологическими процессами изменения температуры во времени, электродвигатели клетей прокатных станов, компрессоры и трансформаторы автоклавов для синтезного твердения ячеистых бетонов, трансформаторы индукционных печей и т.д. и т.п. работают в режимах с быстрым, часто скачкообразным изменением потребляемого тока нагрузки, как правило зависящим от внешних условий и сложно прогнозируемым.

Это в итоге определяет динамичность соотношения активного тока (тока нагрузки), синфазного напряжению и реактивного тока, синусоида которого смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан и идущего на намагничивание обмотки трансформатора/двигателя, нагрев, преодоление сил трения и пр., а значит и динамичность угла запаздывания общей синусоиды тока относительно синусоиды напряжения и величины косинуса (тангенса) этого угла — по факту коэффициента реактивной мощности.

Т.е., как при групповой, так и при индивидуальной компенсации трансформаторов и электродвигателей (групп трансформаторов/электродвигателей) оборудования/производственных линий и простых и сложных технологических процессов в подавляющем большинстве случаев коэффициент мощности не является статичной величиной. Поэтому при использовании для коррекции коэффициента мощности компенсационных установок с ручным управлением (нерегулируемых в автоматическом режиме) велики риски, как недокомпенсации, так и перекомпенсации реактивной мощности с «выбросом» в сеть емкостных токов, так же негативно влияющих на уровень сетевого напряжения и качество электроэнергии, как и реактивные токи.

ООО «Нюкон»

Активная и реактивная мощность — потребители электрической энергии на то и потребители, чтобы эту энергию потреблять. Потребителя интересует та энергия, потребление которой идет ему на пользу, эту энергию можно назвать полезной, но в электротехнике ее принято называть активной. Это энергия, которая идет на нагрев помещений, готовку пищи, выработку холода, и превращаемая в механическую энергию (работа электродрелей, перфораторов, электронасосов и пр.).

Кроме активной электроэнергии существует еще и реактивная. Это та часть полной энергии, которая не расходуется на полезную работу. Как понятно из вышесказанного, полная мощность – это активная и реактивная мощность в целом.

В понятиях активная и реактивная мощность сталкиваются противоречивые интересы потребителей электрической энергии и ее поставщиков. Потребителю выгодно платить только за потребленную им полезную электроэнергию, поставщику выгодно получать оплату за сумму активной и реактивной электроэнергии. Можно ли совместить эти кажущиеся противоречивыми требования? Да, если свести количество реактивной электроэнергии к нулю. Рассмотрим, возможно ли подобное, и насколько можно приблизиться к идеалу.

Активная и реактивная мощность

Активная мощность

Существуют потребители электроэнергии, у которых полная и активная мощности совпадают. Это потребители, у которых нагрузка представлена активными сопротивлениями (резисторами). Среди бытовых электроприборов примерами подобной нагрузки являются лампы накаливания, электроплиты, жарочные шкафы и духовки, обогреватели, утюги, паяльники и пр.

Указанная у этих приборов в паспорте, одновременно является активная и реактивная мощность . Это тот случай, когда мощность нагрузки можно определить по известной из школьного курса физики формуле, перемножив ток нагрузки на напряжение в сети. Ток измеряется в амперах (А), напряжение в вольтах (В), мощность в ваттах (Вт). Конфорка электрической плиты в сети с напряжением 220 В при токе в 4,5 А потребляет мощность 4,5 х 220 = 990 (Вт).

Реактивная мощность

Иногда, проходя по улице, можно увидеть, что стекла балконов покрыты изнутри блестящей тонкой пленкой. Эта пленка изъята из бракованных электрических конденсаторов, устанавливаемых с определенными целями на питающих мощных потребителей электрической энергии распределительных подстанциях. Конденсатор – типичный потребитель реактивной мощности. В отличие от потребителей активной мощности, где главным элементом конструкции является некий проводящий электричество материал (вольфрамовый проводник в лампах накаливания, нихромовая спираль в электроплитке и т.п.). В конденсаторе главный элемент – не проводящий электрический ток диэлектрик (тонкая полимерная пленка или пропитанная маслом бумага).

Реактивная емкостная мощность

Красивые блестящие пленки, что вы видели на балконе – это обкладки конденсатора из токопроводящего тонкого материала. Конденсатор замечателен тем, что он может накапливать электрическую энергию, а затем отдавать ее – своеобразный такой аккумулятор. Если включить конденсатор в сеть постоянного тока, он зарядится кратковременным импульсом тока, а затем ток через него протекать не будет. Вернуть конденсатор в исходное состояние можно, отключив его от источника напряжения и подключив к его обкладкам нагрузку. Некоторое время через нагрузку будет течь электрический ток, и идеальный конденсатор отдает в нагрузку ровно столько электрической энергии, сколько он получил при зарядке. Подключенная к выводам конденсатора лампочка может на короткое время вспыхнуть, электрический резистор нагреется, а неосторожного человека может «тряхнуть» или даже убить при достаточном напряжении на выводах и запасенном количестве электричества.

Интересная картина получается при подключении конденсатора к источнику переменного электрического напряжения. Поскольку у источника переменного напряжения постоянно меняются полярность и мгновенное значение напряжения (в домашней электросети по закону, близкому к синусоидальному). Конденсатор будет непрерывно заряжаться и разряжаться, через него будет непрерывно протекать переменный ток. Но этот ток не будет совпадать по фазе с напряжением источника переменного напряжения, а будет опережать его на 90°, т.е. на четверть периода.

Это приведет к тому, что суммарно половину периода переменного напряжения конденсатор потребляет энергию из сети, а половину периода отдает, при этом суммарная потребляемая активная электрическая мощность равна нулю. Но, поскольку через конденсатор течет значительный ток, который может быть измерен амперметром, принято говорить, что конденсатор – потребитель реактивной электрической мощности.

Вычисляется реактивная мощность как произведение тока на напряжение, но единица измерения уже не ватт, а вольт-ампер реактивный (ВАр). Так, через подключенный к сети 220 В частотой 50 Гц электрический конденсатор емкостью 4 мкФ течет ток порядка 0,3 А. Это означает, что конденсатор потребляет 0,3 х 220 = 66 (ВАр) реактивной мощности – сравнимо с мощностью средней лампы накаливания, но конденсатор, в отличие от лампы, при этом не светится и не нагревается.

Реактивная индуктивная мощность

Если в конденсаторе ток опережает напряжение, то существуют ли потребители, где ток отстает от напряжения? Да, и такие потребители, в отличие от емкостных потребителей, называются индуктивными, оставаясь при этом потребителями реактивной энергии. Типичная индуктивная электрическая нагрузка – катушка с определенным количеством витков хорошо проводящего провода, намотанного на замкнутый сердечник из специального магнитного материала.

На практике хорошим приближением чисто индуктивной нагрузки является работающий без нагрузки трансформатор (или стабилизатор напряжения с автотрансформатором). Хорошо сконструированный трансформатор на холостом ходу потребляет очень мало активной мощности, потребляя мощность в основном реактивную.

Реальные потребители электрической энергии и полная электрическая мощность

Из рассмотрения особенностей емкостной и индуктивной нагрузки возникает интересный вопрос – что произойдет, если емкостную и индуктивную нагрузку включить одновременно и параллельно. Ввиду их противоположной реакции на приложенное напряжение, эти две реакции начнут компенсировать друг друга. Суммарная нагрузка окажется только емкостной или индуктивной, и в некотором идеальном случае удастся добиться полной компенсации. Выглядеть это будет парадоксально – подключенные амперметры зафиксируют значительные (и равные!) токи через конденсатор и катушку индуктивности, и полное отсутствие тока в объединяющих их общей цепи. Описанная картина несколько нарушается лишь тем, что не существует идеальных конденсаторов и катушек индуктивности, но подобная идеализация помогает понять суть происходящих процессов.

Вернемся к реальным потребителям электрической энергии. В быту мы пользуемся в основном потребителями чисто активной мощности (примеры приведены выше), и смешанной активно-индуктивной. Это электродрели, перфораторы, электродвигатели холодильников, стиральных машин и прочей бытовой техники. Также к ним относятся электрические трансформаторы источников питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры и стабилизаторов напряжения. В случае подобной смешанной нагрузки, помимо активной (полезной) мощности, нагрузка потребляет еще и реактивную мощность, в итоге полная мощность отказывается больше активной мощности. Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), и всегда представляет собой произведение тока в нагрузке на напряжение на нагрузке.

Таинственный «косинус фи»

Отношение активной мощности к полной называется в электротехнике «косинусом фи». Обозначается cos φ. Это отношение называется также и коэффициентом мощности. Нетрудно видеть, что для случая чисто активной нагрузки, где полная мощность совпадает с активной, cos φ = 1. Для случаев чисто емкостной или индуктивной нагрузок, где нулю равна активная мощность, cos φ = 0.

В случае смешанной нагрузки значение коэффициента мощности заключается в пределах от 0 до 1. Для бытовой техники обычно в диапазоне 0,5-0,9. В среднем можно считать его равным 0,7, более точное значение указывается в паспорте электроприбора.

За что платим?

И, наконец, самый интересный вопрос – за какой вид энергии платит потребитель. Исходя из того, что реактивная составляющая суммарной энергии не приносит потребителю никакой пользы, при этом долю периода реактивная энергия потребляется, а долю отдается, платить за реактивную мощность незачем. Но бес, как известно, кроется в деталях. Поскольку смешанная нагрузка увеличивает ток в сети, возникают проблемы на электростанциях, где электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами, а именно: индуктивная нагрузка «развозбуждает» генератор, и приведение его в прежнее состояние обходится в затраты уже реальной активной мощности на его «довозбуждение».

Таким образом, заставить потребителя платить за потребляемую реактивную индуктивную мощность вполне справедливо. Это побуждает потребителя компенсировать реактивную составляющую своей нагрузки, а, поскольку эта составляющая в основном индуктивная, компенсация заключается в подключении конденсаторов наперед рассчитанной емкости.

Потребитель находит возможность платить меньше

Если потребителем оплачивается отдельно потребляемая активная и реактивная мощность. Он готов идти на дополнительные затраты и устанавливать на своем предприятии батареи конденсаторов, включаемые строго по графику в зависимости от средней статистики потребления электроэнергии по часам суток.

Существует также возможность установки на предприятии специальных устройств (компенсаторов реактивной мощности), подключающих конденсаторы автоматически в зависимости от величины и характера потребляемой в данный момент мощности. Эти компенсаторы позволяют поднять значение коэффициента мощности с 0,6 до 0,97, т.е. практически до единицы.

Принято также, что если соотношение потребленной реактивной энергии и общей не превышает 0,15, то корпоративный потребитель от оплаты за реактивную энергию освобождается.

Что же касается индивидуальных потребителей, то, ввиду сравнительно невысокой потребляемой ими мощности, разделять счета на оплату потребляемой электроэнергии на активную и реактивную не принято. Бытовые однофазные счетчики электрической энергии учитывают лишь активную мощность электрической нагрузки, за нее и выставляется счет на оплату. Т.е. в настоящее время даже не существует технической возможности выставить индивидуальному потребителю счет за потребленную реактивную мощность.

Особых стимулов компенсировать индуктивную составляющую нагрузки у потребителя нет, да это и сложно осуществить технически. Постоянно подключенные конденсаторы при отключении индуктивной нагрузки будут бесполезно нагружать подводящую электропроводку. За электросчетчиком (перед счетчиком тоже, но за то потребитель не платит), что вызовет потребление активной мощности с соответствующим увеличением счета на оплату, а автоматические компенсаторы дороги и вряд ли оправдают затраты на их приобретение.

Другое дело, что производитель иногда устанавливает компенсационные конденсаторы на входе потребителей с индуктивной составляющей нагрузки. Эти конденсаторы, при правильном их подборе, несколько снизят потери энергии в подводящих проводах, при этом несколько повысив напряжение на подключенном электроприборе за счет уменьшения падения напряжения на подводящих проводах.

Но, что самое главное, компенсация реактивной энергии у каждого потребителя, от квартиры до огромного предприятия, снизит токи во всех линиях электропитания, от электростанции до квартирного щитка. За счет реактивной составляющей полного тока, что уменьшит потери энергии в линиях и повысит коэффициент полезного действия электросистем.

Компенсация реактивной мощности в теории

Компенсация реактивной мощности (КРМ). Появление термина «реактивная» мощность связано с необходимостью выделения мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая формирует электромагнитные поля и обеспечивает вращающий момент двигателя. Эта составляющая имеет место при индуктивном характере нагрузки. Например, при подключении электродвигателей. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер. В электрических цепях, когда нагрузка имеет активный (резистивный) характер, протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения. Если нагрузка имеет индуктивный характер(двигатели, трансформаторы на холостом ходу), ток отстает от напряжения. Когда нагрузка имеет емкостной характер(конденсаторы), ток опережает напряжение.

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой

1. Iа— активный ток
2. Iри— реактивный ток индуктивного характера

К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем.

  1. Р– активная мощность привязана к Iа(по всем гармоникам суммарно)
  2. Q– реактивная мощность привязана к Iри(по всем гармоникам суммарно)
  3. A– полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)

Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.

Параметр определяющий потребление реактивной мощности называется Cos (φ)

Cos (φ) = P1гарм/ A1гарм

P1гарм— активная мощность первой гармоники 50 Гц
А1гарм— полная мощность первой гармоники 50 Гц
где,

A = √P² + Q²

Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

  1. Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности)
  2. Высокие перепады напряжения в электрических линиях(например 330…370 В, вместо 380 В)
  3. Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Чего легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Конденсаторы в которых будут компенсировать реактивную мощность двигателей.

Потребители реактивной мощности

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи(трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле(асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминесцентное освещение и т.п.

Трансформатор как потребитель реактивной мощности. Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести. Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности. Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя– статора передаётся во вторичную– ротор посредствам магнитного поля.

Индукционные печи как потребители реактивной мощности. К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.

Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте. Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др. Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

Смотрите также: Конденсаторные установки для компенсации реактивной мощности (КРМ)

С другой стороны, элементы распределительной сети(линии электропередачи, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу особенностей конструктивного исполнения имеют продольное индуктивное сопротивление. Поэтому, даже для нагрузки потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет иметь место индуктивная составляющая– реактивная мощность. Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.
Действительно, для простейшей схемы:

Р– активная мощность в центре питания,
Рн– активная мощность на шинах потребителя,
R – активное сопротивление распределительной сети,
Q – реактивная мощность в центре питания,
Qн– реактивная мощность на шинах потребителя.
U – напряжение в центре питания,
Uн– напряжение на шинах потребителя,
Х– индуктивное сопротивление распределительной сети.

В результате, независимо от характера нагрузки, по распределительной сети от источника питания будет передаваться реактивная мощностьQ. При двигательном характере нагрузки ситуация ухудшается– значения мощности в центре питания увеличивается и становится равными:

Р= Рн + ( Рн² + Qн² ) * R / Uн²;
Q = Qн + ( Рн² + Qн² ) * X / Uн².

Передаваемая от источника питания к потребителю реактивная мощность имеет следующие недостатки:

В распределительной сети возникают дополнительные потери активной мощности – потери при транспорте электрической энергии:
∆Р= ( Рн² + Qн² ) * R ,
часть которых(а иногда и значительную) составляют потери от транспорта реактивной мощности.

Величина напряжения у потребителя, а, следовательно, и качество электрической энергии, снижается:
Uн= U – ( P * R + Q * X ) / U.

Увеличивается загрузка распределительной сети током, что лишает потребителя возможности перспективного развития.

Таким образом, транспортировка реактивной мощности по распределительным сетям от центров питания к потребителям превращается в сложную технико-экономическую проблему, затрагивающую как вопросы экономичности так и вопросы надежности систем электроснабжения.

Классическим решением данной проблемы в распределительных сетях является компенсация реактивной мощности у потребителя путём установки у него дополнительных источников реактивной мощности– потребительских статических конденсаторов.

Тэги: реактивная мощность, компенсация реактивной мощности, КРМ

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *