Компенсация реактивной мощности

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Все процессы в электрических системах можно охарактеризовать тремя параметрами: напряжением U, током I и активной мощностью Р. Но для удобства расчетов и учета применяют и другие параметры, в том числе реактивную мощность Q. Реактивная мощность идет на создание магнитного и электрического полей. Ин­дуктивная нагрузка рассматривается как потребитель реактивной мощности, а емкостная — как ее генератор.

В цепи постоянного тока существует только активная электрическая нагрузка. Мощность в этой цепи

Р = U*I

Для характеристики мощности цепи переменного тока требуется дополнительный показатель, отражающий сдвиг фаз тока и напряжения — угол φ (рис. 6.1, а).

Произведение показаний вольтметра и амперметра в цепи переменного тока называется полной мощностью S, для трехфазной цепи S =  U*I

Средняя за период переменного тока мощность называется активной мощностью Р=

На основании этих выражений полную мощность S можно представить как гипотенузу прямоугольного треугольника (рис. 6.1, б), один катет которого представляет собой активную мощность Р = S*соsφ, а другой — реактивную мощность Q = S*sinφ. Q названа мощностью по аналогии с активной мощностью Р. Из треуголь­ника мощностей получают следующие зависимости:

S=

cosφ = P/S; tgφ = Q/P

где cosφ — коэффициент мощности; tgφ — коэффициент реактивной мощности.

Таким образом, для характеристики мощности в цепи переменного тока введены понятия полной S, активной Р и реактивной Q мощностей и коэффициента мощности cosφ. Для расчета реактивной мощности удобней пользоваться не cosφ, a tgφ, так как расчетное значение реактивной мощности легко найти из выражения

Q_p=P_p*tgφ

Когда угол φ близок к нулю, подсчет Q_p дает меньшую погрешность, чем подсчет по формуле, в которую входит соsφ, так как в зоне малых углов φ изменение коэффициента мощности на 1 % приводит к изменению коэффициента реактивной мощности на 10%.

Работа машин и аппаратов переменного тока, основанная на принципе электромагнитной индукции, сопровождается процессом непрерывного изменения магнитного потока в их магнитопроводах и полях рассеяния. Поэтому подводимый к ним поток мощности должен содержать не только активную составляющую Р, но и реактивную составляющую индуктивного характера Q, необходимую для создания магнитных полей, без которых процессы преобразования энергии, тока и напряжения невозможны.

Передача значительной реактивной мощности в системе электроснабжения невыгодна по следующим основным причинам

1. Возникают дополнительные потери активной мощности во  всех элементах системы электроснабжения

2. Возникают дополнительные потери напряжения. Дополнительные потери напряжения приводят к снижению качества электроэнергии и дополнительным затратам на ввод средств регулирования напряжения.

3. Загрузка реактивной мощностью линий электропередачи и трансформаторов требует увеличения площади сечений проводов воздушных и кабельных линий, повышения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и оборудования ячеек распределительных устройств.

Из сказанного следует, что технически и экономически целесообразно предусматривать дополнительные мероприятия по уменьшению передачи реактивной мощности, которые можно разделить на две группы:

1.снижение потребления реактивной мощности приемниками электроэнергии без применения компенсирующих устройств;

2. применение компенсирующих устройств.

Мероприятия первой группы должны рассматриваться в первую очередь, поскольку для их осуществления, как правило, не требуется значительных капитальных вложений. К таким мероприятиям относятся:

· упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования;

· замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности;

· понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой;

· ограничение продолжительности холостого хода двигателей;

· применение синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности в случаях, когда это возможно но условиям технологического процесса;

· повышение качества ремонта двигателей;

· замена и перестановка малозагруженных трансформаторов;

· отключение части трансформаторов в периоды снижения их нагрузки (например, в ночное время).

Мероприятия второй группы предусматривают установку специальных компенсирующих устройств (КУ) на предприятиях для выработки реактивной мощности в местах ее потребления. Примером КУ может быть конденсаторная батарея, подключаемая параллельно активно-индуктивной нагрузке, например асин­хронному двигателю. Подключение конденсатора С уменьшает угол сдвига фаз между током и напряжением нагрузки и соответственно повышает коэффициент мощности нагрузки.

Для стимулирования проведения мероприятий по компенсации реактивной мощности на действующих предприятиях Госэнергонадзором установлена шкала скидок и надбавок к тарифу на электроэнергию. Скидки и надбавки к тарифу определяются по таблице в зависимости от степени компенсации реактивной мощ­ности, которая оценивается коэффициентами

tgφ_э= Q_э/P_э.м;, tgφ_M= Q_м.ф/P_э.м,

где tgφ_э, tgφ_м — соответственно оптимальный и фактический коэффициенты реактивной мощности; Q_э — оптимальная реактивная нагрузка предприятия в часы максимума активной нагрузки, заданная энергосистемой на границе балансового раздела сетей системы и предприятия и зафиксированная в договоре на пользование электроэнергией, квар; Р_{м э} — заявленная предприятием активная мощность, участвующая в максимуме энергосистемы и зафиксированная в договоре на пользование электроэнергией, кВт; Q_м.ф — фактическая реактивная нагрузка предприятия, участвующая в максимуме энергосистемы, квар.

КОМПЕНСИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Для компенсации реактивной мощности используют батареи конденсаторов и синхронные машины, в том числе специальные синхронные компенсаторы.

Батареи конденсаторов (БК) — это специальные емкостные КУ, предназначенные для выработки реактивной мощности. В настоящее время выпускаются комплектные конденсаторные установки (ККУ) серии УК-0,38 напряжением 380 В мощностью 110...900 квар (табл. 6.1) и серии УК-6/10 мощностью 450... 1800 квар (табл. 6.2). Оборудование ККУ размещают в шкафах вместе с аппаратурой защиты, измерения и управления.

При отключении конденсаторы сохраняют напряжение остаточного заряда, представляющее опасность для персонала и затрудняющее работу выключателей. По условиям безопасности требуется применение разрядных устройств. В качестве разрядных устройств в ККУ на 6 (10) кВ применяют два однофазных заполненных маслом трансформатора напряжения НОМ. В ККУ на 380... 660 вместо НОМ для той же цели используют резисторы или лампы накаливания. При индивидуальной компенсации электроприемника разрядные сопротивления не требуются.

Таблица 6.1. Технические характеристики комплектных конденсаторных установок напряжением 380 В Марка Номинальная мощность, квар Число и мощность, квар. регулируемых ступеней УК-0,38-1 10 1 10 1x110 УК-0,38-220 220 2x110 УК-0,38-320 320 3x110 УК-0,38-430 430 4x110 УК-0,38-540 540 5x110 УК-0,38-150 150 1x150 УК-0,38-300 300 2x150 УК-0,38-450 450 3x150 УК-0,38-600 600 4x150 УК-0,38-900 900 6x150

Примечание. Для защиты и управления в установках используются пре дохранители ПН-2 и контакторы КТ-6000.

 

 

Таблица 6.2. Технические характеристики комплектных конденсаторных установок напряжением 6 (10) кВ Марка Номинальная мощность, квар Число и мощность, квар, регулируемых ступеней УК-6/10-450 450 — УК-6/10-675 675 — УК-6/10-900 900 — УК-6/10-1125 1125 — УК-6/1 ОН-900 900 1x900 УК-6/1 ОН-1350 1350 1x1350 УК-6/10Н-1800 1800 1x1800

Примечания: 1. В УК-6/10 на вводах установлены разъединители; в УК-6/10Н с автоматическим регулированием мощности — высоковольтные выключатели. 2. Установки комплектуют конденсаторами со встроенными раз рядными резисторами.

 

Измерение тока в цепи БК осуществляется тремя амперметрами (для контроля за целостью предохранителей и работой каждой фазы) и счетчиком реактивной энергии. Для автоматического отключения БК при повышении напряжения в данном узле сети сверх заданного значения и для включения при понижении напряжения предусматриваются специальные автоматические устройства.

Основной недостаток емкостных КУ заключается в том, что при понижении напряжения в сети они снижают выдачу реактивной мощности пропорционально квадрату снижения напряжения, в то время как требуется ее повышение. Регулирование мощности БК осуществляется только ступенями, а не плавно и требует установки дорогостоящей коммутационной аппаратуры.

Синхронные машины могут генерировать и потреблять реактивную мощность, т.е. оказывать на электрическую сеть воздействие, тождественное воздействию емкостной и индуктивной нагрузок. При перевозбуждении синхронной машины генерируется реактивная составляющая тока статора, значение которой растет при увеличении тока возбуждения. Перевозбужденная синхронная машина генерирует опережающий ток, подобно конденсатору.

В системах электроснабжения предприятий используются синхронные машины всех видов. Наиболее широкое применение находят синхронные двигатели (СД), которые используются в приводах производственных машин и механизмов, не требующих регулирования частоты вращения.

Синхронные генераторы (СГ) обладают, как и СД, плавным и автоматическим регулированием генерируемой реактивной мощности в функции напряжения сети. В отличие от СД передача реактивной мощности от СГ может осуществляться на значительное расстояние (даже от СГ собственных электростанций предприятий). Поэтому использование генераторов в качестве источников реактивной мощности ограничивается технико-экономическими условиями режима энергосистемы.

Синхронные компенсаторы (СК) представляют собой синхронные электрические машины, работающие в режиме двигателя без нагрузки на валу. Они предназначены специально для выработки реактивной мощности. Удельная стоимость выра­батываемой мощности, руб./квар, и удельные потери, кВт/Мвар, для СК значительно больше, чем для СД, так как удельные стоимость и потери целиком приходятся на реактивную мощность; кроме того, добавляются расходы на эксплуатацию СК. При большом дефиците реактивной мощности в точке подключения потребителей, когда требуется плавное и быстродействующее средство регулирования напряжения, оказывается выгодным ввод СК. При наличии резкопеременной реактивной нагрузки зона применения СК расширяется.

К недостаткам С К относятся:

· повышенные потери активной мощности; большие масса и вибрация, из-за чего СК необходимо устанавливать на массивных фундаментах;

· необходимость применения водородного или воздушного охлаждения с водяными охладителями;

· необходимость постоянного дежурства эксплуатационного персонала на подстанциях с синхронными компенсаторами;

· невозможность (в отличие от БК) наращивания мощности в процессе роста нагрузок.