Реактивной мощностью называется та доля полной мощности, которая идет на поддержание электромагнитных процессов в нагрузках, имеющих индуктивную и емкостную реактивные составляющие.
Реактивная мощность сама по себе не расходуется на выполнение какой-либо полезной работы, в отличие от активной мощности, однако наличие в проводах реактивных токов приводит к их нагреву, то есть к потерям мощности в форме тепла, что вынуждает поставщика электроэнергии все время подавать потребителю повышенную полную мощность. А между тем, в соответствии с приказом Министерства промышленности и энергетики Российской Федерации №267 от 4 октября 2005 года, реактивная мощность отнесена к техническим потерям в электрических сетях.
Но электромагнитные поля всегда возникают в нормальных режимах работы огромного числа разновидностей электрического оборудования: люминесцентных ламп, электродвигателей различного назначения, индукционных установок и т. д. - все подобные нагрузки не только потребляют из сети полезную активную мощность, но и являются причинами появления реактивной мощности в протяженных цепях.
И хотя без реактивной мощности многие потребители, содержащие ощутимые индуктивные составляющие, не смогли бы работать в принципе, поскольку им необходима реактивная мощность, как часть полной мощности, реактивная мощность зачастую фигурирует как вредная чрезмерная нагрузка по отношению к электрическим сетям.
Вред от реактивной мощности без компенсации
В общем и целом, когда объем реактивной мощности в сети становится значительным, понижается напряжение в сети, такое положение дел весьма характерно для энергосистем с дефицитом активной составляющей, - там всегда напряжение в сети ниже номинала. И тогда недостающая активная мощность поступает из соседних энергосистем, в которых на данный момент генерируется чрезмерное количество электроэнергии.
Но такие системы, которые всегда требуют пополнений за счет соседей, всегда получаются в итоге неэффективными, а ведь их можно легко превратить в эффективные, достаточно создать условия для генерации реактивной мощности прямо на месте, в специально приспособленных компенсирующих устройствах, подобранных для активно-реактивных нагрузок данной энергосистемы.
Дело в том, что реактивную мощность не обязательно генерировать на электростанции генератором, вместо этого ее можно получать в компенсирующей установке (в конденсаторе, синхронном компенсаторе, в статическом источнике реактивной мощности), расположенной на подстанции.
Компенсация реактивной мощности сегодня является не только ответом на вопросы об энергосбережении и о способе оптимизации нагрузок на сеть, но и ценным инструментом влияния на экономику предприятий. Ведь конечная стоимость любой производимой продукции формируется не в последнюю очередь из расходуемой электроэнергии, которая будучи снижена — уменьшит себестоимость продукции. К такому выводу пришли аудиторы и специалисты по энергоресурсам, что побудило многие компании прибегнуть к расчету и установке систем компенсации реактивной мощности.
Для компенсации реактивной мощности индуктивной нагрузки - подбирают определенной емкости конденсатор, в итоге потребляемая непосредственно от сети реактивная мощность снижается, она потребляется теперь от конденсатора. Другими словами, коэффициент мощности потребителя (с конденсатором) повышается.
Активные потери теперь становятся не более 500 мВт на 1 кВар, при этом движущиеся части у установок отсутствуют, шума нет, а эксплуатационные затраты мизерны. Установить конденсаторы можно в принципе в любой точке электросети, а мощность компенсации подбирается индивидуально. Установка производится в металлических шкафах или в настольном исполнении.
Способы компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения
В зависимости от схемы подключения конденсаторов к потребителю, есть несколько видов компенсации: индивидуальная, групповая и централизованная.
-
При индивидуальной компенсации конденсаторы (конденсатор) подключаются прямо к месту возникновения реактивной мощности, то есть свой конденсатор(ы) - к асинхронному двигателю, отдельный — к газоразрядной лампе, индивидуальный — к сварочному аппарату, личный конденсатор — для индукционной печи, для трансформатора и т.д. Здесь от реактивных токов разгружаются подводящие провода к каждому конкретному потребителю.
-
Групповая компенсация подразумевает подключение одного общего конденсатора или общей группы конденсаторов сразу к нескольким потребителям со значительными индуктивными составляющими. В этом случае постоянная одновременная работа нескольких потребителей сопряжена с циркуляцией общей реактивной энергии между потребителями и конденсаторами. Линия подводящая электроэнергию к группе потребителей окажется разгружена.
-
Централизованная компенсация предполагает установку конденсаторов с регулятором в главном или групповом распределительном щите. Регулятор оценивает в режиме реального времени текущее потребление реактивной мощности, и оперативно подключает и отключает необходимое количество конденсаторов. В итоге потребляемая от сети суммарная мощность всегда сводится к минимуму в соответствии с мгновенной величиной требуемой реактивной мощности.
Каждая установка компенсации реактивной мощности включает в себя несколько ветвей конденсаторов, несколько ступеней, которые формируются индивидуально для той или иной электросети, в зависимости от предполагаемых потребителей реактивной мощности. Типичные размеры ступеней: 5; 10; 20; 30; 50; 7,5; 12,5; 25 кВар.
Для получения больших ступеней (100 и более кВар) — объединяют параллельно несколько небольших. В результате нагрузки на сети снижаются, токи включения и сопровождающие их помехи уменьшаются. В сетях с большим количеством высших гармоник сетевого напряжения, конденсаторы компенсирующих установок защищают дросселями.
Выгоды от компенсации реактивной мощности
Автоматические компенсирующие установки дают ряд преимуществ оборудованной ими сети:
-
снижают загрузку трансформаторов;
-
упрощают требования к сечению проводов; позволяют больше нагрузить электрические сети, чем это было возможно без компенсации;
-
устраняют причины для снижения напряжения сети, даже если потребитель присоединен протяженными проводами;
-
повышают КПД мобильных генераторов на жидком топливе;
-
облегчают пуск электродвигателей;
-
автоматически повышают косинус фи;
-
устраняют реактивную мощность из линий;
-
избавляют от перенапряжений;
-
улучшают контроль за параметрами сетей.
Повышение коэффициента мощности в цепях синусоидального тока
Расчет и выбор конденсаторных батарей для компенсации реактивной мощности
Расчеты для улучшения коэффициента мощности в однофазной сети
Расчеты для улучшения коэффициента мощности в трехфазной сети
Учет гармонических нагрузок в сети
Электронные устройства, такие как преобразователи частоты, источники бесперебойного питания (ИБП), оборудование для дуговой сварки, лампы с электронным балластом и т. д., генерируют гармонические токи и вызывают гармонические напряжения на импедансах электрических распределительных сетей. Эти гармонические составляющие являются причиной многих неисправностей электрооборудования.
Кроме того, конденсаторы чувствительны к гармоническим составляющим. Чрезмерно высокие гармоники обычно могут вызывать перегрев конденсаторов при больших токах, что приводит к преждевременному старению и, в конечном итоге, к выходу из строя компенсационного устройства. По этой причине выбор компенсационного устройства также должен производиться с учетом полного гармонического искажения тока (THDi) в данной сети.
Основанием для выбора компенсирующего устройства в сетях с гармоническими составляющими может быть измерение существующих коэффициентов в данной сети. В этом случае необходимо измерять гармоники тока при наибольшей нагрузке и без компенсирующего устройства при питании распределения от трансформатора (при номинальной полной мощности Sн).
Полная мощность (S), измеренная в этот интервал времени, будет использоваться для следующих сравнительных расчетов, которые характеризуют три типа сети с точки зрения гармонических нагрузок с целью выбора подходящего компенсационного устройства.
THD(i)·S/Sn <= 5%
Эта сеть минимально нагружена гармоническими составляющими тока. По этой причине в четырехвольтовых сетях возможно применение в компенсационном устройстве конденсаторов с номинальным напряжением 400/415 В.
5% <= THD(i)·S/Sn <= 10%
Эта сеть соответствует слабонагруженной сети с гармоническими составляющими тока. По этой причине в четырехвольтовых сетях в компенсационном устройстве должны применяться конденсаторы увеличенной емкости с номинальным напряжением 480 В.
10% <= THD(i)·S/Sn <= 20%
Эту сеть следует считать сильно нагруженной гармоническими составляющими тока. Поэтому в четырехвольтовых сетях в компенсационном устройстве необходимо использовать конденсаторы увеличенной емкости с номинальным напряжением 480 В в сочетании с дросселями со схемным фильтром.
Компенсационное устройство в сетях с минимальными и слабонагруженными гармониками
Емкость незатухающего компенсирующего устройства вместе с индуктивностью сети создает колебательный контур.
Собственную резонансную частоту этого колебательного контура легко определить по приближенной формуле, используя значения мощности короткого замыкания Sк в точке подключения и номинальной мощности компенсирующего устройства Qс: Qр = 50 х квадратный корень (Sk/Qc).
Как следует из приведенной приближенной формулы, собственная резонансная частота колебательного контура уменьшается с увеличением номинальной мощности компенсирующего устройства.
Чем больше ступеней регулируемого незатухающего компенсирующего устройства подключено, тем сильнее падает собственная резонансная частота.
Если значение собственной резонансной частоты приблизится к значению частоты гармоники, встречающейся в данной сети, напряжение этой гармоники возрастет, что может привести к перегрузке конденсаторов со всеми вытекающими последствиями.
Выбор устройства компенсации демпфирования для сетей с большой гармонической нагрузкой
Во избежание проблем с гармониками в сетях, сильно нагруженных гармоническими составляющими тока, необходимо избегать возникновения резонансов в области критических частот гармоник.
В демпфирующих компенсационных устройствах конденсаторы совмещены с дросселями цепей фильтра таким образом, что последовательная (собственная) резонансная частота fr конденсатора и дросселя цепей фильтра оказывается значительно ниже критической частоты гармоник.