Лекция 15. Компенсация реактивной мощности

 

Содержание лекции:

- рассмотрение вопросов компенсации реактивной мощности.

Цель лекции:

- ознакомление с различными видами компенсации и методами ее снижения.

 

Электрическое оборудование, как электрические двигатели, трансформаторы, дроссели люминесцентных ламп и многие другие потребляют из сети не только активную энергию, но так же и реактивную энергию, которая необходима для обеспечения их правильной функции. Проблемой является то, что распределительная сеть нагружается суммой обеих этих энергий. Чтобы снизить реактивную энергию, передаваемую системой, к электроприемнику или вблизи него подключается компенсационный конденсатор, который поставляет реактивную энергию прямо электроприемнику, и этим он снижает количество реактивной энергии, передаваемой в сети. Качество компенсации реактивной энергия описывается коэффициентом мощности cos φ, это соотношение активной мощности P и реактивной мощности S. При определенном упрощении верно соотношение:

 

(1)

Реактивная мощность состоит из составляющей активной и реактивной мощности:

(2)

 

где - коэффициент мощности (косинус угла фазного сдвига между напряжением и током – для 50 Гц);

P - активная мощность, Вт;

S - реактивная мощность, ВА;

Q - реактивная мощность, Вар.

 

Идеальным состоянием является ситуация с коэффициентом мощности как можно ближе единице.

Если коэффициент мощности слишком низкий, то потребителя штрафуют за потребление реактивной энергии.

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.

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.

Согласно объему и стабильности потреблении используются различные виды компенсации: индивидуальная, групповая и центральная.

Индивидуальная или постоянная компенсация, при которой индуктивная реактивная мощность компенсируется непосредственно в месте её возникновения, что ведет к разгрузке подводящих проводов (для отдельных, работающих в продолжительном режиме потребителей с постоянной или относительно большой мощностью - асинхронные двигатели, трансформаторы, сварочные аппараты, разрядные лампы и т.д.), т.е. у индивидуальной компенсации конденсатор включается прямо с электрооборудованием (см.рисунок 1, а).

 

 

Рисунок 1 -Индивидуальная компенсация

 

Групповая компенсация, в которой аналогично индивидуальной компенсации для нескольких одновременно работающих индуктивных потребителей подключается общий постоянный конденсатор (для находящихся вблизи друг от друга электродвигателей, групп разрядных ламп). Здесь также разгружается подводящая линия, но только до распределения на отдельных потребителей (см.рисунок 2).

 

 

Рисунок 2 - Групповая компенсация

 

Централизованная компенсация (см. рисунок 3), при которой определенное число конденсаторов подключается к главному или групповому распределительному шкафу. Такую компенсацию применяют, обычно, в больших электрических системах с переменной нагрузкой. Управление такой конденсаторной установкой выполняет электронный регулятор - контроллер, который постоянно анализирует потребление реактивной мощности от сети. Такие регуляторы включают или отключают конденсаторы, с помощью которых компенсируется мгновенная реактивная мощность общей нагрузки и, таким образом, уменьшается суммарная мощность, потребляемая от сети. Групповая и центральная компенсация пригодны для более крупномасштабных электрических систем с переменной нагрузкой. Здесь уже коммутацией конденсаторов управляют с помощью автоматического регулятора, который обеспечивает достижение требуемого коэффициента мощности. Во всех указанных случаях, однако, верно, что компенсация в любой точке сети влияет на всю систему.

 

 

Рисунок 3 - Централизованная компенсация

 

Установка компенсации реактивной мощности состоит из определенного числа конденсаторных ветвей, которые в своём построении и ступенях подбираются исходя из особенностей каждой конкретной электросети и её потребителей реактивной мощности.

Больше других распространены ветви в 5 кВАр, 7,5 кВАр, 10 кВАр 12,5 кВАр, 20 кВАр, 25 кВАр, 30 кВАр, 50 кВАр. Более крупные ступени включения, например, в 100 кВАр или ещё больше, достигаются соединением нескольких малых ветвей. Таким образом, снижается нагрузка на сеть, создаваемая токами включения и следовательно, уменьшаются образующиеся от этого помехи (например, импульсы тока). Если в напряжении электросети содержится большая доля высших гармоник, то конденсаторы, обычно, защищают дросселями (реакторами фильтрующего контура).

На рисунке 4 справа показана упрощенная схема параллельного подключения компенсационного конденсатора. При том происходит изменение фазора тока, и именно из величины I΄ до величины IK .

Общий ток проводки после компенсации изменится до IK = I΄+IC .

Рисунок 4 - Сеть переменного тока с параллельным конденсатором

С конденсатором C получим компенсационную мощность:

 

(3)

где - мощность конденсатора, Вар;

I - эффективное значение тока, A;

- угловая частота;

C - емкость конденсатора, F.

 

В трехфазных сетях используется практически исключительно соединение конденсатора в треугольник (CD). Использование конденсаторов при соединении в звезду, возможно только для однофазного электрооборудования. После присоединения конденсатора можно определить протекающий через него ток, и использовать его для выбора конденсаторных контакторов. Требуемый коэффициент мощности достигается путем выбора соответствующего конденсатора. Доказуемо, что снижение потерь при передаче электрической энергии очень выгодное мероприятие, потому что остальные способы, как увеличение сечений, повышение номинального напряжения и другие, не являются экономичными и технически очень трудно реализуемые. Путем расчетов можно также проверить тот факт, что в некоторых случаях даже можно понизить сечения использованной проводки.

Правильная компенсация реактивной мощности 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.

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.

Установки компенсации изготавливаются из отдельных, расположенных в металлических шкафах, силовых компенсационных модулей, конструкция которых обеспечивает взаимозаменяемость идентичных элементов установки.