В ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМАХ

Теоретичні засади та методичні настанови до лабораторної роботи №5

з дисципліни "Основи електропостачання" для студентів базового напряму 050701 "Електротехніка та електротехнології" та дисципліни "Основи електроенергетики та електропостачання" для студентів базового напряму 050702 "Електромеханіка"

Затверджено на засіданні кафедри

"Електропостачання промислових підприємств,

міст та сільського господарства"

Протокол № 9 від "24" 01 2008р.

Львів 2008.

Дослідження режимів реактивної потужності в електропостачальних системах.Теоретичні засади та методичні настанови до лабораторної роботи №5 з дисципліни "Основи електропостачання" для студентів базового напряму 050701 "Електротехніка та електротехнології" та дисципліни "Основи електроенергетики та електропостачання" для студентів базового напряму 050702 "Електромеханіка"/Укладачі Б.К.Хохулін, В.М. Амброз – Львів: НУ “Львівська політехніка”, 2008. – 12 с.

Відповідальний за випуск: А.А. Маліновський, д.т.н., проф.

Рецензенти: Л. А. Никонець, д.т.н., проф.,

М. Й. Олійник, к.т.н., доц..

Лабораторна робота №5

ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ

В ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМАХ

Мета роботи

1. Вивчення впливу реактивної потужності на параметри режиму роботи системи електропостачання.

2. Ознайомлення з методами компенсації реактивної потужності і схемами приєднання конденсаторів.

3. Закріплення навиків проведення електричних розрахунків.

2. Загальні теоретичні відомості

2.1. Поняття реактивної потужності

Реактивна потужність дорівнює квадратному кореню із різниці квадратів повної і активної потужності. Це визначення повторює записану формулу:

(1)

і практично не дає поняття фізичного змісту реактивної потужності.

З формули

(2)

випливає, що повна потужність в колі змінного струму може бути розділена на активну і реактивну складові.

Розглянемо співвідношення струму, напруги, повної, активної і реактивної потужності в колі змінного струму. Якщо миттєве значення змінних синусоїдних напруги і струму представити у вигляді

(3)

то, перемноживши їх, отримаємо вираз для миттєвої потужності

. (4)

Після перетворень отримаємо

. (5)

Миттєве значення першої частини (5)

(6)

змінюється від нуля до максимального значення і не змінює свій знак.

Середнє значення величини р(t) за період становить

(7)

і називається активною потужністю.

Для другої частини (5)

(8)

середнє значення за період дорівнює нулю. Ця частина представляє собою потужність обміну між магнітним і електричним полем (чи між індуктивністю і ємністю). Цей обмін є складовою частиною процесу передачі енергії на змінному струмі.

Амплітудне значення обмінної потужності в останньому виразі дорівнює

(9)

і називається реактивною потужністю.

У комплексній формі запису вираз для повної потужності може бути представлено у вигляді

, (10)

де - спряжений комплекс величини струму ,

– зсув фаз між векторами напруги і струму.

Тоді

(11)

Умовно прийнято, що реактивна потужність індуктивності, приєднаної до мережі, є споживаною, а ємності - генеруваною.

Споживання чи генерування реактивної потужності часто характеризується коефіцієнтом потужності

(12)

або коефіцієнтом реактивної потужності

. (13)

В аналізі та синтезі електричних мереж неможливо відмовитись від використання реактивної потужності, як фізичного поняття й математичної величини. Однак, в цілому ряді випадків її використання зустрічає деякі труднощі. Малопоказовим є її додавання в несиметричних режимах, непорозуміння виникають в зв’язку з інтегруванням її в часі, її не можливо використовувати для аналізу вищих гармонік. Очевидно, поряд з цілим рядом аналогій з поняттям активної потужності слід враховувати і суттєві відмінності і особливості. Найбільш важливі властивості реактивної потужності в електричних мережах - рівність нулю в будь-який момент часу суми її миттєвих значень всіх трьох фаз і рівність нулю її середнього значення за період в будь-якій фазі і точці мережі, а також можливість і економічність вироблення реактивної потужності у вузлах електричної мережі і біля споживачів, тобто децентралізація її виробництва.

Використання поняття “реактивна потужність” дозволяє описати математично чи представити графічно у вигляді хвильових чи векторних діаграм цілий ряд процесів, що відбуваються в електричних мережах. Поняття “реактивна потужність” дозволяє розв’язувати багато практичних задач - підвищити ефективність роботи електричних мереж в цілому і окремих елементів шляхом компенсації реактивної потужності за рахунок зниження втрат потужності і енергії, регулювання напруги і покращення її якості, а також за рахунок підвищення стійкості вузлів навантаження і паралельної роботи генераторів, збільшення пропускної здатності. Реактивна потужність може суттєво впливати на параметри режиму. Відомо, наприклад, що в умовах дефіциту реактивної потужності в електричній мережі напруга знижується, і спроби підтримувати її за допомогою регулювання коефіцієнтів трансформації в багатьох випадках не покращує становища, а збільшення дефіциту реактивної потужності може призвести до порушення статичної стійкості.

2.2. Негативні наслідки передачі реактивної потужності

За наявності реактивної потужності

- вибір потужності трансформаторів, перерізів проводів та кабелів необхідно виконувати за повною потужністю;

- збільшуються втрати напруги на відповідну реактивній потужності складову;

- збільшуються також втрати активної та реактивної потужності в генераторах, лініях, трансформаторах.

Все це призводить до погіршення технічних та економічних показників електропостачальної системи.

Основним способом покращення ситуації є компенсація реактивної потужності, тобто генерування її в безпосередньо в місцях споживання.

За умов майже повної компенсації вибір обладнання та перерізів струмовідних частин можна виконувати тільки за активною потужністю. Це дає основний економічний ефект від компенсації реактивної потужності.

Втрати напруги в елементі електричної мережі з параметрами R та X, навантаженням P+jQ і потужністю компенсувальної установки Q_ку можна визначити як повздовжню складову спаду напруги за формулою

. (14)

Відносний вплив реактивної потужності на втрати напруги буде тим більший, чим більше співвідношення X/R. В повітряних лініях електропередачі, а особливо в трансформаторах і реакторах, це співвідношення велике, вплив реактивної потужності на втрати напруги значно більший, ніж активної.

Наприклад, якщо зобразити спрощену схему електропостачання споживача (рис.1),то векторна діаграма для даної схеми виглядатиме наступним чином (рис.2).

Рис. 1. Схема електропостачання споживача з навантаженням S_нав

Рис. 2. Векторна діаграма струмів і напруг

На векторній діаграмі U_К і U_п – напруга в кінці і на початку лінії без компенсаційного пристрою, U₁ і U₂, І₁ і І₂ – відповідно напруга і струм в кінці лінії з увімкненими компенсувальними пристроями різної потужності (Q_ку.1<Q_ку.2).

Напруга на початку лінії U_п в усіх випадках підтримується незмінною.

Вплив компенсації реактивної потужності на поточны втрати активної потужності а енергії за рік видно з формул

(15)

(16)

де P, Q – поточні значення активного і реактивного навантаження; Р_р, Q_р – максимальні розрахункові активне та реактивне навантаження. t – час найбільших втрат;

2.3. Споживання і генерування реактивної потужності

в промисловості

Промислові підприємства, транспорт, сільськогосподарські та комунально – побутові споживачі отримують енергію від електроенергетичних систем. Основними електроспоживачами в народному господарстві є асинхронні електродвигуни, перетворювачі, дугові та індукційні електричні печі, зварювальні агрегати та інші, які споживають з мережі активну та реактивну потужності. Відносне значення реактивної потужності tgj змінюється в широких межах і залежить від конструкції ЕП, її потужності, режиму роботи, напруги мережі та інших факторів. Наприклад при коефіцієнті завантаження К_з=0.5 для асинхронного двигуна потужністю 2000 кВт tgj=0.85, а для асинхронного двигуна потужністю 1кВт tgj=2.5. Для перетворювачів коефіцієнт потужності залежить від кутів генерування і комутації, а також від споживаної реактивної потужності анодним трансформатором і змінюється в широких межах. В залежності від конструкції та режиму роботи зварювальних апаратів коефіцієнт їх потужності рівний cos=0.2...0.3¸0.4...0.5 . В цілому для промисловості природній коефіцієнт потужності не перевищує 0.6 (tgj=1.33).

Реактивне навантаження забезпечують генераторами електростанцій, повітряними і кабельними лініями електропередач, які генерують ємнісну потужність, а також спеціальними компенсувальними пристроями. До них відносяться: синхронні компенсатори(СК); синхронні двигуни (CД); статичні регульовані та нерегульовані компенсувальні пристрої(СТК).

Найчастіше в промислових електромережах застосовують батареї статичних конденсаторів (БСК) і синхронні двигуни.

Сумарна потужність компенсувальних пристроїв, які слід встановити в мережі підприємства, визначається за формулою

(17)

де Q_м – реактивне навантаження підприємства в режимі найбільших навантажень енергосистеми; Q_с – найбільша реактивна потужність, що передається з енергосистеми підприємству в цьому режимі, визначена за умов її балансу в системі.

Пристрої, призначені для компенсації реактивної потужності, називаються також установками поперечної компенсації.

Для оптимізації режимів роботи джерел реактивної потужності на підприємствах і визначення умов регулювання їх потужності електропостачальною організацією, крім значення Q_с в режимі найбільшого реактивного навантаження, задаються також допустимі за технічних умов значення реактивної потужності в режимі найменшого активного навантаження енергосистеми (нічний мінімум) та в після аварійному режимі.

На чинних підприємствах встановлення компенсувальних пристроїв може проводитись тільки з дозволу електропостачальної організації, яка також задає добові режими їх роботи. У випадку порушення цього порядку і самовільного приєднання компенсувальних пристроїв знижки за компенсацію реактивної потужності не надаються.

Лабораторна установка

Лабораторна установка складається з: панелі, на якій змонтовані вимірювальні прилади; моделі лінії електропередачі; моделі навантаження.

Модель лінії електропередачі зібрана на стелажі , який розміщений за панеллю. Кожна фаза лінії електропередачі набрана з шести котушок. За допомогою ключа управління 6 (рис.1) можна змінювати параметри моделі лінії R і X . Параметри моделі лінії вказані в табл.1.

Таблиця 1

Параметри моделі лінії електропередачі

Фаза	Опір, Ом, при положенні ключа 6
секція1	секція 2	секція 3
R,Ом	Х,Ом	R,Ом	X,Ом	R,Ом	X,Ом
A	0,54	2,26	1,08	4,52	1,62	6,8
B	0,45	1,8	0,9	3,6	1,36	5,41
C	0,49	1,78	0,98	3,56	1,49	5,38

Рис. 3. Схема панелей лабораторної установки

Навантаження змодельоване двома групами резисторів і фазорегулятором.

Установка поперечної компенсації складається з трьох конденсаторних батарей, ємність яких вказана в табл. 2. Кожна конденсаторна батарея набрана із окремих конденсаторів типу КБГ-П.

Таблиця 2

Параметри конденсаторной батареї

Батарея	С₁	С₂	С₃
Ємність однієї фази, мкФ

Розглянемо випадок використання пристрою поперечної компенсації з навантаженням, відтворюваним фазорегулятором.

З допомогою ключів управління безпосередньо на панелях № 1, 2 і 3 (рис.3), виконують операцію увімкнення моделі лінії і пристрїв, який імітує навантаження.

Послідовність операцій

Вмикаємо ключ 1, тим самим подаємо напругу на систему шин 2, ключами 3 і 2 подаємо живлення на систему шин 1. Запуск фазорегулятора здійснюємо ключем 7, після чого вводимо в схему модель ЛЕП, вмикаючи ключ 4 і вимикаючи ключ 3. Перемикач 15 ставимо в положення “Вкл” і ключем 11 вмикаємо пристрій поперечної компенсації. Схема з’єднання конденсаторних батарей залежить від положення перемикача 15. Перемикачі Р15 – Р18 регулюють ємність пристрою поперечної компенсації, тобто вмикають ту чи іншу батарею чи комбінацію з трьох батарей.

Ключ 6 змінює параметри ЛЕП. В положенні “менше” увімкненна одна секція, в положенні “більше” – дві секції , та в середньому положенні - всі три секції (див. табл.1).

Ключами 9 і 10 приєднуємо активне навантаження.

Спрацювання того чи іншого ключа управління засвідчує сигнальна лампочка.

4. Зміст роботи

1. Ознайомитись з лабораторною установкою.

2. За заданим параметрами Р_н і Q_н режиму навантаження визначити ємність і способи приєднання конденсаторних батарей, щоб при вмиканні навантаження в кінці лінії електропередачі споживана реактивна потужність Q_спож була приблизно рівна нулю.

3. За заданими параметрами Р_н і Q_н номінального режиму навантаження і напруги на початку U_п визначити ємність і способи приєднання конденсаторних батарей, щоб у випадку вмикання навантаження в кінці лінії відхилення напруги було в заданих межах.

4. Для одного режиму навантаження зняти покази приладів без батарей конденсаторів, а потім з ввімкненням батарей конденсаторів декількох різних значень ємності і зєднань їх у “зірку” чи “трикутник”.

5. Методичні вказівки

1. За п.2 (розд.4) зняти дані номінального режиму увімкнення навантаження, якщо лінія електропередач зашунтована.

2. За п.3 (розд.4) визначити допустимі відхилення напруги в залежності від характеру навантаження.

3. За даними п.4 провести розрахунки для побудови залежностей та

6. Зміст звіту

1. Мета і зміст роботи.

2. Дані устаткування та приладів, що використовуються.

3. Принципова однолінійна схема.

4. Таблиці дослідних і розрахункових даних.

5. Необхідні формули і розрахунки.

6. Розрахунок потрібної потужності та ємності конденсаторної батареї за п.2 і п.3 розд.4.

7. Побудувати векторну діаграму струмів і напруг з урахуванням поперечної компенсації.

8. Побудувати залежності та

6. Контрольні запитання

1. Мета та методи компенсації реактивної потужності.

2. Втрати напруги і потужності в системах електропостачання і шляхи їх зменшення.

3. Векторна діаграма струмів і напруг з урахуванням поперечної компенсації.

4. Як визначити потужність конденсатора, до якого прикладена напруга?

5. Як визначити потужність батареї конденсаторів, з’єднаних в “зірку” чи в “трикутник”?

6. Поточне і середньозважене значення коефіцієнта потужності.

7. Які параметри впливають на регулювальний ефект конденсаторної установки за напругою?

8. Пояснити вплив “перекомпенсації” на втрати потужності.

9. Заходи безпеки під час роботи з конденсаторними установками.

Рекомендована та використана література

1. Маліновський А.А., Хохулін Б.К.. Основи електропостачання. Львів.: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка” , 2005.–324с.

2. Мельников Н.А. Реактивная мощность. – М.: Энергия, 1975.

3. Веников В.А., Идельчик В. І., Лисеев М. С. Регулирование напряжения в электроэнергетических системах. - М.: Энергоатомиздат, 1985.

Навчальне видання

ДОСЛІДЖЕННЯ РЕЖИМІВ РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ

В ЕЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМАХ

Теоретичні засади та методичні настанови до лабораторної роботи №5

Укладачі Хохулін Борис Костянтинович

Амброз Василь Михайлович

За редагуванням Маліновського Антона Антоновичи

Реєстраційний № 9 від "24" 01 2008 р.