Лекция 28. Компенсация реактивной мощности

Вопрос о компенсации реактивной мощности является одним из основных вопросов, решаемых как на стадии проектиро­вания, так и на стадии эксплуатации систем промышленного электро­снабжения, и вклю­чает выбор целесообразных источников, расчет и регулирование их мощности, размещение источников в системе электроснабжения.

Перед тем как рассмотреть вопрос о компенсации реактивной мощности необходимо повторить понятия и термины тесно связанные с данной темой. Вспомним, что полной мощностью называется та максимальная активная мощность, которая может быть получена в цепи при данных действительных значениях напряжения и тока: S=U·I.

В свою очередь активная мощность определяет совершаемую работу или передаваемую энергию. Любая электротехническая установка рассчитывается на полную мощность. Однако из-за наличия угла сдвига фаз между полным напряжением и током φ она используется не полностью. Таким образом, угол φ имеет важное значение, т.к. определяет значения активной и реактивной мощности при данных значениях тока и напряжения:

Р=UIcosφ, Q=UIsin φ. (26.1)

Полная и реактивная мощности не определяют ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии. Тем не менее, в электротехнике реактивной мощности приписывают аналогичный смысл, рассматривая ее как мощность отдачи, получения или передачи некоторой величины, которую условно называют реактивной энергией

W_реак=Q·t; [W_реак]= вар·час. (26.2)

Хотя за счет реактивной энергии и не совершается работа, без нее невозможна работа любого электротехнического устройства, в котором создается магнитное поле (двигатель, трансформатор).

Для реактивной мощности приняты такие понятия, как потребление, генерация, передача, потери, баланс. Считается, что если ток отстает по фазе от напряжения (индуктивный характер нагрузки), то реактивная мощ­ность потребляется и имеет положительный знак, а если ток опережает напряжение (емкостный характер нагрузки), то реактивная мощность ге­нерируется и имеет отрицательное значение. С точки зрения генерации и потребления между реактивной и активной мощностью существуют зна­чительные различия. Если большая часть активной мощности потребляется приемниками и лишь незначительная теряется в элементах сети и электрооборудования, то потери реактивной мощности в элементах сети могут быть соизмеримы с реактивной мощностью, потребляемой прием­никами электроэнергии. Активная мощность генерируется электростанция­ми, а реактивная — генераторами электростанций, синхронными компенса­торами, синхронными двигателями, батареями конденсаторов, тиристорными источниками реактивной мощности и линиями.

Концентрация производства реактивной мощности во многих случаях экономически нецелесообразна по следующим причинам.

1. При передаче значительной реактивной мощности возникают до­полнительные потери активной мощности и электроэнергии во всех эле­ментах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактив­ной мощностью. Так, при передаче активной Р и реактивной Q мощ­ностей через элемент системы электроснабжения с сопротивлением R по­тери активной мощности составят

(26.3)

Дополнительные потери активной мощности ∆Р_Р, вызванные протека­нием реактивной мощности Q, пропорциональны ее квадрату. Поэтому во многих случаях передача значительной реактивной мощности от генера­торов электростанций к потребителям нецелесообразна, несмотря на низкие удельные затраты, связанные с ее генерацией.

2. Возникают дополнительные потери напряжения, которые особенно существенны в сетях районного значения. Например, при передаче мощ­ностей Р и Q через элемент системы электроснабжения с активным сопротивлением R и реактивным X потери напряжения составят

, (26.4)

где ∆Uа — потери напряжения, обусловленные активной мощностью; ∆U_р — потери напряжения, обусловленные реактивной мощностью.

С влиянием реактивной мощности, передаваемой по элементам сети, на напряжение тесно связано понятие баланса реактивной мощности. Под балансом реактивной мощности понимают равенство генерируемой и потребляемой мощностей при допустимых отклонениях напряжения у прием­ников электроэнергии.

3. Загрузка реактивной мощностью систем промышленного электроснаб­жения и трансформаторов уменьшает их пропускную способность и тре­бует увеличения сечений проводов воздушных и кабельных линий, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и т. п.

Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются асинхронные двигатели (60 - 65 % общего потреб­ления), трансформаторы (20—25 %), вентильные преобразователи, реакторы, воздушные электрические сети и прочие приемники (10%).

До недавнего времени основным нормативным показателем, характе­ризующим реактивную мощность, был коэффициент мощности cosφ = P/S. На вводах, питающих промышленное предприятие, средневзвешенное значение этого коэффициента должно было находиться в пределах 0,92 — 0,95. Однако выбор соотношения P/S в качестве нормативного не дает четкого представления о динамике изменения реального значения реактивной мощности. Например, при изменении коэффициента мощности от 0,95 до 0,94 реактивная мощность изменяется на 10%, а при изменении этого же коэффициента от 0,99 до 0,98 приращение реактивной мощности составляет уже 42 %.

При расчетах удобнее оперировать соотношением К_рм = Q/P = tgφ, которое называют коэффициентом реактивной мощности.

Способы компенсации реактивной мощности

Для компенсации реактивной мощности, потребляемой электроустанов­ками промышленного предприятия, используют генераторы электростанций синхронные двигатели, а также дополнительно устанавливаемые ком­пенсирующие устройства — синхронные компенсаторы, батареи конденса­торов и специальные статические источники реактивной мощности. .

Синхронные компенсаторы представляют собой синхрон­ные двигатели облегченной конструкции без нагрузки на валу. Они могут ра­ботать как в режиме генерирования реактивной мощности (при возбуждении ком­пенсатора), так и в режиме ее потребления (при недовозбуждении).

К достоинствам синхронных компенсаторов как источников реактивной мощности относятся: положительный регулирующий эффект, заключающийся в том, то при уменьшении напряжения в сети генерируемая мощность компенсатора величивается; возможность плавного и автоматического регулирования генериру­емой реактивной мощности, что повышает устойчивость режимов работы системы, улучшает режимные параметры сети; достаточная термическая и электродинамическая стойкость обмоток компенсаторов во время КЗ: возможность восстановления поврежденных СК путем проведения ремонтных работ.

К недостаткам СК относятся удорожание и усложнение эксплуатации (по сравнению, например, с БСК) и значительный шум во время работы. Потери активной мощности в СК при их полной загрузке довольно значительны и в зависимости от номинальной мощности находятся в пределах 0,011-0,03 кВт/квар.

Синхронные двигатели, применяемые для электропривода, в основном из­готовляют с коэффициентом мощности 0,9 при опережающем токе. Они явля­ются эффективным средством компенсации реактивной мощности. Наибольший верхний предел возбуждения синхронного двигателя определяется допустимой температурой обмотки ротора с выдержкой времени, достаточной для форсировки возбуждения при кратковременных снижениях напряжения. Максимальное значение реактивной мощности зависит от загрузки двигателя активной мощностью, подводимого напряжения и технических данных двигателя.

Конденсаторы - специальные емкости, предназначенные для выработки реактив­ной мощности. По своему действию они эквивалентны перевозбужденному син­хронному компенсатору и могут работать лишь как генераторы реактивной мощности. Конденсаторы изготовляют на номинальные напряжения 660 В и ниже мощностью 12,5 — 50 квар в трех- и однофазном исполнениях, а на 1050 В и выше мощностью 25 —100 квар — в однофазном исполнении. Из таких элементов собирают батареи конденсаторов требуемой мощности, которые могут быть раз­делены на секции. Схема батареи конденсаторов определяется техническими дан­ными конденсаторов и режимом работы в системе электроснабжения.

Конденсаторы по сравнению с другими источниками реактивной мощно­сти обладают следующими преимуще­ствами:

1)малыми потерями активной мощности (0,0025-0,005 кВт/квар);

2)простотой эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей);

3)простотой производства монтажных работ (малая масса, отсутствие фундаметов);

4)возможностью установки конден­саторов в любом сухом помещении.

К недостаткам конденсаторов следует отнести:

1) зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения

2) чувствительность к искажениям питающего напряжения;

3) недостаточную прочность, особенно при КЗ и перенапряжениях.

В сетях до 1000 В устанавливают только БСК. В сетях выше 1000 В устанавливают как БС так и СМ, для этого производят ТЭР

Установки конденсаторов бывают индивидуальные, групповые и централизо­ванные. Индивидуальные установки чаще применяют на напряжениях до 660 В. В этих случаях конденсаторы присоединяют наглухо к зажимам приемника. Такой вид установки компенсирующих устройств обладает существенным не­достатком — плохим использованием конденсаторов, так как с отключением при­емника отключается и компенсирующая установка. При групповой установке кон­денсаторы присоединяют к распределительным пунктам сети. При этом исполь­зование установленной мощности конденсаторов несколько увеличивается. При централизованной установке батареи конденсаторов присоединяют на стороне выс­шего напряжения трансформаторной подстанции промышленного предприятия.

Появление мощных приемников с резкопеременной нагрузкой (главные при­воды непрерывных и обжимных прокатных станов, дуговые сталеплавильные печи и т. п.) привело к необходимости создания принципиально новых источников реактивной мощности — статических компенсирующих устройств.

Набросы реактивной мощности, сопровождающие работу этих приемников, вы­зывают значительные изменения питающего напряжения. Кроме того, эти при­емники как нелинейные элементы в системе электроснабжения вызывают допол­нительные искажения токов и напряжений. Поэтому к компенсирующим устрой­ствам предъявляют следующие требования:

высокое быстродействие изменения реактивной мощности;

достаточный диапазон регулирования реактивной мощности;

возможность регулирования и потребления реактивной мощности;

минимальные искажения питающего напряжения.

Основными элементами статических компенсирующих устройств являются конденсатор и дроссель — накопители электромагнитной энергии и вентили (ти­ристоры), обеспечивающие ее быстрое преобразование.

На рис. 26.1 приведены некоторые варианты статических компенсирующих устройств; они содержат фильтры высших гармоник (генерирующая часть) и ре­гулируемый дроссель в различных исполнениях.

Рис.26.1 - Статические компенсирующие устройства

Таким образом, задачей компенсации реактивной мощности является проведение мероприятий, при осуществлении которых:

– расчетная мощность, потребляемая из сети питания, была бы оптимальной;

– обеспечивался баланс реактивной мощности в режиме максимальных и минимальных нагрузок при минимуме затрат на производство и передачу полной мощности.

Основной принцип компенсации Q состоит в том, чтобы для ЭП требующих для своей работы Q не брать реактивную мощность от системы, а вырабатывать её на предприятии при помощи специальных устройств, участвующих в технологическом процессе.

Идеальный случай: φ=0, Р=мах, т.к. сosφ=1, Q=0.

Q – мощность обмена между потребителем и источником. Необходимо уменьшать φ до 0.

Цель компенсации Q сводится к определению (расчету) средств компенсации для оптимального снижения перетока Q.

Заключение

Труд современного инженера в значительной мере вновь приобретает творческую направленность, что вызывается потребностями развития техники, необходимостью внедрения в производство новейших научных достижений. Инженер должен быть широко эрудированным специалистом, способным оценить различные аспекты принимаемых решений, знающим историю развития техники в своей области и умеющим видеть перспективы.

Конечно, в данной работе не ставилась задача подробного, глубокого рассмотрения процессов или принципов работы и конструктивного выполнения электрического оборудования. Эти вопросы обстоятельно изучаются в специальных дисциплинах. Основная цель заключалась в создании общих впечатлений об электроэнергетических системах, их отдельных элементов, основных процессах и о роли энергетики в жизни современного общества. Кроме того, ставилась цель выработки у студентов первого курса навыков работы в вузе с учетом применения современных методических и технических средств активизации учебных занятий.

Список литературы

1. Основы составления главных схем электрических подстанций. / В.Н. Горюнов, В.К. Грунин, С.Г. Диев, В.А Костюк., К.И. Никитин, В.К. Федоров. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997. 84 с.

2. Введение в специальность. Электроэнергетика. / Веников В.А., Путятин Е.В. М: Высш. шк., 1988. 230 с.

3. Нейман Л.Р. Димерчан К.С. Теоретические основы электротехники. ч.1. / Нейман Л.Р. Димерчан К.С. 1981. 576 с.

4. Неклепаев Б.Н. Крючков И.Л. Электрическая часть станций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования, 1989. 608 с.

5. Смирнов А.Д., Антипов К.М. Справочная книга энергетика, 1987. 586 с.

6. Токарев Б.Ф. Электрические машины. 1989. 67 с.

7. Чинихин А.А. Электрические аппараты. 1988. 720 с.

8. Ястребов П.Л. Смирнов И.Л. Электрооборудование, электрические технологии. 1987. 199 с.

9. Старостин В.И., Карпов В.В., Горюнов В.Н. Энергетика. Современное состояние, проблемы и прогнозы. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1996. 68 с.

10. История электротехники. / Под ред. И.А.Глебова. М.: МЭИ, 1999. 524 с.

11. Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний. М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 486 с.

12. Электрические машины: Учебник для учащихся электротехнических специальностей техникумов. М.: Высш. шк., 1990. 288 с.

13. Лунгу К.И., Норин В.П. и др. Сборник задач по высшей математике

14. Т.И.Трофимова, З.Г.Павлова. Сборник задач по физике с решениями. – М.: 2003.