Устройства компенсации реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности — целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях и с целью снижения потерь электроэнергии. Осуществляется с использованием компенсирующих устройств. Для поддержания требуемых уровней напряжения в узлах электрической сети потребление реактивной мощности должно обеспечиваться требуемой генерируемой мощностью с учетом необходимого резерва. Генерируемая реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой генераторами электростанций и реактивной мощности компенсирующих устройств, размещенных в электрической сети и в электроустановках потребителей электрической энергии.

Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для промышленных предприятий, основными электроприёмниками которых являются асинхронные двигатели, в результате чего коэффициент мощности без принятия мер по компенсации составляет 0,7 — 0,75. Мероприятия по компенсации реактивной мощности на предприятии позволяют:

Физика процесса

Значительную часть электрооборудования любого предприятия составляют устройства, обязательным условием нормальной работы которых является создание в них магнитных полей, а именно: трансформаторы, асинхронные двигатели, индукционные печи и прочие устройства, которые можно обобщенно охарактеризовать как «индуктивная нагрузка».

Поскольку одной из особенностей индуктивности является свойство сохранять неизменным ток, протекающий через нее, то при протекании тока нагрузки появляется фазовый сдвиг между током и напряжением (ток «отстает» от напряжения на фазовый угол). Разные знаки у тока и напряжения на период фазового сдвига, как следствие, приводят к снижению энергии электромагнитных полей индуктивностей, которая восполняется из сети.

Для большинства промышленных потребителей это означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем кроме совершающей полезную работу активной энергии протекает и реактивная энергия, не совершающая полезной работы и направленная только на создание магнитных полей в индуктивной нагрузке. Активная и реактивная энергии составляют полную энергию, при этом доля активной энергии по отношению к полной определяется косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением — cos?. Однако, протекая по кабелям и обмоткам трансформаторов, реактивный ток снижает в пределах их пропускной способности долю протекаемого по ним активного тока, вызывая при этом значительные дополнительные потери в проводниках на нагрев — то есть активные потери.

Из этого следует, что согласно современным правилам расчета за электроэнергию, потребитель вынужден как минимум дважды платить за одни и те же непроизводительные затраты. Один раз — непосредственно за потребленную из сети реактивную энергию (по счетчику реактивной энергии) и второй раз — за нее же, но косвенно, оплачивая активные потери от протекания реактивной энергии, учитываемые счетчиком активной энергии. Изменить данную ситуацию можно путем размещения источника реактивной энергии непосредственно у потребителей — это дает возможность разгрузить сети от реактивного тока и практически исключить все вышеописанные недостатки — то есть «скомпенсировать» индуктивную реактивную мощность.

Таким источником служат другие фазосдвигающие элементы — конденсаторы. В противоположность индуктивности, конденсаторы стремятся сохранять неизменным напряжение на своих зажимах, то есть для них ток «опережает» напряжение. Поскольку величина потребляемой электроэнергии на любом предприятии никогда не является постоянной и может меняться в существенном диапазоне за достаточно малый промежуток времени, — то, соответственно, может меняться и соотношение активной потребляемой энергии к полной, то есть cosφ. Причем, чем меньше активная нагрузка какого-либо индуктивного потребителя (асинхронного двигателя, трансформатора), тем ниже cosφ. Из этого следует, что для компенсации реактивной мощности необходим набор оборудования, обеспечивающий адекватное регулирование cosφ в зависимости от изменяющихся условий работы оборудования — то есть установка компенсаторов реактивной мощности (УКРМ).

Экономика, статистика и реализация компенсации реактивной мощности

По оценкам отечественных специалистов доля электроэнергии составляет 30-40 % в стоимости продукции. Поэтому энергосбережение является весьма существенным фактором в экономии ресурсов и достижении конкурентного преимущества.

Одним из направлений по энергосбережению является снижение реактивной мощности (увеличение cosφ), т.к. реактивная мощность приводит к росту потерь электроэнергии. При отсутствии устройств компенсации реактивной мощности, потери могут составить от 10 до 50% от среднего потребления.

Источники потерь

Отметим, что при низких значениях cosφ (0.3-0.5), трехфазные счетчики дают погрешность показаний до 15%. Потребитель будет переплачивать из-за неверных показаний счетчика, роста электропотребления, штрафов за низкий cosφ.

Реактивная мощность приводит к снижению качества электроэнергии, перекосам фаз, высокочастотным гармоникам, тепловым потерям, перегрузкам генераторов, броскам по частоте и амплитуде. Нормы качества электроэнергии определяет ГОСТ 13109-97.

Статистика потерь мощности

Устройства для компенсации реактивной мощностиУказанные недостатки, т.е. плохое качество электроэнергии, приводят к большим экономическим потерям. Например, в Америке в конце 1990-х годов проводились исследования, которые оценили ущерб от низкого качества электроэнергии в 150 миллиардов долларов в год.

В ЕвразЭС своя статистика. Работа микропроцессорной техники, медицинского оборудования, систем телекоммуникаций часто прерываются короткими по продолжительности (несколько миллисекунд) провалами или перегрузками по питающему напряжению, которые происходят 20-40 раз в год, но ведут к дорогостоящему экономическому ущербу. Прямой или косвенный ущерб достигает при этом несколько миллионов долларов в год. По статистике полное исчезновение напряжения составляет всего 10% от общего количества неисправностей, отключения продолжительностью более 1-3 секунды происходят в 2-3 раза реже отключений длительностью менее 1 секунды. Способы борьбы с кратковременными перебоями работы электросети гораздо более сложные и дорогостоящие.

Практический опыт измерений

Рассмотрим вклад различных устройств в увеличение реактивной мощности. Асинхронные электродвигатели – это около 40%; электрические печи 8%; преобразователи 10%; различные трансформаторы 35%; линии электропередач 7%. Но это только средние значения. Дело в том, что cos? оборудования сильно зависит от его загрузки. Например, если cosφ асинхронного электродвигателя при полной нагрузке 0.7-0.8, то при малой нагрузке он всего 0.2-0.4. Аналогичное явление происходит и с трансформаторами.

Способы и устройства компенсации реактивной мощности

Устройства для компенсации реактивной мощностиТак как указанные реактивные нагрузки в большей мере имеют индуктивный характер, то для их компенсации используются конденсаторные установки. Если нагрузка имеет емкостной характер, для компенсации используют индуктивности (дроссели и реакторы).

В более сложных случаях используют автоматизированные фильтрокомпенсирующие конденсаторные установки. Они позволяют избавить сети от высокочастотных гармонических составляющих, повысить помехоустойчивость оборудования.

Регулируемые и нерегулируемые установки для компенсации реактивной мощности

Устройства для компенсации реактивной мощностиУстановки для компенсации реактивной мощности делятся по степени управления делятся на регулируемые и нерегулируемые. Нерегулируемые проще и дешевле, но учитывая изменение cos? от степени нагрузки, они могут вызвать перекомпенсацию, т.е. они неоптимальные с точки зрения максимального повышения cosφ.

Регулируемые установки хороши тем, что отслеживают изменение в электросети в динамическом режиме. С их помощью можно поднять cos? до значений 0.97-0.98. Кроме того, происходит мониторинг, запись и индикация текущих показаний. Это позволяет далее использовать эти данные для анализа.

Знаете ли Вы, что в 1965 году два американца Пензиас (эмигрант из Германии) и Вильсон заявили, что они открыли излучение космоса. Через несколько лет им дали Нобелевскую премию, как-будто никто не знал работ Э. Регенера, измерившего температуру космического пространства с помощью запуска болометра в стратосферу в 1933 г.? Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.