Общие сведения о компенсации реактивной мощности

Разработка и проектирование схемы электросети / электроустановки потребителя ставит перед проектировщиком широкий перечень задач. Одной из основных задач является задача обеспечения безопасности, в том числе и путем повышения надежности электроустановки и качества потребляемой электрической энергии. Среди мероприятий по оптимизации использования электроэнергии потребителем стоит выделить мероприятия направленные на повышение коэффициента мощности. Если рассматривать эти мероприятия с рациональной точки зрения, то изменение коэффициента мощности сети всего с 0,8 до 0,97 (идеальный случай – чаще всего изначальный коэффициент мощности не более 0,6), то общие затраты на потребляемую электроэнергию сократятся на 4 – 5 % от общего расхода. В данном случае эти цифры свидетельствуют не только о экономии средств на потребляемую электроэнергию и о повышении энергоэффективности производства, но и о улучшении косвенного влияния на экологию путем экономии природных ресурсов и снижению затрат на оборудование. Само возникновение реактивной мощности, как понятия, обусловлено уровнем современного развития промышленности, а именно большим количеством электрических машин в современных сетях. Известно, что полная мощность имеет две составляющие – активную мощность, непосредственно выполняющие работу и реактивную – необходимую для активации магнитных полей электрических машин. Реактивная мощность отбирается потребителем из сети и снижает коэффициент мощности и КПД электроустановки. То есть, чем ниже коэффициент мощности, тем выше будет индуктивный реактивный компонент по отношению к активному компоненту и наоборот. Для решения проблемы реактивной мощности могут использовать процесс принудительного производства реактивной энергии путем использования батарей специальных (косинусных) конденсаторов или синхронных компенсаторов. Конденсаторы сдвигают ток, по фазе на 180% из фазы с индуктивным реактивным током. Оба тока суммируются алгебраически таким образом, что циркулирующим реактивным током установки является реактивный ток, который равен разнице между индуктивным и ёмкостным токами.

Компенсация коэффициента мощности

Как известно, в электрических цепях протекающий ток совпадает по фазе с напряжением только когда нагрузка имеет активный (резисторы) характер. В случае индуктивной нагрузки ток отстает от напряжения (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), когда ток опережает напряжение – нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы). Так как в промышленности и в бытовой сфере преобладают нагрузки или активные или активно-индуктивные, тем самым график тока отстает от графика напряжения на угол φ косинус которого (cos(φ)) является отношением средней мощности переменного тока к произведению действующих значений напряжения и тока. Наибольшее значение КМ (коэффициент мощности) равно 1 – в случае чисто активной нагрузки . В случае синусоидального переменного тока КМ равен косинусу угла сдвига фаз между синусоидами напряжения и тока и определяется параметрами цепи: cos(φ) = r/Z, где (φ) — угол сдвига фаз, r — активное сопротивление цепи, Z — полное сопротивление цепи. КМ может отличаться от 1 и в цепях с чисто активными сопротивлениями, если в них содержатся нелинейные участки. В этом случае КМ уменьшается вследствие искажения формы кривых напряжения и тока. Формула полной мощности, составленная для первой гармоники имеет вид : S= √((P^2+ Q^2)) Где S-полная мощность P- активная мощность Q- реактивная мощность Таким образом, cos(φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к увеличению cos(φ), т.к. низкий cos(φ) вызывает следующие проблемы:

1. Протекание тока реактивной мощности (большие потери мощности в электрических линиях).
2. Большие перепады напряжения в электрических линиях (например 330...370 В, вместо 380 В)
3. Необходимость увеличения габаритов и мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из решения этих технических проблем и вытекает коррекция (компенсация) коэффициента мощности в электрических сетях. Компенсация реактивной мощности осуществляется путем подключения к сети конденсаторных установок и конденсаторов. Подключая конденсаторы мы вводим в сеть емкостную составляющую, которая уменьшает отставание графика тока от напряжения и приближает, при достаточной компенсации, коэффициент мощности к 1. Таким образом, уменьшается потребление реактивной мощности через силовые трансформаторы у энергоснабжающей организации и улучшается cos(φ). Рекомендуется поддерживать cos(φ) в пределах = 0,92..0,96, для того, чтобы избежать платежей за потребление реактивной мощности, снизить нагрузку на кабели и трансформаторы. Однако, в то же время необходимо избегать и перекомпенсации в сети (работы с избыточным количеством конденсаторов), возможной при cos(φ)=0,97 и выше, т.к. тарифы энергоснабжающих организаций за несанкционированную перекомпенсацию превышают значительно тарифы на реактивную мощность. Различают два основных типа компенсации: Индивидуальная компенсация - компенсация реактивной мощности по каждой нагрузке отдельно. Индивидуальная компенсация - это наиболее простое техническое решение. В этом случае конденсатор(ы) подбирается по мощности и cos(φ) двигателя, поэтому реактивная мощность двигателя компенсируется постоянно в течение всего дня. При этом cos(φ) достаточно высокий. Еще одним достоинством данного вида компенсации реактивной мощности являются низкие удельные затраты на компенсацию. Общая компенсация - компенсация реактивной мощности с помощью одной конденсаторной установки устанавливаемой на трансформаторной подстанции или в составе ГРЩ. Основным фактором, влияющим на выбор оптимальной схемы компенсации реактивной мощности является характер изменения нагрузки в течение дня. Если предприятие содержит, например, большой парк станочного оборудования, работающего посменно или временно – периодически. То в этом случае индивидуальная компенсация является более дорогим решением по причине большого количества мало работающих конденсаторов. Индивидуальная компенсация более эффективна, в случае генерирования реактивной мощности небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени. Общая компенсация применяется там, где нагрузка перераспределяется между разными потребителями в течение дня. При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется. В этом случае предпочтительнее использование регулируемых (автоматических) конденсаторных установок. Задача такой установки будет подключать требуемую емкость, соответствующую нагрузке в каждый конкретный момент.

Эффект гармоники в электрических сетях

Гармоники тока (напряжения) можно определить, разложив соответствующие кривые в ряд Фурье. Порядок гармоники определяется как соотношение частоты гармоники к основной частоте той же периодической волны. В случае идеальной синусоидальной волны будет присутствовать только основная гармоника первого порядка, в Украине (СНГ) ее частота составляет 50 Гц. В случае искаженной кривой, (искажение обусловлено нелинейностью нагрузки- инверторы, лампы дневного света, сварочные агрегаты и др.) кривая тока или напряжения может содержать некоторое количество частот искажающих идеальную синусоиду. Такая кривая может быть разложена на гармонический ряд, включающий в себя не только основную (первую) гармонику - синусоиду (50 Гц), но и некоторое количество частот кратных 50 Гц – высшие гармоники. Например, 250 Гц это есть 5-я гармоника. При “нелинейной” нагрузке форма волны тока будет отличаться от идеальной и, согласно теореме Фурье, даст гармонику, чьи число и амплитуда увеличатся вместе со степенью искривления формы волны тока. Установка в сети конденсаторов с компенсацией коэффициента мощности служит для создания условия параллельного резонанса между эквивалентной емкостью конденсаторов и эквивалентной индуктивностью системы (которую обычно могут аппроксимировать при расчете эквивалентной индуктивности трансформатора) в соответствии с частотой fк.