Загальні відомості про компенсації реактивної потужності

Розробка і проектування схеми електромережі / електроустановки споживача ставить перед проектувальником широкий перелік завдань. Однією з основних завдань є завдання забезпечення безпеки, в тому числі і шляхом підвищення надійності електроустановки та якості споживаної електричної енергії. Серед заходів по оптимізації використання електроенергії споживачем варто виділити заходи спрямовані на підвищення коефіцієнта потужності. Якщо розглядати ці заходи з раціональної точки зору, то зміна коефіцієнта потужності мережі всього з 0,8 до 0,97 (ідеальний випадок - найчастіше початковий коефіцієнт потужності не більше 0,6), то загальні витрати на споживану електроенергію скоротяться на 4 - 5 % від загальної витрати. В даному випадку ці цифри свідчать не тільки про економію коштів на споживану електроенергію і про підвищення енергоефективності виробництва, а й про поліпшення непрямого впливу на екологію шляхом економії природних ресурсів і зниження витрат на обладнання. Саме виникнення реактивної потужності, як поняття, обумовлено рівнем сучасного розвитку промисловості, а саме великою кількістю електричних машин в сучасних мережах. Відомо, що повна потужність має дві складові - активну потужність, які безпосередньо виконують роботу і реактивну - необхідну для активації магнітних полів електричних машин. Реактивна потужність відбирається споживачем з мережі і знижує коефіцієнт потужності і ККД електроустановки. Тобто, чим нижче коефіцієнт потужності, тим вище буде індуктивний реактивний компонент по відношенню до активного компоненту і навпаки. Для вирішення проблеми реактивної потужності можуть використовувати процес примусового виробництва реактивної енергії шляхом використання батарей спеціальних (косинусного) конденсаторів або синхронних компенсаторів. Конденсатори зрушують ток, по фазі на 180% з фази з індуктивним реактивним струмом. Обидва струму підсумовуються алгебраїчно таким чином, що циркулює реактивним струмом установки є реактивний струм, який дорівнює різниці між індуктивним і ємнісним струмами.

Компенсація коефіцієнта потужності

Як відомо, в електричних ланцюгах протікає струм збігається по фазі з напругою тільки коли навантаження має активний (резистори) характер. У разі індуктивного навантаження струм відстає від напруги (двигуни, трансформатори на холостому ходу), коли струм випереджає напругу - навантаження має ємнісний характер ( конденсатори). Так як в промисловості і в побутовій сфері переважають навантаження або активні або активно-індуктивні, тим самим графік струму відстає від графіка напруги на кут φ косинус якого (cos (φ)) є відношенням середньої потужності змінного струму до твору значень напруги і струму. Найбільше значення КМ (коефіцієнт потужності) дорівнює 1 - в разі чисто активного навантаження. У разі синусоїдального змінного струму КМ дорівнює косинусу кута зрушення фаз між синусоїда напруги і струму і визначається параметрами ланцюга: cos (φ) = r / Z,де (φ) - кут зсуву фаз, r - активний опір ланцюга, Z - повний опір ланцюга. КМ може відрізнятися від 1 і в ланцюгах з чисто активними опорами, якщо в них містяться нелінійні ділянки. В цьому випадку КМ зменшується внаслідок спотворення форми кривих напруги і струму. Формула повної потужності, складена для першої гармоніки має вигляд: S = √ ((P ^ 2 + Q ^ 2)) Де S-повна потужність P- активна потужність Q- реактивна потужність Таким чином, cos (φ) зменшується, коли споживання реактивної потужності навантаженням збільшується. Необхідно прагнути до збільшення cos (φ), тому що низький cos (φ) викликає такі проблеми:

1. Протікання струму реактивної потужності (великі втрати потужності в електричних лініях).
2. Великі перепади напруги в електричних лініях (наприклад 330 ... 370 В, замість 380 В)
3. Необхідність збільшення габаритів і потужності генераторів, перетину кабелів, потужності силових трансформаторів .

З вирішення цих технічних проблем і випливає корекція (компенсація) коефіцієнта потужності в електричних мережах. Компенсація реактивної потужності здійснюється шляхом підключення до мережі конденсаторних установок і конденсаторів. Підключаючи конденсатори ми вводимо в мережу емкостную складову, яка зменшує відставання графіка струму від напруги і наближає, при достатній компенсації, коефіцієнт потужності до 1. Таким чином, зменшується споживання реактивної потужності через силові трансформатори у енергопостачальної організації і поліпшується cos (φ). Рекомендується підтримувати cos (φ) в межах = 0,92..0,96, для того, щоб уникнути платежів за споживання реактивної потужності, знизити навантаження на кабелі та трансформатори. Однак, в той же час необхідно уникати і перекомпенсації в мережі (роботи з надмірною кількістю конденсаторів), можливої ​​при cos (φ) = 0,97 і вище, тому що тарифи енергопостачальних організацій за несанкціоновану перекомпенсацію перевищують значно тарифи на реактивну потужність. Розрізняють два основних типи компенсації:Індивідуальнакомпенсація - компенсація реактивної потужності по кожній навантаженні окремо. Індивідуальнакомпенсація - це найбільш просте технічне рішення. У цьому випадку конденсатор (и) підбирається за потужністю і cos (φ) двигуна, тому реактивна потужність двигуна компенсується постійно протягом всього дня. При цьому cos (φ) досить високий. Ще однією перевагою даного виду компенсації реактивної потужності є низькі питомі витрати на компенсацію. Загальна компенсація- компенсація реактивної потужності за допомогою однієї конденсаторної установки встановлюється на трансформаторній підстанції або в складі ГРЩ. Основним фактором, що впливає на вибір оптимальної схеми компенсації реактивної потужності є характер зміни навантаження протягом дня. Якщо підприємство утримує, наприклад, великий парк верстатного обладнання, що працює позмінно або тимчасово - періодично. То в цьому випадку індивідуальна компенсація є більш дорогим рішенням через велику кількість мало працюють конденсаторів. Індивідуальнакомпенсація більш ефективна, в разі генерування реактивної потужності невеликим числом навантажень, які споживають найбільшу потужність досить тривалий період часу. Загальна компенсація застосовується там, де навантаження перерозподіляється між різними споживачами протягом дня. При цьому споживання реактивної потужності протягом дня змінюється. В цьому випадку краще використання регульованих (автоматичних) конденсаторних установок. Завдання такої установки буде підключати необхідну ємність, відповідну навантаженні в кожен конкретний момент.

Ефект гармоніки в електричних мережах

Гармоніки струму (напруги) можна визначити, розклавши відповідні криві в ряд Фур'є. Порядок гармоніки визначається як співвідношення частоти гармоніки до основної частоті тієї ж періодичної хвилі. У випадку ідеальної синусоїдальної хвилі буде присутній тільки основна гармоніка першого порядку, в Україні (СНД) її частота становить 50 Гц. У разі спотвореної кривої, (спотворення обумовлено нелінійністю навантаження- інвертори, лампи денного світла, зварювальні агрегати та ін.) Крива струму або напруги може містити деяку кількість частот спотворюють ідеальну синусоїду. Така крива може бути розкладена на гармонійний ряд, що включає в себе не тільки основну (першу) гармоніку - синусоїду (50 Гц), але і деяку кількість частот кратних 50 Гц - вищі гармоніки. Наприклад, 250 Гц це є 5-я гармоніка. При "нелінійної" навантаженні форма хвилі струму буде відрізнятися від ідеальної і, відповідно до теореми Фур'є, дасть гармоніку, чиї число і амплітуда збільшаться разом зі ступенем викривлення форми хвилі струму. Установка в мережі конденсаторів з компенсацією коефіцієнта потужності служить для створення умови паралельного резонансу між еквівалентної ємністю конденсаторів і еквівалентної индуктивностью системи (яку зазвичай можуть апроксимувати при розрахунку еквівалентної індуктивності трансформатора) відповідно до частоти fк.