Опубликовано

Компенсация реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности:

Многие потребители, прочитав в интернете о компенсации реактивной мощности крупными заводами и фабриками тоже задумываются о компенсации реактивной составляющей у себя дома. Тем более что сейчас существует большой выбор компенсирующих устройств, применять которые можно в обыкновенном быту. О том, действительно ли существует возможность, несколько сэкономить на этом у вас дома, вы можете прочитать в этой статье. А мы рассмотрим, возможность сделать такой компенсатор своими руками.

Отвечу сразу – да, возможно. Более того, это не только дешевое, но и довольно простое устройство, однако для понимания принципа его работы нужно знать, что такое реактивная мощность.

С курса школьной физики, и азов электротехники многим из вас уже известно общие сведенья о реактивной мощности, поэтому следует перейти сразу к практической части, однако невозможно этого сделать, миновав нелюбимую всеми математику.

Итак, для начала выбора элементов компенсатора необходимо рассчитать реактивную мощность нагрузки:

Поскольку такие составляющие как напряжение и ток мы можем померять, то фазовый сдвиг мы можем замерять только с помощью осциллографа, а он есть не у всех, так что придется идти другим путем:

Поскольку мы используем самое примитивное устройство из самих конденсаторов, нам необходимо рассчитать их емкость:

Где f – частота сети, а ХС – реактивное сопротивление конденсатора, оно равно:

Конденсаторы подбираются по току, напряжению, емкости, мощности соответственно, отталкиваясь от ваших потребностей. Желательно чтобы количество конденсаторов было больше единицы, чтобы возможно было экспериментально подобрать наиболее подходящую емкость для нужного потребителя.

В целях безопасности компенсирующее устройство должно подключатся через плавкий предохранитель или автомат (на случай слишком большого зарядного тока или КЗ).

Поэтому рассчитаем ток плавкого предохранителя (плавкой вставки):

Где ів – ток плавкой вставки (предохранителя), А; n – количество конденсаторов в устройстве, штук; Qk– номинальная мощность однофазного конденсатора, кВАр; Uл – линейное напряжение, кВ (в нашем случае фазное без).

Если используем автомат:

После отключения компенсатора от сети на его зажимах будет напряжение, поэтому для быстрого разряда конденсаторов можно использовать резистор (лучше всего лампочку накаливания или неонку), подключив его параллельно устройству. Блок-схема и принципиальная схемы приведены ниже:

Блок-схема включения компенсатора реактивной мощности Продемонстрирую более наглядно

В отверстие номер один подключается потребитель, а в отверстие номер два подключается компенсатор.

Принципиальная схема компенсатора реактивной мощности Включение через предохранитель-автомат

Включается компенсирующее устройство всегда параллельно нагрузке. Данная хитрость уменьшает результирующий ток цепи, что уменьшает нагрев кабеля, соответственно к одной розетке может быть подключено большое количество потребителей или увеличена их мощность.

Энергоэффективность производственных электросетей

Относительно недавно необходимости в подобном оборудовании не существовало. Однако сейчас специалистов, задумывающихся о том, для чего нужны конденсаторные установки, практически не осталось. Слишком очевидна проблема дефицита качественной электроэнергии.

Количество потребителей лавинообразно растет, промышленное оборудование становится все более чувствительным к параметрам электроэнергии, однако морально устаревшие сети не справляются с нагрузкой ни по качественным, ни по количественным характеристикам. В процессе транспортировки электроэнергии и работы многих установок образуется не только активная, но и реактивная мощность. Часть мощности системы расходуется в пустую, повышая стоимость траспортировки ресурса, увеличивая его расход и перегружая систему. Для электрических сетях с реактивной мощностью характерны нагрев отдельных элементов, появление пробоев и перегрузок.

Чтобы избежать негативных последствий, необходимо вкладывать значительные средства в модернизацию сетей: увеличивать сечение кабелей, устанавливать трансформаторы и другое оборудование повышенной мощности. Однако есть более простое и эффективное решение.

Конденсаторные установки обладают целым рядом преимуществ:

  • Обеспечивают заметный эффект при низких стартовых затратах. При грамотном подходе каждая установка окупается в течение года.
  • Предельно просты при установке и в эксплуатации.
  • Подключаются именно там, где вам нужно.
  • Существуют решения для электросетей низкого, среднего и высокого напряжения.

В зависимости от требований заказчика, КУ решают следующие задачи:

  • Снижают расход и стоимость потребляемой электроэнергии.
  • Гарантируют передачу ресурса по проводам меньшего сечения, без дорогостоящей модернизации всей электросети.
  • Стабилизируют параметры тока при транспортировке на большие расстояния. Предотвращают перепады напряжения на электросетях различного масштаба.
  • Защищают оборудование от перегрузок.
  • Повышают качество поставляемого ресурса.

Наиболее эффективны КУ на производствах с высоким содержанием асинхронных двигателей, силовых установок с cos φ = 0,7 и ниже, и т.д.

Принцип действия

Конструкция конденсаторной установки выполнена в виде электроприбора, состоящего из конденсатора и дополнительного электрического оборудования. Данная установка предназначена для компенсации реактивной мощности оборудования, создающей электромагнитные поля и дополнительную нагрузку на электроприборы.

Для регулировки нагрузки используются различные устройства, в том числе конденсаторы, контакторы, контроллеры и защитная аппаратура. С их помощью каждая конденсаторная установка может легко компенсировать реактивную мощность. Они довольно просты в монтаже и эксплуатации, работают практически бесшумно, способствуют сокращению потерь в кабельных линиях.

Принцип действия конденсаторных установок основан на эффекте динамической или коммутируемой компенсации реактивной мощности. С этой целью применяется специальная система конденсаторов, располагающихся в определенной последовательности. Непосредственная коммутация осуществляется с помощью контакторов или тиристоров. Первый вариант используется в большинстве конденсаторных установок с электромеханическими реле. Они обладают универсальной конструкцией, просты в использовании, стоят сравнительно недорого.

Второй вариант с использованием тиристорных систем считается более дорогим, однако он хорошо зарекомендовал себя в сетях с резко изменяющимися нагрузками. Подключение любого устройства может производиться на любых участках электрической сети, независимо от принципа действия.

Назначение установок КРМ

Конденсаторные установки известны еще и как установки КРМ – то есть компенсаторы реактивной мощности. Они широко используются в энергетике, трансформаторах, асинхронных двигателях и другом оборудовании с появляющейся реактивной мощностью. Данное явление доставляет определенные неприятности подключенному оборудованию из-за создания дополнительного напряжения в сети. Для снижения негативных последствий и предназначены установки, компенсирующие реактивную мощность.

Очень часто возникает вопрос, зачем нужна конденсаторная установка для чего используется это устройство? Основной функцией данных систем является поддержание заданного уровня коэффициента мощности потребителя. С этой целью в реальном времени отслеживаются изменения нагрузки, после чего в нужный момент происходит включение или отключение нужного количества конденсаторных батарей.

Большая часть нагрузки современных электрических сетей создается на промышленных предприятиях электродвигателями, трансформаторами и другим оборудованием с электромагнитными системами. Для их работы используется реактивная энергия, под действием которой появляется фазовый сдвиг между током и напряжением. При включении нагрузки происходит потребление не только активной, но и реактивной энергии. В связи с этим полная мощность увеличивается в среднем на 20-25% относительно активной мощности. Это соотношение и будет коэффициентом мощности.

Для того чтобы исключить попадание в сеть реактивной мощности применяются различные виды конденсаторных установок. За счет этого она вырабатывается и остается на месте, где и потребляется электрическими нагрузками.

Существует несколько видов установок компенсации реактивной мощности: автоматические высоковольтные и низковольтные, тиристорные, фильтрокомпенсирующие, а также тиристорные установки с фильтрацией высших гармоник. Отдельно следует отметить конденсаторные установки нерегулируемые, компенсирующие реактивную мощность постоянных нагрузок. Типичными примерами такого оборудования различные виды насосов, особенно используемых в системах тепло- и водоснабжения. В этом случае коэффициент мощности повышается за счет приложения постоянной мощности конденсаторов напрямую к реактивной нагрузке.

Преимущества использования конденсаторных установок

Основными положительными качествами компенсационных систем является отсутствие каких-либо вращающихся частей, небольшие удельные потери активной мощности, возможность подбора любой практически необходимой мощности компенсации, возможность подключения к любой точке сети, простая эксплуатация и монтаж, отсутствие шумов во время работы, относительно низкие капиталовложения.

Конденсаторные установки бывают в двух вариантах:

  • Модульные — используют для компенсирования реактивной мощности в групповых сетях и сетях энергообеспечения на крупных и средних предприятиях.
  • Моноблочные — имеют широкое применение для компенсирования реактивной мощности в групповых сетях на малых предприятиях.

Если предприятие работает, круглые сутки и образование реактивной энергии случается постоянно, то выгодно чтобы конденсаторные установки работали круглые сутки. Но если на производстве, работа распределена неравномерно, предположим, в ночное время нагрузка значительно снижается, необходимо обеспечивать их выключение, так как непрерывная работа может привести к лишнему увеличению напряжения в электросетях.

Таким производствам больше подходят установки с автоматической регулировкой. Они имеют автоматический регулятор, он постоянно следит за значение коэффициента мощности, и, регулирует количество подключенных батарей, что позволяет максимально возмещать её объем.

Срок окупаемости при правильном выборе, может составить от шести месяцев до полутора лет.

Общие вопросы теории

Во всех крупных электрических сетях возникают два вида сопротивлений:

  1. активное – например, у ламп накаливания, электронагревателей;
  2. индуктивное – у электродвигателей, распределительных трансформаторов, сварочного оборудования, люминесцентных ламп.

Общая мощность формируется с учетом этих двух нагрузок. Подробнее эта зависимость показана на картинке ниже.

Как определить фактор мощности

Когда напряжение становится отрицательным, а ток – положительным и наоборот, происходит смещение тока по фазе. В этот момент мощность поступает в обратном направлении в сторону генератора, хотя должна идти на нагрузку. При этом электрическая энергия колеблется от нагрузки к генератору и обратно, вместо того, чтобы переходить по сети. Мощность, которая возникает во время этого процесса, называется реактивной. Такая мощность генерирует магнитное поле, которое также дает дополнительную нагрузку на силовые поля.

Для того чтобы установить полную мощность сети, необходимо определить обе составляющие: и активную, и реактивную. Значение вычисляется, исходя из фактора, или коэффициента, мощности, которым является cosφ – косинус угла, возникающий между кривыми активной и реактивной составляющих.

Активная мощность используется для преобразования в тепловую, механическую и другие полезные виды энергии. Реактивная не подходит для использования в этих целях, но без нее невозможна работа трансформаторов, генераторов и другого оборудования, функционирование которого основано на свойствах электромагнитного поля. Организации, занимающиеся электроснабжением, ведут поставку только активной нагрузки, потому что поставки реактивного сопротивления:

  • увеличивают мощность оборудования за счет снижения пропускной способности;
  • повышают активные потери;
  • приводят к падению напряжения из-за присутствия реактивной составляющей.

Особенности установки компенсационного оборудования

Удобнее всего генерировать реактивную часть напрямую у потребителя, иначе пользователю придется платить за поставки электричества дважды. Первый раз – за поставку активной, а второй – реактивной части. Кроме того, при такой двойной поставке потребуется дополнительное оборудование. Для чтобы избежать такой ситуации, используются конденсаторные установки компенсации реактивной мощности.

Важно! Установка компенсации реактивной мощности (КРМ) не просто экономит энергию. На промышленных предприятиях России потенциал энергосбережения составляет только 13-15% от общего потребления.

Устройство для компенсации реактивной составляющей

Уровень потребляемой электроэнергии на предприятии постоянно изменяется, то есть cosφ может расти или понижаться. Таким образом, чем больше коэффициент мощности, тем выше активная составляющая и наоборот. Для регулирования данного процесса требуются конденсаторные установки, способные компенсировать реактивную составляющую.

Конденсаторы, на основе которых построена эта компенсационная аппаратура, удерживают значение напряжения на заданном уровне. Ток в конденсаторах в противоположность индуктивности работает на опережение. Таким образом, конденсаторы выступают в роли фазосдвигающего оборудования.

Все конденсаторные установки по компенсации реактивной мощности разделяются на регулируемые и нерегулируемые. Главный недостаток последних заключается в том, что при существенном изменении нагрузки и коэффициента мощности, возможна перекомпенсация. Если в цепи имеется вероятность существенного роста cosφ, использовать нерегулируемого КРМ не рекомендуется.

Регулируемые устройства способны работать в динамическом режиме, проводить мониторинг и отслеживать показания для дальнейшего анализа. Контроллер, входящий в состав этого оборудования, прямо на месте отслеживает и рассчитывает сразу несколько показателей:

  • уровень реактивной нагрузки во внешней цепи;
  • определяет существующий коэффициент мощности;
  • сравнивает коэффициент с заданными значениями.

Если полученное значение отличается от эталона, регулятор подключает или отключает определенные конденсаторы, входящие в компенсаторную установку. Использование этого оборудования дает возможность полностью контролировать уровень подачи электроэнергии на предприятиях с большим количеством разных по назначению приборов. Особенно это важно, если точно отследить, как изменяется реактивная составляющая по сети, довольно сложно. Общий принцип компенсирования позволяет не устанавливать у каждого прибора с реактивной составляющей отдельного оборудования.

Эффективность применения конденсаторных установок

Несмотря на то, что удобнее всего компенсировать реактивную составляющую напрямую у потребителя, для улучшения качества поставляемой электроэнергии первые установки используются еще на подстанциях. Это дает возможность разгрузить сеть и уже сэкономить от 10 до 20% энергии. Поэтому на подстанциях в 0,4 кВ проводится переключение пользователей с перегруженных фаз на недогруженные.

Индивидуальные, групповые централизованные КРМ

У непромышленных абонентов качественно выровнять фазы, используя только одну конденсаторную установку, практически невозможно. Особенно это касается жилых зданий с однофазной нагрузкой. Здесь компенсацию проводят на каждой фазе и дополнительно используют фильтры, емкость которых можно менять в автоматическом режиме.

Номинальное напряжение конденсаторных установок может быть самым разным. Высоковольтное оборудование 6, 10, 35кВ используют на подстанциях. Низковольтные устройства 0,4-0,66кВ применяют непосредственно на нагрузках. За счет высокого быстродействия низковольтные приборы могут стабилизировать не только постоянную, но и скачкообразную реактивную мощность.

В общем случае компенсация реактивной мощности состоит из 2 этапов:

  1. Централизованный мониторинг качества (грубая компенсация) путем выравнивания фаз и фильтрации тока на подстанциях;
  2. Индивидуальная компенсация на промышленных предприятиях, их отдельных подразделениях, а также на уровне мелких потребителей – владельцев квартир и частных домов. В ходе этих работ устройство компенсации реактивной мощности уменьшает энергопотери за счет обеспечения синусоидальности тока.

Раньше проблемы энергосбережения у небольших потребителей практически не брались во внимание. Считалось, что реактивная составляющая оказывает влияние только на работу крупных предприятий, где используются индукционные печи, асинхронные двигатели, понижающие трансформаторы и другие приборы.

Конденсаторные установки на подстанциях

Но в последнее время количество используемого преобразовательного и стабилизирующего оборудования в социально-бытовой среде значительно увеличилось. Полупроводниковые преобразователи ухудшают форму кривой тока, тем самым негативно влияют на функционирование других приборов. Но пока устройства КРМ для частных коммунально-бытовых потребителей почти не применяются.

Видео

Реактивная мощность — часть полной мощности, затрачиваемая на электромагнитные процессы в нагрузке имеющей емкостную и индуктивную составляющие. Не выполняет полезной работы, вызывает дополнительный нагрев проводников и требует применения источника энергии повышенной мощности.

Статьи по теме компенсации реактивной мощности

  • Где необходима компенсация реактивной мощности
  • Экономический эффект внедрения установок компенсации реактивной мощности
  • Методика и калькулятор расчета необходимой компенсации реактивной мощности
  • Теория о природе реактивной мощности

Реактивная мощность относится к техническим потерям в электросетях согласно Приказу Минпромэнерго РФ № 267 от 04.10.2005.

При нормальных рабочих условиях все потребители электрической энергии, чей режим сопровождается постоянным возникновением электромагнитных полей (электродвигатели, оборудование сварки, люминесцентные лампы и многое др.) нагружают сеть как активной, так и реактивной составляющими полной потребляемой мощности. Эта реактивная составляющая мощности (далее реактивная мощность) необходима для работы оборудования содержащего значительные индуктивности и в то же время может быть рассмотрена как нежелательная дополнительная нагрузка на сеть.

Для наглядности и лучшего понимания происходящих процессов, рекомендуем ознакомиться с роликом о реактивной мощности:

При значительном потреблении реактивной мощности напряжение в сети понижается. В дефицитных по активной мощности энергосистемах уровень напряжения, как правило, ниже номинального. Недостаточная для выполнения баланса активная мощность передается в такие системы из соседних энергосистем, в которых имеется избыток генерируемой мощности. Обычно энергосистемы дефицитные по активной мощности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не передавать из соседних энергосистем, а генерировать в компенсирующих устройствах, установленных в данной энергосистеме. В отличие от активной мощности реактивная мощность может генерироваться не только генераторами, но и компенсирующими устройствами – конденсаторами, синхронными компенсаторами или статическими источниками реактивной мощности, которые можно установить на подстанциях электрической сети.

Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения и снижения нагрузок на электросеть. По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает значительную величину в себестоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления предприятия, выработке методики и поиску средств для компенсации реактивной мощности.

Преимущества использования конденсаторных установок, как средства для компенсации реактивной мощности

  • малые удельные потери активной мощности (собственные потери современных низковольтных косинусных конденсаторов не превышают 0,5 Вт на 1000 ВАр);
  • отсутствие вращающихся частей;
  • простой монтаж и эксплуатация (не нужно фундамента);
  • относительно невысокие капиталовложения;
  • возможность подбора любой необходимой мощности компенсации;
  • возможность установки и подключения в любой точке электросети;
  • отсутствие шума во время работы;
  • небольшие эксплуатационные затраты.

В зависимости от подключения конденсаторной установки возможны следующие виды компенсации:

  1. Индивидуальная или постоянная компенсация, при которой индуктивная реактивная мощность компенсируется непосредственно в месте её возникновения, что ведет к разгрузке подводящих проводов (для отдельных, работающих в продолжительном режиме потребителей с постоянной или относительно большой мощностью — асинхронные двигатели, трансформаторы, сварочные аппараты, разрядные лампы и т.д.).
  2. Групповая компенсация, в которой аналогично индивидуальной компенсации для нескольких одновременно работающих индуктивных потребителей подключается общий постоянный конденсатор (для находящихся вблизи друг от друга электродвигателей, групп разрядных ламп). Здесь также разгружается подводящая линия, но только до распределения на отдельных потребителей.
  3. Централизованная компенсация, при которой определенное число конденсаторов подключается к главному или групповому распределительному шкафу. Такую компенсацию применяют, обычно, в больших электрических системах с переменной нагрузкой. Управление такой конденсаторной установкой выполняет электронный регулятор — контроллер, который постоянно анализирует потребление реактивной мощности от сети. Такие регуляторы включают или отключают конденсаторы, с помощью которых компенсируется мгновенная реактивная мощность общей нагрузки и, таким образом, уменьшается суммарная мощность, потребляемая от сети.

Групповая компенсация

Индивидуальная компенсация

Централизованная компенсация

Установка компенсации реактивной мощности состоит из определенного числа конденсаторных ветвей, которые в своём построении и ступенях подбираются исходя из особенностей каждой конкретной электросети и её потребителей реактивной мощности.

Больше других распространены ветви в 5 кВАр, 7,5 кВАр, 10 кВАр 12,5 кВАр, 20 кВАр, 25 кВАр, 30 кВАр, 50 кВАр. Более крупные ступени включения, например, в 100 кВАр или ещё больше, достигаются соединением нескольких малых ветвей. Таким образом, снижается нагрузка на сеть, создаваемая токами включения и следовательно, уменьшаются образующиеся от этого помехи (например, импульсы тока). Если в напряжении электросети содержится большая доля высших гармоник, то конденсаторы, обычно, защищают дросселями (реакторами фильтрующего контура).

Применение автоматических установок компенсации реактивной мощности позволяет решить ряд проблем:

  1. снизить загрузку силовых трансформаторов (при снижении потребления реактивной мощности снижается потребление полной мощности);
  2. обеспечить питание нагрузки по кабелю с меньшим сечением (не допуская перегрева изоляции);
  3. за счет частичной токовой разгрузки силовых трансформаторов и питающих кабелей подключить дополнительную нагрузку;
  4. позволяет избежать глубокой просадки напряжения на линиях электроснабжения удаленных потребителей (водозаборные скважины, карьерные экскаваторы с электроприводом, стройплощадки и т. д.);
  5. максимально использовать мощность автономных дизель — генераторов (судовые электроустановки, электроснабжение геологических партий, стройплощадок, установок разведочного бурения и т. д.);
  6. облегчить пуск и работу двигателя (при индивидуальной компенсации);
  7. автоматически отслеживается изменение реактивной мощности нагрузки в компенсируемой сети и, в соответствии с заданным, корректируется значение коэффициента мощности — cosφ;
  8. исключается генерация реактивной мощности в сеть;
  9. исключается появление в сети перенапряжения, т. к. нет перекомпенсации, возможной при использовании нерегулируемых конденсаторных установок;
  10. визуально отслеживаются все основные параметры компенсируемой сети;

Установки компенсации изготавливаются из отдельных, расположенных в металлических шкафах, силовых компенсационных модулей, конструкция которых обеспечивает взаимозаменяемость идентичных элементов установки. Сборка и комплектация установок компенсации реактивной мощности производится на предприятии-изготовителе, а на месте их размещения — только монтаж и подключение к компенсируемой сети электроснабжения.

Установки компенсации реактивной мощности до100 кВАр, обычно, выпускаются в настенном исполнении.

Размещать установки компенсации лучше всего вблизи распределительного щита, т.к. в этом случае упрощается их присоединение к электросети. При соблюдении требований ПУЭ комплектные установки компенсации реактивной мощности можно устанавливать непосредственно в производственных помещениях.

НЕОБХОДИМА КОНСУЛЬТАЦИЯ? Позвоните: Напишите: mail@nucon.ru, sale@nucon.ru или заполните простую форму
>
Аврал.Блог

Введение

Мощность, потребляемая нагрузкой на переменном токе, подразделяется на активную (P) и реактивную (Q) составляющую. Полезную работу совершает только активная мощность, а реактивная мощность идет на создание магнитного и электрического поля. Передача реактивной мощности от источников генерации к потребителю нежелательна по следующим причинам:

  • появляются дополнительные потери активной мощности и энергии во всех элементах электрической сети;
  • возрастают потери напряжения;
  • увеличиваются капитальные затраты на строительство сетей, так как приходится ставить более мощное оборудование на подстанциях и прокладывать линии с большим сечением жил проводов и кабелей.

Существует ряд мероприятий по снижению потребления реактивной мощности, в частности, установка компенсирующих устройств (КУ). Очевидно, что наиболее целесообразно ставить КУ в местах потребления реактивной мощности, так как в этом случае разгружается все элементы сети, участвующие в передаче электроэнергии. Для компенсации реактивной мощности используются конденсаторные батареи, синхронные компенсаторы, тиристорные компенсаторы.

Соотношение потребления активной и реактивной мощности характеризуется коэффициентом реактивной мощности – tgϕ.

(1)

Предельные значения tgϕ в часы больших суточных нагрузок электрической сети для потребителей, присоединенных к сетям напряжением ниже 220 кВ, определяются в соответствии с приложением к (см. табл. 1).

Таблица 1.

Предельные значения коэффициента реактивной мощности

Положение точки присоединения потребителя к электрической сети

tgϕ

— напряжением 110 кВ (154 кВ)

0,5

— напряжением 35 кВ (60 кВ)

0,4

— напряжением 6-20 кВ

0,4

— напряжением 0,4 кВ

0,35

Следует заметить, что эти значения устанавливаются

«…в отношении потребителей электрической энергии, присоединенная мощность энергопринимающих устройств которых более 150 кВт (за исключением граждан-потребителей, использующих электрическую энергию для бытового потребления, и приравненных к ним в соответствии с нормативными правовыми актами в области государственного регулирования тарифов групп (категорий) потребителей (покупателей), в том числе многоквартирных домов, садоводческих, огороднических, дачных и прочих некоммерческих объединений граждан)» .

Кроме того, максимальная величина tgϕ может указываться в выдаваемых потребителям технических условиях (ТУ) на подключение к электрическим сетям. В этом случае примерная формулировка следующая (пример для ТП-10/0,4 кВ):

«Согласованный системным оператором tgϕ на стороне 10 кВ принять не более 0,1. Проектом необходимо выполнить расчёт реактивной мощности, предусмотреть компенсирующие устройства с автоматическим регулированием в РУ-0,4 кВ трансформаторной подстанции. Количество и мощность компенсирующих устройств определить проектом».

В приведенной формулировке требования к максимальному значению tgϕ жёстче, чем в (см. табл. 1). При этом не указывается, к какому режиму относится требование – часы больших или малых суточных нагрузок.

В статье рассматривается распространенный случай компенсации реактивной мощности в системе электроснабжения при установке регулируемой батареи конденсаторов на шинах 0,4 кВ трансформаторной подстанции (ТП) напряжением 10(6)/0,4 кВ.

Постановка задачи

Принципиальная электрическая схема трансформаторной подстанции с установленными устройствами компенсации реактивной мощности (конденсаторными батареями) приведена на рис. 1.

Рис. 1. Принципиальная электрическая схема трансформаторной подстанции.

Как правило, секционный автоматический выключатель в нормальном режиме работы ТП разомкнут. Каждую секцию шин можно рассматривать изолировано друг от друга и рассчитывать параметры режима отдельно. Для упрощения расчетов будем считать режимы потребления электроэнергии на обеих секциях симметричными и примем следующие обозначения:

  • Pр.нагр.1 = Pр.нагр.2 = Pр.нагр. – расчётная активная мощность нагрузки;
  • cosϕр.нагр.1 = cosϕр.нагр.2 = cosϕр.нагр. – расчётный коэффициент мощности нагрузки;
  • QКУ-1.ном = QКУ-2.ном = QКУ.ном – номинальная мощность устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ);
  • ΔQКУ-1 = ΔQКУ-2 = ΔQКУ – мощность ступени регулирования УКРМ;
  • UНН – номинальное напряжение стороны низкого напряжения (НН);
  • P1НН = P2НН = PНН = Pр.нагр.– расчётная активная мощность на шинах НН;
  • Q1НН = Q2НН = QНН – расчётная реактивная мощность на шинах НН;
  • tgϕ1НН = tgϕ2НН = tgϕНН – расчётный коэффициент реактивной мощности на шинах НН;
  • ΔPТ – потери активной мощности в трансформаторе;
  • ΔQТ – потери реактивной мощности в трансформаторе;
  • UВН – номинальное напряжение стороны высокого напряжения (ВН);
  • tgϕmax (tgϕmin) – максимальное (минимальное) значение нормируемого коэффициента реактивной мощности на шинах ВН;
  • P1ВН = P2ВН = PВН – расчётная активная мощность на шинах ВН;
  • Q1ВН= Q2ВН = QВН – расчётная реактивная мощность на шинах ВН;
  • tgϕ1ВН = tgϕ2ВН = tgϕВН – расчётный коэффициент реактивной мощности на шинах ВН.

Цель: рассчитать номинальную реактивную мощность (QКУ.ном) и ступень регулирования (ΔQКУ) УКРМ.

Расчет мощности УКРМ

Коэффициент реактивной мощности на стороне ВН определяется следующим образом:

(2)

Потребляемая активная мощность на шинах ВН складывается из активной мощности нагрузки и активных потерь мощности в трансформаторе:

(3)

Потребляемая реактивная мощность на шинах ВН складывается из реактивной мощности нагрузки и реактивных потерь мощности в трансформаторе за вычетом расчетной мощности компенсирующего устройства:

(4)

Выразим реактивную мощность нагрузки через известные величины (см. рис.1):

(5)

(6)

Потери активной и реактивной мощности в трансформаторе зависят от передаваемой мощности и рассчитываются по формулам (7) и (8):

(7)

(8)

где ΔPxx – потери активной мощности холостого хода трансформатора (паспортные данные), кВт;

ΔQμ – потери реактивной мощности холостого хода трансформатора, квар;

ΔPнагр. (ΔQнагр.) – нагрузочные активные (реактивные) потери в трансформаторе, кВт (квар);

ΔPк – потери активной мощности короткого замыкания трансформатора (паспортные данные), кВт;

SНН – потребляемая полная мощность на шинах НН, кВ*А:

(9)

SТ – номинальная полная мощность трансформатора, кВ*А;

Iхх – ток холостого хода трансформатора, %;

Uк – напряжение короткого замыкания трансформатора, %.

Следует заметить, что расчеты по формулам (7) – (9) носят приближённый характер, так как на этом этапе нельзя определить значение QНН из-за того, что неизвестно расчетное значение реактивной мощности компенсирующего устройства QКУ.р, см. формулу (4). В этом случае можно:

  • принять QКУ.р = 0 и выполнить расчет без компенсирующего устройства;
  • принять QКУ.р = Qр.нагр. и выполнить расчет при полной компенсации реактивной мощности на шинах НН (этот вариант рекомендуется использовать из-за меньшей расчетной погрешности первой итерации расчёта потерь в трансформаторе).

Подставляя в (2) выражения (3), (4) и (5), получим выражение для расчета коэффициента реактивной мощности на шинах ВН, где вторым неизвестным является значение реактивной мощности компенсирующего устройства QКУ:

(10)

Так как максимальное значение коэффициента реактивной мощности на шинах ВН нормировано, значит должно выполняться следующее условие:

(11)

Выполнение условия (11) необходимо по нормативным требованиям, но недостаточно, так как коэффициент реактивной мощности может быть отрицательной величиной. Действительно, если в (10) QКУ.р будет достаточно большой величиной, чтобы числитель дроби стал отрицательным, то получим перекомпенсацию реактивной мощности QВН< 0 (генерацию в сеть высокого напряжения) и tgϕВН < 0. Перекомпенсация реактивной мощности также нежелательна, как и недокомпенсация, так как в сети опять появляются дополнительные потери мощности и энергии в электрической сети и возрастают капитальные затраты на её строительство. Таким образом, наряду с максимальным значением коэффициента реактивной мощности должно задаваться его минимальное значение tgϕmin. В отсутствие нормативных требований к величине tgϕmin его значение может быть определено из следующих соображений:

  • если генерация реактивной мощности в сеть ВН недопустима, то tgϕmin = 0;
  • если нельзя превышать заданный уровень потерь мощности и энергии в сети, а также обеспечить работу оборудования в номинальных режимах (перекомпенсация допустима), то tgϕmin = -tgϕmax.

Необходимое и достаточное условие для выбора УКРМ выглядит следующим образом:

(12)

Подставив (10) в (12), получим:

(13)

Рассмотрим отдельно левую и правую части выражения (13).

Очевидно, что tgϕmax будет при наименьшем расчетном значении реактивной мощности компенсирующего устройства QКУ.р.min. Заменим в (13) QКУ.р на QКУ.р.min и подставим знак равенства между правой и средней частью выражения:

(14)

Выразив в (14) QКУ.р.min и выполнив необходимые преобразования (15), получим выражение для расчета минимально допустимой мощности компенсирующего устройства (16):

(15)

(16)

Аналогично для левой части (13), tgϕmin будет при наибольшем расчетном значении реактивной мощности компенсирующего устройства QКУ.р.max. Соответственно, выражение для расчета максимально допустимой мощности КУ:

(17)

Номинальная мощность установки компенсации реактивной мощности выбирается из условия:

(18)

где QКУ.р.max и QКУ.р.min – граничные значения реактивной мощности УКРМ, определенные для расчётных значений Pр.нагр. и cosϕр.нагр..

Подставив (16) и (17) в (18), получаем окончательные выражения для выбора номинальной реактивной мощности УКРМ:

(19)

(20)

Выбрав УКРМ, проводим вторую итерацию расчетов по формулам (7) – (9), подставляя в формулы вместо QКУ.р значение QКУ.ном, и уточняем величину QКУ.ном по выражениям (19) и (20).

Выбор ступени регулирования УКРМ

Конденсаторная батарея (УКРМ) содержит ограниченный набор конденсаторов. Конденсаторы могут быть одинаковой или различной ёмкости и разбиты на группы. Каждая группа имеет свое коммутационное устройство (контактор) для включения в электрическую цепь. Микропроцессорный блок контроля и управления измеряет параметры текущего режима (ток и напряжение) и подбирает такое сочетание имеющихся групп конденсаторов, чтобы обеспечить требуемое значение коэффициента реактивной мощности. Очевидно, что регулирование реактивной мощности УКРМ является дискретным. Минимальная величина изменяемого значения реактивной мощности УКРМ называется ступенью регулирования ΔQКУ. Чем меньше ступень регулирования, тем более громоздким и дорогим получается УКРМ, так как увеличивается число конденсаторных групп и коммутационных устройств, но тем точнее поддерживается заданный коэффициент реактивной мощности.

Таким образом, при выборе УКРМ необходимо наряду с номинальной мощностью определить величину ступени регулирования. Ступень регулирования должна быть достаточно мала для поддержания коэффициента реактивной мощности в заданном диапазоне, см. (12), и в то же время без необходимости не увеличивала габариты и стоимость УКРМ.

Для наглядности нанесём значения QКУ, QКУ.min и QКУ.max на числовую ось Q для текущего (не расчетного) режима нагрузки в фиксированный момент времени (см. рис. 2, а).

Текущий режим нагрузки характеризуется значениями:

  • Pнагр.(Qнагр.) – активная (реактивная) мощность нагрузки;
  • cosϕнагр. – коэффициент мощности нагрузки;
  • QКУ – реактивная мощность, вырабатываемая КУ;
  • QКУ.min и QКУ.max – граничные значения реактивной мощности УКРМ для текущего режима нагрузки.

Рис. 2. Изображение реактивной мощности УКРМ в текущем режиме.

а – до переключения ступени регулирования; б – в момент переключения ступени регулирования

Значение QКУ находится между значениями QКУ.min и QКУ.max, значит коэффициент реактивной мощности tgϕВН находится в допустимом диапазоне значений. При уменьшении реактивной мощности нагрузки Qнагр. значения QКУ.min и QКУ.max начинают уменьшаться, см. (5), (16) и (17). При этом они смещаются влево на оси Q до тех пор, пока QКУ.max не достигнет значения QКУ (см. рис. 2, б). При дальнейшем снижении Qнагр. значение QКУ выходит за допустимый диапазон. В этот момент УКРМ снижает вырабатываемую реактивную мощность QКУ на величину ступени регулирования ΔQКУ до значения Q’КУ. Очевидно, что величина ступени регулирования не должна превышать разность между значениями QКУ.max и QКУ.min. Аналогичные рассуждения можно провести при увеличении реактивной мощности нагрузки Qнагр.

Итак, расчётная величина ступени регулирования компенсирующего устройства определяется по выражению:

(21)

Подставив в (21) выражения (16) и (17), получим формулу расчёта ступени регулирования УКРМ:

(22)

Выбор ступени регулирования УКРМ ΔQКУ выполняется по выражению:

(23)

Подставив (22) в (23), окончательно получим:

(24)

Из (22) видно, что расчетное значение ступени регулирования зависит от величины активной мощности нагрузки Pнагр.; при снижении Pнагр. снижается и расчетное значение ΔQКУ.р. Следовательно, если ступень регулирования выбрана по расчетной мощности нагрузки Pр.нагр., то приемлемое значение tgϕВН гарантированно будет обеспечиваться только в диапазоне расчетных (максимальных) значений нагрузок потребителей. При снижении потребляемой нагрузки Pнагр. величина ΔQКУ.р может оказаться меньше ΔQКУ, и tgϕВН выйдет за границы диапазона допустимых значений tgϕmax и tgϕmin. Во избежание этой ситуации рекомендуется производить расчет ΔQКУ.р в режиме малых нагрузок. Тогда выбранная ступень регулирования ΔQКУ по выражению (24) обеспечит поддержание tgϕВН в требуемом диапазоне в режиме и больших, и малых нагрузок.

Пример расчёта

Произведем расчет номинальной мощности и ступени регулирования УКРМ для следующих условий:

параметры нагрузки:

  • Pр.нагр.= 400 кВт;
  • Pр.min.нагр.= 150 кВт (расчётная мощность в режиме малых нагрузок);
  • cosϕр.нагр. = 0,85;

заданный диапазон значений коэффициента реактивной мощности:

  • tgϕmax= 0,1;
  • tgϕmin = 0;

паспортные значения трансформатора:

  • SТ = 630 кВ*А;
  • ΔPxx =0,94 кВт;
  • ΔPк = 7,6 кВт;
  • Iхх = 1,6%;
  • Uк = 5,5 %.

Выполним последовательно расчеты по формулам (6), (5), (9), (7), (8), (16) и (17), при этом примем номинальную мощность УКРМ равной реактивной мощности нагрузки.

(25)

(26)

(27)

(28)

(29)

(30)

(31)

Выполним подбор номинальной мощности УКРМ по выражению (18):

(32)

Выбираем по каталогу завода-изготовителя УКРМ с номинальной мощностью 250 квар.

Подставим в формулу (27) выбранное значение номинальной мощности УКРМ вместо QКУ.р (вторая итерация расчётов):

(33)

Так как значение SНН практически не изменилось, то не имеет смысла производить все расчёты второй итерации. В итоге номинальное значение реактивной мощности УКРМ не изменится.

Окончательно выбираем УКРМ номинальной мощностью 250 квар.

Рассчитаем ступень регулирования УКРМ по выражению (22), предварительно определив потери активной мощности в трансформаторе в режиме минимальных нагрузок по формуле (7), приняв SНН = Pр.min.нагр., так как приближенно считаем, что всю реактивную мощность нагрузки компенсирует УКРМ:

(34)

(35)

Учитывая (23), по каталогу завода-изготовителя выбираем УКРМ со ступенью регулирования ΔQКУ = 12,5квар.

Итак, в результате расчёта выбрали УКРМ с номинальной мощностью 250 квар и ступенью регулирования 12,5 квар (всего 20 ступеней).

Выводы

  1. При выборе УКРМ (конденсаторной батареи) расчёту подлежит не только её номинальная мощность, но и ступень регулирования.
  2. Выбор ступени регулирования рекомендуется выполнять для режима малых нагрузок.
  3. Расчёты с учётом потерь мощности в трансформаторе носят приблизительный характер и их рекомендуется проводить в две итерации; в некоторых случаях от второй итерации можно отказаться ввиду незначительной погрешности расчётов.
  4. Формулы расчёта и выбора номинальной мощности УКРМ:

(36)

(37)

где QКУ.ном – номинальная мощность устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ);

Pр.нагр. – расчётная активная мощность на шинах НН трансформаторной подстанции;

tgϕр.нагр. – расчётный коэффициент реактивной мощности нагрузки;

tgϕmax (tgϕmin) – максимальное (минимальное) значение нормируемого коэффициента реактивной мощности на шинах ВН;

ΔPТ – потери активной мощности в трансформаторе;

ΔQТ – потери реактивной мощности в трансформаторе.

  1. Формула выбора ступени регулирования УКРМ:

(38)

где ΔQКУ – мощность ступени регулирования устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ);

Pнагр. – активная мощность на шинах НН трансформаторной подстанции (рекомендуется принимать значение для режима малых нагрузок).

Литература

  1. Приказ Министерства промышленности и энергетики РФ от 22 февраля 2007 г. № 49 «О порядке расчёта значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах энергоснабжения)».

Обновление от 12 февраля 2018 г. (спасибо пользователю «Игорь» за комментарий)

Приказ № 49 от 22 февраля 2007 г. утратил силу с 07.08.2015 на основании приказа Минэнерго России от 23.06.2015 № 380:

Приказ Министерства энергетики РФ от 23 июня 2015 года № 380 «О Порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии».

Применительно к статье, в приказе № 380 убрали ограничение

«…в отношении потребителей электрической энергии, присоединенная мощность энергопринимающих устройств которых более 150 кВт…»

а также изменилась таблица

«Приложение. Максимальные значения коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети»

(в старой редакции «Предельные значения коэффициента реактивной мощности»).

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *