Компенсация 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[1]. 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:

уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличить срок их службы,

уменьшить нагрузку на провода, кабели, использовать их меньшего сечения,

улучшить качество электроэнергии у электроприемников,

уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения токов в цепях,

избежать штрафов за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности,

снизить расходы на электроэнергию,

уменьшить уровень высших гармоник в сети.

Для перемещения электрической энергии от мест производства до мест потребления не используются другие ресурсы, используется часть самой передаваемой энергии, поэтому ее потери неизбежны, задача состоит в определении их экономически обоснованного уровня. Снижение потерь электроэнергии - одна из задач энергосбережения. Классификация потерь включает в себя четыре составляющие.

1. Технические потери электроэнергии, обусловленные физическими процессами, происходящими при передаче электроэнергии по электрическим сетям и выражающимися в преобразовании части электроэнергии в тепло в элементах сетей.

2. Расход электроэнергии на собственные нужды, необходимый для работы технологического оборудования подстанций и жизнедеятельности обслуживающего персонала.

3. Инструментальные потери, определяются метрологическими характеристиками и режимами работы используемых приборов.

4. Коммерческие потери, обусловлены несоответствием показаний счетчиков оплате за электроэнергию потребителями и другими причинами в сфере организации контроля за потреблением энергии (т.е., в первую очередь, воровством).

Нагрузочные потери активной мощности в элементе сети с сопротивлением R при напряжении U определяются по формуле:

В большинстве случаев значение P (активная мощность) и Q (реактивная мощность) на элементах сети изначально неизвестны. Как правило, известны нагрузки в узлах сети (на подстанциях). Значения данных величин определяются посредством измерений по нормативным методикам, позволяющим определить данные параметры для различных периодов нагрузок - сезонных минимумов и максимумов.

Из формулы видно, что для снижения потерь мощности важно проводить мероприятия по уменьшению или ограничению потребления реактивной мощности потребителями.

В электрических цепях, содержащих комбинированную нагрузку, в частности, активную (лампы накаливания, электронагреватели и др.) и индуктивную (электродвигатели, распределительные трансформаторы, сварочное оборудование, люминесцентные лампы и др.) общую мощность, забираемую от сети, можно выразить следующей векторной диаграммой:

Рис. 9.3. Диаграмма потребления мощности

Отставание тока по фазе от напряжения в индуктивных элементах обуславливает интервалы времени, когда напряжение и ток имеют противоположные знаки: напряжение положительно, а ток отрицателен и наоборот. В эти моменты мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора. При этом электроэнергия, запасаемая в каждом индуктивном элементе, распространяется по сети, не рассеиваясь в активных элементах, а совершая колебательные движения (от нагрузки к генератору и обратно). Соответствующую мощность называют реактивной.

Рис. 9.4. Диаграмма активной и реактивной мощности

Полная мощность складывается из активной мощности, совершающей полезную работу, и реактивной мощности, расходуемой на создание магнитных полей и создающей дополнительную нагрузку на силовые линии питания. Соотношение между полной и активной мощностью, выраженное через косинус угла между их векторами, называется коэффициентом (фактором) мощности.

Активная энергия преобразуется в полезную - механическую, тепловую и др. энергии. Реактивная энергия не связана с выполнением полезной работы, однако она необходима для создания электромагнитного поля, наличие которого является необходимым условием для работы электродвигателей и трансформаторов. Потребление реактивной мощности от энергоснабжающей организации нецелесообразно, т.к. приводит к увеличению мощности генераторов, трансформаторов, сечения подводящих кабелей, а так же повышению активных потерь и падению напряжения. Поэтому реактивную мощность необходимо получать (генерировать) непосредственно у потребителя. Эту функцию выполняют установки компенсации реактивной мощности (КРМ), основными элементами которых являются конденсаторы.Реактивная мощность при этом уже не перемещается между генератором и нагрузкой, а совершает локальные колебания между реактивными элементами - индуктивными обмотками нагрузки и компенсатором. Такая компенсация реактивной мощности (снижение индуктивного тока в системе «генератор - нагрузка») позволяет, в частности, передать в нагрузку большую активную мощность при той же номинальной полной мощности генератора.

Наиболее эффективно проводить компенсацию реактивной мощности непосредственно у потребителя, но это процесс достаточно долгий и дорогостоящий. Для получения более быстрого ощутимого результата на первом этапе необходимо провести компенсацию реактивной мощности на подстанциях, что позволит разгрузить сеть и получить энергосбережение в пределах 10-20%. Предварительно, на подстанциях в сетях 0,4 кВ необходимо выравнивание нагрузок фаз, которое производится путем переключения части абонентов с перегруженных фаз на недогруженные.

На уровне отдельных непромышленных потребителей, особенно в жилых домах с однофазной нагрузкой, выравнивание фаз таким способом произвести нельзя из-за непрерывно меняющейся величины и характера нагрузки. Поэтому компенсация реактивной мощности на объектах должна производиться на каждой отдельной фазе. При этом в каждом случае должны учитываться гармонические составляющие, при необходимости устройства по компенсации реактивной мощности должны иметь фильтры с автоматическим регулированием емкости. В данном случае важно правильно произвести подбор фильтро-компенсирующего устройства (ФКУ).

Таким образом, для решения задачи по КРМ необходимо проводить работу в несколько этапов.

1. Централизованная (грубая) компенсация, которая проводится на подстанциях и включает в себя проведение мониторинга показателей качества электроэнергии, выравнивание фаз, фильтрацию тока и установку КРМ.

2. Индивидуальная (точечная) компенсация проводится на уровне каждой квартиры или параллельно нагрузке, посредством подключения установок КРМ (косинусных конденсаторов небольшой емкости). Данное мероприятие позволяет обеспечить синусоидальность тока, тем самым значительно уменьшая технические потери. Такие же мероприятия должны проводиться и внутри электроустановок зданий.