5

Понятие «компенсация реактивной мощности». Назначение компенсации реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности– целенаправленное воздействие на баланс активной и реактивной мощности в электрической системе с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях — и с целью снижения потерь электроэнергии. Компенсация (поддержание баланса активной и реактивной мощности) осуществляется при помощи компенсирующих устройств (КУ).
В настоящее время основной нагрузкой электрических сетей являются АД, распределительные и преобразовательные трансформаторы, полупроводниковые преобразовательные аппараты. Для таких ЭП требуется большой реактивный ток, который необходим для создание электромагнитных полей. Реактивный ток, совершая колебания между источником и ЭП, приводит к дополнительной загрузке оборудования и линий электропередачи на всех этапах производства, передачи и распределения электроэнергии.

Нарушение баланса активной и реактивной мощности приводит к колебаниям напряжения и частоты в узлах нагрузки.

Активная электрическая энергия идет на работу, превращаясь в механическую, световую и другие виды энергии, а также идет на покрытие потерь. Активная мощность вырабатывается только генераторами электрических станций.

Реактивная составляющая энергии не выполняет полезной работы, она служит для создания магнитных полей, необходимых для работы ЭП. 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). Передача реактивной мощности от генераторов по электрической сети к потребителям (индуктивным ЭП) уменьшает активную мощность сети (cosφ сети) и дополнительно загружает электросеть, снижает ее общую пропускную способность.

Так, например, ТГ с номинальной мощностью 1250 кВА при номинальном коэффициенте мощности cosφN = 0,8 может отдать потребителю активную мощность, равную 1250×0,8=1000 кВт. Если генератор будет работать с соsφ =0,6, то в сеть отдается активная мощность равная 1250×0,6=750 кВт, т.е. вырабатываемая активная мощность ТГ будет снижена на 25 %. Поэтому увеличение реактивной мощности, вырабатываемой генераторами станций в режиме перевозбуждения, нецелесообразно. Показателем выработки реактивной мощности (Q) является sinφ, который равен отношению реактивной мощности Q к полной мощности S (sinφ=Q/S).

Читайте также:  Как понизить амперы блоке питания. Как повысить силу тока, не изменяя напряжения? От чего зависит сила тока

Суммарная реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой генераторами электростанций, реактивной мощности ВЛЭП (конденсаторный эффект, мощность пропорциональна длине линий электропередачи и квадрату напряжения) и реактивной мощности КУ, подключенных к электрической сети. Реактивная мощность также может регулироваться синхронными двигателями (СД) станций и ПП в режиме переили недовозбуждения, а также батареями конденсаторов (БК). Наиболее целесообразно использование реактивной мощности от заводских источников: КБ, КУ и СД, – т.к. они расположены в непосредственной близости к потребителям (АД и т.д.). Это позволит сократить число и сечение передающих линий, число устанавливаемых трансформаторов и другие сетевые затраты, связанные с передачей реактивной мощности.

Суммарная мощность компенсирующих устройств QΣ, которые устанавливаются на предприятиях, зависит от реактивных нагрузок (QM) и от той наибольшей реактивной мощности QC, которая может быть передана из энергосистемы в сеть предприятия в период наибольших активных нагрузок СЭС с приближенным учетом потерь электроэнергии в сети предприятия, квар:

где QM – реактивная нагрузка предприятия в период наибольших активных нагрузок СЭС;

QС – наибольшая реактивная мощность, которая передается из энергосистемы в сеть предприятия в период наибольших активных нагрузок. Для обеспечения энергосбережения используют различные средства компенсации реактивной мощности, устанавливаемые непосредственно возле ЭП, потому что реактивная мощность, как и активная, учитывается в тарифе за электроэнергию: за ее потребление платит предприятие, а в случае превышения потребления активной мощности Облэнерго налагает штрафы. Следует, однако, отметить, что из-за избытка реактивной мощности в электрических сетях за ее недоиспользование налагают большие штрафы, в то время как за превышение ее потребления возможно даже премирование. Для стимулирования мероприятий по компенсации реактивной мощности на предприятиях установлены скидки и надбавки к тарифу на электроэнергию.

Баланс реактивной мощности должен обеспечиваться при всех режимах работы СЭС: номинальном, послеаварийном и послеремонтном. Обеспечивать баланс реактивной мощности настолько важно, что в послеаварийных и послеремонтных режимах используют все существующие на предприятии средства генерации или потребления реактивной мощности, независимо от их экономичности.

В распределительных сетях коммунально-бытовых потребителей, содержащих преимущественно однофазную нагрузку, устройства компенсации реактивной мощности применяются редко. Но в настоящее время расход электроэнергии в жилом секторе непрерывно увеличивается. Так, в 70-тые годы ХХ-го века бытовое потребление (практически только активной энергии) составляло 4–5 % от общей выработки электроэнергии; в настоящее время этот показатель оценивается в 35–40 %. Поэтому рассмотрение устройств компенсации у бытовых абонентов становится актуальной темой.

Отсутствие компенсации реактивной мощности приводит к следующим отрицательным результатам:

  • уменьшается cosφ всех элементов, входящих в энергосистему;
  • при уменьшении cosφ трансформаторов уменьшается пропускная способность активной мощности из-за увеличения реактивной загрузки;
  • увеличение потребления мощности в сетях с низким cosφ приводит к возрастанию тока и, следовательно, к возрастанию потерь мощности пропорционально току в квадрате, к увеличению падения напряжения во всех звеньях энергосистемы, к снижению напряжения у потребителей;
  • на ПП снижение напряжения нарушает нормальную работу ЭП. Снижается частота вращения ЭД, что приводит к снижению производительности оборудования; ухудшается качество сварки; снижается световой поток ламп; ухудшается качество продукции;
  • при росте тока требуется увеличение сечений проводов и кабелей, возрастают капитальные затраты.

Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для ПП, основными ЭП которых являются АД, у которых cosφ, без принятия мер по компенсации, будет не более 0,6÷0,65.

В результате можно сказать, что выполнение на предприятии мероприятий по компенсации реактивной мощности позволит:

  • уменьшить нагрузку на трансформаторы или выбирать трансформаторы меньшей мощности, увеличить срок их службы;
  • использовать провода и кабели меньшего сечения;
  • улучшить качество электроэнергии и уменьшить ее потребление;
  • уменьшить нагрузку на коммутационную и защитную аппаратуру за счет уменьшения рабочих токов.

На баланс активной и реактивной мощности существенное влияние оказывают нагрузки с нелинейными вольтамперными характеристиками. Их использование сопровождается искажениями напряжения питающей сети, что негативно влияет на ЭО и вызывает:

  • повышенный нагрев аппаратуры и токопроводящих линий, увеличение потерь мощности;
  • избыточную вибрацию и нестабильность работы двигателей;
  • ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики, несанкционированное срабатывание коммутационной аппаратуры, возникновение резонансных явлений;
  • электромагнитные помехи в измерительной аппаратуре и в устройствах управления.

Эффективность применения конденсаторных установок

История применения метода компенсации реактивной мощности охватывает ещё советский период. Его экономическая эффективность на промышленных предприятиях доказана исследованиями и десятками лет практического использования.

Конденсаторные УКРМ предназначены в основном для компенсации реактивной мощности электрических двигателей. Энергия, потребляемая асинхронными моторами, может доходить до 40 % от всей нагрузки предприятия. Поэтому экономии на двигателях уделяют особое внимание. Масло в огонь подливает и то, что мотор, работающий с номинальной нагрузкой на валу, имеет cosф = 0,75-0,8. Это считается нормой. Однако тот же двигатель без нагрузки имеет гораздо более низкий коэффициент мощности порядка 0,3. Использование УКРМ позволяет повысить cosф до 0,99. Это хороший показатель, ведь, чем ближе этот параметр к единице, тем эффективнее расходуется электроэнергия.

Наличие устройств, компенсирующих реактивную мощность, благотворно сказывается на расходах промышленного предприятия. Помимо этого, уменьшается нагрузка на электрическую систему объекта. Это позволяет снизить сечение и конечную стоимость воздушных и кабельных линий, а также уменьшить долгосрочные затраты на их ремонт и обслуживание.

Где важно учитывать косинус Фи

Давайте разберемся, где и когда нужна компенсация реактивной мощности. Для этого нужно проанализировать её источники.

Примером основной реактивной нагрузки являются:

  • электрические двигатели, коллекторные и асинхронные, особенно если в рабочем режиме его нагрузка мала для конкретного двигателя;
  • электромеханические исполнительные механизмы (соленоиды, клапана, электромагниты);
  • электромагнитные коммутационные приборы;
  • трансформаторы, особенно на холостом ходу.

На графике изображено изменение cosФ электродвигателя при изменении нагрузки.

Основу электрохозяйства большинства промышленных предприятий составляет электропривод. Отсюда и высокое потребление реактивной мощности. Частные потребители не оплачивают её потребление, а предприятия оплачивают. Это вызывает дополнительные затраты, от 10 до 30% и более от общей суммы счета за электроэнергию.

Выгода применения установки компенсации реактивной мощности

Огромное количество потребителей электроэнергии постоянно нагружает сеть реактивной составляющей потребляемой мощности, причем эта нагрузка постоянно возрастает. Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности позволяет повысить надежность электропитающих сетей и увеличить пропускную способность энергосистемы.

Среди целого ряда преимуществ от применения устройств компенсации реактивной мощности можно выделить пять главных:

  • Экономия энергопотребления
  • Внедрение компенсирующих устройств реактивной мощности дает существенный экономический эффект. Снижение уровня энергопотребления может составить до 40-50% от общего объема. При таких объемах срок окупаемости систем компенсации мощности составит не более одного года.

  • Увеличение срока службы оборудования
  • Средства компенсации увеличивают срок службы силовых трансформаторов, поскольку их использование снижает нагрузку на оборудование. Использование установок компенсации также снижает нагрузку на линии передач и нагрев проводов, что позволяет использовать токоведущие жилы меньшего сечения.

  • Экономия затрат на устройство подводящих электросетей
  • На этапе проектирования и строительства новых зданий монтаж системы компенсации реактивной мощности позволяет существенно сэкономить на обустройстве распределительной электросети.

  • Улучшение качества энергоснабжения
  • Применение средств компенсации реактивной мощности дает возможность подавить сетевые помехи, избежать глубокой просадки напряжения и минимизировать несимметрию фаз. Кроме того, системы компенсации в составе пассивных фильтров позволяют снизить уровень высших гармоник.

  • Отсутствие штрафов

Устройство компенсации реактивной мощности позволяет избежать штрафных санкций от поставщика электроэнергии за ухудшение показателей коэффициента мощности.

Как установить конденсаторные устройства

Предварительно понадобится схема работы электросети, и документы от ПУЭ, по которым и проводится решение о компенсации энергии и реактивной мощности ДСП. Далее необходим экономический расчет:

  • сумма потребления энергии всеми приборами (это печи, цод, автоматические машины, холодильные установки и прочее);
  • сумма поступления тока в сеть;
  • вычисление потерь в цепях до поступления энергии к приборам, и после этого поступления;
  • частотный анализ.

Далее нужно сгенерировать часть мощности сразу на месте её поступления в сеть при помощи генератора. Это называется централизованная компенсация. Она может проводится также при помощи установки cos, electric, schneider, tg.

Но существует также индивидуальная однофазная компенсация реактивной энергии и мощности (либо поперечная), её цена намного ниже. В этом случае производится установка упорядоченных регулирующих устройств (конденсаторов), непосредственно у каждого потребителя питания. Это оптимальный выход, если регулируется трехфазный двигатель или электропривод. Но у этого типа компенсации есть существенный недостаток – она не регулируется, и поэтому называется еще и нерегулируемой или нелинейной.

Статические компенсаторы или тиристоры работают при помощи взаимоиндукции. В этом случае переключение производят при помощи двух или более тиристоров. Самый простой и безопасный метод, но его существенным недостатком является то, что гармоники генерируются вручную, что значительно усложняет процесс монтажа.

Нормативные документы

ГОСТ 1282-88. Конденсаторы для повышения коэффициента мощности. Общие технические условия ( PDF, 0,2 МБ)
ГОСТ 27389-87 Установки конденсаторные для компенсации реактивной мощности. Термины и определения. Общие технические требования ( PDF, 0,4 МБ)

2. Оборудование и средства для решения проблем компенсации реактивной мощности

Компенсировать реактивную мощность можно КУ высокого, среднего и низкого напряжений на основе контакторов и тиристорных устройств. Они выполняются в различном климатическом исполнении и комплектуются фильтрокомпенсирующими установками (ФКУ); батареями статических конденсаторов (БСК); низковольтными и высоковольтными одно- и трехфазными конденсаторами, СД и синхронными компенсаторами (СК), косинусными компенсаторами (конденсаторными установками), шунтирующими реакторами, статическими тиристорными компенсаторами.

Различают поперечную и продольную компенсацию реактивной мощности.

При поперечной компенсации индуктивные и емкостные цепи КУ соединяются параллельно. При этом ток в неразветвленной части цепи равен геометрической сумме индуктивных и емкостных токов: индуктивный ток отстает от напряжения, а емкостный опережает его. При соответствующем значении емкости суммарный ток оказывается больше индуктивного тока нагрузки, что приводит к увеличению коэффициента мощности (cosφ) системы. Повышение cosφ системы с помощью источников реактивной мощности позволяет увеличить пропускную способность линий, повысить активную загрузку трансформаторов без увеличения их мощности.

При поперечной компенсации реактивной мощности при снижении тока нагрузки снижаются потери активной мощности, повышается напряжение в сети, снижаются потери в отдельных элементах СЭС. Для уменьшения потерь в питающей сети конденсаторы следует подключать как можно ближе к потребителям. К преимуществам поперечной компенсации относятся: простота и невысокая стоимость, доступность используемых материалов, малые собственные потери активной мощности, а к недостаткам – отсутствие плавного регулирования отдаваемой в сеть реактивной мощности, пожароопасность, наличие остаточного заряда.

При продольной компенсации конденсаторы включают последовательно с нагрузкой через разделительный или вольто-добавочный трансформатор, через которые проходит полный ток линии, в том числе и ток КЗ. Продольная компенсация обеспечивает автоматическое регулирование напряжения в зависимости от тока нагрузки.

Однако при продольной компенсации возможны аварийные режимы: феррорезонансные колебания, перенапряжения при расшунтировании конденсаторов и их повреждения. Если в схеме питания возникает резкое повышение напряжения, то конденсаторы должны быть немедленно разряжены через искровой промежуток и зашунтированы высоковольтным выключателем. Продольная компенсация используется для линий высокого напряжения для повышения устойчивости энергосистемы и для увеличения пропускной способности линий.

Выбор оборудования для компенсации реактивной мощности полностью зависит от места и цели его установки.

Конденсаторные батареи (КБ) являются основным средством компенсации (выдача реактивной энергии) на ПП. Снижение перетоков реактивной мощности от генераторов через электросеть к ЭП уменьшает потери активной энергии и нормализует напряжение в энергосистеме. КБ устанавливаются вблизи от места потребления реактивной мощности, и при необходимости устанавливаются системы автоматического регулирования для изменения выдаваемой мощности в разных режимах. В качестве примера можно указать применение КБ на заводах электролиза алюминия, в схемах крупных ртутно — выпрямительных агрегатов, в цехах с большим количеством АД. При периодическом заряде и разряде конденсаторы создают избыточное напряжение, что заставляет ток переходить в следующую фазу раньше, чем это было бы при отсутствии в схеме конденсаторов, в результате чего КБ генерируют реактивную мощность. Поэтому выдаваемая в систему мощность при наличии в системе КБ (QП) оказывается больше, чем паспортное значение установленной мощности батарей (Qконд). Компенсирующий эффект в системе (КЭ) при наличии КБ может быть представлен:

где QП – реактивная мощность, отдаваемая в систему, квар.

Шунтирующие реакторы используются для компенсации (снижения) емкостной мощности, генерируемой протяженными слабонагруженными высоковольтными ВЛЭП.

Фильтрокомпенсирующие устройства предназначены для снижения гармонических искажений напряжения и компенсации реактивной мощности в СЭС промышленных предприятий и в электрических сетях.

Синхронный компенсатор (СК) – явнополюсный синхронный двигатель, который работает только в режиме холостого хода и генерирует в сеть (или забирает из сети) реактивную мощность в зависимости от величины тока ротора (возбуждения). Промышленность выпускает СК на напряжение 6(10) кВ. Их устанавливают в цехах крупных ПП, на ОРУ станций и на подстанциях, возле крупных ЭП (например, дуговых и рудотермических печей), рис. 1. СК на напряжение 0,4 кВ не выпускают, т.к. они дорогие, и поэтому экономически рентабельнее в низковольтных сетях устанавливать БК.

Синхронные компенсаторы, установленные на ОРУ подстанции

Рисунок 1 – Синхронные компенсаторы, установленные на ОРУ подстанции

Для компенсации реактивной мощности в цехах ПП несколько последних десятилетий стали использовать СД, которые, кроме выполнения функции движения, могут потреблять (режим недовозбуждения) или вырабатывать (режим перевозбуждения) реактивный ток, необходимый для работающих рядом АД. СД допускают форсировку возбуждения, имеют широкие пределы регулирования реактивной мощности, меньше зависят от колебаний напряжения, чем БК, поэтому эффективнее влияют на устойчивость энергосистемы. Значение реактивной мощности, генерируемой СД в сеть, зависит от его механической нагрузки – загрузки активной мощностью.

На ПП при необходимости регулирования баланса активной и реактивной мощности, а также при недостаточном обеспечении предприятия системами компенсации реактивной мощности возможен полный перевод СД в режим СК,. На рис. 2 представлен общий вид явнополюсного СД, который может быть использован, как регулятор реактивной мощности.

синхронный двигатель
явнополюсный ротор синхронного двигателя

а                                                                                                                б

Рисунок 2 – Общий вид СД (а) и фото явнополюсного ротора (4) СД (б): 1 – корпус; 2 – сердечник статора; 3 – обмотка статора; 4– ротор; 5 – вентилятор; 6 – выводы обмотки статора; 7 – контактные кольца; 8 – щетки; 9 – возбудитель; 10 – полумуфта; 11 – подшипник; 12 — рым-болт

В цехах ПП технически и экономически целесообразно параллельно с КБ использовать СД. КБ будут осуществлять компенсацию базисной части суточного графика реактивной нагрузки, а СД будет работать в режиме СК в периоды пиков и провалов энергопотребления. То есть в сетях 380÷660 В для компенсации реактивной мощности можно использовать свободную реактивную мощность СД, оставшуюся после компенсации реактивных нагрузок в сети 6(10) кВ.

Статические тиристорные компенсаторы (СТК) (косинусные конденсаторы) часто используют в СЭС промышленных предприятий. СТК, как СД и СК, могут выдавать и потреблять реактивную мощность. В электрических сетях они используются для оптимизации режимов работы с целью повышения пропускной способности и устойчивости линий электропередачи, стабилизации напряжения в узлах нагрузки, уменьшения потерь электроэнергии и повышения ее качества. Номинальная мощность и схема включения СТК выбирается для конкретного объекта в зависимости от параметров СЭС, вида и величины компенсируемой нагрузки и требований к качеству электроэнергии.

СТК выпускают в двух основных модификациях: для промышленных установок, например, для тиристорных приводов прокатных станов и для дуговых сталеплавильных печей (ДСП) (рис. 3) и для высоковольтных ВЛЭП.

Статические тиристорные компенсаторы

Рисунок 3 – Схема включения СТК для питания ДСП: ФКЦ – фильтрокомпенсирующая цепь; РФ – фильтровые реакторы; КБ – батарея конденсаторов; ТРГ – тиристорнореакторная группа; ПДУ СТК – пульт дистанционного управления СТК

Есть СТК специального исполнения для тяговых подстанций электрифицированных железных дорог. На промышленных предприятиях и на тяговых подстанциях железных дорог СТК поддерживают баланс активной и реактивной мощности; снижают колебания напряжения и повышают коэффициент мощности ЭП; снижают величину (обеспечивают фильтрацию) высоких гармоник токов.

В комплект СТК входит:

  • набор фильтров высших гармоник (фильтрокомпенсирующая цепь), которые постоянно подключены к сети или коммутируются выключателями;
  • реакторы, управляемые тиристорами (тиристорнореакторная группа), которые включаются параллельно во все три фазы. Угол «зажигания» тиристоров может быстро изменяться так, чтобы ток, уходящий в реактор, изменялся в соответствии с током нагрузки или величиной реактивной мощности в энергосистеме.

В комплект поставки СТК потребителям входят:

  • высоковольтный встречно-параллельный тиристорный вентиль, рис. 4, а;
  • блок системы охлаждения;
  • компенсирующие реакторы;
  • конденсаторные батареи и фильтровые реакторы, рис. 4, б;
  • система автоматического управления и защиты СТК.

высоковольтный тиристорный вентиль
конденсаторные батареи внешней установки

а                                                                                                              б

Рисунок 4 – Комплектующие элементы СТК: а – высоковольтный тиристорный вентиль; б – конденсаторные батареи внешней установки

Помимо обеспечения требований действующих стандартов по основным показателям качества электроэнергии, СТК осуществляют разгрузку сетевых трансформаторов и питающих линий электропередачи от реактивного тока, снижают величину действующего тока и величину активных потерь, что позволяет увеличить пропускную способность линий без увеличения их числа или сечения проводов.

СТК выполняется на напряжение от 10 до 35 кВ и подключается к шинам подстанции через специальные понижающие трансформаторы или прямо к обмотке автотрансформатора подстанции.

В зависимости от мощности, места установки, уровня технологий завода — изготовителя, срок окупаемости СТК составляет 1÷3 года. Система управления СТК обеспечивает его быстрое реагирование на изменение баланса активной и реактивной мощностей, поддерживает их баланс в электроустановках, выполняет контроль и защиту оборудования, сигнализирует об отказах.

Время реагирования системы управления СТК на изменение нагрузки составляет 5 мс для нагрузок типа ДСП и 25-100 мс для общепромышленных нагрузок и подстанций, см. рис. 3. СТК может быть модифицирована под конкретные требования заказчика. Так, например, возможна автоматизация СТК, что обеспечит его работу без постоянного присутствия персонала.

Для уменьшения затрат при установке компенсирующих устройств при реконструкции СЭС необходимо:

  • упорядочить существующие на предприятии технологические процессы с целью улучшения использования оборудования;
  • выбирать мощность ЭД и трансформаторов с учетом оптимальности их загрузки;
  • применять СД вместо АД в приводах с продолжительным режимом работы (S1), что позволит частично или полностью отказаться от установленных в цеху КБ;
  • применять устройства, ограничивающие время работы ЭП (АД, трансформаторов) в режиме холостого хода, например, устанавливать ограничители холостого хода для ЭД;
  • переключать обмотки статора со «звезды» на «треугольник» у АД, которые загружаются в процессе работы не более чем на 40 %.

Определение емкости конденсаторов

При проектировании УКРМ следует уделить внимание расчету ёмкости и мощности конденсаторных установок. Важно это по той причине, что в случае неправильного выбора этих параметров установка может нанести электросети больше вреда, чем пользы. Формула для расчета необходимой ёмкости конденсатора имеет следующий вид.

Ёмкость конденсатора

Здесь:

  • C – ёмкость конденсаторной установки, Ф;
  • U – сетевое напряжение, В;
  • f – частота, Гц;
  • Q – реактивная мощность конденсатора, вар;
  • p – 3.14.

Переменная Q, в свою очередь, определяется по следующему выражению.

Реактивная мощность конденсатора

Где:

  • P – активная мощность потребителя;
  • К – коэффициент, подбираемый из таблицы.

Таблица для расчёта УКРМ

Дополнительная информация. На просторах интернета полно ресурсов, содержащих в себе калькуляторы для онлайн расчета различных параметров компенсаторов.

Комплектующие к УКРМ

Конденсаторы

Конденсаторы всходят в состав любой установки компенсации реактивной мощности (нерегулируемой или автоматической) и используются для корректировки коэффициента мощности индуктивных потребителей (трансформаторов, электрических двигателей, ректификаторов) в электрических сетях для напряжений до 660 В.

Предохранители

Предохранители всходят в состав любой установки компенсации реактивной мощности (нерегулируемой или автоматической) и используются для защиты от коротких замыканий. Наиболее применяемые предохранители имеют формат NH.

Стандарты IEC 60269 и VDE 0636 регламентируют выбор предохранителей для применения в электрических цепях с индуктивной нагрузкой. Данный стандарт не рассматривает случаи, когда коэффициент мощности cos φ меньше <0.1, либо нагрузка носит емкостной характер. В настоящее время стандарты, сертификационные испытания параметров и характеристик отключения предохранителей, распространяются только на индуктивные нагрузки и являются недействительными для емкостных нагрузок. Несмотря на это, возможно применение предохранителей с характеристикой отключения gG для защиты конденсаторов компенсации реактивной мощности, при условии соблюдения нижеперечисленных правил.

Регуляторы реактивной мощности

Регуляторы реактивной мощности входят в состав только автоматических установок компенсации реактивной мощности.

Регуляторы корректировки коэффициента мощности в низковольтных системах определяют действительное значение cos φ и производят автоматическое подключение или отключение ступеней для достижения требуемого значения коэффициента мощности.
Принцип работы контроллера основан на системе FCP которая позволяет производить мгновенные измерения значений напряжения и тока, обеспечивая оптимальное управление системой компенсации реактивной мощности. При отсутствии необходимости автоматической настройки все параметры могут быть заданы вручную. Большинство контроллеров имеют возможность подключения и программирования внешнего вентилятора для охлаждения конденсаторных батарей, также в них предусмотрен аварийный сигнал превышения температуры. Обычно измерения реактивной мощности производится по 4 квадрантам, что обеспечивает максимальную степень компенсации потребляемой энергии.

Для компенсации мощности при разных нагрузках регуляторы отслеживают активную и реактивную составляющую мощности путем измерения мгновенных значений напряжения и тока в электрической сети. На основе этих измерений вычисляется фазовый сдвиг между током и напряжением, и это значение сравнивается с предварительно заданной величиной cos φ. В зависимости от фактического отклонения коэффициента мощности контроллер подает команду на управление ступенями конденсаторных батарей с минимальным временем реакции от 4 секунд (программируется).

Контакторы для коммутации трехфазных конденсаторов

Контакторы для коммутации трехфазных конденсаторов также входят в состав только автоматических установок компенсации реактивной мощности.


В процессе эксплуатации конденсаторных установок компенсации реактивной мощности при регулировании ступеней конденсаторные батареи подвергаются частым переключениям. В отличии от других видов электрооборудования, при коммутации конденсаторных батарей кроме номинального рабочего тока, возникает большой пусковой ток, значительно (до 250 раз) превышающий номинальное значение. Поэтому для коммутации конденсаторов необходимо использовать специально сконструированные быстродействующие контакторы. В отличие от обычных они снабжены дополнительной контактной группой, установленной параллельно основной. К вспомогательным контактам с двух сторон последовательно подключены съемные токоограничивающие элементы, состоящие из нескольких витков проводника с высоким удельным сопротивлением. При коммутациях обе группы контактов приводятся в действие одновременно, но из-за меньшего расстояния, лимитируемого упором, вспомогательные контакты замыкаются на несколько миллисекунд раньше основных, пропускают пусковой ток через токоограничивающие элементы, тем самым ограничивая ток конденсаторной батареи и размыкаются через 5 миллисекунд после надежного замыкания основных силовых контактов.

В противном случае броски тока могут привести к повреждению (залипанию) силовой контактной группы и негативно повлиять на срок службы контактора. Ограничение пускового тока также позволяет избежать просадок напряжения во время переходных процессов. Такая особенность контактной группы гарантирует стабильную и эффективную работу на протяжении всего срока службы контактора.

Контакторы для конденсаторов часто снабжены нормально разомкнутыми и/или замкнутыми вспомогательными контактами.

Фильтрующие дроссели


Трехфазные дроссели предназначены для работы в составе конденсаторных установок, включаются последовательно с конденсаторами и используются как защитное, фильтрующее устройство от влияния высших гармоник на сеть потребителя и на конденсатор. При повышении частоты приложенного напряжения к конденсатору его сопротивление снижается, поэтому применяются дроссели, которые вместе с конденсатором образуют контур, отстроенный от частоты гармоники и подавляющий ее. Частота резонанса такого контура должна
быть ниже частоты самых низших гармоник, присутствующих в электросети. При наличии гармоник с частотами выше, чем частота контура, образованного конденсатором и дросселем, резонанс не возникает.
Стандартные значения коэффициента отстройки составляют 5,67%, 7% и 14% при резонансных частотах 210,189 и 134 Гц в сетях с номинальной частотой 50Гц. При таких стандартных значениях величин в трехфазной сети и симметричной нагрузке становится возможным устранить 5-ю (250Гц) и гармоники высших порядков. Это позволяет избежать резонанса между индуктивным сопротивлением и трехфазными конденсаторами, включенными для корректировки коэффициента мощности, и предотвращения перегрузки конденсаторных батарей.
Часто дроссели оборудованы биметаллическим тепловым реле, которое встроено в центральную обмотку и имеет выводы на отдельные клеммы. Датчик реле срабатывает при температуре выше 90°С.

Расчет компенсирующего устройства

Типичным примером компенсации реактивной мощности, который не так часто рассматривается, но однозначно важен для практики, является компенсация реактивной мощности трансформатора, используемого для распределения электроэнергии. По сути, задача заключается в компенсации реактивной мощности, потребляемой ненагруженным трансформатором (что характерно для ночного времени). Расчет необходимой мощности компенсирующего устройства несложен и основан на выражении:

I% – ток намагничивания трансформатора;

AN – полная мощность трансформатора [кВА];

При отсутствии указанных параметров удобно воспользоваться следующей таблицей.

Полная мощность трансформатора (кВА) Масляный трансформатор (квар) Сухой трансформатор (квар)
10 1 1,5
20 2 1,7
50 4 2
75 5 2,5
100 5 2,5
160 7 4
200 7,5 5
250 8 7,5
315 10 7,5
400 12,5 8
500 15 10
630 17,5 12,5
800 20 15
1000 25 17,5
1250 30 20
1600 35 22
2000 40 25
2500 50 35
3150 60 50

Рассмотрим еще один пример коррекции коэффициента мощности и расчета компенсирующего устройства – индивидуальную компенсацию трехфазных асинхронных двигателей. Наиболее вероятные значения реактивных мощностей приведены в таблице:

Читайте также:  Маркировка и обозначение индуктивностей и дросселей

Мощность двигателя Требуемая реактивная мощность (квар)
л.с. кВт 3000 об/мин 1500 об/мин 1000 об/мин 750 об/мин 500 об/мин
0,4 0,55 0,5 0,5
1 0,73 0,5 0,5 0,6 0,6
2 1,47 0,8 0,8 1 1
3 2,21 1 1 1,2 1,6
5 3,66 1,6 1,6 2 2,5
6 5,15 2 2 2,5 3
10 7,36 3 3 4 4 5
15 11 4 5 5 6 6
30 22,1 10 10 10 12 15
50 36,8 15 20 20 25 25
100 73,6 25 30 30 30 40
150 110 30 40 40 50 60
200 147 40 50 50 60 70
250 184 50 60 60 70 80

Будьте осторожны: при индивидуальной компенсации реактивной мощности электрических машин и прямом подключении конденсатора к зажимам машины емкость конденсатора не должна быть слишком большой. Конденсатор, включенный в параллель с машиной, может выступать в качестве «источника питания» для двигателя, что приводит к сильным перенапряжениям (явление самовозбуждения). Для машин с фазным ротором емкость конденсатора следует увеличить на 5%.

Риски перекомпенсации реактивной мощности в промышленных сетях электроснабжения

Двигателя мощных электронасосов сетей водо-/теплоснабжения, трансформаторы электропечей с технологическими процессами изменения температуры во времени, электродвигатели клетей прокатных станов, компрессоры и трансформаторы автоклавов для синтезного твердения ячеистых бетонов, трансформаторы индукционных печей и т.д. и т.п. работают в режимах с быстрым, часто скачкообразным изменением потребляемого тока нагрузки, как правило зависящим от внешних условий и сложно прогнозируемым.

Это в итоге определяет динамичность соотношения активного тока (тока нагрузки), синфазного напряжению и реактивного тока, синусоида которого смещена относительно синусоиды напряжения на π радиан и идущего на намагничивание обмотки трансформатора/двигателя, нагрев, преодоление сил трения и пр., а значит и динамичность угла запаздывания общей синусоиды тока относительно синусоиды напряжения и величины косинуса (тангенса) этого угла — по факту коэффициента реактивной мощности.

Т.е., как при групповой, так и при индивидуальной компенсации трансформаторов и электродвигателей (групп трансформаторов/электродвигателей) оборудования/производственных линий и простых и сложных технологических процессов в подавляющем большинстве случаев коэффициент мощности не является статичной величиной. Поэтому при использовании для коррекции коэффициента мощности компенсационных установок с ручным управлением (нерегулируемых в автоматическом режиме) велики риски, как недокомпенсации, так и перекомпенсации реактивной мощности с «выбросом» в сеть емкостных токов, так же негативно влияющих на уровень сетевого напряжения и качество электроэнергии, как и реактивные токи.

ООО «Нюкон»

Источники

  • https://TokMan.ru/osnovy/tablica-kompensiruyushchih-ustrojstv.html
  • https://grand-electro.ru/elektrosnabzhenie/kompensaciya-reaktivnoy-moschnosti.html
  • https://smolgelios.ru/na-zametku/reaktivnyj-tok.html
  • https://khomovelectro.ru/articles/kompensatsiya-reaktivnoy-moshchnosti.html
  • https://www.asutpp.ru/kompensaciya-reaktivnoj-moshhnosti.html
  • https://www.profsector.com/publication/1/ustanovki-kompensatsii-reaktivnoy-moshhnosti
  • https://extxe.com/22737/kompensacija-reaktivnoj-moshhnosti-v-setjah-promyshlennyh-predprijatij/
  • https://oooevna.ru/prodolnaa-kompensacia-reaktivnoj-mosnosti-fiziceskij-smysl-i-tehniceskaa-realizacia/

[свернуть]