Компенсация реактивной мощности
Содержание
Реактивная мощность в электросети возникает в результате использования нагрузки с элементами, составляющими индуктивность и емкость. Это могут быть обмотки электродвигателей, дросселей, трансформаторов, конденсаторы схем электротехнического оборудования. Индуктивная и емкостная нагрузка способствует сдвигу фазы тока относительно фазы напряжения энергии, передаваемой от электростанций.
![Структура электросети с элементами, где возникает реактивная составляющая в нагрузке](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-1-podacha-energii-600x392.jpg?x44801)
Структура электросети с элементами, где возникает реактивная составляющая в нагрузке
Это явление приводит к генерации нагрузкой части энергии, ток которой направлен в противоположную сторону, в результате этого появляются потери энергии. Протекающий в цепи ток не совершает полезной работы, а расходуется на нагрев элементов сети.
Цели мероприятий по компенсации
При эксплуатации электросетей на бытовом и промышленном уровне большое значение имеет снизить расходы на электроэнергию. Особенно эта проблема актуальна на крупных промышленных предприятиях. Для экономии электроэнергии надо, чтобы электроустановки работали с максимальной эффективностью.
Реактивная энергия оказывает ряд негативных последствий:
- Ухудшение работы электронных приборов в различных режимах по причине падения напряжения;
- Падает статическая устойчивость элементов в нагрузке;
- Приходится принимать меры, требующие затрат для увеличения пропускной способности сети;
- Необходимо повышать мощность генераторов на электростанции.
Цель компенсации заключается в том, чтобы создать такие режимы работы, когда реактивная мощность будет оптимальна на конкретной нагрузке.
Физические принципы компенсации реактивной мощности
![Векторная диаграмма показывает компенсацию реактивной мощности при изменении токовой нагрузки](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-2-vektornaja-diagramma-600x295.png?x44801)
Векторная диаграмма показывает компенсацию реактивной мощности при изменении токовой нагрузки
На схеме показана нагрузка, которая имеет активную составляющую Rн и индуктивную Lн, сопротивление в Омах, как пример это может быть электродвигатель с обмоткой на роторе. Чем больше величина индуктивного сопротивления в нагрузке Lн, тем больше угол отставания фазы соsφ полного тока I от фазы напряжения питания U.
С правой стороны показана векторная диаграмма, из которой видно, как уменьшается ток нагрузки после подключения конденсатора с емкостным сопротивлением Сн.
Полный ток нагрузки – это сумма токов реактивной составляющей и активной:
I = Iа + Iр.
Значения угла смещения фаз тока и напряжения выражается отношением величин Lн и Rн. Угол сдвига фаз может выражаться тремя способами:
![Формула для вычисления угла сдвига фаз через sin](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-3.1.png?x44801)
Формула для вычисления угла сдвига фаз через sin
![Формула для вычисления угла сдвига фаз через cos](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-3.2.png?x44801)
Формула для вычисления угла сдвига фаз через cos
![Формула для вычисления угла сдвига фаз через tg](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartineka-3.3.png?x44801)
Формула для вычисления угла сдвига фаз через tg
Зная все эти величины и отношения их зависимости, можно расчитать реактивную и активную составляющие мощности, полную мощность цепи и полную мощность, потребляемую нагрузкой:
- Активная мощность выражается как: Р = U x I cosф кВт;
- Реактивная сотавляющая мощность: Q = U x I sinф кВАр;
- Полная мощность, потребляемая нагрузкой: S = √P2+Q2 kBA.
При включении в цепь параллельно нагрузке конденсатора, который имеет емкостное сопротивление Сн и ток Ic противоположного направления к Ip, так как его фаза опережает фазу напряжения U на 90 ̊, реактивная мощность, потребляемая Lн индуктивным сопротивлением, компенсируется.
![Наглядное отображение как происходит компенсация в электросетях](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-3-kompensacija-2-600x439.gif?x44801)
Наглядное отображение как происходит компенсация в электросетях
Реактивная составляющая тока с учетом компенсации выражается алгебраической формулой:
I pk = Iph – Ic.
Когда ток отстает по фазе от напряжения, реактивная мощность потребляется и имеет индуктивный характер, обозначается как положительная знаком «+».
Когда ток опережает по фазе напряжение, реактивная мощность начинает генерироваться, имеет емкостной характер и обозначается знаком «-».
Виды устройств компенсации и места их установки
На промышленных объектах к сетям напряжением менее 1кВ подключается много оборудования, которое потребляет реактивную мощность, коэфициент соsф активной мощности обычно находится в интервале 0.4-0.9.
Трансформаторные подстанции, понижающие напряжение до 04 кВт, расположены на больших растояниях от нагрузки, что приводит к потере передаваемых мощностей. Поэтому приходится прокладывать кабельные линии с проводами большого сечения, наращивать мощность трансформаторов. Мощные понижающие напряжение трансформаторные подстанции стоят дорого. Поэтому компенсация реактивной мощности в электрических сетях производится в местах ее потребления, на низкой стороне трансформаторной подстанции.
![Зависимость активных потерь от соsφ](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka4-sos-600x323.png?x44801)
Зависимость активных потерь от соsφ
Исследования итальянской компании LOVATO ELECTRIC показывают зависимость активных потерь от значения коэфициента соsφ в элементах сети. При значении 0.7 величина реактивной мощности начинает резко увеличиваться. Пэтому необходимо устанавливать компенсатор реактивной мощности, он оказывает прямое влияние на изменение баланса реактивной мощности в СЭС.
![Фазометр для измерения соsφ](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-5-fazometr.jpg?x44801)
Фазометр для измерения соsφ
Используя фазометр, можно определить заначение соsφ возле каждого элемента нагрузки в сети и принять решение о необходимости компенсации на конкретном участке сети. Обычно измерения делаются на низкой стороне понижающей подстанции, и там же в отдельном отсеке устанавливают конденсаторы, компенсирующие реактивную мощность. Выбирая средства для компенсации реактивной мощности на промышленных объектах, обязательно учитываются характер нагрузки оборудования и режим работы производства.
В зависимости от этих факторов сети делятся на две категории:
- Общего назначения со стабильным режимом эксплуатации, частотой напряжения 50 Герц;
- Специфические сети – с несимметричными и нелинейными резкими изменениями величины и характера токовой нагрузки. К таким объектам можно отнести предприятия, где используется большое количество сварочных аппаратов, электролизные процессы, дуговые печи для плавки металлов, а также любое оборудование, потребляющее большое количество мощности и имеющее индуктивные элементы.
![Схема размещения компенсирующих емкостных установок](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka6-shema-600x329.jpg?x44801)
Схема размещения компенсирующих емкостных установок
Элементы для компенсации устанавливаются не только на низкой стороне, но и перед электрооборудованием потребителя.
![Распределение устройств копенсации по уровням СЭС](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-7-600x319.jpg?x44801)
Распределение устройств копенсации по уровням СЭС
Производители и поставщики электроэнергии тоже заинтересованы в снижении потерь, поэтому, начиная с электростанции, на всех уровнях ставят установки для компенсации реактивной мощности.
![Средства компенсации и объекты, на которых они размещаются](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-8-sredstva-i-mesta-razmeshchenija-600x368.jpg?x44801)
Средства компенсации и объекты, на которых они размещаются
На промышленных предприятих для погашения больших величин реактивной мощности ипользуются разные устройства компенсации:
- Синхронные генераторы;
- Асинхронные генераторы;
- Шунтирующие реакторы;
- Батареи статических конденсаторов.
Современные установки компенсации реактивной мощности имеют конструкции с ручной или автоматической регулировкой. Нерегулируемые компенсирующие приборы обычно размещают в распределительных щитах цеха или отдельного участка на производстве. Регулируемые КУ ставят чаще всего на трансформаторных подстанциях. Подключение осуществляется к фазным шинопроводам гибкими многожильными проводами соответствующего сечения.
![Пример установки батарей статических конденсаторов в РЩ](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-9-kondensatory-v-rshch-600x523.jpg?x44801)
Пример установки батарей статических конденсаторов в РЩ
Самым распространенным средством компенсации на производственных объектах считаются батареи статических конденсаторов, их устанавливают на подстанциях и в РЩ, РУ или РШ.
![Схема установки конденсаторов для компенсации реактивной мощности при эксплуатации бытовых электроприборов](http://elquanta.ru/wp-content/uploads/2018/03/kartinka-10-kompensacija-q-na-bytovom-urovne-600x185.gif?x44801)
Схема установки конденсаторов для компенсации реактивной мощности при эксплуатации бытовых электроприборов
На бытовом уровне достаточно 1-3 конденсаторов не большой емкости более 220В по напряжению.
Установка элементов по компенсации реактивной мощности является энергоэкономичной технологией, значительно снижает потери электроэнергии, эксплуатация электроустановок становится более эффективной.