Глава 6

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

6.1. Основные положения

Все процессы в электрических системах можно охарактеризо­вать тремя параметрами: напряжением U, током /и активной мощ­ностью Р. Но для удобства расчетов и учета применяют и другие параметры, в том числе реактивную мощность (). Реактивная мощ­ность идет на создание магнитного и электрического полей. Ин­дуктивная нагрузка рассматривается как потребитель реактивной мощности, а емкостная — как ее генератор.

В цепи постоянного тока существует только активная электри­ческая нагрузка. Мощность в этой цепи

Для характеристики мощности цепи переменного тока требу­ется дополнительный показатель, отражающий сдвиг фаз тока и напряжения — угол ф (рис. 6.1, а).

Произведение показаний вольтметра и амперметра в цепи пе­ременного тока называется полной мощностью S, для трехфаз­ной цепи . Средняя за период переменного тока мощность называется активной мощностью На

Рис. 6.1. Изменение тока и напряжения в цепи переменного тока (а) и треугольник мощностей (б)

На основании этих выражений полную мощность 5" можно предста­вить как гипотенузу прямоугольного треугольника (рис. 6.1, б), один катет которого представляет собой активную мощность Р = Sсоsф, а другой — реактивную мощность (Q названа мощностью по аналогии с активной мощностью Р. Из треуголь­ника мощностей получают следующие зависимости:

где соsф — коэффициент мощности; tgф — коэффициент реак­тивной мощности.

Таким образом, для характеристики мощности в цепи пере­менного тока введены понятия полной 5¹, активной Р и реактив­ной 0 мощностей и коэффициента мощности соsф. Для расчета реактивной мощности удобней пользоваться не соsф, а tgф, так как расчетное значение реактивной мощности легко найти из вы­ражения

Когда угол ф близок к нулю, подсчет Q_Р по формуле (6.3) дает меньшую погрешность, чем подсчет по формуле, в которую вхо­дит соsф, так как в зоне малых углов ф изменение коэффициента мощности на 1 % приводит к изменению коэффициента реактив­ной мощности на 10%.

Работа машин и аппаратов переменного тока, основанная на принципе электромагнитной индукции, сопровождается процес­сом непрерывного изменения магнитного потока в их магнито-проводах и полях рассеяния. Поэтому подводимый к ним поток мощности должен содержать не только активную составляющую Р, но и реактивную составляющую индуктивного характера (2, необ­ходимую для создания магнитных полей, без которых процессы преобразования энергии, тока и напряжения невозможны. Реак­тивная мощность асинхронного двигателя (АД) может быть опре­делена по формуле

где Q₀ реактивная мощность намагничивания (т.е. холостого хо­да АД); Q_Н — потери реактивной мощности в АД на рассеяние при номинальной нагрузке; К₃ — коэффициент загрузки АД, К₃ = Р/Р_н. Реактивная мощность, потребляемая трехфазным силовым _; трансформатором, расходуется, как и в АД, на намагничивание магнитопровода трансформатора (Q_то) и на создание полей рас­сеяния (Q_р):

где К_З.Т —- коэффициент загрузки трансформатора.

Рис. 6.2. Эквивалентная схема системы электроснабжения (а) и измене­ние угла ф и напряжения в узлах А, Б, В, Г, Д (б)

Потребление трансформатором реактивной мощности на на­магничивание в несколько раз меньше, чем АД, из-за отсутствия воздушного зазора в трансформаторе. Но за счет того, что число трансформаций напряжения в системе электроснабжения дости­гает 3 — 4 и имеет тенденцию к росту до 5 — 6, суммарная номи­нальная мощность трансформаторов во много раз больше, чем АД. Поэтому расходы реактивной мощности в АД и в трансформа­торах в такой системе соизмеримы.

Из всей потребляемой трансформаторами реактивной энергии около 80 % расходуется на намагничивание.

На рис. 6.2, а показано распределение потерь Л(2_П реактивной мощности в эквивалентной цепи электростанция — потребитель, а на рис. 6.2, ^приведены векторные диаграммы токов и напряже­ний для узлов А, Б, В, Г, Д этой цепи. Как видно из диаграммы, угол ф возрастает от 22 до 38,5° по мере удаления от шин электро­потребителя, где соsф = 0,927, и приближения к шинам генера­торного напряжения электростанции, где соsф = 0,785. Вырабаты­ваемая на электростанциях реактивная мощность при соsф = 0,927 для потребителей составляет около 80 % суммарной активной мощ­ности системы. Даже при соsф = 0,927 все участки электропереда­чи очень сильно загружены реактивной мощностью: на каждую 1000 кВт активной мощности от электростанции требуется пере­дача 800 квар реактивной мощности в начале передачи и 400 квар — в конце. Это приводит к повышенным токовым нагрузкам сети и, как следствие, к увеличению затрат на ее сооружение, а также к повышенным потерям и ухудшению качества электроэнергии.

Передача значительной реактивной мощности в системе элек­троснабжения невыгодна по следующим основным причинам. 126

1. Возникают дополнительные потери активной мощности во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные за­грузкой их реактивной мощностью. Так, при передаче активной и реактивной мощностей через элемент сети с сопротивлением К потери активной мощности

где АР_Р, АР_Q — потери активной мощности, вызванные переда­чей соответственно активной реактивной мощностей.

Как следует из формулы (6.6), потери АР_Q пропорциональ­ны Q².

2. Возникают дополнительные потери напряжения. Например, при передаче мощностей Р и Q через элемент сети с активным R и реактивным X сопротивлениями потери напряжения

где АU_Р, АU₀ — потери напряжения, обусловленные соответственно передачей активной и реактивной мощностей.

Дополнительные потери напряжения приводят к снижению ка­чества электроэнергии и дополнительным затратам на ввод средств регулирования напряжения.

3. Загрузка реактивной мощностью линий электропередачи и трансформаторов требует увеличения площади сечений проводов воздушных и кабельных линий, повышения номинальной мощ­ности или числа трансформаторов подстанций и оборудования ячеек распределительных устройств.

Из сказанного следует, что технически и экономически целе­сообразно предусматривать дополнительные мероприятия по уменьшению передачи реактивной мощности, которые можно раз­делить на две группы:

снижение потребления реактивной мощности приемниками электроэнергии без применения компенсирующих устройств;

применение компенсирующих устройств.

Мероприятия первой группы должны рассматриваться в пер­вую очередь, поскольку для их осуществления, как правило, не требуется значительных капитальных вложений. К таким меро­приятиям относятся:

упорядочение технологического процесса, ведущее к улучше­нию энергетического режима оборудования;

замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощ­ности;

понижение напряжения у двигателей, систематически работа­ющих с малой загрузкой;

Рис. 6.3. Схема замещения цепи линия — приемник электроэнергии при параллельном подключении конденсатора (а) и векторная диаграмма (б):

ограничение продолжительности холостого хода двигателей;

применение синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности в случаях, когда это возможно по условиям техно­логического процесса;

повышение качества ремонта двигателей;

замена и перестановка малозагруженных трансформаторов;

отключение части трансформаторов в периоды снижения их нагрузки (например, в ночное время).

Мероприятия второй группы предусматривают установку спе­циальных компенсирующих устройств (КУ) на предприятиях для выработки реактивной мощности в местах ее потребления. При­мером КУ может быть конденсаторная батарея, подключаемая параллельно активно-индуктивной нагрузке, например асин­хронному двигателю. Принцип такого КУ поясняет рис. 6.3. Под­ключение конденсатора С уменьшает угол сдвига фаз между то­ком и напряжением нагрузки и соответственно повышает коэф­фициент мощности нагрузки. Потребляемый из сети ток снижа­ется с I₁ до I₂.

Реактивная мощность Q_э, передаваемая из сети энергосистемы в час наибольшей активной нагрузки системы, указывается в до­говорах на отпуск электроэнергии. Контроль за реактивной мощ­ностью потребителей осуществляет энергоснабжающая организа­ция и Госэнергонадзор. Контролируется наибольшее потребление | реактивной мощности.

Для контроля за наибольшей реактивной мощностью служат счетчики с указателями 30-минутного максимума. При отсутствии специальных счетчиков используют обычные счетчики. Записи подлежат их 30-минутные показания в часы максимума нагрузки энергосистемы, а также показания в начале и конце суточного ночного провала активной нагрузки данной энергосистемы.

Задачи компенсации реактивной мощности должны решаться в соответствии с Указаниями по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях совместно промышленым пред­приятием и энергосистемой с учетом регулирования напряжения района, в котором расположено предприятие. Выбор параметров компенсирующих устройств, их размещение в системе электро­снабжения определяются по минимуму приведенных затрат.

Для стимулирования проведения мероприятий по компенса­ции реактивной мощности на действующих предприятиях Гос-энергонадзором установлена шкала скидок и надбавок к тарифу на электроэнергию. Скидки и надбавки к тарифу определяются по таблице в зависимости от степени компенсации реактивной мощ­ности, которая оценивается коэффициентами

где tgф_э, tgф_м — соответственно оптимальный и фактический ко­эффициенты реактивной мощности; (2_Э — оптимальная реактив­ная нагрузка предприятия в часы максимума активной нагрузки, заданная энергосистемой на границе балансового раздела сетей системы и предприятия и зафиксированная в договоре на пользо­вание электроэнергией, квар; Р_мэ — заявленная предприятием ак­тивная мощность, участвующая в максимуме энергосистемы и за­фиксированная в договоре на пользование электроэнерги­ей, кВт; Q_мф — фактическая реактивная нагрузка предприятия, участвующая в максимуме энергосистемы, квар.