Баланс реактивной мощности и его связь с напряжением

При выработке и потреблении энергии на переменном токе равенству вырабатываемой и потребляемой электрической энергии в каждый момент времени отвечает равенство вырабатываемой и потребляемой не только активной, но и реактивной мощности. Эти условия можно записать так:

_Г_П_Н+,

Q_ГQ_П=Q_Н+Q,

где _Г и Q_Г – генерируемые активные и реактивные мощности станций за вычетом собственных нужд; _Н, Q_Н – активная и реактивная мощности потребителей; , Q – суммарные потери активной и реактивной мощностей в сетях; _П,Q_П – суммарное потребление активной и реактивной мощностей.

Эти уравнения являются уравнениями баланса активной и реактивной мощностей. Баланс реактивной мощности по всей системе в целом определяет некоторые уровень напряжения. Напряжения в узловых точках сети электроэнергетической системы в той или в иной степени отличаются от среднего уровня, причем это отличие определяется конфигурацией сети, нагрузкой и другими факторами, от которых зависит падение напряжения. Баланс реактивной мощности для всей системы в целом не может исчерпывающе определить требования, предъявляемые к мощности источников реактивной мощности. Надо оценивать возможность получения необходимой реак-й мощ-ти как по системе, так и по отдельным ее районам.

Необходимость в оценке баланса реак-й мощ-ти возникает прежде всего при проектировании подсистемы регулирования напряжения – реак-й мощ-ти АСДУ. В ряде случаев оценка изменений условий баланса производится и в практике эксплуатации, например при вводе новых регулирующих устройств, установленных мощностей электрических станций, изменениях схемы сети.

Нарушение баланса реактивной мощности приводит к изменению уровня напряжения в сети. Если генерируемая реактивная мощность становится больше потребляемой (Q_ГQ_П), то напряжение в сети повышается. При дефиците реактивной мощности (Q_ГQ_П) напряжение в сети понижается. Для пояснения указанной связи напомним, что например, емкостный ток линии на х.х. повышает напряжение на ее конце. Соответственно реактивной мощности приводит к повышению, а ее недостаток – к понижению напряжения.

В дефицитных по активной мощности энергетических систем уровень напряжения, как правило, ниже номинального. Недостающая для выполнения баланса активной мощности передается в такие системы из соседних энергетических систем, в которых имеется избыток генерируемой мощности.

Обычно энергетические системы дефицитные по активной мощности и по реактивной мощности. Однако недостающую реактивную мощность эффективнее не передавать, а генерировать в компенсирующих устройствах в данной энергетической системе.

16.3. Последствия нарушения качества электро­энергии

Основными являются частота переменного тока (f) и напряжение (U).Остальные показатели качества не рассматриваем, т.к. они не влияют на расчет режимов электрической сети.

Качество электроэнергии влияет на работу электроприемников и на работу электрических аппаратов, присоединенных к электрическим сетям. Все электрические приемники и аппараты характеризуются определенными номинальными параметрами (f_HOM, U_HOM, I_HOM и т.д.). Изменение частоты и напряжения вызывают изменение технических и экономических показателей работы электрических приемников и аппаратов.

Различают электромагнитное и технологическое влияние отклонения частоты на работу электроприемников. Электромагнитная составляющая обусловливается увеличением потерь активной мощности и ростом потребления активной и реактивной мощностей. Можно считать, что снижение частоты на 1% увеличивает потери в сетях на 2%. Технологическая составляющая вызвана в основном недовыпуском промышленными предприятиями продукции. Согласно экспертным оценкам, значение технологического ущерба на порядок выше электромагнитного.

Технологическая составляющая связана с существенным влиянием (f) частоты на число оборотов электродвигателей, а, следовательно, и на производительность механизмов. Большинство технологических линий оборудовано механизмами, где в качестве приводов служат асинхронные двигатели. Частота вращения этих двигателей пропорциональна изменению частоты сети, а производительность технологических линий зависит от частоты вращения двигателя. При значительном повышении частоты в энергосистеме, что может быть, например, в случае уменьшения (сброса) нагрузки, возможно повреждение оборудования.

Кроме того, пониженная частота в электрической сети влияет на срок службы оборудования, содержащего элементы со сталью (электродвигатели, трансформаторы), за счет увеличения тока намагничивания в таких аппаратах и дополнительного нагрева стальных элементов.

При проектировании в расчетах электросетей влияние изменения (f)частоты не рассматривается. Предполагается, что электрическая система обеспечивает поддержание стандартной частотыf=50 Гц.

Изменение U оказывает неблагоприятное влияние на работу осветительных ламп и асинхронных двигателей, которые составляют значительную часть всех электроприемников в энергосистеме. Нежелательно как повышение U, так и его понижение на зажимах электроприемников. Снижение U вызывает резкое уменьшение () светового потока ламп накаливания и их к.п.д. При снижении U на 5% световой поток уменьшается на 18%, а снижение U на 10% приводит к уменьшению потока уже более чем на 30%. Это приводит к значительному уменьшению освещенности рабочих мест на производстве и к снижению производительности труда и ухудшению его качества, может увеличиться число несчастных случаев.

При увеличении U световой поток заметно повышается, но значительно уменьшается срок службы ламп. Так при повышении U на 10% световой поток ламп увеличивается приблизительно на 30%, а срок службы ламп сокращается почти в 3 раза.

Снижение U в сети энергосистемы может явиться причиной массового останова асинхронных двигателей и может привести к возникновению тяжелой системной аварии. При снижении крутящего момента асинхронных двигателей, пропорционального квадрату напряжения на зажимах двигателей, может произойти остановка или невозможность запуска двигателей. При пониженном напряжении у двигателей ухудшается к.п.д. и происходит процесс более интенсивного старения изоляции из-за увеличения тока, проходящего по обмоткам. Одновременно увеличивается скольжение и уменьшается число оборотов двигателя. При этом может снизиться производительность соединенных с двигателем механизмов.

Увеличение U на зажимах асинхронных двигателей неблагоприятно сказывается на условиях их работы. Существенно увеличивается их ток, что вызывает перегрузку обмотки статора. Может заметно возрасти потребление реактивной мощности двигателями.

Изменение напряжений на зажимах электроприемников технологических установок промышленных предприятий также является неблагоприятным фактором, который приводит к снижению технико-экономических показателей работы этих установок, т.е. при снижении U уменьшается производительность установок, удорожается выпускаемая продукция, увеличивается расход электроэнергии на единицу продукции.

Анализируя влияние изменения U у потребителей в качестве потребителей должны рассматриваться и трансформаторы (автотрансформаторы), устанавливаемые на подстанции. Снижение U у трансформаторов при неизменной мощности приводит к увеличению тока в обмотках. Во многих случаях это не представляет опасности для трансформаторов, т.к. их S_НОМ часто превышает нагрузку, и конструкция трансформаторов позволяет допускать некоторую перегрузку. Однако при оценке возможности перегрузки необходимо правильно определять ожидаемый максимальный ток, на величину которого может оказать влияние снижение напряжения на зажимах трансформатора.

Более опасным для трансформатора может оказаться повышение подводимого к нему напряжения. Связано это с существенным увеличением намагничивающего тока, которое у трансформаторов более заметно вследствие резкого увеличения реактивного сопротивления намагничивания. Это характерно при превышении номинального напряжения регулировочного ответвления обмотки. Значительный рост тока намагничивания (I_) при увеличении напряжения на ответвлении объясняется работой трансформаторов в области нелинейной характеристики намагничивания, а это приводит к искажению кривой тока намагничивания (I_) и появлению высших гармоник, которые обуславливают увеличение потерь активной мощности (Р) в магнитопроводе и его дополнительный нагрев.

Существенное изменение характеристик нагрузки при отклонениях напряжения от номинального на ее зажимах приводит к необходимости ограничивать эти отклонения предельно допустимыми значениями. Опыт показывает, что допустимые отклонения от номинального напряжения должны быть относительно малыми. Поэтому электросеть должна быть построена таким образом, чтобы напряжения в ее отдельных пунктах (узлах) существенно не отличались друг от друга и от напряжения источника питания. При этом часто приходится применять специальные устройства для регулирования напряжения.