Материалы

Понятие об активной и реактивной мощностях

Когда электросеть включает в себя только активные нагрузочные компоненты, изменения фаз тока и напряжения совпадают друг с другом, и потребляемый ресурс ограничивается полезной мощностью (ее можно также называть активной). Но на практике сети часто включают в себя компоненты, несущие значительную индуктивную нагрузку. Продуцируемая ею реактивная мощностная компонента отличается отставанием одной из величин (напряжения либо тока) от другой. В итоге в периоды времени, когда величины имеют обратные друг другу знаки, мощность идет в сторону генератора, не выполняя полезную работу. Это приводит к тратам энергетических ресурсов вхолостую, при этом за эти траты платит потребитель.

Важно! Реактивная мощность создает избыточную нагрузку на кабельные элементы (для ее нивелирования требуется применение более толстых проводов), коммутационные и трансформаторные устройства, из-за чего они быстрее выходят из строя. Еще один побочный эффект – отклонение сетевого напряжения от номинального показателя

Фазовый сдвиг между токовой силой и напряжением

Основы компенсации реактивной мощности

Мощность P, забираемая от электрической сети, есть произведение напряжения сети на потребляемый ток:

Это выражение действительно для синусоидальных периодических величин только тогда, когда они находятся в одной фазе (рис. 1).


Рис. 1. Активная нагрузка

Это соответствует случаю активного потребления электроэнергии, такому как лампа накаливания или электродвигатель. При таком преобразовании мощности можно говорить об активной нагрузке.

Условием для работы электродвигателей и трансформаторов является наличие электромагнитного поля. Для таких устройств используется другая часть потребляемой электроэнергии, она называется реактивной энергией Q.

За счет индуктивного сопротивления катушек индуктивности происходит сдвиг тока относительно напряжения (рис. 2).


Рис. 2. Индуктивная нагрузка

Прохождение током точки «0» сдвинуто относительно напряжения на фазовый угол φ. Так как ток свое значение изменяет во времени после напряжения, то говорится об отставании тока от напряжения по фазе (рис. 3).

Для создания магнитного поля необходим реактивный ток, поэтому электрические производственные мощности (линии электропередач, генераторы, трансформаторы и т. д.) должны быть рассчитаны на эту дополнительную часть тока, то есть на геометрическую сумму активной и реактивной составляющих (рис. 3).


Рис. 3. Сумма активной и реактивной составляющих полной мощности

При передаче тока ненужная реактивная часть должна быть по возможности малой. С другой стороны, реактивную мощность использует потребитель, поэтому ее нужно пытаться подвести не через сеть общего электроснабжения, а другим путем. В этом помогают конденсаторы (емкостные потребители), имеющие опережающий реактивный ток (рис. 4).


Рис. 4. Емкостная нагрузка

Если емкостное сопротивление равно по величине индуктивному, то действия их токов взаимно уничтожаются. Таким образом, потребляемая от энергосетей (оплачиваемая) реактивная мощность может быть снижена или вообще удалена (рис. 5).


Рис. 5. Баланс мощности

Процесс уравнивания количества энергии электрического поля (конденсатора) и магнитного поля (индуктивности) называется компенсацией реактивной мощности.

Соотношение активной мощности Pиполной мощности S показывает cosφ:

Для компенсируемой реактивной мощности получаем:

Конденсатор равной мощности Qc полностью компенсирует реактивную мощность и повысит коэффициент мощности до единицы (cosφ = 1).

На практике коэффициент мощности после компенсации в большинстве случаев находится в пределах от 0,9 до 0,99 (рис. 5).

Необходимая мощность конденсаторов определяется следующим образом:

Защита конденсаторных установок

Чтобы обеспечить безопасность установки, применяются механизмы:

  • датчик температуры, инициирующий подогрев при ее понижении и охлаждение при излишнем нагреве батареи конденсаторов;
  • защита от инцидентов короткого замыкания, сильных скачков тока и напряжения;
  • блокиратор попыток прикосновения к токоведущим деталям;
  • контактный переключатель, отключающий агрегат при отпирании двери с работающим оборудованием.

Советуем изучить — Промышленные светодиодные светильники

Монтаж установки с конденсаторной батареей позволит разгрузить электродвигатели, генераторы и другое оборудование, несущее реактивную нагрузку. При подготовке к приобретению нужно рассчитать, куда целесообразнее всего будет подключить агрегат.

Преимущества автоматических установок компенсации реактивной мощности:

За счет внедрения автоматических конденсаторных и дроссельных установок на проектируемые и модернизируемые объекты можно добиться следующих результатов:

– снижение уровня энергопотребления до 40%,

– уменьшение нагрузки на силовых трансформаторах, что сказывается на долговечности их эксплуатации,

– уменьшение нагрузки на кабельные и проводные линии, что позволит использовать провода с меньшим сечением,

– убрать лишние наводки и гармоники в питающих электросетях, улучшить качество транспортируемого по ним электричества,

– стоимость компенсирующего оборудования и его монтажа может окупиться в течение полгода – года, а использовать полученные преимущества можно будет несколько десятилетий.

Примечание: Фото https://www.pexels.com, https://pixabay.com

карта сайта

Коэффициент востребованности
929

Подключение БСК к электросети

Конденсаторные батареи имеют возможность подключения двумя способами:

  1. используя общий аппарат управления с приёмниками электричества (асинхронный двигатель, силовой трансформатор и т.д.);
  2. через отдельное устройство, предназначенное для включения или отключения лишь конденсаторов.

В установках до 1кВ статические конденсаторы включается и выключаются автоматически. Те, что используются при напряжении свыше 1кВ, подключаются к сети или отключаются от нее посредством разъединителей мощности или выключателей.

Для снижения затрат на отключающую аппаратуру рекомендуется использовать конденсаторные батареи таких мощностей:

  • 30 квар до 1кВ;
  • 100 квар при 6-10кВ и подключении батареи к общему выключателю силового трансформатора или другого электроприёмника;
  • 400 квар при 6-10кВ и подключении к отдельному выключателю.

Конденсаторные установки, применяемые для низковольтных сетей

Для увеличения коэффициента мощности, характерного для оборудования электроустановок на промышленном производстве используются малогабаритные многоступенчатые, обладающие способностью регулирования, конденсаторные установки, примером могут служить конденсаторные установки навесного типа или с цоколем для монтажа на пол – УКМ58М. Они служат для поддержания коэффициента мощности в заданных границах во время минимального и максимального режима нагрузок, главное – исключение генерирующего режима реактивной мощности.

Достоинства низковольтных конденсаторных установок

  1. В контакторах используются контакты с включением опережающего действия, в конструкции предусмотрены токоограничивающие резисторы, которые служат для продления срока эксплуатации, при необходимости используется тиристорная коммутация;
  2. Самовосстанавливающиеся после пробоя диэлектрика, конденсаторы;
  3. Использование корректирующих регуляторов для коэффициента мощности, работающих в автоматическом режиме, они также служат для сбалансированного ввода в работу конденсаторных батарей, что способствует высокой точности заданного коэффициента при различных реактивных нагрузках;
  4. Малые габариты;
  5. С помощью специализированного регулятора можно обеспечить надежную защиту конденсаторов от влияния токов высших гармоник, отрицательно на них влияющих, для этих целей также используются антирезонансные дроссели, которые устанавливаются дополнительно;
  6. Включение конденсаторных батарей осуществляется в избирательном режиме;
  7. Сбалансированный режим между реактивной мощностью и нагрузкой в сети.
    Использование УКРМ способствует качественному улучшению электрической энергии и рекомендуется при достижении целей по эффективному энергосбережению.

Пишите комментарии, дополнения к статье, может я что-то пропустил. Загляните накарту сайта, буду рад если вы найдете на моем сайте еще что-нибудь полезное.

Для чего нужна установка компенсации реактивной мощности?

Как известно из курса электротехники, электрическая энергия бывает двух видов: активная и реактивная. Активная — это та энергия, которая потребляется (преобразуется) из одного вида в другой и выполняет какую-либо полезную работу. Например, крутит вал электродвигателя, нагревает нагревательный элемент, преобразуется в световой поток и освещает что-нибудь. Реактивная энергия — это энергия, которая циркулирует от источника к потребителю и назад. Она не потребляется, а возвращается назад в источник, чем оказывает паразитное воздействие на электрическую сеть.

Казалось бы, что плохого в реактивной энергии? Ну, носится она туда-сюда, что с неё взять? Однако, нужно понимать, что чем её больше, тем меньше активной энергии передается от источника к потребителю, потому что провод в зависимости от сечения имеет ограничения на передачу тока. Следовательно, выполняется меньше полезной работы, то есть коэффициент полезного действия питающей линии уменьшается. Пропускать по питающей линии больше энергии — нужно увеличивать сечение провода, а это дорого. Поэтому самый лучший вариант — избавиться от реактивной энергии совсем.

Есть несколько способов это сделать. Один из них — установка устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ). Это самый простой и дешевый способ поднятия КПД питающей линии. Суть его заключается в том, что у потребителя устанавливаются батареи конденсаторов, которые являются накопителями электроэнергии. Как известно, потребители электроэнергии имеют активно-индуктивный характер, т. е. состоят из активных потребителей (например, нагреватели) и активно-индуктивных (обмотки трансформаторов, катушки реле, электродвигатели — провода в них тоже нагреваются). Так же известно, что при таком характере нагрузке ток отстает он напряжения на угол от 0 до 90 градусов. Проще говоря, когда напряжение на нагрузке уже достигло максимума (амплитудного значения), ток еще не успел этого сделать и достигнет максимума чуть позже, когда величина напряжения будет уменьшаться. Идеальным вариантом является ситуация, когда ток без опоздания от напряжения появляется на нагрузке и точь-в-точь повторяет форму напряжения. Это характерно для чисто активной нагрузки.

Если к индуктивности ток бежит неохотно, то к ёмкости он бежит вперед напряжения. Ток обожает ёмкость. Поэтом, чтобы «приманить» ток к нагрузке, и устанавливают конденсаторные батареи. К ним ток бежит охотнее, работает — не ленится, поэтому КПД линии повышается.

Это свойство и используют для того, чтобы скомпенсировать реактивную энергию. Сама конденсаторная установка — простейшее устройство, состоящее из конденсаторов, которые подключаются параллельно друг другу. Подключаются они могут все сразу — тогда конденсаторная установка является не регулируемой — или в определенной последовательности, в зависимости от набора емкостей. Каждый набор называют ступенью. Ступени предназначены для дробления общей емкости УКРМ и чем их больше, тем точнее УКРМ позволяет регулировать коэффициент мощности.

Если УКРМ регулируемая, то в её составе есть специальный контроллер, которому для поддержания нужного коэффициента мощности требуется информация о напряжении и токе нагрузки. Зная напряжение и ток, контроллер вычисляет рассогласование между ними (отставание или опережение тока от напряжения), а это и есть коэффициент мощности или COS φ. По величине рассогласование контроллер определяет сколько ступеней подключить или отключить, чтобы добиться заданной величины COS φ. Вот так вот всё просто и не затейливо.

Что такое УКРМ

Устройство компенсации реактивной мощности

– устройство, поглощающее «лишнее» электричество, не приносящее пользы.

Поток электричества с УКРМ и без установки

Чем мощнее энергопоток по кабелям, тем больше излишков остается из-за колебаний потоков. Результат: износ и перегрев проводов, нецелевые расходы электроэнергии (переплаты), при использовании мощного оборудования повышен риск поломки техники.

Группа «РУСЭЛТ» выпускает приборы для использования в промышленности. В зависимости от условий эксплуатации мы предлагаем различные модели устройств:

  • КРМ-0,4(от 20 до 1000 кВар) – используются для автоматического и ручного регулирования мощности;
  • КРМ-Ф (от 20 до 1000 кВар) кроме компенсации выполняют вторую немаловажную функцию – фильтрации;
  • КРМ-MINI (20, 30, 40 кВар) – управляемые устройства, компенсирующие мощность электричества в сетевых кабелях.

Приборы рассчитаны на промышленную эксплуатацию в умеренных климатических условиях. Полная работоспособность сохраняется в температурном диапазоне -40-+40°С, рекомендованная влажность до 80%.

Эксплуатация и обслуживание конденсаторных установок

До включения конденсаторной установки в работу необходимо провести следующие механические испытания:

  • проверку контакторов, конденсаторов, электронного регулятора, силовых предохранителей и предохранителей вторичных цепей на отсутствие механических повреждений и наличия посторонних предметов;
  • проверку соединений силовых проводов и контакторов, протянуть по необходимости;
  • проверку болтовых соединений на шинах, выводов предохранителей;
  • проверку механического крепления и заземления конденсаторов;
  • проверку фазировки подсоединения силового кабеля к вводным шинам;
  • проверку качества болтовых соединений подводящего силового кабеля;
  • проверку подключения к контуру заземления.

До включения конденсаторной установки в работу необходимо провести следующие электрические испытания:

  • программирование параметров регулятора реактивной мощности;
  • проверку работоспособности УКМ;
  • включение всех ступеней УКМ в ручном режиме для всех видов регуляторов;
  • проверку отсутствия мест локального перегрева контактов. Отключение УКМ в ручном режиме;
  • проверку соответствия включения ступеней регулятора и конденсаторов;
  • трехкратное включение всех ступеней УКМ в ручном режиме для всех типов регуляторов;
  • проверку отсутствия дребезга контактов в контакторах. 8.4 Все измерения, испытания и опробования в соответствии с действующими директивными документами, настоящей инструкции, проведенные монтажным персоналом, должны быть оформлены соответствующими актами и протоколами.

При температуре в помещении, превышающей +40°С в течение 4-х часов, следует отключить установки от сети. Во время эксплуатации УКМ, необходимо регулярно производить технические осмотры. Осмотры подразделяются:

  • ежедневные;
  • ежемесячные;
  • внеочередные.

Ежедневный осмотр. Необходимо контролировать:

  • температуры окружающего воздуха, в месте расположения установки;
  • аварийных сигналов на регуляторе.

Ежемесячный осмотр. Необходимо проверять:

  • исправность ограждений, целостность замков дверей, отсутствие посторонних предметов;
  • отсутствие пыли, грязи;
  • срабатывание защиты в конденсаторных элементах (поднятие крышки конденсаторного элемента на 10-12 мм);
  • значение напряжения на шинах установки (смотри описание на регулятор);
  • значение тока установки и равномерность нагрузки отдельных фаз;
  • исправность всех контактов внешним осмотром электрической схемы включения установки (токопроводящих шин, заземления, контакторов, разъединителей, и т. п.);
  • подтяжка крепежа контактных соединений;
  • наличие и исправность блокировок;
  • исправность цепи разрядного резистора;
  • проверка целостности плавких вставок предохранителей, проверяется ом-метром;
  • наличие и качество средств защиты (специальной штанги и др.), средств тушения пожара.

Внеочередной осмотр. Производится в случаях:

  • появления разрядов (непрерывного треска) в конденсаторах;
  • повышения напряжения на вводе в установку;
  • повышение температуры окружающего воздуха до значений близких к предельно допустимым.

Неисправные элементы схемы необходимо заменять элементами того же типономинала. Допускается использовать элементы, способные по техническим характеристикам заменить неисправные в допустимых режимах работы. Обо всех технических осмотрах и неисправностях, обнаруженных во время технических осмотров установок, должны быть произведены соответствующие записи в журнал эксплуатации.

Архив номеров

Выпуски за 2009 год: №1 (1), №2 (2), №3 (3), №4 (4), №5 (5),

Выпуски за 2010 год: №1 (6), №2 (7), №3 (8), №4 (9), №5 (10), №6 (11), №7 (12), №8 (13),

Выпуски за 2011 год: №1 (14), №2 (15), №3 (16), №4 (17), №5 (18), №6 (19),

Выпуски за 2012 год: №1 (20), №2 (21), №3 (22), №4 (23), №5 (24), №6 (25),

Выпуски за 2013 год: №1 (26), №2 (27), №3 (28), №4 (29), №5 (30), №6 (31),

Выпуски за 2014 год: №1 (32), №2 (33), №3 (34), №4 (35), №5 (36), №6 (37),

Выпуски за 2015 год: №1 (38), №2 (39), №3 (40), №4 (41), №5 (42),

Выпуски за 2016 год: №1 (43), №2 (44), №3 (45), №4 (46),

Выпуски за 2017 год: №1 (47) , №2 (48), №3 (49), №4 (50),

Выпуски за 2018 год: №1 (51), №2 (52), №3 (53), №4 (54).

Конструкция БСК

Конструктивно БСК состоит из конденсаторных блоков, установленных в оцинкованные кассеты на опорных изоляторах, соединенных между собой для обеспечения требуемой емкости и наибольшего рабочего напряжения. При высоких значениях тока ударного короткого замыкания на шинах подстанции или при установке на подстанции двух и более БСК в состав конденсаторных батарей также входят токоограничивающие (демпфирующие) реакторы.

Конденсаторы открытого типа, которые сейчас наиболее востребованы, размещают в прочных оцинкованных металлических конструкциях с антикоррозионным покрытием, которые устойчивы к различным атмосферным явлениям.

Комплектация БСК определяется классом напряжения и режимом заземления нейтрали сети, а также техническими требованиями.

имеет собственное производство воздушных демпфирующих реакторов, что позволяет снизить затраты и срок поставки БСК. Специалисты готовы осуществить полное сопровождение проекта: технические расчеты, производство, комплектацию, монтаж и наладку оборудования.

Многолетний опыт работы строительства объектов электроэнергетики и наличие собственной производственной базы позволяют собирать БСК с учётом индивидуальных технических требований, пожеланий заказчика и условий эксплуатации.

Определение

Реактивная мощность не выполняет полезной работы. Она обусловлена наличием у потребителя индуктивной или ёмкостной составляющей нагрузки. На предприятиях реактивная мощность возникает при работе электрических двигателей, трансформаторов или ламп ДРЛ. В домашних условиях это моторы пылесосов, стиральных машин или компрессоров холодильников. На корпусе данных агрегатов часто можно увидеть параметр cosф, называемый коэффициентом мощности. Он количественно характеризует долю реактива.

Обратите внимание! Cosф – параметр крайне нестабильный. Он способен меняться в широком диапазоне с течением года и временем суток. Также коэффициент мощности тесно связан с будними и выходными днями

Также коэффициент мощности тесно связан с будними и выходными днями.

Бирка на двигателе

Все перечисленное служит примером источников индуктивной составляющей. Гораздо реже встречается ёмкостная. К её примерам относятся мощные импульсные блоки питания и всё, что во входной части содержит конденсаторы.

Ситуация с компенсацией реактивной мощности в последние годы

Судя по результатам проведенных в 2011-2012 гг. энергетических обследований электрических сетей, по результатам исследований АО «НТЦ ФСК ЕЭС», ситуация с уровнем компенсации реактивной мощности в электрических сетях в последние годы существенно не изменилась, а кое-где ухудшилась. К сожалению, в настоящее время отсутствует полная и достоверная информация о фактической степени компенсации реактивной мощности по стране в целом, по отдельным регионам и уровням напряжения электрических сетей. Но и та ограниченная информация, которой мы располагаем сегодня, свидетельствует о значительных проблемах, которые требуют безотлагательного решения.

В частности, значительное число линий и автотрансформаторов в магистральных электрических сетях 220-500 кВ работает с повышенными перетоками реактивной мощности (tgφ>0,5), что характеризуется табл. 3.

Табл. 3. Количество подстанций и линий электропередачи, работающих с повышенными перетоками реактивной мощности

ОЭС

Количество подстанций и линий электропередачи, шт., работающих с tgφ>0,5

подстанций

линий

Юга

38

280

Северо-Запада

6

19

Центра

70

138

Средней Волги

45

51

Урала

38

78

Наиболее подробный анализ режимов реактивной мощности по данным телеизмерений был проведен в ОЭС Сибири в 2011 году. Из 266 обследованных автотрансформаторов 220-550 кВ на 137 (более 50%) tgφ их нагрузки превышал допустимое значение 0,5.

По нормативным документам ПАО «ФСК ЕЭС» компенсация зарядной мощности ВЛ 500 кВ должна составлять 80-100%. Тем не менее по той же ОЭС Сибири, она составляет 0,67. По отдельным энергосистемам этой ОЭС степень компенсации находится в пределах 0,35-3,95, что видно из табл. 4.

Табл. 4. Степень компенсации реактивной мощности по отдельным энергосистемам ОЭС Сибири

Энергосистема

Отношение мощности компенсирующих устройств (Qку) к зарядной мощности линий (Qзар)

Qку/Qзар, о.е

Алтайская

1,20

Кузбасская

0,35

Новосибирская

0,66

Омская

1,26

Томская

3,95

Западная Сибирь

0,78

Иркутская

0,44

Красноярская

0,48

Хакасская

0,45

Восточная Сибирь

0,46

ОЭС Сибири

0,67

Не лучше ситуация и в других ОЭС. Степень использования установленных в магистральных электрических сетях 220-500 кВ компенсирующих устройств находится в пределах 40-50%.

Отмеченное выше, безусловно, сказывается на уровнях напряжения в электрических сетях. На ряде линий в режимах минимальных нагрузок имеет место избыток реактивной мощности и повышенное напряжение, на ряде перегруженных линий в часы максимума нагрузки наблюдаются пониженное напряжение. И в том и в другом случае это создает трудности при выводе оборудования в ремонт и при ликвидации аварий, а также приводит к дополнительным потерям мощности и электроэнергии в сети.

Недопустимые отклонения напряжения в контрольных точках сети вызваны не только недостаточными степенями компенсации реактивной мощности и использования средств компенсации, но и низкой оснащенностью автотрансформаторов 220-750 кВ средствами автоматического регулирования на трансформаторах (АРНТ) и степенью использования РПН и АРНТ, что видно из табл. 5.

Табл. 5. Оснащенность автотрансформаторов 220-750 кВ устройствами РПН и АРНТ и степень их использования, по состоянию на 2011 г.

Характеристики оснащенности и степени использования

Численное значение для номинального напряжения автотрансформаторов, кВ

220-330

500-750

Общее количество автотрансформаторов (АТ), шт.

1639

306

Число АТ, оборудованных РПН

шт.

1536

277

% от общего кол-ва АТ

94

90

Число РПН, использование которых запрещено руководством

шт.

116

48

% от общего кол-ва АТ

7

16

Общее число не используемых РПН

шт.

640

219

% от общего кол-ва АТ, оборудованных РПН

41

79

Общее число АТ, оборудованных АРНТ

шт.

802

169

% от общего кол-ва АТ

49

55

Общее количество АТ, оборудованных АРНТ и работающих

шт.

81

3

% от общего кол-ва АТ

4,9

1

Из этой таблицы, в частности, следует, что число неиспользуемых РПН от общего количества АТ, оборудованных РПН, составляет в сетях 220-330 кВ – 41%, в сетях 500-750 кВ – 79%. С использованием средств автоматического регулирования напряжения ситуация еще хуже. Только около 50% АТ оборудовано этими средствами, а используется для регулирования напряжения в сетях 220-330 кВ – 4,9%, а в сетях 500-750 кВ – 1% от общего количества АТ.

Заключение

Подведем итоги, перечислив основные тезисы о компенсации реактивной энергии:

  • Назначение – разгрузка линий электропередач и электрических сетей предприятий. В состав устройства могут входить антирезонансные дроссели для уменьшения уровня гармоник в сети.
  • За неё не уплачивают счета частные лица, но платят предприятия.
  • В состав компенсатора входят батареи конденсаторов или в этих же целях используют синхронные машины.

Также рекомендуем просмотреть полезные видео по теме статьи:

Материалы по теме:

  • Причины потерь электроэнергии на больших расстояниях
  • Как определить потребляемую мощность
  • Беспроводная передача электроэнергии на расстояния