• 5. Компенсация реактивной мощности и

• 5. Компенсация реактивной мощности и индуктивности линии • 5. 1. Общие положения Как известно, значительная часть электроприемников, присоединенных к электрической системе, потребляет, помимо активной мощности, еще и реактивную мощность. Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели. Часть реактивной мощности теряется в обмотках трансформаторов, а также в реактивном сопротивлении линий электропередачи. Таким образом, генераторы электростанций должны вырабатывать, наряду с активной мощностью, также и реактивную, передаваемую по электрической сети потребителям.

• Полная мощность, выдаваемая генераторами в сеть: • где Р и Q — активная и реактивная мощности приемников с учетом потери мощности в сетях; cos ф — результирующий коэффициент мощности приемников электроэнергии.

• Генераторы рассчитываются для работы с их номинальным коэффициентом мощности, равным 0, 8 — 0, 85, при котором они способны выдавать номинальную активную мощность. Снижение cos ф у потребителей ниже определенного значения может привести к тому, что cosф генераторов окажется ниже номинального и выдаваемая ими активная мощность при той же полной мощности будет меньше номинальной. Первичные двигатели (турбины) генераторов электростанций и котельное оборудование перестанут, в этом случае использоваться по условленной мощности. Таким образом при низких коэффициентах мощности у потребителей приходится для обеспечения передачи потребителям заданной активной мощности вкладывать дополнительные затраты в сооружение более мощных электростанций, увеличивать пропускную мощность сетей и трансформаторов и вследствие этого нести дополнительные эксплуатационные расходы.

• Сказанное объясняет, почему повышению коэффициента мощности электроустановок придают очень большое значение. ПУЭ нормируют величину cosф, которая должна поддерживаться у потребителей в размере 0, 92 — 0, 95. Повышение заинтересованности предприятий в достижении высокого cos ф обеспечивается особой шкалой надбавок и скидок к отпускной стоимости электроэнергии в зависимости от отклонений от среднего значения этого коэффициента, . • Так как в современные электрические системы входит большое количество трансформаторов и протяженных воздушных линий, то реактивное сопротивление передающего устройства получается весьма значительным, а это вызывает немалые потери напряжения и реактивной мощности.

• Передача реактивной мощности по сети приводит к дополнительным потерям напряжения. Из выражения • видно, что передаваемая по сети реактивная мощность Q и реактивное сопротивление сети X существенно влияют на уровень напряжения у потребителя. Размер передаваемой реактивной мощности влияет также на потери активной мощности и энергии в электропередаче. Величиной, характеризующей передаваемую реактивную мощность, является коэффициент мощности. Так, подставляя его значение в формулу потерь активной мощности, получаем откуда видно, что потери активной мощности обратно пропорциональны коэффициента мощности.

• Для уменьшения потерь электроэнергии в сети и повышения напряжения у потребителей следует стремиться к уменьшению величины передаваемой реактивной мощности. Этого можно достигнуть, повышая коэффициент мощности потребителей путем: • а) рационализации работы электрооборудования, установленного у потребителей; • б) компенсации реактивной мощности у потребителя. • Повысить напряжение у потребителей и одновременно уменьшить потери передачи можно, применив также продольную компенсацию.

• 5. 2. Рационализация работы электрооборудования промышленных предприятий и электросети • Основным условием рационального электроснабжения предприятия является точное соответствие типов и мощностей электродвигателей характеристикам и потребляемым мощностям механизмов, приводимых этими электродвигателями в движение. Для выполнения этого условия надо обеспечить на стадии проектирования правильный подбор электродвигателей, а в процессе эксплуатации — замену мало загруженных асинхронных электродвигателей менее мощными. • Во всех случаях, когда это возможно, следует отдавать предпочтение электродвигателям с короткозамкнутым ротором.

• Эти мероприятия существенно повышают cosφ установки, так как работа асинхронного электродвигателя с мощностью, меньшей номинальной, значительно снижает его коэффициент мощности. Так, например, если электродвигателю, имеющему при номинальной нагрузке cosφ = 0, 8, дать нагрузку в 50% от номинальной, то его cosφ снизится примерно до 0, 6. • Там, где по технологическим условиям электродвигатели длительно работают на холостом ходу, надо применять их автоматическое отключение на время холостой работы и последующее автоматическое включение. Следует также, где это возможно, заменять тихоходные электродвигатели быстроходными, переключать обмотки в зависимости от загрузки электродвигателя с треугольника на звезду и т. п.

• Снизить потребление реактивной мощности можно также, заменив асинхронные электродвигатели там, где это позволяют условия работы механизмов (запуск, регулирование числа оборотов и пр. ), синхронными или синхронизированными асинхронными электродвигателями. • Синхронные электродвигатели при перевозбуждении могут работать с коэффициентом мощности, близким к единице, и даже иметь опережающий cosφ, т. е. выдавать реактивную мощность в сеть. Асинхронные двигатели, снабженные устройством для возбуждения (обычно от селеновых выпрямителей), обладают свойствами, сходными со свойствами синхронных электродвигателей, и поэтому с точки зрения повышения cosφ их применение дает те же результаты.

• Однако применение в промышленных установках синхронных и синхронизированных асинхронных электродвигателей ограничено по технологическим соображениям, да и не всегда может обеспечить компенсацию реактивной мощности по предприятию в целом. • Потери реактивной мощности в трансформаторах уменьшают тем, что мало загруженные трансформаторы заменяют менее мощными, а на двух трансформаторных подстанциях один из трансформаторов отключают от сети, переводя его в автоматический резерв.

5. 3. Компенсация реактивной мощности Рис. 5 -1. Схемы электропередачи : а)-без компенсации б) -с компенсацией

• Так называемый естественный коэффициент мощности потребителей (коэффициент мощности, обусловленный свойствами и характеристиками самих электроприемников, без учета специальных устройств по его повышению) составляет всего 0, 75 — 0, 80 и лишь в лучших, рационально запроектированных и эксплуатируемых электроустановках доходит до 0, 85. Заметим к тому же, что эти значения относятся к шинам приемных подстанций потребителей. Если же учесть потери реактивной мощности в сетях высокого напряжения и в трансформаторах, то окажется, что генераторы электростанций должны работать со значениями cosφ ниже номинальных, применяемых заводами- изготовителями для современных генераторов (0, 8 — 0, 85).

• Таким образом, для обеспечения работы генераторов с номинальными параметрами и для разгрузки сети от реактивной мощности целесообразно часть этой мощности генерировать на месте ее потребления. Источниками реактивной мощности, устанавливаемыми на месте потребления, являются: • а) синхронные компенсаторы; • б) статические конденсаторы. • И те и другие являются потребителями опережающей (емкостной) реактивной мощности или, что то же самое, — источниками отстающей реактивной мощности, выдаваемой ими в сеть.

• Сказанное иллюстрируется схемами, изображенными на рис. 5 -1. Так, на схеме рис. 5 -1, а изображена передача электроэнергии от электростанции А к потребительской подстанции Б. Передаваемая мощность (без учета потерь) составляет Р —j. Q. • При установке у потребителя статических конденсаторов мощностью QK (рис. 5 -1, 6) мощность, передаваемая по сети, будет P-j(Q-Qk). • Реактивная мощность, передаваемая от электростанции, уменьшилась или, как говорят, стала скомпенсированной на величину мощности, вырабатываемой конденсаторной батареей. Эту мощность потребитель получает теперь в значительной части непосредственно от компенсирующей установки.

• При компенсации реактивной мощности уменьшаются и потери напряжения в электропередачах. Если до компенсации мы имели потерю напряжения в местной сети, равную • то при наличии компенсации она будет снижена до величины • где R и X — сопротивления сети.

• Из сказанного вытекает, что чем ближе к приемникам установлены компенсирующие устройства, тем больший участок сети освобождается от реактивной мощности и тем больше эффект от компенсации. Однако стоимость 1 к. Вар у компенсирующих устройств малой мощности выше, чем у более мощных устройств. Поэтому вопрос о выборе типа и места размещения компенсирующих устройств должен решаться технико- экономическими расчетами и сравнением сроков, в течение которых капитальные затраты на компенсацию окупятся экономией, получаемой благодаря снижению потерь в передаче.

• Компенсация реактивной мощности на районных подстанциях, осуществляемая преимущественно синхронными компенсаторами, преследует еще и другие цели, например регулирование напряжения и реактивной мощности в сети, компенсацию потерь реактивной мощности в электропередаче и трансформаторах и т. д.

• 5. 4. Статические конденсаторы • Применяемые в местных сетях конденсаторы для компенсации реактивной мощности выпускаются на напряжения 220, 380 и 500 В, в трехфазном исполнении мощностью от 3 до 10 к. Вар и на напряжения 1, 05; 6, 3 и 10, 5 к. В — в однофазном исполнении мощностью 10 к. Вар. • Так как мощность отдельных конденсаторов сравнительно невелика, то обычно их соединяют параллельно в батареи, размещаемые в комплектных шкафах. Часто применяют, установки, состоящие из нескольких групп или секций батарей конденсаторов, что делает возможным ступенчатое регулирование мощности конденсаторов, а стало быть, и напряжения установки.

• Конденсаторные установки, применяемые на промышленных предприятиях, бывают либо индивидуальными, либо групповыми, либо централизованными. Первые подключают к цеховым сборкам, непосредственно у электродвигателей, вторые — к групповым шинам напряжением до 500 в, третьи, рассчитанные на напряжение 6— 10 к. В, — к сборным шинам подстанций или к вводам трансформаторов.

Рис. 5 -2. Схема включения конденсаторной батареи.

• Обычно конденсаторы включают на линейное напряжение (треугольником), причем каждый конденсатор или группу из 3— 5 конденсаторов защищают плавким предохранителем. Всю батарею конденсаторов подключают к сборным шинам через автоматический выключатель (высокого или низкого напряжения). Примерная схема включения конденсаторной батареи, рассчитанной на напряжение 6— 10 к. В, изображена на рис. 5 -2. • Батарея конденсаторов должна быть снабжена разрядным сопротивлением, наглухо присоединенным к ее зажимам. Разрядным сопротивлением для конденсаторных установок напряжением 6— 10 к. В служат трансформаторы напряжения ТН, а для конденсаторных батарей напряжением до 380 в — лампы накаливания.

• Необходимость в разрядных сопротивлениях диктуется тем, что при отключении конденсаторов от сети в них остается электрический заряд и сохраняется напряжение, близкое по величине к напряжению сети. Будучи же замкнутыми (после отключения) на разрядное сопротивление, конденсаторы быстро теряют свой электрический заряд; спадает до нуля и напряжение, что обеспечивает безопасность обслуживания установки. От других компенсирующих устройств конденсаторные установки выгодно отличаются простотой устройства и обслуживания, отсутствием вращающихся частей и малыми потерями активной мощности. • К недостаткам конденсаторных батарей следует отнести зависимость их мощности от квадрата напряжения сети и невозможность плавного регулирования реактивной мощности, а следовательно, и напряжения установки.

• 5. 5. Выбор мощности компенсирующих устройств • При выборе мощности компенсирующих устройств надо стремиться к правильному распределению источников реактивной мощности и к наиболее экономичной загрузке сетей реактивной мощностью.

• Для практических расчетов пользуются средневзвешенным коэффициентом мощности электроустановок, присоединяемых к сетям. Величина этого коэффициента, согласно рекомендации ПУЭ, равная 0, 92— 0, 95, обеспечивает наиболее экономичное построение электрических сетей промышленных предприятий и необходимые уровни напряжения в них. Упомянутый коэффициент обязателен для всех эксплуатируемых и вновь проектируемых установок. Отступление от него в сторону понижения допускается лишь при наличии серьезного технико-экономического обоснования, например в случае, если потребитель получает питание непосредственно с шин электростанции или районной подстанции, на которой установлены мощные синхронные компенсаторы, и если передача реактивной мощности от этих источников более, выгодна, чем установка дополнительных компенсирующих устройств.

• Так, потребителям, питающимся от генераторных шин электростанции, генераторы которой располагают реактивной мощностью, превосходящей максимальную нагрузку собственного района, в период максимума может быть разрешено понизить коэффициент мощности до 0, 82— 0, 87, а потребителям, получающим электроэнергию от такой электростанции через одну понизительную подстанцию (110/6 -10 или 35/6 -10 к. В), —до 0, 85— 0, 9. • Потребители же, пользующиеся двойной трансформацией (например, получающие питание последовательно через подстанции 110/35 и 35/10 к. В), должны поддерживать коэффициент мощности в пределах 0, 9— 0, 95, а получающие питание по очень протяженным сетям (свыше 100 км при 110 к. В) обязаны доводить его до 0, 95— 1, 0.

• Различают: • а) мгновенный коэффициент мощности, подсчитываемый по формуле: • исходя из одновременных показаний ваттметра (Р), вольтметра (U) и амперметра (I) для данного момента времени или из показаний фазометра;