Глава 11 Компенсация реактивной мощности 11. 1 Общие положения Одним из основных вопросов, решаемых как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации систем промышленного электроснабжения, является вопрос о компенсации реактивной мощности, включающей расчет и выбор компенсирующих устройств, их регулирование и размещение на территории предприятия. Количественные и качественные изменения, происходящие в промышленном электроснабжении за последние годы, придают этому вопросу особую значимость. Уже в настоящее время прирост потребления реактивной мощности существенно превосходит прирост потребления активной мощности. Все большую долю в общем объеме суммарных нагрузок занимают резкопеременные нелинейные нагрузки
с повышенным потреблением реактивной мощности (вентильные преобразователи для электроприводов постоянного и переменного тока, термических установок и т. п. ). В этих условиях установка конденсаторных батарей, наиболее широко применяемых для компенсации реактивной мощности, не всегда является лучшим решением. Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются асинхронные двигатели (60— 65% общего ее потребления), трансформаторы (20— 25%), вентильные преобразователи, реакторы, воздушные электрические сети и прочие приемники (10%). В зависимости от характера оборудования коэффициент реактивной мощности может достигать 1, 3— 1, 5. Передача значительной реактивной мощности по линиям и через трансформаторы невыгодна по следующим основным причинам:
1. Возникают дополнительные потери активной мощности и энергии во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью. Так, при передаче активной Р и реактивной Q мощностей через элемент системы электроснабжения с сопротивлением R потери активной мощности составят: (11. 1) 2. Возникают дополнительные потери напряжения, которые особенно существенны в сетях районного значения. 3. Загрузка реактивной мощностью систем промышленного электроснабжения и трансформаторов уменьшает их пропускную способность и требует увеличения сечений проводов воздушных и кабельных линий, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и т. п.
Приведенные соображения вынуждают, насколько это технически и экономически и целесообразно предусматривать дополнительные мероприятия по уменьшению потребляемой реактивной мощности. На промышленном предприятии это может быть достигнуто естественным путем, например за счетулучшения режима работы приемников, применения двигателей более совершенных конструкций, устранения их недогрузки, а также за счет установки специальных компенсирующих устройств. Здесь уместно отметить, что при компенсации реактивной мощности основная экономия потерь активной мощности происходит не в системах промышленного электроснабжения, а во всех элементах системы электроснабжения от генераторов энергосистем до трансформаторов главных понизительных подстанций промышленного предприятия (ГПП).
11. 2 Способы уменьшения потребления реактивной мощности приемниками электрической энергии Мероприятия по уменьшению потребления приемниками реактивной мощности должны рассматриваться в первую очередь, так как для их осуществления, как правило, не требуется значительных капитальных затрат. Поскольку основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные двигатели, трансформаторы и вентильные преобразователи, то предметом всестороннего анализа должны быть следующие вопросы: 1) замена мало загруженных асинхронных двигателей двигателями меньшей мощности; 2) понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой; 3)ограничение холостого хода двигателей и сварочных трансформаторов; 4) применение синхронных двигателей вместо асинхронных в случае, когда это возможно по условиям технологического процесса;
5) применение наиболее целесообразной силовой схемы вентильного преобразователя. Замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности. Реактивная мощность, потребляемая асинхронным двигателем, зависит от коэффициента загрузки и его технических данных. При номинальной загрузке и номинальном напряжении асинхронный двигатель потребляет реактивную мощность (11. 2) где КПД— коэффициент полезного действия двигателя при полной загрузке. Реактивная мощность, потребляемая двигателем из сети на холостом ходу, может быть найдена из выражения (11. 3) где — ток х. х. асинхронного двигателя.
Для двигателей с номинальным коэффициентом мощности cos = 0, 91 0, 93 реактивная мощность холостого хода составляет около 50% реактивной мощности при номинальной загрузке двигателя. Для двигателей с cos = 0, 77 0, 79 она достигает 70%. Увеличение потребления реактивной мощности при полной загрузке двигателя по сравнению с потреблением на холостом ходу (11. 4) При нагрузках асинхронного двигателя, меньших номинальной, прирост потребления реактивной мощности по сравнению с холостым ходом пропорционален квадрату коэффициента загрузки двигателя: (11. 5)
где — коэффициент загрузки двигателя. Таким образом, реактивная мощность, потребляемая двигателем при произвольной загрузке, составляет: (11. 6) Коэффициент мощности асинхронного двигателя при произвольной загрузке с учетом (11. 6) находят по выражению (11. 7) Как следует из формулы (11. 7), коэффициент мощности двигателя уменьшается при уменьшении его загрузки. Например, если для какого -то конкретного двигателя при 100%-ной загрузке = 0, 8, то при 50%ной он равен 0, 65, а при 30%-ной 0, 51. Отсюда следует, что замена систематически мало загруженных двигателей двигателями меньшей мощности способствует повышению мощности промышленных электроустановок.
Пример 11. 1 Требуется проверить по условиям рентабельности замену двигателя типа А 92 -4 мощностью 100 к. Вт, работающего с нагрузкой на валу, равной 50 к. Вт, двигателем А 82 -4 мощностью 55 к. Вт. Коэффициент изменения потерь в заданном пункте энергосистемы равен 0, 1 к. Вт/квар. Параметры заменяемого двигателя: = 0, 89; = 57 А; = 380 В; = 0, 92; = 3, 5 к. Вт. Определяем: квар; ;
к. Вт. Таким образом, замена двигателя приводит к уменьшению суммарных активных потерь с 8, 93 до 7, 95 к. Вт. Однако для удовлетворения условий рентабельности необходимо, чтобы экономия от снижения потерь электрической энергии в течение 7 лет превзошла дополнительные капиталовложения, вызванные демонтажем старого и монтажом нового двигателя. Применение наиболее целесообразной силовой схемы вентильного преобразователя. Вентильный преобразователь постоянного тока является потребителем реактивной мощности, так как основная гармоника тока отстает от напряжения. Угол сдвига между основными гармониками напряжения и тока определяется в основном глубиной регулирования выпрямленного напряжения;
с достаточной степенью точности можно считать, что , где — среднее значение выпрямленного напряжения; — выпрямленное напряжение идеального холостого хода, определяется силовой схемой преобразователя. Коэффициент мощности преобразователя по основной гармонике С учетом того что ; , получаем: (11. 8) где — коэффициент искажения тока; гармоника переменного тока преобразователя. — основная ,
11. 3 Компенсирующие устройства Для компенсации реактивной мощности, потребляемой электроустановками промышленного предприятия, используются синхронные машины, конденсаторы и специальные статические источники реактивной мощности. Синхронные машины. Синхронные компенсаторы являются синхронными двигателями облегченной конструкции без нагрузки на валу. Они могут работать как в режиме генерирования реактивной мощности (при возбуждении компенсатора), так и в режиме ее потребления (при недовозбуждении). Изменение генерируемой или потребляемой реактивной мощности компенсатора осуществляется регулированием его возбуждения. В настоящее время отечественная промышленность изготовляет синхронные компенсаторы мощностью от 5000 до 100 000 квар. Потери активной мощности в синхронных компенсаторах при их полной загрузке в зависимости от номинальной мощности колеблются в пределах 0, 013— 0, 015 к. Вт/квар, т. е. довольно значительны.
К недостаткам синхронных компенсаторов следует отнести удорожание и усложнение эксплуатации (сравнивая, например, с конденсаторными батареями) и значительный шум во время работы. Рис. 11. 1 Установка синхронных компенсаторов на открытом воздухе без здания.
Рис. 11. 2 Синхронные компенсаторы на трансформаторных подстанциях Положительными свойствами синхронных компенсаторов как источников реактивной мощности являются возможность плавного и автоматического регулирования генерируемой реактивной мощности, независимость генерирования реактивной мощности от напряжения на их шинах, достаточная термическая и электродинамическая стойкость обмоток компенсаторов во время к. з. , возможность восстановления поврежденных синхронных компенсаторов путем проведения ремонтных работ.
Синхронный двигатель. как уже отмечалось, при определенных условиях может генерировать реактивную мощность. Ее величина зависит от загрузки двигателя активной мощностью , подводимого напряжения и технических данных двигателя: (11. 10) здесь — номинальная активная мощность двигателя; — коэффициент перегрузки по реактивной мощности. Конденсаторы — специальные емкости, предназначенные для выработки реактивной мощности. По своему действию они эквивалентны перевозбужденному синхронному компенсатору и могут работать лишь как генераторы реактивной мощности. Мощность конденсаторов в одном элементе составляет 25— 100 квар. Из таких элементов собираются батареи требуемой мощности.
Рис. 11. 3 Конденсаторы Рис. 11. 4 Блоки конденсаторов
Обычно батареи конденсаторов включаются в сеть трехфазного тока по схеме треугольника. При отключении конденсаторов необходимо, чтобы запасенная в них энергия разряжалась автоматически на постоянно включенное активное сопротивление (например, трансформатор напряжения). Значение сопротивления должно быть таким, чтобы при отключении конденсаторов не возникало перенапряжений на их зажимах. Конденсаторы по сравнению с другими источниками реактивной мощности обладают рядом преимуществ: 1) малые потери активной мощности (0, 0025— 0, 005 к. Вт/квар); 2) простота эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей); 3) простота производства монтажных работ (малая масса, отсутствие фундаментов); 4) возможность использования для установки конденсаторов любого сухого помещения.
К недостаткам конденсаторов следует отнести зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения, чувствительность к искажениям питающего напряжения и недостаточную прочность, особенно при к. з. и перенапряжениях. Защита конденсаторов осуществляется плавкими предохранителями, включаемыми в фазные и линейные провода. К компенсирующим устройствам предъявляются следующие требования: 1) высокое быстродействие изменения реактивной мощности; 2) достаточный диапазон регулирования реактивной мощности; 3) возможность генерирования и потребления реактивной мощности; 4)минимальные искажения питающего напряжения. Основными элементами статических компенсирующих устройств являются конденсатор и дроссель — накопители электромагнитной энергии и вентили (тиристоры), обеспечивающие ее быстрое преобразование.
11. 4 Выбор компенсирующих устройств производится на основании технико-экономического сравнения вариантов. Среди технически приемлемых вариантов экономически целесообразным будет тот, который обеспечивает минимум приведенных годовых затрат: (11. 11) Определение потерь активной энергии при различных способах компенсации реактивной мощности производится с учетом коэффициента изменения потерь , который может быть вычислен по формуле (11. 12) где — коэффициент изменения потерь i-го звена системы электроснабжения, а суммирование производится по всем звеньям сети электроснабжения от источника питания до шин питающей подстанции промышленного предприятия.
Коэффициент изменения потерь отдельного звена сети электроснабжения может быть определен на основании следующих расчетов. При передаче активной Р и реактивной Q мощностей через звено с сопротивлением потери мощности определяются выражением (11. 1). Если за счет компенсирующих устройств передаваемая через звено мощность снижена на , то потери мощности будут равны: (11. 13) где — потери активной мощности в компенсирующих устройствах; — потери мощности, вызванные передачей реактивной мощности, равной разности. Снижение потерь активной мощности определяется из выражения (11. 14)
Разделив полученный результат на мощность компенсирующего устройства , получим коэффициент изменения потерь активной мощности i-го звена: (11. 15) Величина зависит от удаленности промышленного предприятия от источника питания и находится в пределах 0, 02— 0, 12 к. Вт/квар и более. Потребная мощность компенсирующих устройств выбирается с учетом наибольшей реактивной мощности , которая может быть передана из энергосистемы в режиме ее наибольших активных нагрузок в сеть промышленного предприятия, т. е. должно соблюдаться условие Значение должно задаваться предприятию.
Пример 11. 2 Требуется определить, какой вариант является более экономичным: увеличение мощности синхронного двигателя напряжением 6 к. В сверх потребной мощности 360 к. Вт для приводного механизма, т. е. установка вместо синхронного двигателя типа СД-1246 -6 Л мощностью 360 к. Вт синхронного двигателя типа СД-13 -34 -6 А мощностью 450 к. Вт, или соответствующее увеличение мощности конденсаторной батареи 6 к. В, если она все равно намечается к установке. Технические данные двигателей: частота вращения 1000 об/мин, коэффициент полезного действия КПД = 0, 93. Первоначальные затраты на конденсаторную батарею могут быть представлены в следующем виде: где -часть первоначальных затрат, не зависящая от мощности батареи ; -часть первоначальных затрат, пропорциональная мощности батареи;
-удельные первоначальные затраты на установку 1 квар батареи. Для нашего примера принимаем = 0, так как вопрос об установке конденсаторной батареи разрешен положительно независимо от мощности синхронного двигателя; = 8, 0 руб/квар (для конденсаторов 6 к. В). Таким образом, в данном примере первоначальные затраты на конденсаторную батарею составляют: руб. Мощность батареи приравниваем компенсирующей способности двигателя. Ежегодные расходы на конденсаторную батарею, исходя из потерь мощности в конденсаторах, равных 0, 4%, годового числа часов включения около 5000 ч, стоимости энергии 0, 012 руб/к. Вт·ч), определяем из выражения руб/год.
К указанной сумме следует добавить сумму годовых амортизационных отчислений. Определим первоначальные затраты и ежегодные расходы для варианта установки синхронного двигателя повышенной мощности. Разница в полной стоимости синхронных двигателей СД-13 -34 -6 А 450 к. Вт и СД-12 -46 -6 А 360 к. Вт составляет: руб. Разница в реактивной мощности указанных синхронных двигателей, имеющих одинаковый номинальный опережающий коэффициент мощности = 0, 8, определяется по формуле Значения коэффициентов и определяются из таблицы 11. 1[1, стр303], с учетом коэффициента загрузки двигателя
. ; ; квар. Находим коэффициенты , и для определения дополнительных потерь активной мощности: для двигателя мощностью 360 к. Вт = 4, 7 к. Вт; = 4, 1 к. Вт; для двигателя мощностью 450 к. Вт = 5, 5 к. Вт; = 4, 2 к. Вт. При генерировании максимальной и реактивной мощности активные потери в двигателях составят:
к. Вт; к. Вт. Ежегодные расходы, исходя из годового числа часов работы двигателей около 5000 ч, определяют из выражения руб/год. Определяем приведенные расчетные затраты при установке конденсаторных батарей и при замене синхронного двигателя. Зсд: руб/год; Предпочтение следует отдать варианту с меньшими расчетными затратами, т. е. установке конденсаторных батарей.
Контрольные вопросы 1. Почему требуется компенсировать потребление реактивной мощности? 2. Какие двигатели являются основными потребителями реактивной мощности? 3. Объясните невыгодность передачи значительной реактивной мощности по линиям и через трансформатор? Причины? 4. Какие способы компенсации вы знаете? 5. Какие устройства используют для компенсации реактивной мощности? 6. Перечислите недостатки и положительные свойства синхронных машин? 7. Какими преимуществами обладают конденсаторы? 8. Недостатки конденсаторов? 9. Как производится выбор компенсирующих устройств? 10. В чем отличие синхронных машин и конденсаторов?
Скачать презентацию Глава 11 Компенсация реактивной мощности 11 1 Общие
глава 11.pptx