Эффективность компенсации реактивной мощности
Общие сведения о генерировании и потреблении реактивной мощности в электрических сетях Все процессы, происходящие в электрических системах, общепринято характеризовать с помощью трех параметров: напряжения, тока и мощности Р. Однако для удобства расчетов и учета электроэнергии применяют также и другие параметры, в том числе и такой параметр, как реактивная мощность Q, которая идет на создание магнитного и электрического полей, без которых работа преобразовательных устройств (трансформаторов, различных типов преобразователей и других устройств) в силу их физических свойств невозможна. При этом индуктивность потребляет реактивную мощность, а емкость ее генерирует. Полная мощность в цепи переменного тока равна произведению тока I на напряжение U, причем для трехфазной цепи переменного тока она равна [1,2]: S=V3IU=V(P2+Q2), где S, Р и Q - полная, активная и реактивная мощность соответственно; ф - угол сдвига между напряжением и током; cos(p - коэффициент мощности, являющийся показателем потребления реактивной мощности и показывающий соотношение активной мощности Р и полной мощности 5(созф=Р/5); тдф - коэффициент реактивной мощности. Следует отметить, что только активная мощность Р, обусловленная преобразованием энергии первичного двигателя, получаемой от природного источника, в электроэнергию, может совершать работу и преобразовываться в полезную механическую, тепловую, световую и химическую энергии. Что же касается реактивной мощности Q, то она не связана с выполнением полезной работы, а лишь расходуется на создание электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, индукционных печах, сварочных трансформаторах, дросселях, осветительных приборах. Таким образом, реактивная мощность не преобразуется в другие виды мощности, не требует для своего производства затраты других видов энергии, не совершает работу, поэтому чисто условно, по сути, лишь для удобства, называется мощностью. Несмотря на то, что активная мощность, а следовательно, и топливо на выработку реактивной мощности непосредственно не расходуется, все же передача ее по электрической сети вызывает затраты активной энергии, которые покрываются активной энергией генераторов (за счет дополнительного расхода топлива). Кроме того, передача реактивной мощности загружает электрические сети и установленное в них оборудование, отнимая таким образом некоторую часть их пропускной способности. Для расчета режимов в цепях синусоидального тока, анализа производства и потребления реактивной мощности в электрических системах реактивная мощность является очень удобной характеристикой, поэтому она широко используется на практике. Это наглядно иллюстрируют приведенные данные об изменении потока реактивной мощности (а), напряжения и сдвига по фазе тока и напряжения (б) в системе электропередачи: шины электростанции - шины приемной электроподстанции потребителя для узлов А-Д этой передачи. Эти данные были получены путем измерений по ряду промышленных предприятий в часы максимума нагрузки наиболее загруженного зимнего дня [2]. На рис.1 обозначено: Qr, Qn, QPB, QPH - величины реактивной мощности на шинах генератора 6...20 кВ, шинах приемной подстанции 6... 10 кВ, на высоковольтной и низковольтной нагрузках электроприемников; AQn, AQji, AQ2 _ потери реактивной мощности в повышающих трансформаторах, линиях электропередачи, в понижающих трансформаторах соответственно; UA, 11Б, UB, Ur и фА, фБ, фв, фг _ напряжения и углы сдвига между напряжением и током в узлах А, Б, В, Г системы электропередачи соответственно.
Как видно, на всем пути прохождения электроэнергии от шин электростанции до шин приемника происходит непрерывное потребление реактивной мощности: сначала элементами питающей сети (повышающими трансформаторами электростанции и понижающими трансформаторами главной понижающей подстанции), а затем и электроприемниками предприятия. При этом угол ср изменяется от фА=38,5° до фд=22° (и соответственно коэффициент мощности изменяется от cos(pA=0,785 до соэфд=0,927), а вырабатываемая на электростанциях реактивная мощность (при соэфд=0,927) составляет около 80% относительно суммарной активной мощности системы. Даже при созфд=0,927 все участки электропередачи оказываются очень сильно загруженными реактивной мощностью: на 1000 кВт активной мощности от электростанции требуется передавать 800 кВАр реактивной мощности в начале передачи и 400 кВАр в конце, что приводит к повышенным токовым нагрузкам электросетей и, как следствие, к увеличению затрат на их строительство, к повышенным потерям электроэнергии, к ухудшению качества напряжения из-за больших потерь напряжения в элементах сети. Кроме того, большая загрузка реактивной мощностью электростанций приводит к перегрузке по току генераторов, к необходимости их использования специально для выработки реактивной мощности даже в те часы, когда по активной нагрузке часть генераторов можно было бы отключить в резерв. Несложный анализ данных о потреблении реактивной мощности отдельными потребителями показывает, что основную часть реактивной мощности потребляют: асинхронные двигатели - до 40% (совместно с бытовыми, сельскохозяйственными электродвигателями и асинхронными электроприводами собственных нужд электростанций), электропечные установки - 8%; вентильные преобразователи - 10%, трансформаторы всех ступеней трансформации (потери в них) - 35%. В то же время линии электропередачи являются значительно меньшими потребителями реактивной мощности: потери в них составляют лишь 7%. Таким образом, реактивная мощность в электрических сетях необходима для создания электромагнитных полей в электродвигателях, силовых и сварочных трансформаторах, индукционных печах, дросселях, осветительных приборах. В случае невозможности по тем или иным причинам создать такие поля в указанном выше электрооборудовании, оно работать не будет.
Отрицательные последствия наличия избыточной (некомпенсированной) реактивной мощности в электрических сетях проявляются в следующем : 1. Реактивная мощность в электрических сетях вызывает увеличение потерь активной электрической мощности в этих сетях. 2. Избыток реактивной мощность приводит к перегрузке по току генераторов электростанций, вызывая необходимость увеличения их установленных мощностей. 3. Реактивная мощность вызывает дополнительную нагрузку электрических линий и трансформаторов вследствие изменения потоков реактивной мощности, что приводит к изменению потерь электроэнергии и напряжения, а следовательно, и к изменению режима напряжения. 4. Ухудшается качество напряжения в местах потребления активной мощности. Все перечисленные выше отрицательные последствия от избыточной (нескомпенсированной) реактивной мощности в электрической сети в наибольшей мере проявляются в часы максимальных нагрузок энергосистем, хотя они ощущаются и в остальное время.
Какие требования предъявляют к трансформаторам.