Информационная статья о реактивной мощности, гармониках и способах борьбы с ними

 

 

 

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

При нормальных рабочих условиях все электрические потребители, чей режим сопровождается постоянным возникновением и исчезновением магнитных полей (например, индукционные двигатели, оборудование сварки, световая дуга и люминесцентные лампы) забирают от сети не только активную, но также индуктивную реактивную мощность (кВАр). Эта реактивная мощность необходима для безупречной работы оборудования и в то же время может быть рассмотрена как нежелательная дополнительная нагрузка сети. Коэффициент мощности потребителя COS F определяется как соотношение потребляемой активной мощности к полной мощности, действительно взятой из сети (кВт к кВА). Чем ближе значение COS F к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности.

Пример: при cosφ = 1 для передачи 500 кВт в сети переменного тока 400 В необходим ток значением 722 А.
Для передачи той же активной мощности при коэффициенте cosφ=0,6 значение тока повышается до 1203 А. Таким образом, потери активной мощности могут достигать больших величин с вытекающими отсюда финансовыми потерями.
Соответственно, все электрооборудование сети, передачи и распределения энергии (силовые трансформаторы, кабели, шины, защитно-коммутационные аппараты), должны быть рассчитаны на бОльшие нагрузки. Кроме того, в результате больших нагрузок срок эксплуатации этого оборудования может существенно снижаться.

! В системах с низким коэффициентом мощности передача энергии, соответствующая стандарту, требует
значительного увеличения затрат у потребителя и на стороне генератора.
! С уменьшением сosφ , и таким образом, с возрастанием тока увеличиваются потери в сети переменного
тока в квадратичном соотношении. Возникают финансовые потери у потребителя.
Другим фактором повышения затрат является возникающая из-за повышенного значения общего тока теплоотдача в кабелях и других распределительных устройствах, в трансформаторах и генераторах. Возьмем, к примеру, в нашем вышеприведенном случае: при cosφ = 1 мощность потерь равную 10 кВт. При cosφ = 0,6 она повышается на 180 % и составляет уже 28 кВт.
Сказанное выше является основной причиной того, что предприятия электроснабжения требуют от потребителей снижения
доли реактивной мощности в сети. В практике потребители с низким значением коэффициента мощности могут получить специальные тарифы от энергоснабжающей компании на потребление и генерацию реактивной мощности.
Выводы:

• с улучшением коэффициента мощности потребитель может снизить общие расходы на электроэнергию.
• уменьшение реактивной нагрузки позволяет производителю энергии при той же общей мощности снабжать дополнительных потребителей полезной нагрузкой.
• улучшение коэффициента мощности уменьшает нагрузку компонентов распределительной сети. Это удлиняет срок их службы.

 

ВИДЫ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Индуктивной реактивной нагрузке, необходимой электрическим потребителям, можно противодействовать с помощью
ёмкостной нагрузки, подключая точно рассчитанный конденсатор. Это позволяет снизить реактивную мощность, забираемую из сети, и называется корректировкой коэффициента мощности или компенсацией реактивной мощности.
В зависимости от подключения и формы применения конденсаторов различают:

индивидуальную компенсацию, или постоянную компенсацию, при которой индуктивная реактивная мощность
компенсируется непосредственно в месте её возникновения, что ведет к разгрузке подводящих проводов (типично для
отдельных, в продолжительном режиме работающих потребителей с постоянной мощностью)

групповую компенсацию, в которой аналогично с локальной компенсацией для нескольких одновременно работающих
индуктивных потребителей подключается совместный постоянный конденсатор (недалеко расположенные друг от друга
электродвигатели, группы разрядных ламп).

централизованную компенсацию, (как правило, регулируемая). Для узлов нагрузки с широким диапазоном изменения потребления РМ. Регулирование мощности КУ может осуществляться в функции реактивного тока нагрузки, но для этого конденсаторная установка должна быть оборудована специальным автоматическим регулятором, а ее полная компенсационная мощность (равная РМ установленных конденсаторов) разделена на отдельно коммутируемые ступени. Такие комплектные КУ называются автоматическими конденсаторными установками (АКУ). АКУ производят КРМ в соответствии с ее фактическим потреблением. Кроме управления ступенями КУ, автоматические регуляторы РМ позволяют производить измерение параметров качества электроэнергии компенсируемой сети с выводом результатов на жидкокристаллический дисплей регулятора (у большинства типов автоматических регуляторов предусмотрена также опция передачи через интерфейс результатов измерения в память компьютера).
Низковольтная установка компенсации реактивной мощности состоит из определенного числа конденсаторных ступеней, которые в своём построении и ступенях подгоняются к особенностям конкретной сети и к её потребностям в реактивной мощности. Очень распространены ступени от 10 до 50 кВАр. Более крупные ступени включения, например, в 100 кВАр или ещё выше, применяются редко, так как могут вызывать значительные возмущения в энегосети при включении. Таким образом, снижается нагрузка на сеть токами включения и, следовательно, уменьшаются вытекающие из этого помехи (например, импульсы тока). Если в сети содержится большая доля высших гармоник, то конденсаторы обычно защищают дросселями (реакторами фильтрующего контура).

 

РАСЧЕТ ТРЕБУЕМОЙ МОЩНОСТИ КОНДЕНСАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Для определения реактивной мощности, необходимой для расчета желаемого коэффициента мощности действует следую-
щая формула:
QC= P (tan φ1 - tan φ2 ), где P -активная мощность компенсируемого потребителя, QC- реактивная мощность требуемого компенсирующего конденсатора; cos φ1 - первоначальный коэф. мощности перед корректировкой; cos φ2 - целевой коэф. мощности.

Соотношение (tan φ1 - tan φ2) выбирается из табл.1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пример расчета необходимой мощности низковольтной установки КРМ:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВЛИЯНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК И ИХ ФИЛЬТРАЦИЯ

Развитие современных технологий полупроводников ведет все к более возрастающему количеству потребителей, управляемых всевозможными преобразователями тока и напряжения. К сожалению, эти изделия увеличивают значение индуктивной реактивной мощности и ухудшают несинусоидальную форму токовой кривой. Эти помехи ведут к повреждениям электрооборудования и ошибочным включениям оборудования и приборов. Типичный ток конвертора/инвертора представляет собой наложения различных синусоидальных составляющих тока, т.е. основной сетевой частоты и определенного числа так называемых высших гармоник (в трехфазной сети в первую очередь гармоники 5-го, 7 –го и 11-го порядков). Содержание высших гармоник ведет к повышению тока в силовых конденсаторах КРМ, т.к. реактивное сопротивление конденсаторов с возрастанием частоты уменьшается.

Параллельно с возрастанием тока в конденсаторах, который можно регулировать с помощью конструктивных мер, в неблагоприятных случаях в сетях могут возникнуть резонансные явления на частотах гармоник.
Компенсационные конденсаторы и индуктивности илового трансформатора/трансформаторов представляют собой резонансный контур. Если собственная частота такого контура совпадет с частотой высших гармоник, то возможно возникновение колебаний со значительными сверхтоками и перенапряжениями в таком контуре. Это ведет к перенагрузкам и повреждениям в электрических установках, в частности, к перегрузке силовых конденсаторов КРМ. Наличие значительных величин высших гармоник в энергосети может вести к следующим последствиям:

• снижение срока службы элементов КРМ: конденсаторов, контакторов, защитной аппаратуры
• преждевременное срабатывание контакторов и сгорание предохранителей
• выход из строя или ошибочная деятельность компьютеров, приводов двигателей, устройств освещения и др. чувствительных потребителей.

Для этого применяются тюнинговые/детюнинговые дроссели. Целью подключения дросселя (реактора) к конденсатору служит снижение резонансной частоты сети до значения, величина которого ниже значения наименьшей высшей гармоники данной сети. Этим предотврощается резонанс между конденсаторами и сетью, а значит и возрастание токов высших гармоник. Кроме того, такое включение имеет эффект фильтра, при котором уменьшается степень искажения напряжения на конденсаторах. Резонансная частота конденсатора, включенного последовательно с дросселем, всегда лежит ниже частоты 5-ой гармоники. Для токов высших гармоник цепь фильтра представляет собой очень низкое полное сопротивление. Поэтому большая часть таких токов направляется в этой контур.
Дроссели рекомендуются в тех случаях, когда полные коэффициенты гармоник по току THDI и напряжению THDU значительно превосходят допустимые по стандартам качества электроэнергии согласно ДСТУ.

Основные последствия влияния токов высших гармоник и резонанса на частотах высших гармоник применительно к компонентам низковольтных и высоковольтных установок компенсации реактивной мощности:

1. Потеря емкости конденсаторов:

1.1 Постепенная в течение 3-12 мес. потеря емкости - является следствием повышенного теплового воздействия на конденсатор в течение длительного времени (токовая перегрузка) или применена некачественная пленка при производстве конденсаторов (наблюдается у изделий некоторых китайских производителей). При этом внешний вид конденсаторов может не измениться.
1.2 Мгновенная потеря емкости - является следствием пробоя (множественных пробоев) диэлектрика конденсатора при появлении короткого замыкания между обкладок или к.з. на корпус конденсатора. Причинами такой потери емкости являются наличие повышенного длительного теплового воздействия на конденсатор (токовая перегрузка),а также скачки напряжения в энергосети, куда подключены конденсаторы, сверх допустимых норм (такие как, кратковременные киловольтные "иглы" или длительное повышенное напряжение сверх 500В).
В этом случае наблюдается вздутие конденсатора (изменение габартных размеров) без разрыва оболочки или разрушение оболочки конденсатора вследствие вздутия/взрыва.

2. Выход из строя контакторов. Наблюдается:

2.1 Сгорание обходных резистивных цепей контактора.
2.2 Сгорание основных контактов контактора
2.3 Полное или частичное сгорание/оплавление корпуса контактора вследствие термической нагрузки на контакты.

3. Выход из строя защитной аппаратуры:

3.1 Сгорание вводных предохранителей и предохранителей, защищающих ступени КРМ
3.2 Сгорание автоматических выключателей, защищающих ступени КРМ

 

Проблемы, которые помогут решить конденсаторные установки

Конденсаторные установки применяются не только для замедления вращения счетчика реактивной энергии. Помимо этого с их помощью решается ряд других проблем, возникающих на производстве:

• снижение загрузки силовых трансформаторов (при уменьшении потребления реактивной мощности понижается и потребление полной мощности);
• обеспечение питания нагрузки по кабелю с меньшим сечением (не допуская перегрева изоляции);
• за счет частичной токовой разрузки силовых трансформаторов и питающих кабелей подключение дополнительной активной нагрузки;
• позволяет избежать глубокой просадки напряжения на линиях электроснабжения удаленных потребителей (водозаборные скважины, карьерные экскаваторы с электроприводом, стройплощадки и т. д.);
• возможность максимально использовать мощность автономных дизель-генераторов (судовые электроустановки, электроснабжение геологических партий, стройплощадок, установок разведочного бурения и т. д.);
• облегчается пуск и работу асинхронных двигателей (при индивидуальной компенсации).
• автоматически отслеживается изменение реактивной мощности нагрузки в компенсируемой сети и, в соответствии с заданным, корректируется значение коэффициента мощности - cosφ;
• исключается генерация реактивной энергии в сеть (режим "перекомпенсации");
• исключается появление в сети перенапряжения, т. к. нет перекомпенсации, возможной при использовании нерегулируемых конденсаторных установок;
• визуально отслеживаются и выводятся на дисплей автоматического регулятора все основные параметры компенсируемой сети;
• контролируется режим эксплуатации и работа всех элементов конденсаторной установки, в первую очередь батарей конденсаторов;
• предусмотрена система аварийного отключения конденсаторной установки и предупреждения обслуживающего персонала;
• возможно автоматическое подключение обогрева или вентиляции конденсаторной установки.

Обратившись к специалистам ООО "Техноэлектро" вы всегда получите квалифицированную консультацию, связанную с выбором и техническими аспектами применения установок компенсации реактивной мощности в сетях 0,4...330кВ. Также более подробно вы можете ознакомиться с информационной статьей по реактивной мощности здесь >>>