Інформаційна стаття про реактивну потужність,
гармоніки та способи боротьби з ними

 

 

 

ЗАГАЛЬНІ ПОЛОЖЕННЯ

За нормальних робочих умов усі електричні споживачі, чий режим супроводжується постійним виникненням та зникненням магнітних полів (наприклад, індукційні двигуни, обладнання зварювання та люмінесцентні лампи) забирають від мережі не тільки активну (кВт), а й індуктивну реактивну потужність (кВАр). Ця реактивна потужність необхідна для роботи обладнання та водночас може бути розглянута як небажане додаткове навантаження енергомережі. Коефіцієнт потужності споживача cos f визначається як співвідношення споживаної активної потужності до повної потужності дійсно взятої з енергомережі. Чим ближче значення cos f до одиниці, тим менша частка взятої з мережі реактивної потужності.

Приклад: при cosφ=1 для передачі 500 кВт в мережі змінного струму 400 В необхідний струм 722 А.
Для передачі тієї ж активної потужності за коефіцієнта cosφ=0,6 значення струму підвищується до 1203 А. Таким чином, втрати активної потужності можуть досягати великих величин, що відіб'ється на фінансових показниках підприємства.
Відповідно, все електрообладнання мережі, передачі та розподілу енергії (силові трансформатори, кабелі, шини, захисно-комутаційні апарати) повинні бути розраховані на великі навантаження. Крім того, внаслідок великих навантажень термін експлуатації цього обладнання може суттєво знижуватись.

! У системах з низьким коефіцієнтом потужності передача енергії, що відповідає стандарту, вимагає значного збільшення витрат у споживача та на боці генератора.
! Зі зменшенням сos φ і, таким чином, зі зростанням струму збільшуються втрати в мережі змінного струму в квадратичному співвідношенні. Виникають фінансові втрати у споживача.

Іншим фактором є підвищена тепловіддача в кабелях та інших розподільчих пристроях, трансформаторах і генераторах, що виникає через підвищення загального струму в енергомережі. Візьмемо приклад: при cosφ = 1 потужність втрат рівну 10 кВт. При cosφ = 0,6 вона підвищується на 180% і вже буде становити 28 кВт.
Наведене вище є основною причиною того, що підприємства електропостачання вимагають від споживачів зниження частки реактивної потужності в енергомережі. На практиці споживачі з низьким значенням коефіцієнта потужності можуть отримати спеціальні тарифи (та навіть штрафи) від енергопостачальної компанії на споживання та генерацію реактивної потужності.
Висновки:

• з покращенням коефіцієнта потужності споживач може знизити загальні витрати на електроенергію
• зменшення реактивного навантаження дозволяє виробнику енергії за тієї ж загальної потужності забезпечувати додаткових споживачів корисним навантаженням
• покращення коефіцієнта потужності зменшує навантаження на компоненти розподільчої енергомережі. Це подовжує термін їхньої служби.

 

ВИДИ КОМПЕНСАЦІЇ РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ

Індуктивному реактивному навантаженню, необхідному електричним споживачам, можна протидіяти за допомогою ємнісного навантаження, підключаючи точно розрахований конденсатор. Це дозволяє знизити реактивну потужність, що забирається з мережі, і називається коригуванням коефіцієнта потужності або компенсацією реактивної потужності.
Залежно від підключення та форми застосування конденсаторів розрізняють:

індивідуальну компенсацію, або постійну компенсацію, при якій індуктивна реактивна потужність компенсується безпосередньо в місці її виникнення, що веде до розвантаження провідників (типово для окремих, в тривалому режимі працюючих споживачів з постійною потужністю)

групову компенсацію, в якій аналогічно з індивідуальною компенсацією для декількох одночасно працюючих індуктивних споживачів підключається спільний постійний конденсатор (недалеко розташовані друг від одного електродвигуни, групи розрядних ламп)

централізовану компенсацію (як правило, регульовану). Для вузлів навантаження із широким діапазоном зміни споживання РП. Регулювання потужності конденсаторного пристрою може здійснюватися в функції реактивного струму навантаження, але для цього конденсаторна установка повинна бути обладнана спеціальним автоматичним регулятором, а її повна компенсаційна потужність (рівна реактивній потужності встановлених конденсаторів) розділена на ступені, що окремо комутуються. Такі комплектні конденсатороного пристрою називають автоматичними конденсаторними установками (АКУРП). АКУРП виробляють реактивну потужність відповідно до її фактичного споживання. Крім управління ступенями конденсаторного пристрою, автоматичні регулятори РП дозволяють проводити вимірювання параметрів якості електроенергії енергомережі з виведенням результатів на рідкокристалічний дисплей регулятора (у більшості типів автоматичних регуляторів передбачено також опцію передачі через інтерфейс результатів вимірювання про комп'ютер).
Низьковольтна установка компенсації реактивної потужності складається з певної кількості конденсаторних ступенів, які у своїй побудові підганяються до особливостей конкретної енергомережі та до її потреб у реактивній потужності. Дуже поширені ступені від 10 до 50 кВАр. Більші ступені, наприклад, в 70...100 кВАр, застосовуються доволі рідко, так як можуть викликати значні коливання в енергомережі при включенні та виключенні. Якщо в енергомережі міститься більша частка вищих гармонік, то конденсатори зазвичай захищають дроселями (реакторами фільтруючого контуру).

 

РОЗРАХУНОК ПОТРІБНОЇ ПОТУЖНОСТІ КОНДЕНСАТОРНОЇ УСТАНОВКИ

Для визначення реактивної потужності, необхідної для розрахунку бажаного коефіцієнта потужності діє наступна формула:
QC= P (tan φ1 - tan φ2 ) , де P -активна потужність компенсованого споживача, QC - реактивна потужність необхідного компенсуючого конденсатора; cos φ1 - початковий коефіцієнт потужності перед коригуванням; cos φ2 - цільовий коефіцієнт потужності.

Співвідношення (tan φ1 - tan φ2) вибирається із таблиці 1:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Приклад розрахунку необхідної потужності низьковольтної установки компенсації реактивної потужності:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ВПЛИВ ВИЩИХ ГАРМОНИК ТА ЇХ ФІЛЬТРАЦІЯ

Розвиток сучасних технологій напівпровідників веде до більш зростаючій кількості споживачів, керованих всілякими перетворювачами струму і напруги. На жаль, ці вироби збільшують значення індуктивної реактивної потужності та погіршують несинусоїдальну форму струмової кривої. Ці перешкоди ведуть до пошкоджень електрообладнання та помилкових включень обладнання та приладів. Типовий струм конвертора/інвертора є накладання різних синусоїдальних складових струму, тобто. основний мережевий частоти та певної кількості про вищих гармонік (в трифазної мережі насамперед гармоніки 5-го, 7 –го і 11-го порядків). Зміст вищих гармонік веде до підвищення струму силових конденсаторах пристрою копмпенсації, так як реактивний опір конденсаторів із зростанням частоти зменшується.

Паралельно зі зростанням струму в конденсаторах, який можна регулювати за допомогою конструктивних заходів, у несприятливих випадках у енергомережах можуть виникнути резонансні явища на частотах гармонік.
Компенсаційні конденсатори пристрою компенсації та індуктивності силового трансформатора/трансформаторів можуть утворювати резонансний контур. Якщо власна частота такого контуру збігається з частотою вищих гармонік, то можливе виникнення коливань із значними надструмами та перенапругами в такому контурі. Це веде до перенавантажень та пошкоджень в електричних установках, зокрема до перевантаження силових конденсаторів самого пристрою компенсації реактивної потужності.
Наявність значних величин вищих гармонік в енергомережі може призвести до наступних наслідків:

• зниження терміну служби елементів конденсаторного пристрою: конденсаторів, контакторів, захисної апаратури
• передчасне спрацювання контакторів та згоряння запобіжників
• вихід з ладу чи хибна діяльність комп'ютерів, приводів двигунів, пристроїв освітлення та інших чутливих споживачів.

Для цього застосовуються тюнінгові / детюнінгові дроселі. Метою підключення дроселя (реактора) до конденсатора служить зниження резонансної частоти мережі до значення, величина якої нижче за значення найменшої вищої гармоніки цієї мережі. Цим запобігається резонанс між конденсаторами та енергомережею, а значить і зростання струмів вищих гармонік. З іншого боку, таке включення має ефект фільтру, у якому зменшується ступінь спотворення напруги на конденсаторах. Резонансна частота конденсатору, включеного послідовно з дроселем, завжди лежить нижче за частоту 5-ої гармоніки. Для струмів вищих гармонік ланцюг фільтра являє собою дуже низький повний опір. Тому більшість таких струмів прямує у цій контур.
Дроселі рекомендуються в тих випадках, коли повні коефіцієнти гармонік струму THDI і напруги THDU значно перевищують допустимі за стандартами якості електроенергії згідно з ДСТУ.

Основні наслідки впливу струмів вищих гармонік та резонансу на частотах вищих гармонік стосовно компонентів низьковольтних та високовольтних установок компенсації реактивної потужності:

1. Втрата ємності конденсаторів:

1.1 Поступова, протягом 3-12 місяців, втрата ємності - є наслідком підвищеного теплового впливу на конденсатор протягом тривалого часу (струмове перевантаження) або застосовується неякісна плівка (обкладки конденсатора + діелектрик)) при виробництві конденсаторів. Це спостерігається у виробів деяких китайських виробників. При такій втраті ємності зовнішній вигляд конденсаторів може не змінитися.
1.2 Миттєва втрата ємності є наслідком пробою (множинних пробоїв) діелектрика конденсатора при появі короткого замикання між обкладок або короткого замикання на корпус конденсатора. Причинами такої втрати ємності є наявність підвищеного тривалого теплового впливу на конденсатор (струмове перевантаження), а також стрибки напруги в енергомережі, куди підключені конденсатори, понад допустимі норми (такі як короткочасні кіловольтні "голки" або тривала підвищена напруга).
У цьому випадку спостерігається здуття конденсатора (зміна габартних розмірів) без розриву оболонки або з розривом оболонки конденсатора внаслідок здуття/вибуху.

2. Вихід з ладу контакторів . Спостерігається:

2.1 Згоряння обхідних резистивних ланцюгів контактора.
2.2 Згоряння основних контактів контактора
2.3 Повне або часткове згоряння / оплавлення корпусу контактора внаслідок термічного навантаження на контакти.

3. Вихід із ладу захисної апаратури:

3.1 Згоряння вступних запобіжників та запобіжників, що захищають ступені пристрою КРП
3.2 Згоряння автоматичних вимикачів, що захищають ступені КРП

 

Проблеми, які допоможуть вирішити конденсаторні установки

Конденсаторні установки використовуються не тільки для уповільнення обертання лічильника реактивної енергії. Крім цього, з їх допомогою вирішується низка інших проблем, що виникають на виробництві:

• зниження завантаження силових трансформаторів (при зменшенні споживання реактивної потужності знижується спотивання активної потужності);
• забезпечується живлення навантажень по кабелям із меншим перетином (не допускаючи перегрівання ізоляції кабелів);
• підключення додаткового активного навантаження за рахунок часткового струмового розвантаження силових трансформаторів і кабелів живлення;
• дозволяє уникнути глибокого просідання напруги на лініях електропостачання віддалених споживачів (водозабірні свердловини, кар'єрні екскаватори з електроприводом, будмайданчики тощо);
• можливість максимально використовувати потужність автономних дизель-генераторів (суднові електроустановки, електропостачання геологічних партій, будмайданчиків, установок розвідувального буріння тощо);
• полегшується пуск та роботу асинхронних двигунів (при індивідуальній компенсації).
• автоматично відстежується зміна реактивної потужності в мережі та коригується значення коефіцієнта потужності cosφ;
• виключається генерація реактивної енергії у мережу (режим "перекомпенсації");
• виключається поява в мережі перенапруги, тому що немає режимів перекомпенсації, які можливі ??при використанні нерегульованих конденсаторних установок;
• візуально відстежуються і виводяться на дисплей автоматичного регулятора всі основні параметри енергомережі;
• контролюється режим експлуатації та робота всіх елементів конденсаторної установки, насамперед батарей конденсаторів;
• передбачена система аварійного відключення конденсаторної установки та попередження обслуговуючого персоналу;
• можливе автоматичне підключення обігріву або вентиляції конденсаторної установки.

Звернувшись до фахівців ТОВ "Техноелектро", ви завжди отримаєте кваліфіковану консультацію, пов'язану з вибором та технічними аспектами застосування установок компенсації реактивної потужності в мережах 0,4...110 кВ. Також докладніше ви можете ознайомитися з інформаційною статтею з інформаційною статтею з реактивної потужності >>>