4.5. Баланс реактивной мощности и его связь с напряжением
При выработке и потреблении энергии на переменном токе равенству вырабатываемой и потребляемой электро- энергии в каждый момент времени отвечает равенство вы- рабатываемой и потребляемой не только активной, но и ре- активной мощности. Эти условия можно записать так:
PГ = PП = PН + P, (4.12)
QГ = QП = QН + Q, (4.13)
где PГ и QГ — генерируемые активная и реактивная мощности станций за вычетом собственных нужд; PН, QН — активная и реактивная мощности потребителей; P, Q — суммарные потери активной и реактивной мощностей в сетях; PП , QП — суммарное потребление ак- тивной и реактивной мощностей.
Уравнения (4.12) и (4.13) являются уравнениями балан- сов активной и реактивной мощностей. Баланс реактивной мощности по всей системе в целом определяет некоторый уровень напряжения. Напряжения в узловых точках сети электрической системы в той или иной степени отличаются от среднего уровня, причем это отличие определяется кон- фигурацией сети, нагрузкой и другими факторами, от ко- торых зависит падение напряжения. Баланс реактивной мощности для всей системы в целом не может исчерпываю- ще определить требования, предъявляемые к мощности ис- точников реактивной мощности. Надо оценивать возмож- ность получения необходимой реактивной мощности как по системе, так и по отдельным ее районам.
Необходимость в оценке баланса реактивной мощности возникает прежде всего при проектировании подсистемы регулирования напряжения - реактивной мощности АСДУ (автоматизированной системы диспетчерского управления). В ряде случаев оценка изменений условий баланса произ- водится и в практике эксплуатации, например при вводе новых регулирующих устройств, установленных мощностей электростанций, изменениях схемы сети.
Нарушение баланса реактивной мощности приводит к изменению уровня напряжения в сети. Если генерируе- мая реактивная мощность становится больше потребляемой (QГ>QП), то напряжение в сети повышается. При дефи- ците реактивной мощности (QГ<QП), напряжение в сети понижается. Для пояснения указанной связи напомним, что, например, емкостный ток линии на холостом ходу (см. рис. 3.2, г) повышает напряжение на ее конце. Соот- ветственно избыток генерируемой реактивной мощности приводит к повышению, а ее недостаток – к понижению напряжения.
В дефицитных по активной мощности энергосистемах уровень напряжения, как правило, ниже номинального. Не- достающая для выполнения баланса активная мощность пе- редается в такие системы из соседних энергосистем, в ко- торых имеется избыток генерируемой мощности.
Обычно энергосистемы дефицитные по активной мощ- ности, дефицитны и по реактивной мощности. Однако не- достающую реактивную мощность эффективнее не переда- вать из соседних энергосистем, а генерировать в ком- пенсирующих устройствах, установленных в данной энергосистеме.
4.6. РЕГУЛИРУЮЩИЙ ЭФФЕКТ НАГРУЗКИ
Статические
характеристики нагрузки по напряжению
(см.
гл. 2) повторены на рис.
4.4.
Рассмотрим, как реаги-
рует
нагрузка на изменение режима в простейшей
электри-
ческой
системе, представленной на рис.
4.5.
Пусть из-за
аварии
или по другим причинам напряжение
в конце ли-
ии
понижается.
Покажем, что нагрузка в силу своего по-
ложительного регулирующего эффекта повысит напряже- ние U2. Напряжение в конце линии можно представить в следующем виде:
где P12K, Q12K – активная и реактивная мощности в конце ли- нии; r12, x12 – активное и реактивное сопротивления линии.
При понижении U2 в соответствии со статическими ха- рактеристиками (рис. 4.4) будут уменьшаться значения P2 и Q2, а также P12K и Q12K, следовательно, будут уменьшаться потери U12, а значение U2 вследствие этого будут увели- чиваться. Рост U2 при уменьшении U12 понятен из приве- денной выше формулы в предположении, что U1 поддержи- вается постоянным. Все это справедливо в случае, когда
U>UКР=(0,70,8)UНОМ.
Нагрузка имеет положительный регулирующий эффект при U>UКР и отрицательный регулирующий эффект при U<UКР. В последнем случае понижение U2 вызывает рост потребляемой реактивной мощности Q2, соответственно большая реактивная мощность течет и по линии. Это вы- зывает увеличение потерь напряжения в линии U12, сле- довательно, уменьшается напряжение в конце линии у по- требителя. В соответствии со статической характеристикой при U<UКР Q2 снова растет. Это приводит к дополнитель- ному понижению U2 и т. д. Возникает явление, называемое лавиной напряжения. При такой аварии останавливаются (опрокидываются) асинхронные двигатели. Реактивная мощность асинхронных двигателей растет, баланс Q нару- шается, причем QП>>QГ, что в свою очередь приводит к понижению U. Остановить снижение напряжения при этой аварии можно, лишь отключив нагрузку. В настоящее время применяются автоматические регуляторы возбужде- ния (АРВ) на генераторах и мощных синхронных двигате- лях, стабилизирующие напряжение, поэтому напряжение в системе не понижается ниже критического.
4.7. ПОТРЕБИТЕЛИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ
Основными потребителями реактивной мощности в элек- трических системах являются трансформаторы, воздушные электрические линии, асинхронные двигатели, вентильные преобразователи, индукционные электропечи, сварочные агрегаты и другие нагрузки. Суммарные абсолютные и от- носительные потери реактивной мощности в элементах се- ти весьма велики и достигают 50 % мощности, поступаю- щей в сеть. Примерно 70—75 % всех потерь реактивной мощности составляют потери в трансформаторах различ- ных ступеней напряжения. Так, в трехобмоточном транс- форматоре ТДТН-40000/220 при коэффициенте загрузки, равном 0,8, потери реактивной мощности составляют около 12 % номинальной мощности [4].
На промышленных предприятиях основными потребите- лями реактивной мощности являются асинхронные двига- тели – на их долю приходится 65—70 % реактивной мощ- ности, потребляемой предприятием, 20—25 % приходится на трансформаторы, около 10 % – на другие приемники и воздушные линии электропередачи.
Общая потребляемая реактивная мощность в соответ- ствии с (4.13) равна
QП = QН + Q ,
где QН – суммарная реактивная мощность нагрузки; Q – суммарные потери реактивной мощности.