3.2. Споживання та генерування реактивної потужності
Споживання (або генерування) реактивної потужності на практиці часто характеризують коефіцієнтом потужності
cos = P/S,
або коефіцієнтом реактивної потужності
tg = Q/P.
Значення tg з точки зору аналізу режимів в умовах високих значень cos вважається таким, що краще відображає вплив реактивної потужності на явища. В останніх нормативних документах значення tg є розрахунковою величиною.
Використання цих коефіцієнтів вимагає, коли це необхідно, додатково вказувати їх характер (ємнісний, індуктивний).
У відповідності з прийнятими позначеннями споживанням реактивної потужності вважають такий її характер, який має місце при увімкненні індуктивності, а генерування – при увімкненні ємності.
Більшість споживачів електричної енергії має активно-індуктивний характер, потужність навантаження їх записують у вигляді
. (3.11)
Лише незначна частина споживачів має активно-ємнісний характер навантаження, який представляють у вигляді
. (3.12)
Електричну енергію від електричних систем отримують промислові підприємства, транспорт, сільськогосподарські та комунально-побутові споживачі. Найпоширенішим електроприймачем практично в усіх галузях є асинхронний двигун. Електроенергію споживають також електропечі різного призначення, перетворювачі, зварювальні агрегати, прилади електричного освітлення тощо. Одночасно з активною потужністю всі вони споживають і реактивну. Відносне значення останньої (тобто tg ) змінюється в широких межах і залежить від конструкції електроприймача, режиму його роботи, підведенної напруги, тощо. Для асинхронних двигунів, завантажених на 50 % tg може бути від 0,85 (для двигуна потужністю 2000 кВт) до 2,5 (для двигуна потужністю 1 кВт) при номінальній напрузі; зі збільшенням напруги значення tg зменшується, а cos збільшується.
Для перетворювачів коефіцієнт потужності залежить від кутів комутації та керування ( та ), а також від значення реактивної потужності, що споживається на намагнічення та втрати розсіяння трансформатора [3.4].
В промисловості широко використовуються різні електропечі: дугові руднотермічні, сталеплавильні, електрошлакового переплаву, індукційні плавильні та нагрівальні тощо. Всі вони мають таке споживання реактивної потужності, яке на фоні активної потужності печі в десятки і навіть сотню мегават виглядає дуже великим. Без відповідного вирішення питання компенсації таких потужностей неможливо забезпечити нормальну роботу цих електроприймачів.
Значне навантаження в промисловості створюють також зварювальні агрегати, коефіцієнт потужності яких становить від 0,2 – 0,3 до 0,4 – 0,7 в залежності від конструкції та режиму роботи.
В
цілому в промисловості природний
коефіцієнт потужності
оцінюється на рівні 0,6 – 0,7 з тенденцією
до зниження [3.3].
3.3. Реактивна потужність в електричній мережі
Забезпечення реактивних навантажень в електричних системах здійснюється генераторами електричних станцій, генеруванням ємнісної потужності лініями електропередачі, а також спеціальними так званими компенсувальними пристроями. Встановлена потужність цих пристроїв визначається з одного боку потужністю споживачів та режимами їх роботи, а з другого боку можливостями і режимами реактивної потужності в самій системі.
У споживачів електричної енергії знаки похідних активної і реактивної потужностей за навантаженням, як правило, однакові. Це означає, що зі збільшенням споживання активної потужності збільшується споживання реактивної потужності і навпаки. При цьому розмах зміни споживання активної потужності більший, ніж реактивної.
Значний вплив на режими реактивної потужності має сама електрична мережа. Для аналізу розглянемо роботу ділянки мережі. В режимі неробочого ходу мережа генерує реактивну потужність, значення якої визначають за формулою:
(3.13)
де В - ємнісна провідність лінії.
З навантаженням мережі в її індуктивності мають місце втрати реактивної потужності, які визначають за формулою
(3.14)
де XL - індуктивний опір лінії.
На рис. 3.4 наведена зарядна ємнісна потужність лінії Qc, залежності втрати реактивної потужності Q та сумарного значення Qпл (власної реактивної потужності) від завантаження лінії. В режимі роботи від 0 до Sнат має місце надлишок реактивної потужності, тобто лінія її генерує. Режим, для якого -Qc = Q, називається режимом натуральної потужності. З подальшим збільшенням навантаження лінія сама починає споживати реактивну потужність. На фоні збільшення її споживання споживачами таке явище збільшує дефіцит реактивної потужності в системі, який повинен бути усунений сторонніми джерелами, інакше будуть мати місце суттєві зміни параметрів режиму і в першу чергу зниження напруги до рівнів, за яких буде досягнутий баланс реактивної потужності. В крайніх випадках можливе порушення стійкості роботи системи.
Рис 3.4. Зарядна потужність Qс та залежність втрат реактивної потужності QL та власної реактивної потужності лінії Qпл від завантаження лінії S.
В лініях електропередачі напругою 220 кВ і більше власна реактивна потужність досягає величин, сумірних з потужністю навантаження.
Таким чином, власна реактивна потужність ліній в системі та реактивна потужність споживачів відіграють важливу і часто визначальну роль в роботі електричної системи [3.5].
Визначальним режимом для забезпечення балансу реактивної потужності є режим максимального навантаження, для якого потужність компенсувальних пристроїв повинна бути максимальною. Тому енергосистема обмежує максимальне значення споживаної реактивної потужності для кожного підприємства під час свого максимуму. В мінімальних режимах роботи системи в ній виникають надлишки реактивної потужності, яку потрібно спожити, щоб забезпечити баланс. Тому системі в цьому режимі доцільно обмежувати для кожного підприємства мінімальне значення споживаної реактивної потужності.