Модуль 8. Компенсация реактивной мощности

Тема 8.1. Баланс реактивной мощности и ее потребители

Большинство ЭП кроме активной мощности потребляют реактивную мощность. Типичным представителем здесь является асинхронный двигатель. Доля этих двигателей в промышленных потребителях достигает 70 %.

Реактивная мощность не преобразуется в другие виды мощности, не совершает полезную работу и поэтому называется мощ­ностью условно. Эта мощность идет на создание магнитно­го и электрического полей. Для анализа режимов в цепях переменного синусои­дального тока реактивная мощность является очень удобной характеристикой, широко используемой на практике.

Произведение значений тока и напряжения в цепи переменного тока называется пол­ной мощностью. Для трехфазной цепи полная мощность

S=3IU, (8.1)

где I – ток в одной фазе; U – линейное (междуфазное) напряжение.

Активная мощность трехфазного переменного

P = 3IU cos. (8.2)

Угол  указывает на сдвиг по фазе между векторами тока и напряжения. Функция этого угла cos называется коэффициентом мощности.

Реактивная мощность трехфазного переменного тока

Q = 3IU sin = P tg. (8.3)

Функция tg называется коэффициентом реактивной мощности.

Реактивная мощность характеризует обмен электромагнитной энергией между источниками и потребителями и часто называется обменной мощностью.

Реактивная мощность существенно влияет на такие параметры систем электроснабжения, как потери мощности и энергии и уровни напряжения в узлах сети. При передаче активной Р и реактивной Q мощностей по линии с сопротивлением Z=R+jX и напряжением U потери активной мощности и напряжения составят

(8.4)

Компенсация реактивной мощности называется целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью полного или частичного покрытия потребности узла в реактивной мощности за счет установки в узле источников реактивной мощности (компенсирующих устройств).

При компенсации реактивной мощности улучшается режима напряжения в узле, снижаются потери активной мощности и энергии в питающей электрической сети. Поэтому вопрос компенсации реактивной мощности относится к числу важнейших при проектировании и эксплуатации систем электронергоснабжения.

Баланс реактивной мощности. Уравнение баланса реактивной мощности имеет вид

Q_и = Q_н + Q_сн + Q, (8.5)

где Q_и – суммарная реактивная мощность источников;

Q_н – суммарная реактивная мощность нагрузок;

Q_сн – суммарная реактивная мощность собственных нужд электростанций; Q – суммарные потери реактивной мощности.

Генерация реактивной мощности Q_и в системе осуществляется не только генераторами электростанций, но и высоковольтными линиями электропередачи (за счет их емкостной проводимости), а также специально устанавливаемыми в источниками реактивной мощности, называемыми компенсирующими устройствами (КУ).

Таким образом, уравнение баланса реактивной мощности можно записать более подробно:

Q_г + Q_c + Q_к = Q_н + Q_сн + Q, (8.6)

где Q_г – суммарная реактивная мощность, вырабатываемая генераторами; Q_с – суммарное генерирование реактивной мощности линиями электропередачи; Q_к – суммарная мощность КУ.

Баланс реактивной мощности рассчитывается, как правило, для режима наибольшей нагрузки. Реактивная мощность, вырабатываемая генераторами электростанций Q_эс, определяется их загрузкой активной мощностью и коэффициентом мощности cos, номинальное значение которого составляет –(0,8...0,9). Генераторы вырабатывают около 60 % требуемой в системе реактивной мощности.

Суммарная реактивная мощность потребителей Q_н определяется на основании данных о расчетных активных нагрузках потребителей и коэффициентах мощности этих потребителей.

Потери реактивной мощности в трансформаторах зависят от их загрузки и достигают при одной трансформации 8...10 % от полной передаваемой мощности. Потери реактивной мощности в линиях зависят от их протяженности и загрузки и могут достигать 10 % от передаваемой по линиям полной мощности. Реактивная составляющая нагрузки собственных нужд электростанций Q_сн определяется по активной мощности собственных нужд с учетом cos  0,7.

Высоковольтные линии электропередачи за счет своей емкостной проводимости генерируют реактивную (зарядную) мощность в сеть. Для одного класса номинального напряжения U_ном величина зарядной мощности и может быть рассчитана по известной формуле

Q_c=U_ном²b₀ L_, (8.7)

где b₀ – удельная емкостная проводимость линии; L_ – суммарная длина линий в одноцепном исполнении.

После оценки значений всех составляющих баланса реактивной мощности рассчитывается требуемая мощность КУ Q_к, которую необходимо разместить в системе.

Потребители реактивной мощности. Основными потребителями реактивной мощности являются промышленные предприятия различного профиля. Рассмотрим основные виды промышленных ЭП различного тех­нологического назначения.

Электродвигатели переменного тока – основ­ной вид электроприемников в промышленности, на долю которо­го приходится 60-70 % суммарной мощности.

Номинальная реактивная мощность, потребляемая асинхронным двигателем, определяется по его паспортным данным

(8.8)

где Р_ном, tg_ном – номинальные активная мощность и коэффициент мощности;  – КПД двигателя.

При изменении загрузки двигателя или подводимого к нему напряжения потребляемая реактивная мощность изменяется.

Потери реактивной мощности в трансформаторах зависят от их загрузки и достигают при одной трансформации 8...10 % от полной передаваемой мощности.

Электротермия, электросварка, электролиз и прочие потребите­ли составляют около 30 % суммарной промышленной нагрузки. Это печи сопротивления, дуговые электропечи для плав­ки металлов, установки индукционного нагрева металлов, электрические печи сопротивления, электросварочные установки.

Низкий коэффициент мощности имеют ндукционные печи cos = 0,1-0,5; электросварочные установки cos = 0,3-0,7.

Электрохимические и электролизные установки работают на по­стоянном токе, который получают от преобразовательных подстан­ций, выпрямляющих трехфазный переменный ток. Коэффициент мощности этих установок cos = 0,8...0,9.

Коэффици­ент мощности осветительных установок с разрядными лампами и индивидуальными конденсаторами cos = 0,9...0,95, а без конденсаторов cos = 0,6. Лампы накаливания имеют коэффи­циент мощности cos = 1,0.