12.3. Потери, вызываемые передачей реактивной мощности

При передаче энергии от места ее выработки к месту потребления одновременно с активной энергией (полезно используемой на месте потребления) передается сопутствующая реактивная энергия, необходимая для обеспечения действия большинства электроприёмников и звеньев электропередачи.

Если за базовое взято значение активной мощности при токе, значение которого равно активной составляющей тока элемента сети, то относительные потери активной мощности обратно пропорциональны квадрату КМ, а дополнительные относительные потери активной мощности прямо пропорциональны квадрату коэффициента РМ [61, 67].

Повышение КМ позволяет уменьшить потребление из сети РМ и как следствие этого также активной мощности за счет снижения нагрузки и потерь мощности. На (рис. 12.2) приведены относительные значения тока и потерь в зависимости от КМ. На этом графике за единицу приняты значения нагрузки и потерь при чисто активной нагрузке. Уже при КМ, равном 0,7, происходит удвоение потерь активной мощности в линии. Если же КМ равен 0,3, то потери мощности увеличиваются в 11 раз.

Рис. 12.2. Зависимости относительных потерь активной мощности 1 и тока 2 от КМ

Несмотря на то, что на выработку РМ не расходуется активная мощность, при передаче ее от генераторов электростанций к месту потребления возникают активные потери во всех звеньях передачи, которые покрываются активной энергией генераторов. Передавать РМ экономически целесообразно на сравнительно небольшие расстояния. В противном случае приходится считаться с технико-экономическими ограничениями по потерям активной и реактивной мощностей, энергии, особенно напряжений. В отличие от активной мощности, РМ можно генерировать в любом месте электрической сети. Поскольку РМ, располагаемой на зажимах генераторов, недостаточно, то в любой СЭС должны быть компенсирующие устройства (КУ), наряду с линиями и трансформаторами.

12.4. Потребители и источники рм

До 80 – 85 % всей РМ, связанной с преобразованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе РМ приходится на долю прочих ее потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминесцентное освещение и др.

В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести. Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Силовые трансформаторы служат источниками электрической энергии, однако каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности. При любой нагрузке трансформатора его РМ определяется из равенства

.

Она состоит из двух частей – РМ холостого хода, не зависящей от нагрузки, и РМ рассеяния, зависящей от тока нагрузки. При уменьшении нагрузки трансформатора от номинальной до холостого хода РМ уменьшается от 100 примерно до 40 – 50 %.

Если трансформатор имеет ответвления со стороны питания, необходимо следить за тем, чтобы трансформатор работал с ответвлением, соответствующим данному напряжению сети. Если номинальное напряжение меньше напряжения сети, то РМ намагничивания увеличивается. При уменьшении напряжения (по сравнению с номинальным) ток холостого хода и РМ намагничивания уменьшаются примерно пропорционально снижению напряжения.

Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60 – 65 % всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы.

Выражение РМ асинхронного двигателя

,

где    Р, η и tgφ – соответствуют данной загрузке двигателя β ≈ P / P_Н.

При неизменном напряжении и увеличении нагрузки двигателя cosφ повышается, коэффициент реактивной мощности tgφ понижается, но при этом РМ двигателя увеличивается (за счет прироста РМ рассеяния). При неизменной нагрузке и увеличении напряжения cosφ понижается, коэффициент реактивной мощности tgφ повышается и РМ непропорционально увеличивается (за счет возрастания РМ намагничивания).

В нормальном режиме (cosφ = 1) для создания главного магнитного потока синхронный двигатель (СД) почти не потребляет из сети реактивной мощности. При постоянном токе возбуждения и снижении напряжения сети примерно в такой же пропорции снижается реактивная мощность СД. Плавно изменяя ток возбуждения у СД, можно регулировать напряжение в узле сети, к которому подключен СД. Синхронные двигатели при номинальной нагрузке и напряжении от 0,95 до 1,05 U_н могут генерировать мощность Q ≈ P_н, где Р_н – номинальная активная мощность на валу.

Синхронные двигатели для генерации реактивной мощности отличаются от конденсаторов тем, что позволяют плавно регулировать (при изменении тока возбуждения) генерируемую реактивную мощность. Однако активные потери на генерацию реактивной мощности для синхронных двигателей значительно больше, чем для конденсаторов.

Реактивная мощность, потребляемая воздушной трехфазной линией, Q_л, квар/км, может быть определена по формуле:

,

где   Р и соsφ – параметры передаваемой по линии нагрузки;

L и х – индуктивность и реактивное сопротивление линии.

В современных электрических системах источниками РМ могут быть:

1. электрические воздушные (ВЛ) и кабельные (КЛ) линии;

2. перевозбужденные синхронные машины (генераторы, двигатели);

3. дополнительно устанавливаемые компенсирующие установки (КУ) – синхронные компенсаторы, конденсаторные установки поперечного включения и вентильные установки со специальным регулированием.

При холостом режиме любая линия является источником РМ. Воздушные линии 110 кВ генерируют в этом режиме около 30 квар на 1 км линии. Реактивная мощность ВЛ и КЛ не регулируется, а их включение и отключение производится независимо от потребности в вырабатываемой ими реактивной энергии.

В условиях эксплуатации электрических сетей, особенно сетей промышленных предприятий, нередко специалисты вынуждены решать вопрос о режиме холодного и горячего резервов ВЛ и КЛ. Многие из них предпочитают держать линии в холодном резерве (отключать на то время, когда нет в них необходимости). Однако, по нашему мнению, это неверно. Дело в том, что согласно ПТЭ линии напряжением выше 1 кВ, которые были отключены от сети более суток, всякий раз при их подключении к сети следует испытывать повышенным напряжением. Если линия находилась под напряжением без нагрузки (в горячем резерве), то отпадает необходимость в ее испытании повышенным напряжением. Она в это время является своеобразным источником РМ. Чем выше класс напряжения линии, тем большей емкостью она обладает. Однако режим ХХ воздушных линий первого класса является аварийным, поэтому приведенные выше в этом абзаце рекомендации применимы только к ВЛ второго класса.