2. 1. Реактивна енергія електроенергетичної системи

Пропонується вважати реактивну енергію електроенергетичної системи її внутрішньою енергією, що не виходить за її межі і з’являється в електричних мережах внаслідок дії на них електромагнітного поля системи.

Як відомо, електроенергія змінного струму виробляється генераторами електростанцій електроенергетичної системи, передається і розподіляється між споживачами у вигляді двох складових: активної та реактивної. Але електроприймачі споживачів перетворюють у інші види енергії, з метою одержання корисної роботи, лише активну складову електроенергії.

Необхідно наголосити, що термін “реактивна енергія” у деяких науковців викликає певний скепсис у тому сенсі, що цієї енергії в електричних мережах, ніби-то, не існує. Таке враження складається через те, що математично енергія є інтегралом потужності за період її зміни (за законом синуса), і для кожного з реактивних елементів електричної мережі (індуктивності і ємності) цей інтеграл дорівнює нулю.

Саме тому дехто з вітчизняних вчених, вважає, що реактивної енергії як фізичної субстанції не існує взагалі і тому термін “реактивна енергія” ними майже не вживається. На їх думку, можна говорити лише про “реактивну потужність” як інтенсивність обміну енергією мережі з її електромагнітним полем. Саме тому, за рубежем термін “реактивна енергія” вважається цілком законним, який має право на існування. При цьому необхідно відзначити, що на практиці реактивну енергію генерують генератори електростанцій (які мають номінальний від‘ємний коефіцієнт потужності), її вимірюють в мережах енергосистем і систем електропостачання окремих споживачів за допомогою спеціальних лічильників з метою її купівлі – продажу.

Відомо, що швидкість перетворення будь-якого виду енергії - це потужність. Потужність при синусоїдальній напрузі і струмі можна представити так

, ( 2.1 )

де u, i - миттєві значення напруги на затискачах кола і струму в ньому,

- кут зсуву фаз між діючими значеннями напруги та струму.

З (2.1) можна бачити, що якісно потужність має дві складові: постійну пульсуючу складову і синусоїдальну складову , кутова частота якої у 2 рази перебільшує кутову частоту струму кола. Можливо, що активну електроенергію доцільно розглядати як енергію руху в провідниках електричної мережі і електроприймачів електричних зарядів – електронів, маючи на увазі не абсолютне переміщення електронів, а тільки їх рух, як дію. Друга складова потужності в (2.1) показує, що у кожному періоді процесу є проміжки часу, коли та мають різний напрямок, і тоді потужність від’ємна, тобто у ці проміжки часу енергія поступає не в коло, а повертається з нього до джерела живлення. Очевидно, що таке можливе тільки внаслідок накопичення енергії у електромагнітному полі елементів кола. Ця складова електроенергії отримала назву реактивної. Її фізичну природу слід пов’язувати з наявністю у електроенергетичної системи загального електромагнітного поля. Під полем розуміють простір, що оточує електричну мережу системи, у якому проявляється дія електричних та магнітних сил. Тобто, це простір середовища, що має енергію. Але як вона утворюється у ньому?

Як відомо, загальний простір, що оточує мережі електроенергетичної системи складається з атомів, що, у свою чергу, за класичною механічною теорією складаються з позитивно зарядженого ядра і від’ємно заряджених електронів, які рухаються навколо ядра за певними орбітами. В цілому атом електронейтральний.

Сучасний розвиток релятивістської механіки і теорії відносності вводить поняття про фізичний вакуум. Фізичним вакуумом називають те „ніщо”, яке знаходиться у міжатомному просторі середовища і у просторі між ядром атома і його електронами.

Розрахунки та експерименти підтверджують, що вказане вище „ніщо” має масу, яка вимірюється густиною 10^-15 г/см³ (для порівняння, густина дистильованої води за нормальних умов – 1 г/см³.). Вважається, що це маса віртуальних часток, які заповнюють фізичний вакуум. Така окрема частка фізичного вакууму (рис.2.1) називається фітоном. У свою чергу, вона складається з двох однакових, вкладених одна в одну і протилежно заряджених часток, які обертаються навколо своєї власної осі у протилежних напрямках. Момент обертання такої частки називається спіном. Таким чином, у нормальному стані фізичного вакууму загальний заряд фітона і його спін дорівнюють нулю.

Коли у певних межах оточуючого середовища з’являється заряд, то відбувається поперечна і поздовжня поляризація фізичного вакууму. Фітон стає диполем, а його спін відрізняється від нуля. Тобто, у фізичному вакуумі накопичується енергія. Якщо заряд, що деформує фізичний вакуум, рухається в електричному колі, то енергія фізичного вакууму - енергія електромагнітного поля цього кола.

Рис. 2.1. Фітон за нормальних умов (а) і в поляризованому стані (б)[1]

З електротехніки відомо, що не тільки електричний струм кола впливає на його електромагнітне поле, але й електромагнітне поле кола впливає на електричний струм у цьому колі.

За законом електромагнітної індукції зміна інтенсивності електромагнітного поля кола під дією його змінного струму призводить до виникнення у цьому колі електрорушійної сили (ЕРС) самоіндукції. Вона, як і струм кола, змінюється за законом синуса, і під її дією у колі виникає струм. За законом Ленца цей струм у кожен момент часу направлено проти основного струму, що протікає від джерела живлення кола. Це означає, що у колі для основного струму утворюється додатковий опір. Такий опір кола називають реактивним. Причому, якщо у колі переважає індуктивність L, то його називають індуктивним реактивним опором і визначають за формулою:

, (2.2)

де L – індуктивність,

- циклічна частота.

Струм такого кола відстає від напруги на його затискачах на фазовий кут φ = 90°. Якщо у колі переважає ємність С, яка може накопичувати у своєму полі електричний заряд від джерела живлення, то додатковий опір кола називається ємнісним реактивним опором і визначається за формулою

, (2.3)

де С – ємність.

Щоб перезарядити таку ємність під дією ЕРС самоіндукції ємність спочатку треба розрядити. Тому струм кола з ємністю випереджає напругу на його затискачах на фазовий кут φ=90°. Тобто зсув фаз між струмом індуктивності і ємності у колі складає 180° і тому ємнісному опору привласнюють від’ємний характер. При цьому елементи з індуктивністю вважають умовно “споживачами” реактивної енергії, а елементи з ємністю – її “джерелами”.

Якщо реактивні елементи з опором протилежного характеру увімкнути разом у одній точці мережі, то за наявності напруги на цих елементах, вони почнуть обмінюватись реактивною енергією між собою. Такий коливний процес обміну реактивною енергією називають компенсацією реактивного навантаження мережі. Вона відбувається на ділянці від точки вмикання цих реактивних елементів до генераторів електростанцій. При цьому збільшується пропускна спроможність такої ділянки для активної енергії, зменшуються її втрати, а також збільшується рівень напруги у цій точці.