90644 / Вопросы компенсации реактивной мощности

2

Рецензенты:

Храмцов Р. А., доцент кафедры ЭГПП

Ефременко В. М., председатель УМК специальности 140211 žЭлектроснабжение¤

Беляевский Роман Владимирович. Вопросы компенсации реактивной мощности : учеб. пособие [Электронный ресурс] : для студентов специальности 140211 žЭлектроснабжение¤ очной формы обучения / Р. В. Беляевский. – Электрон. дан. – Кемерово : КузГТУ, 2011. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM) ; зв. ; цв. ; 12 см. – Систем. требования : Pentium IV ; ОЗУ 32 Мб ; Windows ХР ; (CD-ROM-дисковод) ; мышь. – Загл. с экрана.

Приведены общие понятия о реактивной мощности и ее компенсации. Рассмотрены основные потребители реактивной мощности. Представлены основные причины и значение проведения мероприятий по компенсации реактивной мощности, организационные и технические мероприятия по компенсации реактивной мощности, а также вопросы выбора мощности и мест установки компенсирующих устройств. Приведены особенности компенсации реактивной мощности в сетях с нелинейной нагрузкой. Представлены основные принципы автоматического регулирования реактивной мощности компенсирующих устройств, а также влияние компенсирующих устройств на устойчивость нагрузки. Рассмотрены основы взаимоотношений энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии в части потребления и генерации реактивной мощности и общие вопросы эксплуатации комплектных конденсаторных установок.

³ КузГТУ ³ Беляевский Р. В.

3

СОДЕРЖАНИЕ

Предисловие . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Введение . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 1. Понятие о реактивной мощности и ее компенсации . . . . 10

1.1. Реактивная мощность в системах электроснабжения . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

1.2. Баланс активных и реактивных мощностей . . . . . . . 20 1.3. Компенсация реактивной мощности . . . . . . . . . . . . . 22 2. Основные потребители реактивной мощности . . . . . . . . 24

2.1. Потребление реактивной мощности асинхронными двигателями и силовыми трансформаторами . . . . . 24

2.2. Потребление реактивной мощности преобразовательными установками . . . . . . . . . . . . . 27

2.3. Потребление реактивной мощности электропечными установками . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.4. Потребление реактивной мощности электросварочными установками . . . . . . . . . . . . . . . 34

2.5. Потери реактивной мощности в линиях электропередачи . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.6. Потребление реактивной мощности осветительными установками . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

3. Причины и значение проведения мероприятий по компенсации реактивной мощности . . . . . . . . . . . . . . . 38 3.1. Влияние реактивной мощности на режим

напряжения и качество электроэнергии . . . . . . . . . . 38

3.2.Влияние реактивной мощности на потери мощности и электроэнергии и пропускную

способность электрических сетей . . . . . . . . . . . . . . . 43 4. Организационные мероприятия по компенсации

реактивной мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 4.1. Правильный выбор электродвигателей

по номинальной мощности и типу . . . . . . . . . . . . . . 48 4.2. Замена малозагруженных асинхронных двигателей

электродвигателями меньшей номинальной мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

4.3. Понижение напряжения электродвигателей, систематически работающих с малой загрузкой . . . 52

4

4.4. Ограничение длительности холостого хода асинхронных двигателей . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

4.5. Повышение качества ремонта электродвигателей . . 55 4.6. Замена или отключение в период малых нагрузок

силовых трансформаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

4.7.Применение наиболее целесообразной силовой схемы и системы управления вентильных

преобразователей. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 5. Технические мероприятия по компенсации

реактивной мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.1. Компенсирующие устройства . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.1.1. Батареи конденсаторов . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 5.1.2. Синхронные компенсаторы . . . . . . . . . . . . . . . 64 5.1.3. Синхронные двигатели . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67 5.1.4. Статические тиристорные компенсаторы . . . 68 5.2. Виды компенсации реактивной мощности . . . . . . . . 71

5.3. Продольная и поперечная компенсация . . . . . . . . . . 73 6. Выбор мощности и мест установки

компенсирующих устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80 6.1. Размещение компенсирующих устройств

в распределительных сетях промышленных предприятий . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

6.2. Определение мощности компенсирующих устройств . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

6.3. Применение оптимизации к решению задачи компенсации реактивной мощности . . . . . . . . . . . . . 86

7. Компенсация реактивной мощности в сетях с нелинейной нагрузкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

7.1. Батареи конденсаторов в сетях с высшими гармониками . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

7.2. Защита батарей конденсаторов от высших гармоник . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

7.3. Фильтры высших гармоник в сетях с нелинейной нагрузкой . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

7.4. Фильтрокомпенсирующие устройства . . . . . . . . . . . 100 8. Принципы автоматического регулирования реактивной

мощности компенсирующих устройств . . . . . . . . . . . . . . 104 8.1. Регулирование по времени суток . . . . . . . . . . . . . . . . 105

5

8.2. Регулирование по напряжению . . . . . . . . . . . . . . . . . 106 8.3. Регулирование по току нагрузки и по величине

и направлению реактивной мощности . . . . . . . . . . . 107 9. Влияние компенсирующих устройств

на устойчивость нагрузки . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

10.Взаимоотношения энергоснабжающих организаций

ипотребителей электроэнергии в части потребления

и генерации реактивной мощности . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114 10.1. Нормативная документация в области

компенсации реактивной мощности . . . . . . . . . . . . . 114 10.2. Значения коэффициентов реактивной мощности,

указываемые в договорах на оказание услуг по передаче электрической энергии . . . . . . . . . . . . 118

10.3. Повышающие (понижающие) коэффициенты к тарифам на услуги по передаче электрической энергии в зависимости от соотношения

потребления активной и реактивной мощности . . 120 11. Эксплуатация комплектных конденсаторных

установок . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127 Список рекомендуемой литературы . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

6

ПРЕДИСЛОВИЕ

Учебное пособие представляет собой краткое систематизированное изложение основных разделов дисциплины žВопросы компенсации реактивной мощности¤ и предназначено для студентов специальности 140211 žЭлектроснабжение¤.

В настоящем учебном пособии рассмотрены основные вопросы компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения промышленных предприятий, необходимые для формирования профессиональных знаний будущих квалифицированных специалистов-электриков, на основе современных взглядов и с учетом новых технических решений в этой области.

Материал, представленный в учебном пособии, опирается, прежде всего, на действующие в Российской Федерации нормативные документы в области компенсации реактивной мощности: правила, порядки, методики и др. При написании учебного пособия использовались также вышедшие в последние годы книги и справочники по электроснабжению промышленных предприятий и компенсации реактивной мощности.

Вглаве 1 приведены общие положения о природе реактивной мощности и ее компенсации, а также рассмотрено понятие баланса активных и реактивных мощностей в электроэнергетической системе.

Вглаве 2 представлены основные потребители реактивной мощности в промышленных электрических сетях и кратко рассмотрены особенности потребления ими реактивной мощности.

Вглаве 3 приведены причины и значение проведения мероприятий по компенсации реактивной мощности. Рассмотрено влияние реактивной мощности на режим напряжения и качество электрической энергии, а также на потери мощности и электроэнергии и пропускную способность электрических сетей.

Вглаве 4 рассмотрены основные организационные мероприятия по компенсации реактивной мощности, обеспечивающие естественное уменьшение реактивной мощности, потребляемой электроприемниками.

Вглаве 5 рассмотрены технические мероприятия по компенсации реактивной мощности. Приведены основные типы компенсирующих устройств, особенности их конструкции, достоинства

7

и недостатки, а также рассмотрены виды компенсации реактивной мощности, которые могут осуществляться в электрических сетях промышленных предприятий с использованием данных компенсирующих устройств.

Вглаве 6 освещены вопросы выбора мощности и мест установки компенсирующих устройств в промышленных электрических сетях. Особое внимание уделяется использованию оптимизационного подхода к решению данной задачи.

Вглаве 7 рассмотрены особенности компенсации реактивной мощности в сетях с нелинейной нагрузкой. Рассмотрена ра-

бота батарей конденсаторов при наличии высших гармоник в электрической сети и способы их защиты от высших гармоник,

атакже применение фильтрокомпенсирующих устройств.

Вглаве 8 представлены принципы автоматического регулирования реактивной мощности компенсирующих устройств.

Вглаве 9 рассмотрено влияние компенсирующих устройств на устойчивость нагрузки.

Вглаве 10 рассмотрены основы взаимоотношений энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии в части потребления и генерации реактивной мощности. Приведена нормативная документация в области компенсации реактивной мощности, значения коэффициентов реактивной мощности, указываемые в договорах на оказание услуг по передаче электрической энергии, а также повышающие (понижающие) коэффициенты к тарифам на услуги по передаче электрической энергии в зависимости от соотношения потребления активной и реактивной мощности.

Вглаве 11 рассмотрены общие вопросы эксплуатации комплектных конденсаторных установок на промышленных предприятиях.

8

ВВЕДЕНИЕ

В современных условиях дефицита энергетических ресурсов все более важную роль приобретают проблемы энергосбережения. Принятый Федеральный закон от 23.11.2009 № 261-ФЗ žОб энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…¤ и žЭнергетическая стратегия России на период до 2030 года¤ призваны обеспечить реализацию в стране потенциала организационного и технологического энергосбережения и снижение энергоемкости ВВП на 40 % к 2020 г.

Значительная часть указанного потенциала энергосбережения обусловлена высокими потерями электроэнергии в электрических сетях. При этом большое влияние на потери электроэнергии оказывают перетоки реактивной мощности. Наличие перетоков реактивной мощности в электрических сетях приводит не только к увеличению потерь электроэнергии, но и к снижению их пропускной способности, увеличению потерь напряжения, снижению качества электроэнергии.

Для снижения перетоков реактивной мощности в электрических сетях и уменьшения вызываемых ими отрицательных последствий должна осуществляться компенсация реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности обеспечивает соблюдение условия баланса реактивной мощности, способствует снижению потерь электроэнергии в электрических сетях, увеличению их пропускной способности, позволяет осуществлять регулирование напряжения за счет применения компенсирующих устройств и др. С этой точки зрения компенсация реактивной мощности может рассматриваться как достаточно эффективное направление энергосбережения.

Целью изучения дисциплины žВопросы компенсации реактивной мощности¤ является углубление и расширение теоретических знаний, полученных при изучении дисциплин žТеоретические основы электротехники¤, žЭлектроснабжение¤, žПередача и распределении электроэнергии¤, формирование знаний специалиста в области компенсации реактивной мощности, а также рациональное применение этих знаний при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения.

9

В результате изучения дисциплины студент должен знать:

основные понятия и определения в области компенсации реактивной мощности;

причины и значение проведения мероприятий по компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения;

основные организационные и технические мероприятия по компенсации реактивной мощности;

основную нормативную документацию в области компенсации реактивной мощности.

В результате изучения дисциплины студент должен уметь:

определять потребление реактивной мощности электроприемниками на различных уровнях системы электроснабжения;

производить рациональный выбор организационных и технических мероприятий по компенсации реактивной мощности;

определять мощность и места установки компенсирующих устройств в системах электроснабжения.

Знания, умения и навыки, полученные в ходе изучения дисциплины, будут полезны специалистам-электрикам в процессе работы как в электросетевом комплексе, так и на промышленных предприятиях и других объектах электроэнергетики.

10

1.ПОНЯТИЕ О РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

ИЕЕ КОМПЕНСАЦИИ

1.1.Реактивная мощность в системах электроснабжения

Рассмотрим энергетические соотношения в цепи синусоидального переменного тока.

Мгновенная мощность, генерируемая источником, равна скорости совершения работы в данный момент времени:

u Um sin t и синусоидального тока i Im sin t , сдвинутого по фазе относительно напряжения на угол φ, мгновенная мощность будет равна:

где u и i – мгновенные значения напряжения и тока; Um и Im – амплитудные значения напряжения и тока; U и I – действующие значения напряжения и тока; ω = 2πf – угловая частота; f – частота сети; t – момент времени, для которого определяется мгновенная мощность; – угол сдвига фаз между напряжением и током.

Из формулы (2) следует, что мгновенная мощность в цепи синусоидального переменного тока условно содержит две составляющие: постоянную составляющую и гармоническую составляющую, угловая частота которой в два раза больше угловой частоты переменного тока (рис. 1). Нетрудно видеть, что в течение периода изменяющаяся мгновенная мощность приобретает положительные и отрицательные значения. При этом положительным значениям мгновенной мощности должна соответствовать передача электрической энергии от источника к нагрузке, а отрицательным – обратно от нагрузки к источнику.