90644 / Вопросы компенсации реактивной мощности

41

Изменение напряжения на нагрузке произойдет под влиянием двух факторов: снижения напряжения на источнике и изменения потери напряжения в сети.

Изменение напряжения в месте присоединения потребителя будет несколько меньше, чем у источника:

Uп Uп Uи Uи ,

так как зависимости P = f(U) и Q = f(U) нелинейны. Иначе говоря, в связи с изменением нагрузки происходит саморегулирование напряжения Uп в соответствии со статическими характеристиками потребителей. Это явление называется регулирующим эффектом нагрузки по напряжению. В результате данного эффекта новым значениям напряжений Uи и Uп будут соответствовать новые значения в уравнении баланса реактивной мощности (19).

Из рис. 14 следует, что наибольшим регулирующим эффектом по напряжению обладает реактивная нагрузка, т. к. зависимость Q = f(U) значительно круче зависимости P = f(U). Для энергосистемы в целом на 1 % изменения напряжения активная нагрузка изменяется на величину от 0,6 % (при малой доле бытовой нагрузки) до 2 % (при большой доле бытовой нагрузки), а реактивная – на 2–5 %.

Из рис. 14 также видно, что регулирующий эффект нагрузки будет проявляться только до некоторого значения напряжения, называемого критическим Uкр. Для промышленных систем электроснабжения Uкр составляет около 75–85 % номинального. При Uп < Uкр снижение напряжения вызовет рост реактивной нагрузки потребителя, и, как следствие, рост потерь напряжения в сети U. Рост U, в свою очередь, приведет к дальнейшему снижению Uп. В этом случае возникает непрерывный переходный (неустановившийся) процесс снижения напряжения, длящийся всего несколько секунд и называемый лавиной напряжения, при котором баланс реактивной мощности нарушается. В результате этого процесса происходит нарушение устойчивости нагрузки.

Нарушение устойчивости заключается в остановке и отключении электродвигателей.

42

Остановка электродвигателя происходит тогда, когда вращающий момент на его валу становится меньше момента сопротивления приводимого им в действие механизма. Вращающий момент асинхронного двигателя имеет квадратичную зависимость от напряжения. Поэтому значительное снижение напряжения приводит к еще более значительному уменьшению вращающего момента. При остановке электродвигателей их реактивный ток возрастает, что приводит к их отключению устройствами защиты. После этого напряжение в сети восстанавливается.

от –2,5 % до +5 % номинального;

на зажимах электрических двигателей и аппаратов для их пуска и управления от –5 % до +10 % номинального;

на зажимах остальных электроприемников в пределах Æ5 % номинального.

В послеаварийных режимах допускается дополнительное снижение напряжения на 5 %.

С точки зрения поддержания необходимого режима напряжения у электроприемников дефицит реактивной мощности является недопустимым. Принципиально возможны два подхода

кснижению и устранению дефицита реактивной мощности: установка в энергосистеме дополнительных генераторов активной мощности и снижение реактивной нагрузки генераторов электростанций.

Попытка ликвидировать дефицит реактивной мощности первым способом влечет за собой необходимость значительного увеличения установленной мощности генераторов в энергосистеме и, как следствие, большие капитальные затраты.

Второй способ – снижение реактивной нагрузки генераторов электростанций или компенсация реактивной мощности – предусматривает проведение двух взаимно дополняющих групп мероприятий: естественное уменьшение потребления реактивной мощности электроприемниками и установку непосредственно

43

у потребителей и в узлах сетей дополнительных источников реактивной мощности – компенсирующих устройств. Мероприятия по естественному уменьшению потребления реактивной мощности электроприемниками, проводимые на промышленных предприятиях, снижают суммарную реактивную нагрузку обычно не более чем на 10 %. Поэтому основным при проведении мероприятий по компенсации реактивной мощности является установка компенсирующих устройств.

Применение второго подхода является более предпочтительным с экономической точки зрения, т. к. компенсирующие устройства, как правило, требуют при том же техническом эффекте меньших капитальных вложений и затрат на эксплуатацию, чем генераторы электростанций.

Поэтому практически установленная активная мощность генераторов в энергосистемах определяется из условия поддержания баланса активных мощностей. Это приводит к тому, что в режимах больших нагрузок баланс реактивных мощностей не может быть обеспечен за счет генераторов электростанций при соблюдении необходимых величин напряжения у электроприемников. Опыт показывает, что отсутствие источников реактивной мощности в узлах нагрузки электрических сетей, и в том числе у потребителей, приводит к невозможности обеспечения требуемого режима напряжения в сетях и у электроприемников и может вызвать нарушения устойчивости узлов нагрузки.

Таким образом, основной причиной проведения мероприятий по компенсации реактивной мощности является необходимость обеспечения наиболее экономичным образом баланса реактивной мощности в узлах сети при напряжении у электроприемников, соответствующем требованиям ГОСТ 13109–97, и сохранения устойчивости работы электроприемников в нормальных и аварийных режимах.

3.2. Влияние реактивной мощности на потери мощности и электроэнергии и пропускную способность электрических сетей

Помимо решения основной задачи обеспечения баланса реактивной мощности в энергосистеме, реализация мероприятий

44

по компенсации реактивной мощности дает также значительный технико-экономический эффект, заключающийся в снижении потерь мощности и электроэнергии и потерь напряжения в существующих электрических сетях и в лучшем использовании основного оборудования, а во вновь проектируемых сетях – в возможности снижения числа или мощности силовых трансформаторов, сечения линий электропередачи и габаритов аппаратов распределительных устройств подстанций.

При передаче активной мощности Р и реактивной мощности Q через элемент системы электроснабжения с активным сопротивлением R и реактивным сопротивлением X потери мощности составляют:

Установка компенсирующих устройств у потребителя уменьшает реактивную нагрузку сети и приводит к снижению потерь мощности и электроэнергии.

Лучшее использование основного оборудования в результате проведения мероприятий по компенсации реактивной мощности заключается в разгрузке сетевого оборудования от реактивного тока, увеличении пропускной способности электрических сетей, что приводит к возможности работы оборудования в более экономичном режиме, либо к возможности дополнительной загрузки его активной мощностью.

При передаче реактивной мощности по сети возникают дополнительные потери напряжения:

Снижение потерь напряжения в сети также достигается при применении компенсирующих устройств. Эффект от компенсации реактивной мощности, заключающийся в снижении потерь

45

напряжения в сети, а следовательно, и в повышении напряжения у электроприемников, весьма важен, особенно в загруженных сетях, где даже при хорошем режиме напряжения в центре питания напряжения у электроприемников могут быть недопустимо низкими. Если же напряжение у электроприемников снижается сверх допустимых пределов, то это может приводить к снижению производительности, ухудшению качества продукции и к другим нежелательным последствиям.

Наличие у потребителя компенсирующих устройств с регулируемой реактивной мощностью позволяет ему осуществлять с их помощью не только компенсацию реактивной мощности, но и в случае необходимости местное регулирование напряжения за счет изменения потери напряжения в распределительной сети от трансформаторов с РПН до электроприемников.

Для уменьшения перетоков реактивной мощности в электрических сетях компенсирующие устройства должны размещаться вблизи мест ее потребления. Эффект от установки компенсирующих устройств на приемном конце линии электропередачи может быть проиллюстрирован с помощью рис. 16.

Ток в линии до установки компенсирующих устройств будет равен:

Iн Iна jIнр .

Мощность нагрузки равна:

~

Sн Pн jQн .

После установки компенсирующих устройств мощностью Qк реактивный ток и реактивная мощность в линии уменьшатся.

При этом в линии будет протекать ток:

Iл Iна j Iнр Iк .

Мощность, передаваемая по линии, составит:

~

Sл Pн j Qн Qк .

47

Мощность компенсирующих устройств должна определяться исходя из условия наибольшей экономичности при одновременном выполнении следующих условий:

должен соблюдаться баланс реактивной мощности во всех узлах сети;

величина напряжения во всех узлах сети не должна выходить за допустимые пределы;

токовая нагрузка любого элемента сети не должна превышать допустимую токовую нагрузку для этого элемента;

величины источников реактивных мощностей не должны выходить за допустимые нижний и верхний пределы.

Таким образом, компенсация реактивной мощности имеет важное практическое значение, поскольку позволяет получить значительный экономический эффект. При проведении необходимых мероприятий по компенсации реактивной мощности этот эффект выразится в экономии сотен миллионов рублей в год.

48

4. ОРГАНИЗАЦИОННЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Организационные мероприятия по компенсации реактивной мощности связаны с естественным уменьшением реактивной мощности, потребляемой электроприемниками, и не требуют применения специальных компенсирующих устройств. Поэтому при решении вопроса компенсации реактивной мощности, эти мероприятия должны рассматриваться в первую очередь, т. к. для их осуществления, как правило, не требуется значительных капитальных затрат.

Поскольку основными потребителями реактивной мощности в промышленности являются асинхронные двигатели, силовые трансформаторы и преобразовательные установки, то наиболее важным является снижение реактивной мощности, потребляемой данными электроприемниками.

На достижение этой цели может быть направлен целый комплекс мероприятий, к числу которых относятся:

–правильный выбор электродвигателей по номинальной мощности и типу;

–замена малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности;

–понижение напряжения в обмотках асинхронных двигателей, систематически работающих с малой загрузкой;

–ограничение длительности холостого хода асинхронных двигателей;

–повышение качества ремонта электродвигателей;

–замена или отключение в период малых нагрузок силовых трансформаторов;

– применение наиболее целесообразной силовой схемы и системы управления вентильных преобразователей.

4.1. Правильный выбор электродвигателей по номинальной мощности и типу

Номинальную мощность электродвигателей следует выбирать в соответствии с режимом работы производственного оборудования, не допуская излишних запасов мощности.

49

Асинхронный двигатель работает с наилучшими энергетическими показателями при его загрузке от 75 до 100 % номинальной мощности. При равных прочих условиях относительно мощности, частоты вращения и типа исполнения асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором имеют лучшие энергетические характеристики, чем электродвигатели с фазным ротором. В связи с этим, когда применение электродвигателей с фазным ротором не обусловлено условиями пуска и работы, целесообразно применять асинхронные двигатели с короткозамкнутым ротором.

Электродвигатели закрытого типа имеют худшие энергетические показатели по сравнению с асинхронными двигателями открытого или защищенного типа той же мощности и частоты вращения. Поэтому не следует устанавливать их в помещениях, в которых по условиям окружающей среды и безопасности допускается установка электродвигателей открытого или защищенного типа.

Учитывая, что из общей реактивной нагрузки промышленного предприятия около 40–50 % приходится на долю асинхронных двигателей, следует обращать особое внимание на правильный выбор их по мощности и типу еще на стадии проектирования с тем, чтобы избежать изъятия избыточной мощности в процессе эксплуатации.

4.2. Замена малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности

Потребление реактивной мощности асинхронными двигателями зависит от коэффициента загрузки и их технических характеристик:

где Qх – реактивная мощность, потребляемая электродвигателем при холостом ходе, кВАр:

50

kз = P/Pн – коэффициент загрузки электродвигателя по активной мощности; Qн – увеличение потребления реактивной мощности при полной загрузке электродвигателя по сравнению с потреблением при холостом ходе, кВАр:

где Pн – номинальная мощность электродвигателя, кВт; η – КПД электродвигателя при полной загрузке; tgφн – номинальный коэффициент реактивной мощности электродвигателя; Uн – номинальное напряжение электродвигателя, В; Iх – ток холостого хода электродвигателя, А.

Из формулы (39) следует, что загрузка асинхронных двигателей оказывает значительное влияние на потребление ими реактивной мощности. При снижении коэффициента загрузки электродвигателей величина потребляемой ими реактивной мощности существенно возрастает.

Поэтому при систематической недогрузке асинхронных двигателей, в первую очередь, должны быть приняты меры к увеличению их загрузки путем рационализации технологического процесса и повышения загрузки производственного оборудования. Если после реализации данных мер коэффициент загрузки электродвигателей остается достаточно низким, то необходимо рассматривать вопрос о замене малозагруженных асинхронных двигателей электродвигателями меньшей номинальной мощности. При этом особое внимание следует обращать на то, чтобы новый, менее мощный, электродвигатель не явился через некоторое время препятствием для рационального использования и повышения загрузки производственного механизма.

Установлено, что если средняя загрузка асинхронных двигателей составляет менее 45 % номинальной мощности, то замена их менее мощными является целесообразной. При загрузке электродвигателей более 70 % номинальной мощности можно считать, что замена в общем случае нецелесообразна, т. к. экономический эффект от снижения tgφ не окупает затраты на перемонтаж и возможное сокращение срока службы за счет более интен-