4. Компенсация реактивной мощности в системе электроснабжения

Перетоки РМ в сети вызывают дополнительные потери мощности и электроэнергии, влияют на уровни напряжения в узлах сети, ухудшают пропускную способность электрических сетей и требуют значительных затрат для их компенсации.

Компенсация реактивной мощности (с учетом качества электроэнергии)

в сетях промышленных предприятий является одним из основных направлений сокращения потерь электроэнергии и повышения эффективности работы электроустановок предприятий.

Следует отметить, что с точки зрения экономии электроэнергии и регулирования напряжения компенсацию реактивной мощности наиболее целесообразно осуществлять у ее потребителей.

Задачей компенсации реактивной мощности является проведение мероприятий, при осуществлении которых реактивная мощность, потребляемая от источника питания, была бы оптимальна для данного узла нагрузки.

Последствия перетока реактивной мощности:

- ухудшение режимов работы ЭП из-за значительных потерь напряжения в электрических цепях;

- снижение статической устойчивости узлов нагрузки;

- необходимость увеличения пропускной способности элементов сети;

- необходимость увеличения мощности генераторов на электрических станциях для генерации реактивной мощности, вызванной ее перетоками.

4.1 Принцип компенсации реактивной мощности

Известно, что прохождение переменного электрического тока всегда сопровождается возникновением переменного (с частотой тока) магнитного потока. Изменение магнитного потока неизбежно сопровождается индуктированием электродвижущей силы самоиндукции, действие которой всегда направлено против изменения тока, проходящего в электрической цепи. Это и является индуктивной нагрузкой, вызывающей отставание во времени изменений переменного тока от изменений переменного напряжения на так называемый угол сдвига фаз ().

Индуктивная нагрузка, вызываемая явлением самоиндукции, в цепи переменного тока всегда имеет место, так как для прохождения переменного тока проводники цепи представляют не только активное (R), но и индуктивное (X_L) сопротивления. Основную индуктивную нагрузку в сетях переменного тока представляют машины и аппараты, действие которых основано на использовании магнитного потока (трансформаторы, электрические двигатели, реакторы, индукционные электрические печи и т. п.). Таким образом, в сети переменного тока имеются потребители активной (P) и реактивной (Q) мощности.

Необходимую реактивную мощность для обеспечения работы ЭП вынуждены выдавать генераторы электрических станций. Но так как обмотки генераторов рассчитаны из условий допустимого нагрева на полный ток, то наличие в сети реактивной мощности и, следовательно, реактивного тока (I_р) приводит к недоиспользованию обмотки генераторов по активной мощности.

С другой стороны, реактивная составляющая тока, проходя по всем элементам сети от генераторов до потребителей, вызывает дополнительные потери мощности, электроэнергии и напряжения. Этим и объясняется необходимость компенсировать потребление реактивной мощности с помощью источников реактивной мощности, включаемых в сеть в местах ее потребления.

Принцип компенсации реактивного тока в электрической сети рассмотрим на примере рисунке 4.1.

Рис. 4.1 Принцип компенсации реактивной мощности

На рисунке 4.1(а) показана схема питания от сети напряжением (U) электроприемника, имеющего активное (R) и индуктивное (X_L) сопротивление.

Полный ток цепи (I) вследствие наличия индуктивной нагрузки (X_L) будет отставать от напряжения (U) на угол . Величина углатем больше, чем больше индуктивное сопротивление нагрузки (X_L).

Значения составляющих тока:

; , (4.1)

где I_а.н – активная составляющего тока нагрузки, А; I_р.н – реактивная составляющего тока нагрузки, А; I_н – полный ток нагрузки, А.

Функции угла определяется соотношением величинR и X_L:

; ;, (4.2)

где R – активное сопротивление, Ом; X_L – реактивное сопротивление, Ом.

Полный ток, потребляемый из сети, будет равен сумме векторов активной и реактивной составляющих этого тока, то есть,

, (4.3)

где I_н – полный ток нагрузки, А.

В соответствии с этим мощность, потребляемая из сети:

- активная мощность

, (4.4)

где P – активная потребляемая мощность, кВт; U – напряжение питания нагрузки, кВ; I_н – ток нагрузки, А.

-реактивная мощность

, (4.5)

где Q – реактивная потребляемая мощность, кВ·Ар.

- полная мощность

, (4.6)

где S – полная потребляемая мощность, кВ·А.

Включение в схему (рис. 4.1 а) емкости (С) с реактивным сопротивлением Х_с, которая создает емкостный ток , опережающий напряжение на угол 90^º и противоположно направлен , за счет чего и происходит компенсация реактивной мощности, потребляемой индуктивным сопротивлением

(см. рис. 4.1 б). При этом ток , потребляемый из сети, после подключения емкости с сопротивлениемуменьшается, так как он будет равен сумме векторов

, (4.7)

где –реактивная составляющая тока с учетом компенсации, А.

Если ток отстает по фазе от напряжения (индуктивный характер), то реактивная мощность потребляется и обозначается со знаком «+» (потребитель).

Если ток опережает напряжение (емкостный характер), то реактивная мощность генерируется и обозначается со знаком «-» (источник).