Лекция 28. Компенсация реактивной мощности

Вопрос о компенсации реактивной мощности является одним из основных вопросов, решаемых как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации систем промышленного электроснабжения, и включает выбор целесообразных источников, расчет и регулирование их мощности, размещение источников в системе электроснабжения.

Перед тем как рассмотреть вопрос о компенсации реактивной мощности необходимо повторить понятия и термины тесно связанные с данной темой. Вспомним, что полной мощностью называется та максимальная активная мощность, которая может быть получена в цепи при данных действительных значениях напряжения и тока: S=U·I.

В свою очередь активная мощность определяет совершаемую работу или передаваемую энергию. Любая электротехническая установка рассчитывается на полную мощность. Однако из-за наличия угла сдвига фаз между полным напряжением и током φ она используется не полностью. Таким образом, угол φ имеет важное значение, т.к. определяет значения активной и реактивной мощности при данных значениях тока и напряжения:

Полная и реактивная мощности не определяют ни совершаемой работы, ни передаваемой энергии. Тем не менее, в электротехнике реактивной мощности приписывают аналогичный смысл, рассматривая ее как мощность отдачи, получения или передачи некоторой величины, которую условно называют реактивной энергией

Хотя за счет реактивной энергии и не совершается работа, без нее невозможна работа любого электротехнического устройства, в котором создается магнитное поле (двигатель, трансформатор).

Для реактивной мощности приняты такие понятия, как потребление, генерация, передача, потери, баланс. Считается, что если ток отстает по фазе от напряжения (индуктивный характер нагрузки), то реактивная мощность потребляется и имеет положительный знак, а если ток опережает напряжение (емкостный характер нагрузки), то реактивная мощность генерируется и имеет отрицательное значение. С точки зрения генерации и потребления между реактивной и активной мощностью существуют значительные различия. Если большая часть активной мощности потребляется приемниками и лишь незначительная теряется в элементах сети и электрооборудования, то потери реактивной мощности в элементах сети могут быть соизмеримы с реактивной мощностью, потребляемой приемниками электроэнергии. Активная мощность генерируется электростанциями, а реактивная — генераторами электростанций, синхронными компенсаторами, синхронными двигателями, батареями конденсаторов, тиристорными источниками реактивной мощности и линиями.

Концентрация производства реактивной мощности во многих случаях экономически нецелесообразна по следующим причинам.

1. При передаче значительной реактивной мощности возникают дополнительные потери активной мощности и электроэнергии во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью. Так, при передаче активной Р и реактивной Q мощностей через элемент системы электроснабжения с сопротивлением R потери активной мощности составят

Дополнительные потери активной мощности ∆Р_Р, вызванные протеканием реактивной мощности Q, пропорциональны ее квадрату. Поэтому во многих случаях передача значительной реактивной мощности от генераторов электростанций к потребителям нецелесообразна, несмотря на низкие удельные затраты, связанные с ее генерацией.

2. Возникают дополнительные потери напряжения, которые особенно существенны в сетях районного значения. Например, при передаче мощностей Р и Q через элемент системы электроснабжения с активным сопротивлением R и реактивным X потери напряжения составят

где ∆Uа — потери напряжения, обусловленные активной мощностью; ∆U_р — потери напряжения, обусловленные реактивной мощностью.

С влиянием реактивной мощности, передаваемой по элементам сети, на напряжение тесно связано понятие баланса реактивной мощности. Под балансом реактивной мощности понимают равенство генерируемой и потребляемой мощностей при допустимых отклонениях напряжения у приемников электроэнергии.

3. Загрузка реактивной мощностью систем промышленного электроснабжения и трансформаторов уменьшает их пропускную способность и требует увеличения сечений проводов воздушных и кабельных линий, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и т. п.

Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются асинхронные двигатели (60 - 65 % общего потребления), трансформаторы (20—25 %), вентильные преобразователи, реакторы, воздушные электрические сети и прочие приемники (10%).

До недавнего времени основным нормативным показателем, характеризующим реактивную мощность, был коэффициент мощности cosφ = P/S. На вводах, питающих промышленное предприятие, средневзвешенное значение этого коэффициента должно было находиться в пределах 0,92 — 0,95. Однако выбор соотношения P/S в качестве нормативного не дает четкого представления о динамике изменения реального значения реактивной мощности. Например, при изменении коэффициента мощности от 0,95 до 0,94 реактивная мощность изменяется на 10%, а при изменении этого же коэффициента от 0,99 до 0,98 приращение реактивной мощности составляет уже 42 %.

При расчетах удобнее оперировать соотношением К_рм = Q/P = tgφ, которое называют коэффициентом реактивной мощности.

Для компенсации реактивной мощности, потребляемой электроустановками промышленного предприятия, используют генераторы электростанций синхронные двигатели, а также дополнительно устанавливаемые компенсирующие устройства — синхронные компенсаторы, батареи конденсаторов и специальные статические источники реактивной мощности..

Синхронные компенсаторы представляют собой синхронные двигатели облегченной конструкции без нагрузки на валу. Они могут работать как в режиме генерирования реактивной мощности (при возбуждении компенсатора), так и в режиме ее потребления (при недовозбуждении).

К достоинствам синхронных компенсаторов как источников реактивной мощности относятся: положительный регулирующий эффект, заключающийся в том, то при уменьшении напряжения в сети генерируемая мощность компенсатора величивается; возможность плавного и автоматического регулирования генерируемой реактивной мощности, что повышает устойчивость режимов работы системы, улучшает режимные параметры сети; достаточная термическая и электродинамическая стойкость обмоток компенсаторов во время КЗ: возможность восстановления поврежденных СК путем проведения ремонтных работ.

К недостаткам СК относятся удорожание и усложнение эксплуатации (по сравнению, например, с БСК) и значительный шум во время работы. Потери активной мощности в СК при их полной загрузке довольно значительны и в зависимости от номинальной мощности находятся в пределах 0,011-0,03 кВт/квар.

Синхронные двигатели, применяемые для электропривода, в основном изготовляют с коэффициентом мощности 0,9 при опережающем токе. Они являются эффективным средством компенсации реактивной мощности. Наибольший верхний предел возбуждения синхронного двигателя определяется допустимой температурой обмотки ротора с выдержкой времени, достаточной для форсировки возбуждения при кратковременных снижениях напряжения. Максимальное значение реактивной мощности зависит от загрузки двигателя активной мощностью, подводимого напряжения и технических данных двигателя.

Конденсаторы - специальные емкости, предназначенные для выработки реактивной мощности. По своему действию они эквивалентны перевозбужденному синхронному компенсатору и могут работать лишь как генераторы реактивной мощности. Конденсаторы изготовляют на номинальные напряжения 660 В и ниже мощностью 12,5 — 50 квар в трех- и однофазном исполнениях, а на 1050 В и выше мощностью 25 —100 квар — в однофазном исполнении. Из таких элементов собирают батареи конденсаторов требуемой мощности, которые могут быть разделены на секции. Схема батареи конденсаторов определяется техническими данными конденсаторов и режимом работы в системе электроснабжения.

Конденсаторы по сравнению с другими источниками реактивной мощности обладают следующими преимуществами:

1)малыми потерями активной мощности (0,0025-0,005 кВт/квар);

2)простотой эксплуатации (ввиду отсутствия вращающихся и трущихся частей);

3)простотой производства монтажных работ (малая масса, отсутствие фундаметов);

4)возможностью установки конденсаторов в любом сухом помещении.

К недостаткам конденсаторов следует отнести:

1) зависимость генерируемой реактивной мощности от напряжения

2) чувствительность к искажениям питающего напряжения;

3) недостаточную прочность, особенно при КЗ и перенапряжениях.

В сетях до 1000 В устанавливают только БСК. В сетях выше 1000 В устанавливают как БС так и СМ, для этого производят ТЭР

Установки конденсаторов бывают индивидуальные, групповые и централизованные. Индивидуальные установки чаще применяют на напряжениях до 660 В. В этих случаях конденсаторы присоединяют наглухо к зажимам приемника. Такой вид установки компенсирующих устройств обладает существенным недостатком — плохим использованием конденсаторов, так как с отключением приемника отключается и компенсирующая установка. При групповой установке конденсаторы присоединяют к распределительным пунктам сети. При этом использование установленной мощности конденсаторов несколько увеличивается. При централизованной установке батареи конденсаторов присоединяют на стороне высшего напряжения трансформаторной подстанции промышленного предприятия.

Появление мощных приемников с резкопеременной нагрузкой (главные приводы непрерывных и обжимных прокатных станов, дуговые сталеплавильные печи и т. п.) привело к необходимости создания принципиально новых источников реактивной мощности — статических компенсирующих устройств.

Набросы реактивной мощности, сопровождающие работу этих приемников, вызывают значительные изменения питающего напряжения. Кроме того, эти приемники как нелинейные элементы в системе электроснабжения вызывают дополнительные искажения токов и напряжений. Поэтому к компенсирующим устройствам предъявляют следующие требования:

высокое быстродействие изменения реактивной мощности;

достаточный диапазон регулирования реактивной мощности;

возможность регулирования и потребления реактивной мощности;

минимальные искажения питающего напряжения.

Основными элементами статических компенсирующих устройств являются конденсатор и дроссель — накопители электромагнитной энергии и вентили (тиристоры), обеспечивающие ее быстрое преобразование.

На рис. 26.1 приведены некоторые варианты статических компенсирующих устройств; они содержат фильтры высших гармоник (генерирующая часть) и регулируемый дроссель в различных исполнениях.

Рис.26.1 - Статические компенсирующие устройства

Таким образом, задачей компенсации реактивной мощности является проведение мероприятий, при осуществлении которых:

– расчетная мощность, потребляемая из сети питания, была бы оптимальной;

– обеспечивался баланс реактивной мощности в режиме максимальных и минимальных нагрузок при минимуме затрат на производство и передачу полной мощности.

Основной принцип компенсации Q состоит в том, чтобы для ЭП требующих для своей работы Q не брать реактивную мощность от системы, а вырабатывать её на предприятии при помощи специальных устройств, участвующих в технологическом процессе.

Q – мощность обмена между потребителем и источником. Необходимо уменьшать φ до 0.

Цель компенсации Q сводится к определению (расчету) средств компенсации для оптимального снижения перетока Q.

Труд современного инженера в значительной мере вновь приобретает творческую направленность, что вызывается потребностями развития техники, необходимостью внедрения в производство новейших научных достижений. Инженер должен быть широко эрудированным специалистом, способным оценить различные аспекты принимаемых решений, знающим историю развития техники в своей области и умеющим видеть перспективы.

Конечно, в данной работе не ставилась задача подробного, глубокого рассмотрения процессов или принципов работы и конструктивного выполнения электрического оборудования. Эти вопросы обстоятельно изучаются в специальных дисциплинах. Основная цель заключалась в создании общих впечатлений об электроэнергетических системах, их отдельных элементов, основных процессах и о роли энергетики в жизни современного общества. Кроме того, ставилась цель выработки у студентов первого курса навыков работы в вузе с учетом применения современных методических и технических средств активизации учебных занятий.

1. Основы составления главных схем электрических подстанций. / В.Н. Горюнов, В.К. Грунин, С.Г. Диев, В.А Костюк., К.И. Никитин, В.К. Федоров. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1997. 84 с.

2. Введение в специальность. Электроэнергетика. / Веников В.А., Путятин Е.В. М: Высш. шк., 1988. 230 с.

3. Нейман Л.Р. Димерчан К.С. Теоретические основы электротехники. ч.1. / Нейман Л.Р. Димерчан К.С. 1981. 576 с.

4. Неклепаев Б.Н. Крючков И.Л. Электрическая часть станций и подстанций: Справочные материалы для курсового и дипломного проектирования, 1989. 608 с.

5. Смирнов А.Д., Антипов К.М. Справочная книга энергетика, 1987. 586 с.

7. Чинихин А.А. Электрические аппараты. 1988. 720 с.

8. Ястребов П.Л. Смирнов И.Л. Электрооборудование, электрические технологии. 1987. 199 с.

9. Старостин В.И., Карпов В.В., Горюнов В.Н. Энергетика. Современное состояние, проблемы и прогнозы. Омск: Изд-во ОмГТУ, 1996. 68 с.

10. История электротехники. / Под ред. И.А.Глебова. М.: МЭИ, 1999. 524 с.

11. Основы современной энергетики: Курс лекций для менеджеров энергетических компаний. М.: Изд-во МЭИ, 2002. – 486 с.

12. Электрические машины: Учебник для учащихся электротехнических специальностей техникумов. М.: Высш. шк., 1990. 288 с.

13. Лунгу К.И., Норин В.П. и др. Сборник задач по высшей математике

14. Т.И.Трофимова, З.Г.Павлова. Сборник задач по физике с решениями. – М.: 2003.

Введение
Лекция 1. Назначение курса «История электроэнергетики………………………..
Лекция 2. Электрическая цепь. Схема замещения………………………………….
Лекция 3. Электрический ток. Электрическое поле………………………………..
Лекция 4. ЭДС источника электрической энергии. Напряжение………………….
Лекция 5. Идеализированные элементы электрической цепи……………………..
Лекция 6. Направление ЭДС, тока, напряжения. Второй закон Кирхгофа. Электрические цепи. Характеристики переменного тока………………………….
Лекция 7. Действующие значения переменного тока. Связь между током и напряжением в элементах электрической цепи тока…………………………….
Лекция 8. Закон Ома для цепи переменного тока. Активное, реактивное и полное сопротивления……………………………………………………………..
Лекция 9. Мощность цепи переменного тока……………………………………….
Лекция 10. Трехфазные электрические цепи………………………………………..
Лекция 11. Принцип действия синхронного генератора………………………………..
Лекция 12. Трансформаторы…………………………………………………………
Лекция 13. Электрические машины…………………………………………………
Лекция 14. Устройство машин переменного тока………………………………….
Лекция 15. Принцип действия асинхронного двигателя…………………………...
Лекция 16. Электрические машины постоянного тока…………………………….
Лекция 17 Машины постоянного тока……………………………………………...
Лекция 18. ЭДС обмотки якоря……………………………………………………...
Лекция 19. Основные уравнения ДПТ независимого возбуждения……………….
Лекция 20. Измерительные трансформаторы тока и напряжения………………...
Лекция 21. Системы электроснабжения. Определения, терминология…………...
Лекция 22. Основные этапы проектирования систем электроснабжения………...
Лекция 23. Основные термины и понятия в области энергоснабжения…………..
Лекция 24. Основные мероприятия и принцип энергосбережения………………..
Лекция 25. Уравнение Максвелла. Вихревое электрическое поле………………...
Лекция 26. Закон изменения напряжения на обкладках конденсатора…………...
Лекция 27. Уравнение Максвелла для электромагнитного поля…………………..
Лекция 28. Компенсация реактивной мощности…………………………………...
Заключение……………………………………………………………………………
Список литературы…………………………………………………………………...
Содержание……………………………………………………………………………

Подписано в печать 11.11.05 г. Формат 60×84/16. Бумага офисная. Отпечатано на дублекаторе. Усл. печ. л. 3,75. Уч.-изд. л.4,0.

Издательство ОмГТУ. 644050, г. Омск, пр-т Мира, 11.

Методическое руководство по изучению дисциплины

для специальности 140211- «Электроснабжение»

для направления 140200- «Электроэнергетика»

Методическое руководство по изучению дисциплины

для студентов специальности 140211 – Электроснабжение

Руководство необходимо для общего ознакомления с дисциплиной и содержит сведения:

1. Данные о запланированной трудоемкости по дисциплине с ее распределением по видам работ и заданий (табл. 1):