ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ
Все процессы в электрических системах можно охарактеризовать тремя параметрами: напряжением U, током /и активной мощностью Р. Но для удобства расчетов и учета применяют и другие параметры, в том числе реактивную мощность (). Реактивная мощность идет на создание магнитного и электрического полей. Индуктивная нагрузка рассматривается как потребитель реактивной мощности, а емкостная — как ее генератор.
В цепи постоянного тока существует только активная электрическая нагрузка. Мощность в этой цепи
Для характеристики мощности цепи переменного тока требуется дополнительный показатель, отражающий сдвиг фаз тока и напряжения — угол ф (рис. 6.1, а).
Произведение показаний вольтметра и амперметра в цепи переменного тока называется полной мощностью S, для трехфазной цепи . Средняя за период переменного тока мощность называется активной мощностью На
Рис. 6.1. Изменение тока и напряжения в цепи переменного тока (а) и треугольник мощностей (б)
На основании этих выражений полную мощность 5" можно представить как гипотенузу прямоугольного треугольника (рис. 6.1, б), один катет которого представляет собой активную мощность Р = Sсоsф, а другой — реактивную мощность (Q названа мощностью по аналогии с активной мощностью Р. Из треугольника мощностей получают следующие зависимости:
|
|
где соsф — коэффициент мощности; tgф — коэффициент реактивной мощности.
Таким образом, для характеристики мощности в цепи переменного тока введены понятия полной 51, активной Р и реактивной 0 мощностей и коэффициента мощности соsф. Для расчета реактивной мощности удобней пользоваться не соsф, а tgф, так как расчетное значение реактивной мощности легко найти из выражения
Когда угол ф близок к нулю, подсчет QР по формуле (6.3) дает меньшую погрешность, чем подсчет по формуле, в которую входит соsф, так как в зоне малых углов ф изменение коэффициента мощности на 1 % приводит к изменению коэффициента реактивной мощности на 10%.
Работа машин и аппаратов переменного тока, основанная на принципе электромагнитной индукции, сопровождается процессом непрерывного изменения магнитного потока в их магнито-проводах и полях рассеяния. Поэтому подводимый к ним поток мощности должен содержать не только активную составляющую Р, но и реактивную составляющую индуктивного характера (2, необходимую для создания магнитных полей, без которых процессы преобразования энергии, тока и напряжения невозможны. Реактивная мощность асинхронного двигателя (АД) может быть определена по формуле
где Q0 реактивная мощность намагничивания (т.е. холостого хода АД); QН — потери реактивной мощности в АД на рассеяние при номинальной нагрузке; К3 — коэффициент загрузки АД, К3 = Р/Рн. Реактивная мощность, потребляемая трехфазным силовым ; трансформатором, расходуется, как и в АД, на намагничивание магнитопровода трансформатора (Qто) и на создание полей рассеяния (Qр):
|
|
где КЗ.Т —- коэффициент загрузки трансформатора.
Рис. 6.2. Эквивалентная схема системы электроснабжения (а) и изменение угла ф и напряжения в узлах А, Б, В, Г, Д (б)
Потребление трансформатором реактивной мощности на намагничивание в несколько раз меньше, чем АД, из-за отсутствия воздушного зазора в трансформаторе. Но за счет того, что число трансформаций напряжения в системе электроснабжения достигает 3 — 4 и имеет тенденцию к росту до 5 — 6, суммарная номинальная мощность трансформаторов во много раз больше, чем АД. Поэтому расходы реактивной мощности в АД и в трансформаторах в такой системе соизмеримы.
Из всей потребляемой трансформаторами реактивной энергии около 80 % расходуется на намагничивание.
На рис. 6.2, а показано распределение потерь Л(2П реактивной мощности в эквивалентной цепи электростанция — потребитель, а на рис. 6.2, ^приведены векторные диаграммы токов и напряжений для узлов А, Б, В, Г, Д этой цепи. Как видно из диаграммы, угол ф возрастает от 22 до 38,5° по мере удаления от шин электропотребителя, где соsф = 0,927, и приближения к шинам генераторного напряжения электростанции, где соsф = 0,785. Вырабатываемая на электростанциях реактивная мощность при соsф = 0,927 для потребителей составляет около 80 % суммарной активной мощности системы. Даже при соsф = 0,927 все участки электропередачи очень сильно загружены реактивной мощностью: на каждую 1000 кВт активной мощности от электростанции требуется передача 800 квар реактивной мощности в начале передачи и 400 квар — в конце. Это приводит к повышенным токовым нагрузкам сети и, как следствие, к увеличению затрат на ее сооружение, а также к повышенным потерям и ухудшению качества электроэнергии.
Передача значительной реактивной мощности в системе электроснабжения невыгодна по следующим основным причинам. 126
1. Возникают дополнительные потери активной мощности во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью. Так, при передаче активной и реактивной мощностей через элемент сети с сопротивлением К потери активной мощности
где АРР, АРQ — потери активной мощности, вызванные передачей соответственно активной реактивной мощностей.
Как следует из формулы (6.6), потери АРQ пропорциональны Q2.
2. Возникают дополнительные потери напряжения. Например, при передаче мощностей Р и Q через элемент сети с активным R и реактивным X сопротивлениями потери напряжения
где АUР, АU0 — потери напряжения, обусловленные соответственно передачей активной и реактивной мощностей.
Дополнительные потери напряжения приводят к снижению качества электроэнергии и дополнительным затратам на ввод средств регулирования напряжения.
3. Загрузка реактивной мощностью линий электропередачи и трансформаторов требует увеличения площади сечений проводов воздушных и кабельных линий, повышения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и оборудования ячеек распределительных устройств.
Из сказанного следует, что технически и экономически целесообразно предусматривать дополнительные мероприятия по уменьшению передачи реактивной мощности, которые можно разделить на две группы:
снижение потребления реактивной мощности приемниками электроэнергии без применения компенсирующих устройств;
применение компенсирующих устройств.
Мероприятия первой группы должны рассматриваться в первую очередь, поскольку для их осуществления, как правило, не требуется значительных капитальных вложений. К таким мероприятиям относятся:
|
|
упорядочение технологического процесса, ведущее к улучшению энергетического режима оборудования;
замена малозагруженных двигателей двигателями меньшей мощности;
понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой;
Рис. 6.3. Схема замещения цепи линия — приемник электроэнергии при параллельном подключении конденсатора (а) и векторная диаграмма (б):
ограничение продолжительности холостого хода двигателей;
применение синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности в случаях, когда это возможно по условиям технологического процесса;
повышение качества ремонта двигателей;
замена и перестановка малозагруженных трансформаторов;
отключение части трансформаторов в периоды снижения их нагрузки (например, в ночное время).
Мероприятия второй группы предусматривают установку специальных компенсирующих устройств (КУ) на предприятиях для выработки реактивной мощности в местах ее потребления. Примером КУ может быть конденсаторная батарея, подключаемая параллельно активно-индуктивной нагрузке, например асинхронному двигателю. Принцип такого КУ поясняет рис. 6.3. Подключение конденсатора С уменьшает угол сдвига фаз между током и напряжением нагрузки и соответственно повышает коэффициент мощности нагрузки. Потребляемый из сети ток снижается с I1 до I2.
Реактивная мощность Qэ, передаваемая из сети энергосистемы в час наибольшей активной нагрузки системы, указывается в договорах на отпуск электроэнергии. Контроль за реактивной мощностью потребителей осуществляет энергоснабжающая организация и Госэнергонадзор. Контролируется наибольшее потребление | реактивной мощности.
Для контроля за наибольшей реактивной мощностью служат счетчики с указателями 30-минутного максимума. При отсутствии специальных счетчиков используют обычные счетчики. Записи подлежат их 30-минутные показания в часы максимума нагрузки энергосистемы, а также показания в начале и конце суточного ночного провала активной нагрузки данной энергосистемы.
|
|
Задачи компенсации реактивной мощности должны решаться в соответствии с Указаниями по компенсации реактивной мощности в распределительных сетях совместно промышленым предприятием и энергосистемой с учетом регулирования напряжения района, в котором расположено предприятие. Выбор параметров компенсирующих устройств, их размещение в системе электроснабжения определяются по минимуму приведенных затрат.
Для стимулирования проведения мероприятий по компенсации реактивной мощности на действующих предприятиях Гос-энергонадзором установлена шкала скидок и надбавок к тарифу на электроэнергию. Скидки и надбавки к тарифу определяются по таблице в зависимости от степени компенсации реактивной мощности, которая оценивается коэффициентами
где tgфэ, tgфм — соответственно оптимальный и фактический коэффициенты реактивной мощности; (2Э — оптимальная реактивная нагрузка предприятия в часы максимума активной нагрузки, заданная энергосистемой на границе балансового раздела сетей системы и предприятия и зафиксированная в договоре на пользование электроэнергией, квар; Рмэ — заявленная предприятием активная мощность, участвующая в максимуме энергосистемы и зафиксированная в договоре на пользование электроэнергией, кВт; Qмф — фактическая реактивная нагрузка предприятия, участвующая в максимуме энергосистемы, квар.