Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

Компенсация реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности — целенаправленное воздействие на баланс реактивной мощности в узле электроэнергетической системы с целью регулирования напряжения, а в распределительных сетях и с целью снижения потерь электроэнергии. Осуществляется с использованием компенсирующих устройств. Для поддержания требуемых уровней напряжения в узлах электрической сети потребление реактивной мощности должно обеспечиваться требуемой генерируемой мощностью с учетом необходимого резерва. Генерируемая реактивная мощность складывается из реактивной мощности, вырабатываемой генераторами электростанций и реактивной мощности компенсирующих устройств, размещенных в электрической сети и в электроустановках потребителей электрической энергии.

Компенсация реактивной мощности особенно актуальна для промышленных предприятий, основными электроприёмниками которых являются асинхронные двигатели, в результате чего коэффициент мощности без принятия мер по компенсации составляет 0,7 — 0,75. Мероприятия по компенсации реактивной мощности на предприятии позволяют:

уменьшить нагрузку на трансформаторы, увеличить срок их службы;
уменьшить нагрузку на провода, кабели, использовать их меньшего сечения;
улучшить качество электроэнергии у электроприемников (за счёт уменьшения искажения формы напряжения);
уменьшить нагрузку на коммутационную аппаратуру за счет снижения токов в цепях;
избежать штрафов за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности;
снизить расходы на электроэнергию.

Физика процесса

Поскольку одной из особенностей индуктивности является свойство сохранять неизменным ток, протекающий через нее, то при протекании тока нагрузки появляется фазовый сдвиг между током и напряжением (ток «отстает» от напряжения на фазовый угол). Разные знаки у тока и напряжения на период фазового сдвига, как следствие, приводят к снижению энергии электромагнитных полей индуктивностей, которая восполняется из сети. Для большинства промышленных потребителей это означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем кроме совершающей полезную работу активной энергии протекает и реактивная энергия, не совершающая полезной работы и направленная только на создание магнитных полей в индуктивной нагрузке. Активная и реактивная энергии составляют полную энергию, при этом доля активной энергии по отношению к полной определяется косинусом угла сдвига фаз между током и напряжением — cosφ. Однако, протекая по кабелям и обмоткам трансформаторов, реактивный ток снижает в пределах их пропускной способности долю протекаемого по ним активного тока, вызывая при этом значительные дополнительные потери в проводниках на нагрев — то есть активные потери. Из этого следует, что согласно современным правилам расчета за электроэнергию, потребитель вынужден как минимум дважды платить за одни и те же непроизводительные затраты. Один раз — непосредственно за потребленную из сети реактивную энергию (по счетчику реактивной энергии) и второй раз — за нее же, но косвенно, оплачивая активные потери от протекания реактивной энергии, учитываемые счетчиком активной энергии. Изменить данную ситуацию можно путем размещения источника реактивной энергии непосредственно у потребителей — это дает возможность разгрузить сети от реактивного тока и практически исключить все вышеописанные недостатки — то есть «скомпенсировать» индуктивную реактивную мощность. Таким источником служат другие фазосдвигающие элементы — конденсаторы. В противоположность индуктивности, конденсаторы стремятся сохранять неизменным напряжение на своих зажимах, то есть для них ток «опережает» напряжение. Поскольку величина потребляемой электроэнергии на любом предприятии никогда не является постоянной и может меняться в существенном диапазоне за достаточно малый промежуток времени, — то, соответственно, может меняться и соотношение активной потребляемой энергии к полной, то есть cosφ. Причем, чем меньше активная нагрузка какого-либо индуктивного потребителя (асинхронного двигателя, трансформатора), тем ниже cosφ. Из этого следует, что для компенсации реактивной мощности необходим набор оборудования, обеспечивающий адекватное регулирование cosφ в зависимости от изменяющихся условий работы оборудования — то есть установка компенсации реактивной мощности (УКРМ).

Основные компоненты УКРМ

Источники емкостной реактивной мощности — конденсаторы;
Регулятор реактивной мощности — устройство, измеряющее и поддерживающее величину cosφ на заданном оптимальном уровне путем выдачи команд на исполнительные устройства без участия персонала;
Исполнительные устройства, подключающие и отключающие конденсаторы необходимой мощности в необходимом количестве в зависимости от команд регулятора.

Полезные ссылки

Компенсация реактивной мощности

Общие сведения о компенсации реактивной мощности

Разработка и проектирование схемы электросети / электроустановки потребителя ставит перед проектировщиком широкий перечень задач. Одной из основных задач является задача обеспечения безопасности, в том числе и путем повышения надежности электроустановки и качества потребляемой электрической энергии. Среди мероприятий по оптимизации использования электроэнергии потребителем стоит выделить мероприятия направленные на повышение коэффициента мощности. Если рассматривать эти мероприятия с рациональной точки зрения, то изменение коэффициента мощности сети всего с 0,8 до 0,97 (идеальный случай – чаще всего изначальный коэффициент мощности не более 0,6), то общие затраты на потребляемую электроэнергию сократятся на 4 – 5 % от общего расхода. В данном случае эти цифры свидетельствуют не только о экономии средств на потребляемую электроэнергию и о повышении энергоэффективности производства, но и о улучшении косвенного влияния на экологию путем экономии природных ресурсов и снижению затрат на оборудование. Само возникновение реактивной мощности, как понятия, обусловлено уровнем современного развития промышленности, а именно большим количеством электрических машин в современных сетях. Известно, что полная мощность имеет две составляющие – активную мощность, непосредственно выполняющие работу и реактивную – необходимую для активации магнитных полей электрических машин. Реактивная мощность отбирается потребителем из сети и снижает коэффициент мощности и КПД электроустановки. То есть, чем ниже коэффициент мощности, тем выше будет индуктивный реактивный компонент по отношению к активному компоненту и наоборот. Для решения проблемы реактивной мощности могут использовать процесс принудительного производства реактивной энергии путем использования батарей специальных (косинусных) конденсаторов или синхронных компенсаторов. Конденсаторы сдвигают ток, по фазе на 180% из фазы с индуктивным реактивным током. Оба тока суммируются алгебраически таким образом, что циркулирующим реактивным током установки является реактивный ток, который равен разнице между индуктивным и ёмкостным токами.

Компенсация коэффициента мощности

Как известно, в электрических цепях протекающий ток совпадает по фазе с напряжением только когда нагрузка имеет активный (резисторы) характер. В случае индуктивной нагрузки ток отстает от напряжения (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), когда ток опережает напряжение – нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы). Так как в промышленности и в бытовой сфере преобладают нагрузки или активные или активно-индуктивные, тем самым график тока отстает от графика напряжения на угол φ косинус которого (cos(φ)) является отношением средней мощности переменного тока к произведению действующих значений напряжения и тока. Наибольшее значение КМ (коэффициент мощности) равно 1 – в случае чисто активной нагрузки . В случае синусоидального переменного тока КМ равен косинусу угла сдвига фаз между синусоидами напряжения и тока и определяется параметрами цепи: cos(φ) = r/Z, где (φ) — угол сдвига фаз, r — активное сопротивление цепи, Z — полное сопротивление цепи. КМ может отличаться от 1 и в цепях с чисто активными сопротивлениями, если в них содержатся нелинейные участки. В этом случае КМ уменьшается вследствие искажения формы кривых напряжения и тока. Формула полной мощности, составленная для первой гармоники имеет вид : S= √((P^2+ Q^2)) Где S-полная мощность P- активная мощность Q- реактивная мощность Таким образом, cos(φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к увеличению cos(φ), т.к. низкий cos(φ) вызывает следующие проблемы:

Протекание тока реактивной мощности (большие потери мощности в электрических линиях).
Большие перепады напряжения в электрических линиях (например 330. 370 В, вместо 380 В)
Необходимость увеличения габаритов и мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из решения этих технических проблем и вытекает коррекция (компенсация) коэффициента мощности в электрических сетях. Компенсация реактивной мощности осуществляется путем подключения к сети конденсаторных установок и конденсаторов. Подключая конденсаторы мы вводим в сеть емкостную составляющую, которая уменьшает отставание графика тока от напряжения и приближает, при достаточной компенсации, коэффициент мощности к 1. Таким образом, уменьшается потребление реактивной мощности через силовые трансформаторы у энергоснабжающей организации и улучшается cos(φ). Рекомендуется поддерживать cos(φ) в пределах = 0,92..0,96, для того, чтобы избежать платежей за потребление реактивной мощности, снизить нагрузку на кабели и трансформаторы. Однако, в то же время необходимо избегать и перекомпенсации в сети (работы с избыточным количеством конденсаторов), возможной при cos(φ)=0,97 и выше, т.к. тарифы энергоснабжающих организаций за несанкционированную перекомпенсацию превышают значительно тарифы на реактивную мощность. Различают два основных типа компенсации: Индивидуальная компенсация — компенсация реактивной мощности по каждой нагрузке отдельно. Индивидуальная компенсация — это наиболее простое техническое решение. В этом случае конденсатор(ы) подбирается по мощности и cos(φ) двигателя, поэтому реактивная мощность двигателя компенсируется постоянно в течение всего дня. При этом cos(φ) достаточно высокий. Еще одним достоинством данного вида компенсации реактивной мощности являются низкие удельные затраты на компенсацию. Общая компенсация — компенсация реактивной мощности с помощью одной конденсаторной установки устанавливаемой на трансформаторной подстанции или в составе ГРЩ. Основным фактором, влияющим на выбор оптимальной схемы компенсации реактивной мощности является характер изменения нагрузки в течение дня. Если предприятие содержит, например, большой парк станочного оборудования, работающего посменно или временно – периодически. То в этом случае индивидуальная компенсация является более дорогим решением по причине большого количества мало работающих конденсаторов. Индивидуальная компенсация более эффективна, в случае генерирования реактивной мощности небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени. Общая компенсация применяется там, где нагрузка перераспределяется между разными потребителями в течение дня. При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется. В этом случае предпочтительнее использование регулируемых (автоматических) конденсаторных установок. Задача такой установки будет подключать требуемую емкость, соответствующую нагрузке в каждый конкретный момент.

Эффект гармоники в электрических сетях

Гармоники тока (напряжения) можно определить, разложив соответствующие кривые в ряд Фурье. Порядок гармоники определяется как соотношение частоты гармоники к основной частоте той же периодической волны. В случае идеальной синусоидальной волны будет присутствовать только основная гармоника первого порядка, в Украине (СНГ) ее частота составляет 50 Гц. В случае искаженной кривой, (искажение обусловлено нелинейностью нагрузки- инверторы, лампы дневного света, сварочные агрегаты и др.) кривая тока или напряжения может содержать некоторое количество частот искажающих идеальную синусоиду. Такая кривая может быть разложена на гармонический ряд, включающий в себя не только основную (первую) гармонику — синусоиду (50 Гц), но и некоторое количество частот кратных 50 Гц – высшие гармоники. Например, 250 Гц это есть 5-я гармоника. При “нелинейной” нагрузке форма волны тока будет отличаться от идеальной и, согласно теореме Фурье, даст гармонику, чьи число и амплитуда увеличатся вместе со степенью искривления формы волны тока. Установка в сети конденсаторов с компенсацией коэффициента мощности служит для создания условия параллельного резонанса между эквивалентной емкостью конденсаторов и эквивалентной индуктивностью системы (которую обычно могут аппроксимировать при расчете эквивалентной индуктивности трансформатора) в соответствии с частотой fк.

Способы и средства компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения

Анонс: Технически корректная концепция средств и способов компенсации реактивной мощности. Активные и пассивные средства компенсации реактивной мощности. Способы компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения.

Средства компенсации реактивной мощности – любые устройства и мероприятия, посредством которых можно целенаправленно воздействовать на баланс реактивной мощности в системах электроснабжения, причем и путем уменьшения потребляемой, и увеличения генерации реактивной мощности. Способы компенсации реактивной мощности – системное применение средств по определенным схемам, оптимальным реактивной нагрузке систем электроснабжения.

Средства компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения.

Все средства компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения условно делят на пассивные и активные, причем реализация пассивных средств приводит к уменьшению объемов потребляемой реактивной мощности, а активные средства генерируют реактивную мощность и интегрируются в электрические сети в соответствии с оптимальным способом компенсации.

Пассивные средства компенсации реактивной мощности.

Типовыми средствами компенсации реактивной мощности, используемыми для разгрузки сети по реактивным токам, сегодня являются:

организационно-технические мероприятия по оптимизации административных, производственных и технологических процессов, позволяющие обеспечить улучшение энергетического режима работы энергоприемников – оборудования, устройств, систем.
Это замена устаревшего не энергоэффективного оборудования, модернизация систем освещения, контроля и управления процессами, не одновременное, а распределенное (несмимметричное) пол времени включение реактивных нагрузок, оптимизация режима работы подразделений и т.д. и т.п;
использование переключения с треугольника на звезду статорных обмоток асинхронных двигателей с загрузкой в часы работы менее, чем на 40%;
снижение объемов потребляемой реактивной мощности за счет отключения асинхронных двигателей, работающих на холостом ходу, а также вывода из эксплуатации (или отключения) трансформаторов с загрузкой менее, чем на треть;
применение в проектах и замена в действующих приводах асинхронных двигателей синхронными, где это допустимо в техническом и технологическом аспектах;
модернизация приводов с применением тиристорного управления регулированием напряжения, преобразователей с заменой на модели с большим числом фаз выпрямления;
интеграция в электрические сети систем с искусственной коммутацией вентилей или ограничениями по генерации токов высших гармоник;
применение в новых сегментах электрической сети и поэтапная замена действующих реактивных нагрузок на оборудование, устройства, сертифицированные по энергосбережению.

Активные средства компенсации реактивной мощности.

К активным средствам компенсации реактивной мощности, генерирующим реактивную энергию в электрические сети, относят:

единичные косинусные конденсаторы и конденсаторные батареи, применяемые в способах индивидуальной и групповой компенсации реактивной мощности;
конденсаторные батареи с коммутационной аппаратурой, средствами защиты и управления – комплектные установки повышения коэффициента мощности – нерегулируемые и автоматические с релейными контакторами;
синхронные двигатели и их разновидность – синхронные компенсаторы, работающие без нагрузки на валу и используемые для стабилизации напряжения в точке подключения в пределах интервала ±5% от номинального значения;
многоступенчатые установки коррекции коэффициента мощности на конденсаторных батареях и с тиристорными ключами. Установка устройств с тиристорными ключами дает возможность снизить броски тока при включении ступеней — конденсаторных батарей и риски перенапряжения при отключении ступеней;
статические тиристорные компенсаторы реактивной мощности — мостовые генераторы реактивной мощности с индуктивным накопителем, реакторы насыщения с нелинейной или линейной вольтамперной характеристикой, а также последовательным подключением встречно-параллельных управляемых вентилей – работающие принципу прямой и косвенной компенсации.
тиристорные компенсаторы реактивной мощности для сетей с резкопеременной нагрузкой напряжением 6-10 кВ, тиристорно-реакторные группы для ЛЭП и т.д.

Способы компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения.

Среди популярных способов выделяют централизованную (по стороне высшего и низшего напряжения), групповую, индивидуальную и комбинированную компенсацию реактивной мощности, а в качестве комбинированной обычно используется централизованная в сочетании с групповой и/или индивидуальной.

Рис. Способы компенсации реактивной мощности: а – централизованная по стороне высшего напряжения, б – централизованная по стороне низшего напряжения, в – групповая (посекционная), г – индивидуальная, где штриховым обозначением показаны электрические сети, разгруженные от перетоков реактивной мощности.

Выбор средства и способа компенсации реактивной мощности, установка устройств и обслуживание осуществляется профильной компанией по результатам энергетического аудита объекта, что позволяет исключить риски перекомпенсации и минимизировать объемы недокомпенсированной мощности для конкретной электрической сети с реактивными нагрузками.

Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения

Анонс: Экстенсивные и интенсивные способы энергосбережения и повышения энергоэффективности предприятий. Способы компенсации реактивной мощности. Чем и как компенсировать реактивную мощность в электросетях потребителей.

Компенсация реактивной мощности относится к интенсивному способу повышения качества потребляемой электроэнергии, стабильности систем электроснабжения, энергосбережения и энергетической эффективности предприятия и практически всегда приносит прямые и/или косвенные финансовые выгоды. Кроме компенсации добиться уменьшения перетоков реактивной мощности по сети объекта можно и другими способами — сокращением времени работы на «холостом ходу» асинхронных двигателей и/или переключением их обмоток с «треугольника» на «звезду», отключением трансформаторов с малой загрузкой и пр. – однако такие способы носят экстенсивный характер, по сути являются временным решением, неприемлемы для развивающегося бизнеса и de facto не дают сколь значимого экономического эффекта.

Все мероприятия по компенсации реактивной мощности могут и должны рассматриваться в аспектах:

повышения стабильности и качества электроэнергии – как поставляемой генерирующей компанией через сети электроснабжающей организации, так и потребляемой в конкретной сети (или сегменте) абонента или субабонента – потребителя;
получения финансовой выгоды от компенсации реактивной мощности, причем эта выгода может формироваться в виде:
— прямого сокращения счетов по оплате за потребляемую электроэнергию;
— расширения производства путем ввода нового оборудования за счет уменьшения доли реактивной мощности в рамках договорной мощности;
— увеличения качества и конкурентоспособности продукции/услуг благодаря повышению качества и стабильности потребляемой электроэнергии и, соответственно, улучшения условий для реализации производственно-технологического процесса.

Виды и способы компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения.

Упрощенно сегодня различают виды компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения:

параллельную (или поперечную) компенсацию, при которой генерируемая устройство компенсации реактивной мощности подключается в однофазную (или трехфазную) сеть параллельно нагрузке и не зависит от напряжения в точке присоединения.
К достоинствам этого вида компенсации реактивной мощности относят независимость установки коррекции коэффициента мощности (косинус фи) от напряжения в точке присоединения, плавное регулирование объема генерируемой мощности, эффективность при повышении уровня и стабилизации сетевого напряжения. Вместе с тем, параллельная (поперечная) компенсация ограничена по оперативности демпфирования колебаний активной составляющей полной мощности;
последовательная (продольная) компенсация, при которой генерирующее реактивную энергию устройство подключено в однофазную сеть последовательно и, по факту балансирует реактанс всей передающей линии.
Достоинствами этого вида компенсации считают возможность демпфирования перетоков реактивной мощности по разным фазам напряжения, значительную эффективность компенсации, оперативность и малую трудоемкость работ по интеграции устройств коррекции коэффициента мощности (косинус фи) в сеть. Недостатками последовательной компенсации остаются практическая невозможность регулирования напряжения в сети, значительные риски перенапряжения при неправильных расчетах или быстрых, резких изменениях нагрузки, сложность контроля и управления генерацией реактивной мощности при переменных нагрузках.

Чем и как компенсировать реактивную мощность в электросетях потребителей.

Наиболее популярные и экономически целесообразные способы компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения потребителей – установками или батареями повышения коэффициента мощности, а также косинусными конденсаторами (блоками конденсаторов).

Выбор системы, способа и пассивных элементов компенсации реактивной мощности индивидуален для каждой конкретной сети с ее спецификой нагрузок, осуществляется профильной компанией и только на основе энергоаудита с мониторингом потребления реактивной энергии в часы пика и спада загрузки.

Схема централизованной компенсации реактивной мощности.

Такой способ коррекции косинус фи может использоваться предприятиями, подключенными к сети напряжением 10 (6) кВ и осуществляться по:

стороне низшего напряжения непосредственно на подстанции 110 (35)/10 (6) кВ, когда граница балансовой принадлежности проходит по стороне 110 (35) кВ;
стороне высшего напряжения на подстанции 10 (6)/0.4 кВ или на границе балансовой принадлежности;
стороне напряжения 0.4 кВ в узлах нагрузки с значительным диапазоном динамики реактивной мощности.

Централизованный способ компенсации при сравнительно небольших капитальных вложениях позволяет разгрузить трансформаторы, токоведущие кабеля, повысить качество электроэнергии, обеспечить запас резерва в рамках поставляемой по договору мощности для расширения производства. Вместе с тем, вся сеть в балансовой принадлежности потребителя остается нагруженной перетоками реактивной мощности, а применение централизованной компенсации возможно только при достаточно стабильной и ракномерно распределенной по фазам нагрузке.

Схема групповой (посекционной) компенсации реактивной мощности.

Используется на ТП распределительных сетей или в сетях предприятий, где нагрузки по величине и динамике изменений можно скомпоновать в группы (секции), демонстрирует минимальную удельную стоимость 1 кВАр в сравнении с централизованной и индивидуальной компенсацией, позволяет применять отдельные батареи, нерегулируемые (для снижения «фона» реактивной энергии от постоянно работающей нагрузки) и автоматические установки повышения косинус фи.

К недостаткам групповой компенсации относят большие инвестиции в покупку и интеграцию установок в сравнении с централизованной схемой, относительную сложность калибровки и настройки, загруженность перетоками реактивной энергии кабелей между установкой и нагрузками.

Индивидуальная компенсация реактивной мощности.

Индивидуальная компенсация реактивной мощности — наиболее дорогой по затратам, но и максимально эффективный способ, для которого в зависимости от мощности и характера конкретной нагрузки используют косинусные конденсаторы (блоки конденсаторов), батареи статических конденсаторов и нерегулируемые установки повышения косинус фи с фильтрами гармоник (или без).

Наиболее высокая эффективность мероприятий компенсации реактивной мощности может быть получена при комбинированной схеме, объединяющей два или три способа одновременно, однако выбор системы, схемы, пассивных элементов сложный и может быть выполнен только профильной компанией с большим опытом работы в этой сфере деятельности и исключительно после энергоаудита сети. По итогу анализа мониторинга сети профильной компанией разрабатывается конкретная схема, которая определяет, чем и как компенсировать реактивную мощность с максимальной эффективностью, минимальными затратами, без рисков перекомпенсации и искажении параметров сети гармониками.

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях