Потребители реактивной мощности (РМ)

1) АД – асинхронные двигатели;

2) Силовые трансформаторы;

3) Сварочные трансформаторы;

4) Индукционные печи;

5) Газоразрядные лампы;

Величину получаемой электроприемником РМ характеризуют cosφ и tgφ:

; ;

Реактивная мощность, потребляемая АД зависит от величины подведенного напряжения U* = U / Uн и от нагрузки на валу Кз = Р / Рн.

Рис. 5.3. Зависимость tgφ АД от напряжения и загрузки.

Из графиков зависимости tgφ = f(Кз, U*) видно, что tgφ, (т.е. относительное потребление РМ) минимален при высокой загрузке двигателя и пониженном напряжении на его зажимах. Он возрастает при увеличении напряжения и при снижении нагрузки. .

Статические характеристики узла нагрузки – это зависимость потребления активной и реактивной мощности в узле нагрузки от напряжения P = f(U), Q = f(U).

На рисунке 5.4. показан пример статических характеристик узла нагрузки с преимущественно асинхронной нагрузкой.

Рис. 5.4. Статические характеристиcки узла нагрузки.

5.5 Методы снижения потребляемой Р.М. (методы повышенияcosφ)

Эти методы делятся на 2 группы:

а) без применения компенсирующих устройств (КУ):

- замена малозагруженных двигателей и трансформаторов на менее мощные;

- ограничение времени работы двигателей на холостом ходу;

- переключение малозагруженных двигателей с на Y для уменьшения напряжения на каждой обмотке;

- применение синхронных двигателей (СД) вместо АД;

- применение схемы выходного дня в эл.сетях предприятий (большую часть из трансформаторов отключают, а их небольшую нагрузку переводят на оставшиеся в работе трансформаторы, рис.5.5).

Рис. 5.5. Схема выходного дня.

Для схемы выходного дня нужна связь по низкому напряжению между ТП посредством ЛЭП 0,4 кВ.

б) Применение КУ позволяет разгрузить электропередачу от РМ и снизить в ней потери активной мощности. Максимальное снижение потерь имеет место при идеальной компенсации, когда мощность КУ Qк равна потребляемой РМ Qп (рис.5.6).

Рис. 5.6. Зависимость потерь активной мощности ΔР от мощности КУ.

Дополнительное снижение потерь активной мощности ΔР происходит также благодаря увеличению напряжения U₂ на зажимах потребителя в результате компенсации РМ. Например предположим, что в электроустановке до компенсации:

tgφ = 1, cosφ = 0,7.

После компенсации tgφ_ПК= 0,3.

а) Электроустановка питается по кабельной ЛЭП (индуктивное сопротивление мало):

x≈ 0 => U_2ПК ≈U_2ДК (ПК- после компенсации, ДК- до компенсации), т.е. компенсация РМ не привела к увеличению напряжения U₂.

Потери активной мощности в сопротивлении электропередачи r:

(принято: Р = 1, U₂ = 1);

;

Благодаря компенсации РМ потери активной мощности снизились с 2r до 1,09r.

б) Электроустановка питается по воздушной ЛЭП (индуктивное сопротивление велико), компенсация РМ привела к увеличению напряжения U₂ на 5%, r = Const:

.

Увеличение напряжения U₂ на 5%, привело к дополнительному снижению на 10% потерь активной мощности в ЛЭП. Это снижение объясняется снижением тока, протекающего по ЛЭП.

Источники Р.М.

В энергосистеме в качестве источников РМ используют:

- генераторы электростанций;

- синхронные компенсаторы (СК);

- синхронные двигатели (СД);

СК – это СД большой мощности без нагрузки на валу, т.е. они работают на х.х. в режиме перевозбуждения днем и недовозбуждения ночью.

На промышленных предприятиях в качестве источников РМ используются:

- статические конденсаторы;

- СД;

- Статические источники РМ (ИРМ) – конденсаторы с быстродействующим регулятором мощности (используются редко).

Синхронные двигатели

Обычно применяются на заводах для привода мощных механизмов с длительным режимом работы (в нефтехимии, металлургии).

Выпускаются с номинальным опережающим cosφ = 0,9, т.е. для работы в режиме перевозбуждения. При недогрузке СД активной мощностью он может вырабатывать РМ по величине > номинальной, но без превышения номинальной полной мощности.

Затраты на выработку РМ в СД в общем случае определяется:

- затраты, не зависящие от РМ Q_Д, это в первую очередь затраты на регулятор РМ. Если его нет =0.

Q_Д - величина РМ СД.

З₁ - затраты, пропорциональные РМ в 1-ой степени.

З₂ - затраты, пропорциональные РМ во 2-ой степени.

Потери активной мощности внутри СД, зависящие от его РМ:

, где

- коэффициент загрузки двигателя по активной мощности (по аналогии с коэффициентом загрузки по активной мощности ).

Если Q_Д = Q_Н, то - номинальная реактивная мощность.

D₁, D₂ , кВт - номинальные потери активной мощности на выработку РМ в двигателе, определяются по справочнику, относятся к номинальным параметрам двигателя. [кВт].

Рис. 5.7. Потери активной мощности в СД в зависимости от α.

Зависимость потерь активной мощности от загрузки СД по РМ приведена на рис. 5.7.

Исследуем функцию на экстремум:

;

; если , то ;

Практически это означает, что если мы хотим иметь минимум активных потерь внутри СД, то должны работать в режиме недовозбуждения (т.е. в режиме потребления РМ из сети при ). При номинальные потери активной мощности будут значительно больше.

Выводы: минимум потерь активной мощности внутри СД имеет место в режиме недовозбуждения, т.е. в режиме потребления РМ из сети, но при этом возникают дополнительные потери активной мощности в сети.

Работа в режиме перевозбуждения приводит к увеличению потерь активной мощности в СД, т.е. к дополнительным денежным затратам в двигателе, но при этом снижаются потери активной мощности в сети.

[руб/год]

, где

ΔP - потери активной мощности в СД [кВт];

C₀ - стоимость электроэнергии [руб/кВт*ч];

T - время работы в году [час/год];

З = С · ΔР [руб/год];

С = C₀ · T [руб/кВт*год];

; ; ;

З – затраты внутри СД на выработку (или потребление) РМ [руб/год];

Q_Д – РМ двигателя.

.

Конденсаторные батареи

Силовой конденсатор представляет из себя рулон обкладок из фольги, разделенных изолятором (бумага или полипропиленовая пленка) размещенный в герметичном корпусе (обычно стальном), и заполненном трансформаторным маслом или другой изолирующей диэлектрической жидкостью. Конденсаторы изготавливаются однофазными с 2-мя выводами и 3-х фазными с 3-мя выводами из герметичного корпуса. Промышленность выпускает конденсаторы, на напряжение от 220 В до 6-10(35) кВ, мощностью 5-3000 кВАр.

Удельные потери активной мощности внутри конденсаторов малы и составляют ΔР₀ = 0,003-0,004 [кВт/кВАр] – бумажные конденсаторы; ΔР₀ = 0,0001-0,0005 [кВт/кВАр] – полипропиленовые конденсаторы.

Потери мощности в СД: ΔР₀ намного больше, чем ΔР₀ конденсаторов, т.е. это не очень экономичный ИРМ.

Мощность конденсатора:

.

РМ конденсатора пропорциональна квадрату напряжения, т.е. выгодно использовать конденсаторы, работающие на высоком напряжении.

Емкость конденсатора:

, где

ε - относительная диэлектрическая проницаемость;

ε ₀ - абсолютная диэлектрическая проницаемость;

F- площадь пластины;

d - расстояние между пластинами;

Пути увеличения емкости конденсатора:

- изменить материал диэлектрика (ε);

- увеличить площадь пластин (F) – это затруднительно;

- уменьшить расстояние между пластинами (d). Сильно уменьшить нельзя, т.к. наступит пробой изоляции.

- напряженность электрического поля;

U - напряжение на обкладках конденсатора.

Нормальная напряженность электрического поля Е = 150 – 200 кВ/см (для бумаги). Такая напряженность легко достигается в высоковольтных конденсаторах (>1000В), использующих многослойные изоляционные материалы, благодаря чему плотные и слабые места слоев надежно перекрывают друг друга (рис.5.7). В низковольтных конденсаторах такую напряженность достичь не удается из-за необходимости уложить несколько слоев для перекрытия слабых мест, поэтому напряженность поля в низковольтных конденсаторах получается вынужденно низкой, что приводит к снижению емкости и к возрастанию удельной стоимости конденсаторов З₁ (руб/квар).

Рис.5.7. Структура слоя конденсаторной бумаги.

Практически удельные затраты З₁ для низковольтных конденсаторов в 2 раза больше по сравнению с затратами на высоковольтные конденсаторы.

Комплектные конденсаторные установки(ККУ)

ККУ – это силовые конденсаторы собранные в батареи, оснащенные приборами коммутации (контакторами), защиты (МТЗ, предохранителями, реле) и измерения (V, A, варметр). ККУ выпускаются как на напряжение ниже 1000В, так и выше 1000 В. Шкала мощностей - от десятков до тысяч кВАр. ККУ используются в сетях освещения, силовых сетях и пр.

Фильтрокомпенсирующие устройства (ФКУ)

ФКУ – конденсаторная батарея , оснащенная последовательно включенными реакторами и предназначенная для компенсации РМ на основной гармонике и одновременно для фильтрации (устранения) одной из высших гармоник (обычно 5, 7, 11 или 13) (рис. 5.8).

Рис. 5.8. Схема ФКУ.