Влияние потоков реактивной мощности на электрические сети

Среднестатистические данные мировой электроэнергетики свидетельствуют, что в настоящее время от 40 до 50 процентов всей электроэнергии, преобразуемой в механическую, приходится на асинхронные электроприводы. Следовательно, именно асинхронные электродвигатели определяют соотношение активного и реактивного (индуктивного) потоков мощности в системах электроснабжения общего назначения.

Если принять средний уровень коэффициента мощности асинхронного электродвигателя на уровне cosφ = 0,8, то нетрудно увидеть, что индуктивная составляющая тока достигает 60% от полного тока, потребляемого асинхронным электроприводом. Значительная доля потерь электрической энергии в электрических сетях определяется нагревом токоведущих жил линий электропередачи. Эти потери пропорциональны квадрату тока и, следовательно, до 36 процентов таких потерь обусловлены протеканием реактивной составляющей тока.

Синхронные генераторы электрических станций вырабатывают как активную, так и реактивную мощности, что предопределяет расчет их якорных обмоток по полному току, состоящему из активной и индуктивной составляющих. Электроэнергия на пути от электростанции до потребителя проходит через 6-8 ступеней трансформации, что обусловлено оптимизацией уровней номинальных напряжений на каждом участке электрической сети. Обмотки трансформаторов рассчитываются по уровню полного тока, в состав которого входит и реактивная составляющая.

С учетом изложенного разгрузка электрических сетей от потоков реактивной мощности, безусловно, целесообразна, так как приводит к уменьшению потерь на нагрев проводов при одном и том же уровне передаваемой активной мощности. Кроме того, снижение потоков реактивной мощности позволяет оптимизировать технико-экономические показатели синхронных генераторов электрических станций и силовых трансформаторов электрических сетей. Повышение коэффициента мощности электропотребителей на 0,01 в масштабе России обеспечивает возможность дополнительного полезного отпуска электроэнергии в 500 млн. кВт·ч в год.

Разгрузка электрических сетей от реактивных потоков мощности, очевидно, будет тем большей, чем ближе к потребителям электрической энергии размещены в электрических сетях компенсирующие устройства. Вместе с тем, при выборе оптимального варианта следует исходить из технико-экономических расчётов, основанных на системном подходе решения задачи компенсации реактивной мощности. Очевидно, что оптимальное решение должно удовлетворять интересам как электроснабжающих систем, так и потребителей электроэнергии с учётом эффекта по всей системе в целом.

Потребитель электроэнергии присоединен к источнику синусоидального напряжения

и потребляет синусоидальный ток , отстающий по фазе от напряжения на угол φ.

Значение мгновенной мощности на зажимах приемника определяется выражением

(5.1)

и является суммой двух величин, одна из которых постоянна во времени, а другая пульсирует с двойной частотой (рис.5.1).

Среднее значение мгновенной мощности p за период питающего напряжения T полностью определяется первым слагаемым. Действительно,

(5.2)

Рис.5.1.Кривые мгновенных значений тока, напряжения и мощности

Эта величина, в дальнейшем именуемая активной мощностью, характеризует энергию, выделяемую в единицу времени на производство полезной работы, например в виде тепла в приемнике с активным сопротивлением R:

Среднее значение от второго слагаемого мгновенной мощности (5.1) за время T равно нулю, т.е. на её создание не требуется каких-либо материальных затрат и поэтому она не может совершать полезной работы. Её присутствие указывает, что между источником и приемником происходит обмен энергии. А это возможно лишь в том случае, если имеются особые реактивные элементы, способные накапливать и отдавать электромагнитную энергию – ёмкость и индуктивность.

Таким образом, полную мощность на зажимах приёмника в комплексной форме можно представить следующим образом:

(5.3)

где - комплекс напряжения; - сопряжённый комплекс тока; - реактивная мощность.

Для реактивной мощности приняты такие понятия как потребление, генерация, передача, потери, баланс. Считается, что если ток отстаёт 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 приёмниками и лишь незначительная тратится в элементах сети и электрооборудования, то потери реактивной мощности в элементах сети могут быть соизмеримы с реактивной мощностью, потребляемой приёмниками 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 по ряду причин во многих случаях экономически нецелесообразна.