Компенсационные установки реактивной мощности. Компенсаторы реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности

Все виды конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности необходимы для стабилизации работы электрических сетей и снижения возможных энергопотерь. В состав этого оборудования входят батареи статических конденсаторов (БСК). Каждая БСК состоит из параллельно-последовательно соединенных в форме звезды или треугольника косинусных конденсаторов. Батарея оснащена токоограничивающими реакторами, которые нужны для регулировки тока при включении. Для защиты используется головной выключатель или трансформатор напряжения.

Благодаря этому процессу, возможно существенно уменьшить нагрузку на:

• провода;
• коммутационное оборудование;
• трансформаторы.

За счет уменьшения искажения формы сопротивления повышаются качество электроэнергии у конечного пользователя и срок службы всего оборудования. Но откуда берутся помехи в подаче тока, и возникает необходимость в компенсации?

Общие вопросы теории

Во всех крупных электрических сетях возникают два вида сопротивлений:

1. активное – например, у ламп накаливания, электронагревателей;
2. индуктивное – у электродвигателей, распределительных трансформаторов, сварочного оборудования, люминесцентных ламп.

Общая мощность формируется с учетом этих двух нагрузок. Подробнее эта зависимость показана на картинке ниже.

Когда напряжение становится отрицательным, а ток – положительным и наоборот, происходит смещение тока по фазе. В этот момент мощность поступает в обратном направлении в сторону генератора, хотя должна идти на нагрузку. При этом электрическая энергия колеблется от нагрузки к генератору и обратно, вместо того, чтобы переходить по сети. Мощность, которая возникает во время этого процесса, называется реактивной. Такая мощность генерирует магнитное поле, которое также дает дополнительную нагрузку на силовые поля.

Для того чтобы установить полную мощность сети, необходимо определить обе составляющие: и активную, и реактивную. Значение вычисляется, исходя из фактора, или коэффициента, мощности, которым является cosφ – косинус угла, возникающий между кривыми активной и реактивной составляющих.

Активная мощность используется для преобразования в тепловую, механическую и другие полезные виды энергии. Реактивная не подходит для использования в этих целях, но без нее невозможна работа трансформаторов, генераторов и другого оборудования, функционирование которого основано на свойствах электромагнитного поля. Организации, занимающиеся электроснабжением, ведут поставку только активной нагрузки, потому что поставки реактивного сопротивления:

• увеличивают мощность оборудования за счет снижения пропускной способности;
• повышают активные потери;
• приводят к падению напряжения из-за присутствия реактивной составляющей.

Особенности установки компенсационного оборудования

Удобнее всего генерировать реактивную часть напрямую у потребителя, иначе пользователю придется платить за поставки электричества дважды. Первый раз – за поставку активной, а второй – реактивной части. Кроме того, при такой двойной поставке потребуется дополнительное оборудование. Для чтобы избежать такой ситуации, используются конденсаторные установки компенсации реактивной мощности.

Важно! Установка компенсации реактивной мощности (КРМ) не просто экономит энергию. На промышленных предприятиях России потенциал энергосбережения составляет только 13-15% от общего потребления.

Уровень потребляемой электроэнергии на предприятии постоянно изменяется, то есть cosφ может расти или понижаться. Таким образом, чем больше коэффициент мощности, тем выше активная составляющая и наоборот. Для регулирования данного процесса требуются конденсаторные установки, способные компенсировать реактивную составляющую.

Конденсаторы, на основе которых построена эта компенсационная аппаратура, удерживают значение напряжения на заданном уровне. Ток в конденсаторах в противоположность индуктивности работает на опережение. Таким образом, конденсаторы выступают в роли фазосдвигающего оборудования.

Все конденсаторные установки по компенсации реактивной мощности разделяются на регулируемые и нерегулируемые. Главный недостаток последних заключается в том, что при существенном изменении нагрузки и коэффициента мощности, возможна перекомпенсация. Если в цепи имеется вероятность существенного роста cosφ, использовать нерегулируемого КРМ не рекомендуется.

Регулируемые устройства способны работать в динамическом режиме, проводить мониторинг и отслеживать показания для дальнейшего анализа. Контроллер, входящий в состав этого оборудования, прямо на месте отслеживает и рассчитывает сразу несколько показателей:

• уровень реактивной нагрузки во внешней цепи;
• определяет существующий коэффициент мощности;
• сравнивает коэффициент с заданными значениями.

Если полученное значение отличается от эталона, регулятор подключает или отключает определенные конденсаторы, входящие в компенсаторную установку. Использование этого оборудования дает возможность полностью контролировать уровень подачи электроэнергии на предприятиях с большим количеством разных по назначению приборов. Особенно это важно, если точно отследить, как изменяется реактивная составляющая по сети, довольно сложно. Общий принцип компенсирования позволяет не устанавливать у каждого прибора с реактивной составляющей отдельного оборудования.

Эффективность применения конденсаторных установок

Несмотря на то, что удобнее всего компенсировать реактивную составляющую напрямую у потребителя, для улучшения качества поставляемой электроэнергии первые установки используются еще на подстанциях. Это дает возможность разгрузить сеть и уже сэкономить от 10 до 20% энергии. Поэтому на подстанциях в 0,4 кВ проводится переключение пользователей с перегруженных фаз на недогруженные.

У непромышленных абонентов качественно выровнять фазы, используя только одну конденсаторную установку, практически невозможно. Особенно это касается жилых зданий с однофазной нагрузкой. Здесь компенсацию проводят на каждой фазе и дополнительно используют фильтры, емкость которых можно менять в автоматическом режиме.

Номинальное напряжение конденсаторных установок может быть самым разным. Высоковольтное оборудование 6, 10, 35кВ используют на подстанциях. Низковольтные устройства 0,4-0,66кВ применяют непосредственно на нагрузках. За счет высокого быстродействия низковольтные приборы могут стабилизировать не только постоянную, но и скачкообразную реактивную мощность.

В общем случае компенсация реактивной мощности состоит из 2 этапов:

1. Централизованный мониторинг качества (грубая компенсация) путем выравнивания фаз и фильтрации тока на подстанциях;
2. Индивидуальная компенсация на промышленных предприятиях, их отдельных подразделениях, а также на уровне мелких потребителей – владельцев квартир и частных домов. В ходе этих работ устройство компенсации реактивной мощности уменьшает энергопотери за счет обеспечения синусоидальности тока.

Раньше проблемы энергосбережения у небольших потребителей практически не брались во внимание. Считалось, что реактивная составляющая оказывает влияние только на работу крупных предприятий, где используются индукционные печи, асинхронные двигатели, понижающие трансформаторы и другие приборы.

Но в последнее время количество используемого преобразовательного и стабилизирующего оборудования в социально-бытовой среде значительно увеличилось. Полупроводниковые преобразователи ухудшают форму кривой тока, тем самым негативно влияют на функционирование других приборов. Но пока устройства КРМ для частных коммунально-бытовых потребителей почти не применяются.

Видео

Специалисты и директора предприятий все больше задаются вопросами энергосбережения.Многие из потребителей хотят не только быть независимыми от внешних источников энергии, но и снизить затраты на ее потребление. Поэтому всё больше предприятий используют компенсаторы, которые позволяют получить более надежные и менее ресурсозатратные распределительные сети. Кроме статических компенсаторов существуют также динамические устройства. Первые используются для реактивной мощности в сетях без динамических изменений нагрузки, гармоники питающего напряжения не превышают 8%. Статический компенсатор представляет собой конденсаторную установку, оснащенную электромагнитными контакторами. Такой тип компенсаторов выпускается с ручным и автоматическим режимом работы.Максимальное количество коммутаций подобного компенсатора составляет не более 5000 в год. Если вам необходимо большее количество, то вам следует купить динамический компенсатор. Подобный аппарат применяется в сетях с резкопеременной нагрузкой, в которых гармоники питающего напряжения не превышают 8%. По принципу действия такой компенсатор является конденсаторной установкой с тиристорным коммутатором.

Исходя из способа управления коэффициентом мощности, компенсаторы разделяют на:

• Автоматические устройства. Данные компенсаторы используется на объектах, технология которых приводит к частому изменению потребляемой мощности.Их преимуществом является регулирование, не нуждающееся в персонале, которое производится при помощи микропроцессорного контроллера. Дополнительно компенсаторы оснащены функциями контроля и выравнивания моторесурса конденсаторов.
• Нерегулируемые компенсаторы. Применяются на объектах, на которых нагрузка не меняется в течение длительного времени или же ее изменение не приводит к изменению коэффициента мощности более допустимого предела. Подобный компенсатор дает возможность отключения и подключения ступеней вручную;
• Смешанные компенсаторы. Предназначены для компенсации реактивной мощности постоянно подключенных потребителей, которая происходит аналогично работе автоматических компенсаторов.

В типовом варианте для включения компенсатора в сеть применяется выключатель-разъединитель со встроенной блокировкой, не допускающей открывания двери устройства при включенном выключателе-разъединителе. Компенсатор отличается модульным принципом построения, что позволяет постепенно наращивать номинальную мощность.

Мы предлагаем широкий выбор компенсаторов, поэтому вы сможете выбрать подходящее устройство и приобрести его по доступной в Москве цене.

Электрооборудование во время работы потребляет энергию. При этом полная мощность состоит из двух составляющих: активная и реактивная. Реактивная мощность не выполняет полезной работы, но вносит в цепь дополнительные потери. Поэтому её стремятся снизить, для чего и приходят к различным техническим решениям для компенсации реактивной мощности в электрических сетях. В этой статье мы рассмотрим, что это такое и для чего нужно компенсирующее устройство.

Определение

Полная электрическая мощность состоит из активной и реактивной энергии:

Здесь Q – реактивная, P – активная.

Реактивная мощность возникает в магнитных и электрических полях, которые характерны для индуктивной и емкостной нагрузки при работе в цепях переменного тока. При работе активной нагрузки, фазы напряжения и тока одинаковы и совпадают. При подключении индуктивной нагрузки – напряжение отстает от тока, а при емкостной – опережает.

Косинус угла сдвига между этими фазами называется коэффициентом мощности.

cosФ=P/S

P=S*cosФ

Косинус угла всегда меньше единицы, соответственно активная мощность всегда меньше полной. Реактивный ток протекает в обратном направлении относительно активного и препятствует его прохождению. Так как по проводам протекает ток полной нагрузки:

То и при разработке проектов линий электропередач нужно учитывать потребление активной и реактивной энергии. Если последней будет слишком много, то придется увеличивать сечение линий, что ведет к дополнительным затратам. Поэтому с ней борются. Компенсация реактивной мощности снижает нагрузку на сети и экономит электроэнергию промышленных предприятий.

Где важно учитывать косинус Фи

Давайте разберемся, где и когда нужна компенсация реактивной мощности. Для этого нужно проанализировать её источники.

Примером основной реактивной нагрузки являются:

• электрические двигатели, коллекторные и асинхронные, особенно если в рабочем режиме его нагрузка мала для конкретного двигателя;
• электромеханические исполнительные механизмы (соленоиды, клапана, электромагниты);
• электромагнитные коммутационные приборы;
• трансформаторы, особенно на холостом ходу.

На графике изображено изменение cosФ электродвигателя при изменении нагрузки.

Основу электрохозяйства большинства промышленных предприятий составляет электропривод. Отсюда и высокое потребление реактивной мощности. Частные потребители не оплачивают её потребление, а предприятия оплачивают. Это вызывает дополнительные затраты, от 10 до 30% и более от общей суммы счета за электроэнергию.

Виды компенсаторов и их принцип действия

В целях снижения реактива используют устройства компенсации реактивной мощности, т.н. УКРМ. В качестве компенсатора мощности на практике используют чаще всего:

• батареи конденсаторов;
• синхронные двигатели.

Так как в течении времени количество реактивной мощности может изменяться, значит и компенсаторы могут быть:

1. Нерегулируемые – обычно конденсаторная батарея без возможности отключения отдельных конденсаторов для изменения емкости.
2. Автоматические – ступени компенсации изменяются в зависимости от состояния сети.
3. Динамические – компенсируют, когда нагрузка быстро изменяет свой характер.

В схеме используется, в зависимости от количества реактивной энергии от одного до целой батареи конденсаторов, которые можно вводить и выводить из цепи. Тогда и управление может быть:

• ручным (автоматические выключатели);
• полуавтоматическим (кнопочные посты с контакторами);
• неуправляемыми, тогда они подсоединены напрямую к нагрузке, включаются и отключаются вместе с ней.

Конденсаторные батареи могут устанавливаться как на подстанциях, так и непосредственно возле потребителей, тогда устройство подключается к их кабелям или шинам питания. В последнем случае обычно рассчитываются на индивидуальную компенсацию реактива конкретного двигателя или другого прибора – часто встречается на оборудовании в электрических сетях 0,4 кВ.

Централизованная компенсация выполняется либо на границе балансового раздела сетей, либо на подстанции, при чем может выполняться в высоковольтных сетях 110 кВ. Хороша тем, что разгружает высоковольтные линии, но плохо то, что не разгружаются линии 0,4 кВ и сам трансформатор. Этот способ дешевле остальных. При этом можно и централизованно разгрузить и низкую сторону 0,4 кВ, тогда УКРМ подключается к шинам, к которым подключена вторичная обмотка трансформатора, соответственно разгружается и он.

Также может быть и вариант групповой компенсации. Это промежуточный вид между централизованным и индивидуальным.

Другой способ – компенсация синхронными двигателями, которые могут компенсировать реактивную мощность. Проявляется, когда двигатель работает в режиме перевозбуждения. Такое решение используется в сетях 6 кВ и 10 кВ, также встречается и до 1000В. Преимуществом этого метода перед установкой конденсаторных батарей – возможность использования компенсатора для совершения полезной работы (вращения мощных компрессоров и насосов, например).

На графике изображена U-образная характеристика синхронного двигателя, которая отражает зависимость тока статора от тока возбуждения. Под ней вы видите, чему равен косинус фи. Когда он больше нуля – двигатель имеет емкостной характер, а когда косинус меньше нуля – нагрузка является емкостной и компенсирует реактивную мощность остальной части индуктивных потребителей.

Заключение

Подведем итоги, перечислив основные тезисы о компенсации реактивной энергии:

• Назначение – разгрузка линий электропередач и электрических сетей предприятий. В состав устройства могут входить антирезонансные дроссели для уменьшения уровня .
• За неё не уплачивают счета частные лица, но платят предприятия.
• В состав компенсатора входят батареи конденсаторов или в этих же целях используют синхронные машины.

Материалы

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ

• Нерегулируемые (постоянной мощности)

Состоят только из фиксированных ступеней. Принцип действия: включение и отключение разъединителя производится в ручном режиме (при отсутствии нагрузочного тока). Марки производимых установок - КРМ, КРМ1, УКЛ, УКЛ56, УКЛ57.

Регулируемые (автоматические)

Состоят только из регулируемых ступеней. Принцип действия: коммутация осуществляется автоматически, включением и отключением ступеней. При этом мощность и момент включения автоматически определяются электронным блоком. Регулируя, повышая значение коэффициента cos(φ), высоковольтные конденсаторные установки "СлавЭнерго" автоматически компенсируют реактивную мощность нагрузки в электрических сетях напряжением 6,3 - 10,5 кВ. Наиболее часто встречающиеся аббревиатуры таких установок - КРМ, УКРМ 6, УКРМ 6,3, УКРМ 10, УКРЛ, УКРЛ56, УКРЛ57.

• Полуавтоматические

Для того, чтобы удешевить установки компенсации реактивной мощности УКРМ 10 кВ и 6 кВ, сохранив при этом высокий уровень их качества, компанией СлавЭнерго были разработаны полуавтоматические компенсаторы реактивной мощности - гибрид двух вышеперечисленных типов УКРМ. В их составе имеются как регулируемые (автоматические) ступени, так и фиксированные (не регулируемые). Такие устройства получили широкое распространение ввиду того, что практически всегда некоторая часть нагрузки в высоковольтной сети присутствует постоянно, в круглосуточном режиме. Для этой "фиксированной" части нагрузки и подбираются соответствующие ёмкости конденсаторных батарей, размещаемых в нерегулируемых ячейках конденсаторных установок. Такие ступени в 2-3 раза дешевле по сравнению с автоматическими ступенями аналогичной мощности, что в свою очередь благоприятно сказывается на стоимости устройства компенсации реактивной мощности УКРМ в целом.

• Фильтровые

Любые вышеперечисленные высоковольтные установки (нерегулируемые, регулируемые, полуавтоматические) при необходимости исполняются с защитными дросселями от гармонических искажений. Подробнее о таких установках Вы можете узнать

Технические характеристики основных высоковольтных УКРМ*

Наименование	Мощность,	Шаги регулировки, квар		Габариты**	(при U=6.3 кВ)	(при U=10.5 кВ)
		Фикс.	Рег.
УКРМ-6,3 (10,5)-150-50 (100р+50р)	150	1х100	1х50	2394 х 1800 х 770	13,75	8,25	480
УКРМ-6,3 (10,5)-300-150 (150ф+150р)	300	1х150	1х150	2394 х 1800 х 770	27,49	16,50	530
УКРМ-6,3 (10,5)-450-150 (300ф+150р)	450	1х300	1х150	2394 х 1800 х 770	41,24	24,74	550
УКРМ-6,3 (10,5)-600-300 (300ф+300р)	600	1х300	1х300	2394 х 1800 х 770	54,99	32,99	600
УКРМ-10,5 (6,3)-900-450 (450ф+450р)	900	1х450	1х450	2394 х 1800 х 770	82,48	49,49	600
УКРМ-6,3 (10,5)-1350-450 (450ф+2х450р)	1350	1х450	2х450	3344 х 1800 х 770	123,72	74,23	910
УКРМ-6,3 (10,5)-2250-450 (3х450ф+2х450р)	2250	3х450	2х450	4294 х 1800 х 770	206,20	123,72	1375
УКРМ-6,3 (10,5)-3150-450 (3х450ф+4х450р)	3150	3х450	4х450	6194 х 1800 х 770	288,68	173,21	1850

Основной нагрузкой в промышленных электросетях являются асинхронные электродвигатели и распределительные трансформаторы. Эта индуктивная нагрузка в процессе работы является источником реактивной электроэнергии (реактивной мощности ), которая совершает колебательные движения между нагрузкой и источником (генератором), не связана с выполнением полезной работы, а расходуется на создание электромагнитных полей и создает дополнительную нагрузку на силовые линии питания. Поэтому очень важен компенсатор реактивной мощности.

Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети. Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ), численно равный косинусу угла (ф) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е.: cos(ф) = P/S. Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом. Чем ближе значение cos(ф) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности.

Пример: при cos(ф) = 1 для передачи 500 KW в сети переменного тока 400 V необходим ток значением 722 А. Для передачи той же активной мощности при коэффициенте cos(ф) = 0,6 значение тока повышается до 1203 А.

В результате этого:

• возникают дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока;
• снижается пропускная способность распределительной сети;
• отклоняется напряжение сети от номинала (падение напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).

Все сказанное выше является основной причиной того, что предприятия электроснабжения требуют от потребителей снижения доли реактивной мощности в сети. Решением данной проблемы является компенсация реактивной мощности – важное и необходимое условие экономичного и надежного функционирования системы электроснабжения предприятия. Эту функцию выполняют , основными элементами которых являются конденсаторы .

Правильная компенсация позволяет:

• снизить общие расходы на электроэнергию;
• уменьшить нагрузку элементов распределительной сети (подводящих линий, трансформаторов и распределительных устройств), тем самым продлевая их срок службы;
• снизить тепловые потери тока и расходы на электроэнергию;
• снизить влияние высших гармоник;
• добиться большей надежности и экономичности распределительных сетей.

Кроме того, в существующих сетях

• исключить генерацию реактивной энергии в сеть в часы минимальной нагрузки;
• снизить расходы на ремонт и обновление парка электрооборудования;
• увеличить пропускную способность системы электроснабжения потребителя, что позволит подключить дополнительные нагрузки без увеличения стоимости сетей;
• обеспечить получение информации о параметрах и состоянии сети.

А во вновь создаваемых сетях - уменьшить мощность подстанций и сечения кабельных линий, что снизит их стоимость.

Зачем компенсировать реактивную мощность?

Реактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы, то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках; увеличивается падение напряжения в сетях.

Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи, что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети.

Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии.

По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики компенсации реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности – вот ключ к решению вопроса энергосбережения.

Основные потребители реактивной мощности:

• асинхронные электродвигатели, которые потребляют 40% всей мощности совместно с бытовыми и собственными нуждами;
• электрические печи 8%;
• преобразователи 10%;
• трансформаторы всех ступеней трансформации 35%;
• линии электропередач 7%.

В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные э.д.с. обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а косинус фи уменьшается при малой нагрузке. Например, если косинус фи двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75-0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20-0,40.

Мало нагруженные трансформаторы также имеют низкий коэффициент мощности (косинус фи). Поэтому, применять компенсацию реактивной мощности, то результирующий косинус фи энергетической системы будет низок и ток нагрузки электрической, без компенсации реактивной мощности, будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток потребляемый из сети снижается, в зависимости от косинус фи на 30-50%, соответственно уменьшается нагрев проводящих проводов и старение изоляции.

Кроме этого, реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, а следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.

Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок).

Использование конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности позволяет:

• разгрузить питающие линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства;
• снизить расходы на оплату электроэнергии
• при использовании определенного типа установок снизить уровень высших гармоник;
• подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
• сделать распределительные сети более надежными и экономичными.

продольная и поперечная компенсация реактивной мощности