Расчет оборудования для компенсации реактивной мощности с применением информационных технологий.

Горфин Е. И.

МГОУ имени В.С. Черномырдина

Современные устройства потребления имеют очень высокие требования к качеству электроэнергии.

Фактически, вопросы качества энергии встали перед человечеством не так давно – примерно в конце 40х годов, когда были открыты технологии передачи энергии на значительные расстояния с помощью ЛЭП, а, в последствии, во времена первых ЭВМ, требования к качеству у которых были на порядок выше, чем у других устройств. Ведь очевидно, что у электродвигателя (пусть даже выполненного по современным «навороченным» технологиям) требования к качеству сети значительно ниже, чем у ЭВМ.

Многие части самых первых ЭВМ были аналоговыми, про стабилизаторы напряжения знали тогда очень мало, цифровая электроника только зарождалась. И небольшой скачек напряжения мог привести к сбою в работе сложного комплекса.

Второй проблемой стала передача энергии на длительные дистанции. Потери при передаче составляли около 70% от выработанной энергии. Особенно остро эта проблема стояла в крупных мегаполисах, у которых потребление было высоким, а возможность строить электростанции – ограниченной, главным образом по причине экологии. Тогда то и началось активное изучение электроэнергии с целью минимализации потерь. Параллельно с крупной энергетикой развивалась микроэлектроника, открытия одной области переносились в другую. Так, высокочастотные токи исследовались, в основном, в радиотехнике, однако, явления самоиндукции, наводок и помех присущи любой сети переменного напряжения, следовательно, высоковольтным сетям тоже.

Постепенно, электротехника стала отдельной наукой со своими законами и задачами. Сейчас, при проведении анализа сети, помимо тока, напряжения и мощности исследуются так же гармонический составы напряжения и тока, разности фаз (применительно к трехфазным сетям), прямая, обратная и нулевая последовательности, фликер, несинусоидальность напряжения и тока, а так же активная и реактивная составляющие мощности.

Итак, что же такое активная и реактивная мощности?

В переменном электрическом поле формула для мощности постоянного тока (P = V * I )оказывается неприменимой. Для того, чтобы связать понятия полной, активной, реактивной мощностей и коэффициента мощности, удобно обратиться к теории комплексных чисел. Можно считать, что мощность в цепи переменного тока выражается комплексным числом таким, что активная мощность является его действительной частью, реактивная мощность — мнимой частью, полная мощность — модулем, а угол φ (сдвиг фаз) — аргументом.

Синусоидальные величины, изменяющиеся во времени традиционно представляются с помощью комплексной плоскости.

Используя комплексную плоскость, отобразим на ней мощности:

Рис 1. «Треугольник мощностей» (S – полная мощность, P – активная мощность, Q – реактивная мощность).

Компенсация реактивной мощности является немаловажным фактором позволяющим снизить нагрузки на электросеть и решить вопрос энергосбережения.

В целом результаты проводимых анализов показывают необходимость компенсации реактивной мощности как у потребителя, так и в электрических сетях поэтому в Приказе Минпромэнерго РФ № 49 от 22.02.07 «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах энергоснабжения)» оговорены предельные значения коэффициента реактивной мощности.

Протекающий реактивный ток вызывает потери мощности и энергии в линиях и трансформаторах как энергосистемы, так и потребителя, увеличение cos φ с 0,6 до 0,9 приводит к уменьшению мощности подстанций на 14 % и уменьшению их числа на 26 %.

Реактивная мощность является фактором, снижающим качество электроэнергии, приводящим к таким отрицательным явлениям, как дополнительные потери в проводниках, вследствие увеличения тока, завышение мощности трансформаторов и сечения кабелей, отклонение напряжения сети от номинала.

Индуктивной реактивной нагрузке, создаваемой электрическими потребителями, можно противодействовать с помощью ёмкостной нагрузки, подключая точно рассчитанный конденсатор. Это позволяет снизить реактивную мощность, потребляемую от сети и называется корректировкой коэффициента мощности или компенсацией реактивной мощности.

Из вышеизложенного мы понимаем всю важность исключения или хотя бы понижения эффектов, возникающих из-за низкого коэффициента мощности. Для достижения такого результата необходимы конденсаторы.

В зависимости от подключения конденсаторной установки возможны следующие виды компенсации реактивной мощности:

Индуктивной реактивной нагрузке, создаваемой электрическими потребителями, можно противодействовать с помощью ёмкостной нагрузки, подключая точно рассчитанный конденсатор. Это позволяет снизить реактивную мощность, потребляемую от сети и называется корректировкой коэффициента мощности или компенсацией реактивной мощности.

Из вышеизложенного мы понимаем всю важность исключения или хотя бы понижения эффектов, возникающих из-за низкого коэффициента мощности. Для достижения такого результата необходимы конденсаторы.

В зависимости от подключения конденсаторной установки возможны следующие виды компенсации реактивной мощности:

Индивидуальная или постоянная компенсация, при которой индуктивная реактивная мощность компенсируется непосредственно в месте её возникновения, что ведет к разгрузке подводящих проводов (для отдельных, работающих в продолжительном режиме потребителей с постоянной или относительно большой мощностью - асинхронные двигатели, трансформаторы, сварочные аппараты, разрядные лампы и т.д.);

Активная мощность - это среднее за период Т значение мгновенной мощности.

Реактивная мощность это величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока, например, при перемагничивании индуктивного элемента.

В ГОСТе 13109-97 указан такой параметр, как коэффициент мощностей (cos φ), однако, на практике удобней использовать tg φ. Простая тригонометрия: Cos φ = P/S, tg φ = Q/P. По ГОСТу, они соответственно должны быть равны 0,95 и 0,35.

2). Принцип работы компенсаторов реактивной мощности (КРМ).

Для снижения реактивной составляющей в сетях используется специальное компенсационное оборудование. Говоря просто, оно представляет из себя искусственную нагрузку, имеющую чисто ёмкостной (чаще всего) или индуктивный характер. В современных компенсаторах используется так же электронный блок управления, изменяющий величину нагрузки, в зависимости от изменения cos φ в сети.

Рис. 2. Схема компенсатора реактивной мощности

КРМ имеет свой встроенный анализатор сети. Чаще всего он собран на микроконтроллере, не имеет памяти для измеренных данных, а единственной его задачей является измерение угла φ между током и напряжением с последующей подачей сигнала на контакторы конденсаторов. Для подбора необходимой в текущий момент времени ёмкости используется батарея конденсаторов, нужное количество которых подключается параллельно сети.

Как видно на схеме, угол φ измеряется только по фазе А. Это объясняется тем, что нагрузка по фазам примерно одинаковая и дополнительные измерения не требуются.

В случае компенсации ёмкостной составляющей, вместо конденсаторов, соответственно, устанавливаются катушки индуктивности.

Есть так же более сложные версии компенсаторов, имеющих тиристорное управление и способных компенсировать импульсные (до 20мс) скачки реактивной энергии.

От теории – к практике.

В данном разделе будет рассказано про измерения, проводившиеся на реальном объекте в г. Москве летом 2011 года.

Объект – продуктовая база. Задача – повысить эффективность сети. Имеется схема сети:

Рис. 3. Схема измеряемого объекта

По схеме мы видим, что базовые измерения необходимо провести в 4х точках: Рун-1 Ввод 1, Рун-1 Ввод 2, Рун-2 Ввод 1, Рун-2 Ввод 2 (Обозначаем точки 1,2,3,4 соответственно). Для этой цели больше всего подошли приборы ППКЭ. Параметры каждой точки измерялись в течении двух недель. Результаты можно увидеть в таблице:

Таблица 1. Результаты измерений ПКЭ на объекте

КРМ подбирается с тем расчетом, чтобы показатели tg φ и cos φ пришли в норму (в соответствие ГОСТу). Основной параметр КРМа – мощность, которую он может компенсировать. Другими словами, мощность КРМа – это его реактивная мощность, взятая с противоположным знаком присутствующей в сети.

Однако, нужно заметить, что приведенные выше расчеты подходят только для идеальной сети – на практике необходимо учитывать индуктивности и сопротивление проводов, индивидуальные параметры каждого отдельного потребителя. Поэтому на объекте был проведен ряд дополнительных измерений, причем проводились они прибором Memobox 360 на конкретных потребителях в точках последующей установки КРМов.

Нагреватели практически не создают реактивной составляющей, чего не скажешь про двигатели. На объекте в большом количестве присутствуют промышленные холодильные установки с компрессорами мощностью до 11 кВт. Логично предположить, что основную часть реактивной составляющей в сети давали именно они.

Полученные данные были переданы в фирму, занимающуюся производством и установкой КРМов. В последствии, часть оборудования была ими оборудована. Результаты измерений после установки:

Таким образом, энергоэффективность сети повышается на 30%.