![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Понятие реактивной мощности.
Реактивная мощность – величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля. Для синусоидального тока она равна произведению действующих значений тока I и напряжения U на синус угла сдвига фаз между ними: Q = UI sinφ. Единица измерения – В∙ Ар. Активная энергия, потребляемая электроприёмниками, преобразуется в другие виды энергии: механическую, тепловую, энергию сжатого воздуха и газа и т. п. Определённый процент активной энергии расходуется на потери. Реактивная мощность Для реактивной мощности приняты такие понятия, как генерация, потребление, передача, потери, баланс. Считается, что если ток отстает 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. Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются асинхронные двигатели (60–65 % общего потребления), трансформаторы (20–25 %), вентильные преобразователи, реакторы, воздушные электрические сети и прочие приемники (10 %). Трансформаторы потребляют реактивную мощность в двух видах: – намагничивающая мощность, необходимая для поддержания магнитного поля в магнитопроводе (достигает 2–3 % от номинальной мощности для распределительных трансформаторов и 1–2 % для мощных трансформаторов). Ее определяют с помощью тока холостого хода (выражаемого в процентах от номинального тока); – мощность, связанная с потоками рассеяния трансформаторов (составляет до 4 % от мощности трансформаторов распределительной сети и 7–13 % у трансформаторов передающих сетей). В среднем трансформаторы потребляют общую реактивную мощность, равную приблизительно половине активной мощности (средний tgφ ≈ 0, 5; cosφ ≈ 0, 9). Другие потребители потребляют большее или меньшее количество реактивной мощности в зависимости от их конструкции (tgφ = 0, 5–1, 0). Передача реактивной мощности загружает электрические сети и установленное в ней оборудование, уменьшая их пропускную способность. Если сеть загружается на 25 % больше из-за передачи реактивной мощности, то потери в ней становятся на 56 % больше по сравнению с режимом передачи только активной энергии. Поэтому передача соответствующей реактивной мощности обходится довольно дорого.
Реактивная мощность генерируется синхронными генераторами электростанций, синхронными компенсаторами, синхронными двигателями (регулирование током возбуждения), батареями конденсаторов и линиями электропередачи. Реактивная мощность, вырабатываемая емкостью сетей, имеет следующий порядок величин: – воздушная линия 20 кВ генерирует 1 кВ∙ Ар на 1 км трехфазной линии; – – воздушная линия 220 кВ – 150 кВ∙ Ар/км; – подземный кабель 220 кВ – 3 МВ∙ Ар/км. Коэффициент мощности и коэффициент реактивной мощности. Векторное представление величин, характеризующих состояние сети, приводит к представлению реактивной мощности Q вектором, перпендикулярным вектору активной мощности Р (рис. 5.2). Их векторная сумма дает полную мощность S. Рис. 5.1. Треугольник мощностей
Согласно рис. 5.1 следует S2 = Р2 + Q2; tgφ = Q/P; cosφ = P/S. До недавнего времени основным нормативным показателем, характеризующим реактивную мощность, был коэффициент мощности cosφ. На вводах, питающих промышленное предприятие, средневзвешенное значение этого коэффициента должно было находиться в пределах 0, 92–0, 95. Однако выбор соотношения P/S в качестве нормативного не дает четкого представления о динамике изменения реального значения реактивной мощности. Например, при изменении коэффициента мощности от 0, 95 до 0, 94 реактивная мощность изменяется на 10 %, а при изменении этого же коэффициента от 0, 99 до 0, 98 приращение реактивной мощности составляет уже 42 %. При расчетах удобнее оперировать соотношением k рм = tgφ = Q/P, которое называют коэффициентом реактивной мощности. Введение новых директивных документов по компенсации реактивной мощности было направлено на повышение эффективности работы всей системы электроснабжения от генераторов энергосистемы до приемников электроэнергии. Непоказательное значение средневзвешенного коэффициента мощности было заменено значением реактивной мощности, которое может быть передано по сетям энергосистемы промышленному предприятию. Мощность, местоположение и режим работы компенсирующих устройств должны обосновываться технико-экономическими расчетами, например, по критерию минимума приведенных затрат на производство и распределение электроэнергии. С введением коэффициента реактивной мощности стало возможным представлять потери активной мощности через активную или реактивную мощности: ∆ Р = (P 2 /U 2) R (l + tg2φ); ∆ Р = (Q 2/ U 2) R (l + 1/tg2φ). Угол между векторами мощностей Р и S соответствует углу φ между векторами активной составляющей тока I а и полного тока I, который, в свою очередь, представляет собой векторную сумму активного тока I а, находящегося в фазе с напряжением, и реактивного тока I р, находящегося под углом 90° к нему. Это расположение токов является расчетным приемом, связанным с разложением на активную и реактивную мощности, которое можно считать естественным. Большинство потребителей нуждаются в реактивной мощности, поскольку они функционируют благодаря изменению магнитного поля. Для наиболее употребительных двигателей в нормальном режиме работы можно привести следующие примерные значения tgφ:
В момент пуска двигателей требуется значительное количество реактивной мощности, при этом tgφ = 4–5 (cosφ = 0, 2–0, 24). Синхронные машины обладают способностью потреблять или выдавать реактивную мощность в зависимости от степени возбуждения. В синхронных генераторах и двигателях размеры цепей возбуждения ограничивают возможность поставки реактивной мощности до максимальных значений tgφ = 0, 75 (cosφ = 0, 8) или до tgφ = 0, 5 (cosφ = 0, 9) (табл. 5.1). Синхронные двигатели, выпускаемые отечественной промышленностью, рассчитаны на опережающий коэффициент мощности (cosφ = 0, 9) и при номинальной активной нагрузке P ном и напряжении U ном могут вырабатывать номинальную реактивную мощность Q ном ≈ 0, 5 P ном. При недогрузке СД по активной мощности β = P/P ном < 1 возможна перегрузка по реактивной мощности α = Q / Q ном > 1. Преимуществом СД, используемым для компенсации реактивной мощности, по сравнению с КБ является возможность плавного регулирования генерируемой реактивной мощности. Недостатком является то, что активные потери на генерирование реактивной мощности для СД больше, чем для КБ. Дополнительные активные потери в обмотке СД, вызываемые генерируемой реактивной мощностью в пределах изменения cosφ от 1 до 0, 9 при номинальной активной мощности СД, равной P ном, равны ∆ Р ном= Q 2ном R / U 2ном кВт, где Q ном – номинальная реактивная мощность СД, кВ∙ Ар; R – сопротивление одной фазы обмотки СД в нагретом состоянии, Ом; U ном – номинальное напряжение сети, кВ. Таблица 5.1 Зависимости коэффициента перегрузки по реактивной мощности синхронных двигателей
В системах электроснабжения промышленных предприятий КБ компенсируют реактивную мощность базисной (основной) части графиков нагрузок, а СД снижают пики нагрузок графика. Синхронные компенсаторы. Разновидностью СД являются синхронные компенсаторы (СК), которые представляют собой СД облегчённой конструкции без нагрузки на валу. В настоящее время выпускается СК мощностью выше 5000 кВ∙ Ар. Они имеют ограниченное применение в сетях промышленных предприятий, их используют для улучшения показателей качества напряжения у мощных ЭП с резкопеременной ударной нагрузкой (дуговые печи, прокатные станы и т. п.). Статические тиристорные компенсирующие устройства. В сетях с резкопеременной ударной нагрузкой на напряжении 6–10 кВ рекомендуется применение не конденсаторных батарей, а специальных быстродействующих источников реактивной мощности (ИРМ), которые должны устанавливаться вблизи таких ЭП. Схема ИРМ приведена на рис. 5.3. В ней в качестве регулируемой индуктивности используются индуктивности LR и нерегулируемые ёмкости С 1– С 3. Рис. 5.3. Быстродействующие источники реактивной мощности
Регулирование индуктивности осуществляется тиристорными группами VS, управляющие электроды которых подсоединены к схеме управления. Достоинствами статических ИРМ является отсутствие вращающихся частей, относительная плавность регулирования реактивной мощности, выдаваемой в сеть, возможность трёх- и четырёхкратной перегрузки по реактивной мощности. К недостаткам относится появление высших гармоник, которые могут возникнуть при глубоком регулировании реактивной мощности. За счет дополнительных потерь мощности в сети, вызванных потреблением реактивной мощности, увеличивается общее потребление электроэнергии. Поэтому снижение перетоков реактивной мощности является одной из основных задач эксплуатации электрических сетей. Наглядное представление о сущности компенсации реактивной мощности даёт рис. 5.4. На рис. 5.4, изображена схема электрической цепи (рис. 5.4, а). Пусть до компенсации потребитель имел активную мощность Р, соответственно ток Рис. 5.4. Векторная диаграмма компенсации реактивной мощности
После компенсации (рис. 5.4, в), т. е. после подключения параллельно нагрузке КУ (конденсатора) с мощностью Пути снижения потребления реактивной мощности: – естественная компенсация без применения специальных компенсирующих устройств (КУ); – искусственная компенсация, чаще называемая просто компенсацией. Естественная компенсация реактивной мощности не требует больших материальных затрат и должна проводится на предприятиях в первую очередь. К естественной компенсации относятся: – упорядочение и автоматизация технологического процесса, ведущие к выравниванию графика нагрузки и улучшению энергетического режима оборудования (равномерное размещение нагрузок по фазам, смещение времени обеденных перерывов отдельных цехов и участков, перевод энергоёмких крупных ЭП на работу вне часов максимума энергосистемы и вывод в ремонт мощных ЭП в часы максимума и т. п.); – создание рациональной схемы электроснабжения за счёт уменьшения количества ступеней трансформации; – замена трансформаторов и другого электрооборудования старых конструкций на новые, более совершенные, с меньшими потерями на перемагничивание; – замена малозагруженных трансформаторов и двигателей трансформаторами и двигателями меньшей мощности и их полная загрузка; – применение синхронных двигателей (СД) вместо асинхронных (АД), когда это допустимо по условиям технологического процесса; – ограничение продолжительности режима холостого хода (ХХ) двигателя и сварочных трансформаторов, сокращение длительности и рассредоточение во время пуска крупных ЭП; – понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой загрузкой; – применение наиболее целесообразной силовой схемы и системы управления вентильного преобразователя. – улучшение качества ремонта электродвигателей, уменьшение переходных сопротивлений контактных соединений; – отключение при малой нагрузке (например, в ночное время, в выходные и праздничные дни) части силовых трансформаторов. Искусственная компенсация реактивной мощности, как всякое важное техническое мероприятие, может применяться для нескольких различных целей. Во-первых, компенсация реактивной мощности необходима по условию баланса реактивной мощности. Во-вторых, установка компенсирующих устройств необходима для снижения потерь электрической энергии в сети. И, в-третьих, компенсирующие устройства применяются для регулирования напряжения. Во всех случаях при применении компенсирующих устройств необходимо учитывать ограничения по следующим техническим и режимным требованиям: – обеспечение резерва реактивной мощности в энергосистеме; – обеспечению баланса реактивной мощности в узлах нагрузки; – отклонениям напряжения в узлах электрической сети; – обеспечению пропускной способности элементов электрической сети. С влиянием реактивной мощности, передаваемой по элементам сети, на напряжение и потери тесно связано понятие баланса реактивной мощности. Под балансом реактивной мощности понимают равенство генерируемой и потребляемой мощностей при допустимых отклонениях напряжения у приемников электроэнергии. Генерация реактивной мощности. Для обеспечения баланса реактивной мощности необходима ее генерация. В основном реактивная мощность генерируется синхронными генераторами электрических станций и высоковольтными линиями электропередачи. Однако, в отличие от активной мощности, возможна и локальная генерация реактивной мощности (синхронными компенсаторами и электродвигателями, батареями конденсаторов). Чрезмерная концентрация производства реактивной мощности во многих случаях экономически нецелесообразна по следующим причинам: 1. При передаче значительной реактивной мощности существенно возрастают дополнительные потери 2. Возрастают дополнительные потери напряжения Напряжение на шинах потребителя тем ниже, чем больше потери напряжения, а, следовательно, и потребление реактивной мощности. Для иллюстрации на рис. 5.5 приведена осциллограмма изменения напряжения U ш на шинах 10 кВ и реактивной мощности Q при работе мощного вентильного преобразователя.
Рис. 5.5. Осциллограмма напряжения и реактивной мощности 3. Загрузка реактивной мощностью систем промышленного электроснабжения и трансформаторов уменьшает их пропускную способность и требует увеличения сечений проводов воздушных и кабельных линий, увеличения номинальной мощности или числа трансформаторов подстанций и т. п. Компенсация реактивной мощности. Как было отмечено ранее, реактивная мощность может генерироваться не только генераторами, но и компенсирующими устройствами – конденсаторами, синхронными компенсаторами или статическими источниками реактивной мощности (ИРМ), которые можно установить на подстанциях электрической сети. При номинальной нагрузке генераторы вырабатывают лишь около 60 % требуемой реактивной мощности, 20 % генерируется в ЛЭП с напряжением выше 110 кВ, 20 % вырабатывают компенсирующие устройства, расположенные на подстанциях или непосредственно у потребителя. Решение проблемы снижения потерь мощности и напряжения – в компенсации реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности (КРМ) – одно из наиболее эффективных средств рационального использования электроэнергии. Таким образом, РМ потребляется любым элементом электрической сети, в которой ток отстает от приложенного напряжения. Коэффициент мощности нагрузки обычно 0, 7–0, 8, при этом ЭП напряжением 380–660 В удалены от источников питания. Поэтому передача РМ в сеть напряжением до 1 кВ приводит к повышенным затратам на увеличение сечений проводов и кабелей, на повышение мощности трансформаторов, на потери мощности. Эти затраты можно уменьшить, если обеспечить компенсацию РМ непосредственно в сети напряжением до 1 кВ. Источниками РМ могут быть синхронные двигатели и низковольтные конденсаторные батареи (НБК). Не скомпенсированная реактивная нагрузка покрывается из сети напряжением выше 1 кВ предприятия. Источники РМ на напряжение 6–10 кВ экономичнее источников до 1 кВ, но передача их РМ в сеть до 1 кВ может привести к увеличению числа трансформаторов и увеличению потерь электроэнергии в сети и трансформаторах. Поэтому оптимальный вариант выбора средств компенсации РМ для сетей промышленных предприятий можно определить только на основании технико-экономических расчетов [7, 12]. Если в цехе установлены синхронные двигатели, то рассматриваются их компенсирующие возможности. При работе СД с опережающим коэффициентом мощности его полная мощность, определяющая его стоимость, растет в гораздо меньшей степени, чем его компенсирующая способность. Максимальная величина РМ, которую может генерировать СД
где Р н, tgjн, hн – номинальные данные СД; aм – коэффициент наибольшей допустимой перегрузки СД по реактивной мощности (см. табл. 5.2).
Таблица 5.2 Значение коэффициента наибольшей допустимой перегрузки СД
В табл. 5.2 b – коэффициент загрузки СД по активной мощности (b = Р сд/ Р н). РМ, генерированная СД, учитывается при определении расчетной нагрузки цеха Q р.ц. и S р.ц. в зависимости от уровня напряжения СД. Если СД установлены на стороне НН, то при определении Q р.ц. РМ всех синхронных двигателей S Q сд берется со знаком «минус». Экономически оправданная величина РМ, которую целесообразно передать со стороны 6–10 кВ ТП в сеть напряжением до 1 кВ без увеличения N т.э. и мощности S т трансформаторов, определяется исходя из пропускной возможности ТП:
где
Если при этом оказывается, что Если Мощность устанавливаемых НБК
Если в цехе устанавливаются несколько трансформаторов, то единичные мощности БК допускается определять по условиям равномерности распределения нагрузки между ними. Величина стандартной мощности, тип и другие технические данные НБК, а также стандартная мощности комплектной конденсаторной установки (ККУ) находится по [6, 12]. В случае если установка БК на стороне НН ТП оказалась целесообразной, необходимо скорректировать величину его реактивной нагрузки:
где Коэффициент загрузки в нормальном и аварийном режимах трансформаторов находится
а При определении нагрузки линий электропередач, питающих ТП, необходимо учитывать потери активной и реактивной мощностей в трансформаторах. Нагрузка на стороне высокого напряжения ТП:
Конденсаторные установки любой мощности рекомендуется присоединять непосредственно к шинам цеховой подстанции, если распределительная сеть выполнена только кабельными линиями. При питании от одного трансформатора двух и более магистральных шинопроводов к каждому из них присоединяется только по одной НБК. Для схем с магистральными шинопроводами ККУ единичной мощностью до 400 кВ∙ Ар подключаются к сети без дополнительной установки отключающего аппарата, ввиду установки последнего в комплекте ККУ. При мощности ККУ более 400 кВ∙ Ар рекомендуется их подключать к шинам цеховой подстанции с использованием автоматического выключателя.
|