Компенсация реактивной мощности в системах электроснабжения

Цель работы: закрепление теоретических знаний в области компенсации реак­тивной мощности.

Теоретические положения

Одна из особенностей режимов работы большинства электроприемников за­ключается в том, что, кроме активной, они потребляют также реактивную мощ­ность. Реактивная мощность имеет место во всех случаях, когда напряжение и ток не совпадают по фазе. Ее величина в трехфазных электрических сетях при условии синусоидальности и симметрии токов и напряжений определяется по формуле

                                 (1)

где U - действующее значение линейного напряжения; I - действующее значение тока на рассматриваемом участке сети; ф - угол сдвига фаз между фазным напряжением и током.

Если ток отстает по фазе от напряжения (индуктивный характер нагрузки), то реактивная мощность потребляется и имеет знак «+». В противном случае реактив­ная мощность генерируется и имеет знак «-».

Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные дви­гатели, преобразовательные установки, трансформаторы, воздушные линии и т. п. При работе этих электроприемников и элементов сети возникают переменные элек­тромагнитные поля. Между этими полями и источниками питания происходит не­прерывный обмен энергией, и реактивная мощность представляет собой скорость этого обмена. Другими словами, реактивная мощность - это мощность обмена энер­гией между источниками питания и переменными электромагнитными полями по­требителей и элементов сети.

При передаче реактивной мощности по сети возникают дополнительные затра­ты, которые обусловлены:

- увеличением потерь мощности и энергии в элементах сети;

- снижением пропускной способности элементов системы электроснабжения;

- потерями напряжения в элементах сети.

Потери активной мощности в элементе сети сопротивлением R составят

                                 (2)

где Р - активная мощность.

Как видно из этой формулы, при передаче реактивной мощности по сети возника­ют дополнительные потери, которые при U - const возрастают пропорционально квад­рату реактивной мощности.

Снижение пропускной способности элементов сети обусловлено тем, что при увеличении реактивной мощности возрастает ток в сети в соответствии с формулой

               (3)

Потеря напряжения в элементе сети сопротивлением R и X определяется по сле­дующей приближенной формуле:

             (4)

Из этой формулы видно, что потребление реактивной мощности приводит к увеличению потерь напряжения и к снижению напряжения в узлах нагрузки, а гене­рация - к снижению потерь напряжения и к увеличению напряжения в узлах на­грузки.

Таким образом, передача большой реактивной мощности от источника питания к потребителю экономически нецелесообразна. Все мероприятия по снижению этой мощности можно условно разделить на 2 группы: 1) мероприятия, не требующие установки компенсирующих устройств; 2) мероприятия по установке в узлах сети компенсирующих устройств (источников реактивной мощности).

К мероприятиям, не требующим установки компенсирующих устройств, отно­сятся следующие:

1.Упорядочение технологического процесса.

2.Замена мало загруженных асинхронных двигателей на двигатели меньшей мощности.

3.Понижение напряжения у двигателей, систематически работающих с малой нагрузкой.

4.Ограничение холостого хода двигателей и трансформаторов.

5.  Применение синхронных двигателей вместо асинхронных, если это возможно по условиям технологического процесса.

6.Ремонт оборудования.

7.Замена малозагруженных трансформаторов на трансформаторы меньшей мощности.

8.Отключение части трансформаторов в режиме малых нагрузок.

Ввод мероприятия № 1 приводит к снижению реактивной мощности вследствие улучшения энергетического режима оборудования (снижается продолжительность простоев и время работы с малой нагрузкой).

Мероприятия № 2 и 7 дают эффект за счет того, что чем больше мощность дви­гателя или трансформатора, тем больше у него ток намагничивания.

При снижении напряжения на зажимах двигателя (мероприятие № 3) его ток намагничивания снижается пропорционально напряжению, а соответствующая ре­активная мощность - пропорционально квадрату напряжения.

Эффективность мероприятий № 4 и 8 обусловлена тем, что как двигатели, так и трансформаторы на холостом ходу и при малых нагрузках имеют очень низкий cosφ, то есть потребляют в основном только реактивную мощность. Отключение этой реактивной мощности позволяет существенно повысить cosφ всей системы электроснабжения.

При применении синхронных двигателей вместо асинхронных потребляемая реак­тивная мощность может быть сведена к нулю путем регулирования тока возбуждения.