Как компенсировать реактивную мощность

Обновлено: 02.07.2024

Нагрузка электрической цепи определяет, какой ток через неё проходит. Если ток постоянный, то эквивалентом нагрузки в большинстве случаев можно определить резистор определённого сопротивления. Тогда мощность рассчитывают по одной из формул:

По этой же формуле определяется полная мощность в цепи переменного тока.

Нагрузку разделяют на два основных типа:

Активную – это резистивная нагрузка, типа – ТЭНов, ламп накаливания и подобного.
Реактивную – она бывает индуктивной (двигатели, катушки пускателей, соленоиды) и емкостной (конденсаторные установки и прочее).

Последняя бывает только при переменном токе, например, в цепи синусоидального тока, именно такой есть у вас в розетках. В чем разница между активной и реактивной энергией мы расскажем далее простым языком, чтобы информация стала понятной для начинающих электриков.

Компенсаторы реактивной мощности в квартире

Многие промышленные предприятия, особенно крупные, применяют в целях экономии устройства компенсации реактивной мощности. Однако этот трюк не пройдёт в обычной квартире. Вытекает это из ряда причин:

Бытовые однофазные счётчики электроэнергии, используемые в жилых домах, не способны вычислять реактивную мощность. Соответственно, никто не сможет взыскать за неё оплату. Особенно это относится к старым индукционным счётчикам.
Организации, поставляющие электроэнергию, ведут учёт реактивной мощности только для крупных промышленных предприятий. Установка подобных устройств в жилых домах не является требованием ПУЭ.
С технической точки зрения, проблематично и дорого будет рассчитать УКРМ для каждой квартиры или тем более поставить автоматические системы на микропроцессоре, ведь данные приборы стоят внушительных денег.

Cosф бытовых потребителей

Важно! По интернету гуляют предложения купить мошенническую чудо-коробочку. Она подключается к розетке и тем самым избавляет квартиру от излишков реактивной мощности. Как показывают обзоры, внутри этого прибора не содержится ничего, кроме светодиода. Соответственно, такое устройство никак не поможет сэкономить.

Смысл реактивной нагрузки

В электрической цепи с реактивной нагрузки фаза тока и фаза напряжения не совпадают во времени. В зависимости от характера подключенного оборудования напряжение либо опережает ток (в индуктивности), либо отстаёт от него (в ёмкости). Для описания вопросов используют векторные диаграммы. Здесь одинаковое направление вектора напряжения и тока указывает на совпадение фаз. А если вектора изображены под некоторым углом, то это и есть опережение или отставание фазы соответствующего вектора (напряжения или тока). Давайте рассмотрим каждый из них.

В идеализированной индуктивности угол сдвига фаз равен 90 градусов. Но в реальности это определяется полной нагрузкой в цепи, а в реальности не обходится без резистивной (активной) составляющей и паразитной (в этом случае) емкостной.

В ёмкости ситуация противоположна – ток опережает напряжение, потому что индуктивность заряжаясь потребляет большой ток, который уменьшается по мере заряда. Хотя чаще говорят, что напряжение отстаёт от тока.

Если сказать кратко и понятно, то эти сдвиги можно объяснить законами коммутации, согласно которым в ёмкости напряжение не может изменится мгновенно, а в индуктивности – ток.

Треугольник мощностей и косинус Фи

Если взять всю цепь, проанализировать её состав, фазы токов и напряжений, затем построить векторную диаграмму. После этого изобразить активную по горизонтальной оси, а реактивную – по вертикальной и соединить результирующим вектором концы этих векторов – получится треугольник мощностей.

Он выражает отношение активной и реактивной мощности, а вектор, соединяющий концы двух предыдущих векторов – будет выражать полную мощность. Всё это звучит слишком сухо и запутано, поэтому посмотрите на рисунок ниже:

Буквой P – обозначена активная мощность, Q – реактивная, S – полная.

Формула полной мощности имеет вид:

P – Вт, кВт (Ватты);
Q – ВАр, кВАр (Вольт-амперы реактивные);
S – ВА (Вольт-амперы);

Конденсаторные установки

Для уменьшения реактивной мощности в сетях промышленных предприятий получили распространение конденсаторные установки.

Конденсаторная установка (КУ, или УКРМ — установка компенсации реактивной мощности) — согласно действующему ГОСТ 27389-87, это электроустановка, состоящая из конденсаторов и относящегося к ней вспомогательного электрооборудования (регулятора реактивной мощности, контакторов, предохранителей и т. д.).

Выбрать необходимую конденсаторную установку (калькулятор)

Выбор режима компенсации

По месту установки КУ различают следующие виды компенсации: централизованная на высокой стороне (а), централизованная на низкой стороне (б), групповая (в) и индивидуальная (г) (см. рисунок ниже).

При централизованной компенсации на стороне высокого напряжения , когда конденсаторная установка присоединяется к шинам 6-10 кВ трансформаторной подстанции, получается хорошее использование конденсаторов, их требуется меньше и стоимость 1 квар установленной мощности получается минимальной по сравнению с другими способами. При компенсации по этой схеме разгружаются от реактивной мощности только расположенные выше звенья энергосистемы, а внутризаводские распределительные сети и даже трансформаторы подстанции остаются не разгруженными от реактивной мощности, а следовательно, потери энергии в них не уменьшаются и мощности трансформаторов на подстанции не могут быть уменьшены.
При централизованной компенсации на стороне низкого напряжения, когда конденсаторная установка присоединяется к шинам 0,4 кВ трансформаторной подстанции, от реактивной мощности разгружаются не только вышерасположенные сети 6—10 кВ, но и трансформаторы на подстанции, однако внутризаводские распределительные сети 0,4 кВ остаются неразгруженными.
При групповой компенсации, когда конденсаторные установки устанавливаются в цехах и присоединяются непосредственно к цеховым распределительным пунктам (РП) или шинам 0,4 кВ, разгружаются от реактивной мощности и трансформаторы на подстанции и питательные сети 0,4 кВ Неразгруженными остаются только распределительные сети к отдельным электроприемникам. В целях равномерного распределения компенсирующих устройств целесообразно подключать конденсаторную установку к шинам РП таким образом, чтобы реактивная нагрузка этого РП составляла более половины мощности подключаемой конденсаторной установки.
При индивидуальной компенсации, когда конденсаторная установка подключается непосредственно к зажимам потребляющего реактивную мощность электроприемннка, что является основным требованием создания реактивной мощности по возможности ближе к месту ее потребления, такой способ будет наиболее эффективным в отношении разгрузки от реактивной мощности питательной и распределительной сетей, трансформаторов и сетей высшего напряжения. При индивидуальной компенсации происходит саморегулирование выработки реактивной мощности, так как конденсаторные установки включаются и отключаются одновременно с приводными электродвигателями машин и механизмов.

Практически распространенными способами компенсации реактивной мощности электроснабжения промышленных предприятий является групповая компенсация, возможны также варианты комбинированного размещения конденсаторных установок. Определение наивыгоднейших решений выбора способа компенсации реактивной мощности производится на основании технико-экономических расчетов тщательных исследований производственных условий, факторов конструктивного характера и т. д.. При выборе места размещения конденсаторной установки в распределительной сети необходимо учитывать ее влияние на режим напряжения и величину потерь энергии в сети. Как правило, компенсация реактивной мощности должна производиться в той же сети (на том же напряжении), где она потребляется, при этом будут минимальные потери энергии, а следовательно, и меньшие мощности трансформаторов.

Выбор типа компенсации

В зависимости от требований к характеристикам оборудования и сложности управления, КРМ может быть следующих типов:

нерегулируемой – путем подключения конденсаторной батареи фиксированной емкости;
автоматической – путем включения различного количества ступеней регулирования для подачи требуемой реактивной энергии;
динамической – для компенсации быстро изменяющихся нагрузок.

Нерегулируемая компенсация

В схеме используется один или несколько конденсаторов, обеспечивающих постоянный уровень компенсации. Управление может быть:

ручным: с помощью автоматического выключателя или выключателя нагрузки;
полуавтоматическим: с помощью кнопок и контактора;
прямое подсоединение к нагрузке и включение/отключение вместе с ней.

к вводным зажимам индуктивных нагрузок (в основном, электродвигателей);
к шинам, питающим группы небольших электродвигателей или индуктивных нагрузок, для которых индивидуальная компенсация может быть довольно дорогостоящей;
в случаях, когда коэффициент нагрузки должен быть постоянным.

Автоматическая компенсация

Данный тип компенсации предусматривает автоматическое поддержание заданного cos φ путем регулирования количества вырабатываемой реактивной энергии в соответствии с изменениями нагрузки. Оборудование КРМ устанавливается и подключается к тем местам электроустановки, где изменения активной и реактивной мощности относительно велики, например:

к сборным шинам главного распределительного щита;
к зажимам кабеля, питающего мощную нагрузку.

Нерегулируемая компенсация применяется там, где требуется компенсировать реактивную мощность, не превышающую 15% номинальной мощности трансформаторного источника питания. Если требуется компенсировать более 15%, рекомендуется устанавливать конденсаторную батарею с автоматическим регулированием. Управление обычно осуществляется электронным устройством (контроллером реактивной мощности), которое отслеживает фактический коэффициент мощности и выдает команды на подключение или отключение конденсаторов для достижения заданного коэффициента. Таким образом, реактивная энергия регулируется ступенчато. Кроме того, регулятор реактивной мощности выдает информацию о характеристиках электросети (амплитуда напряжения, уровень искажений, коэффициент мощности, фактическая активная и реактивная мощность) и состоянии оборудования. В случае неисправности подаются аварийные сигналы. Подключение обычно обеспечивается контакторами. Для быстрой и частой коммутации конденсаторов при компенсации сильно изменяющихся нагрузок следует использовать полупроводниковые ключи.

Динамическая компенсация

Данный тип КРМ используется для предотвращения колебаний напряжения в сетях с изменяющимися нагрузками. Принцип динамической компенсации заключается в том, что вместе с нерегулируемой конденсаторной батареей используется электронный компенсатор реактивной мощности, обеспечивающий опережение или запаздывание реактивных токов относительно напряжения. В результате получается быстродействующая изменяющаяся компенсация, хорошо подходящая для таких нагрузок, как лифты, дробилки, аппараты точечной сварки и т. д.

Учет условий эксплуатации и содержания гармоник в сети

Конденсаторные установки следует выбирать с учетом условий эксплуатации на протяжении всего срока службы комплектующих, в первую очередь конденсаторов и контакторов.

Учет условий эксплуатации

Условия эксплуатации оказывают значительное влияние на срок службы конденсаторов. Следует учитывать следующие параметры:

температура окружающей среды (°C);
ожидаемые повышенные токи, связанные с искажением формы напряжения, включая максимальное непрерывное перенапряжение;
максимальное количество коммутационных операций в год;
требуемый срок службы.

Учет воздействия гармоник

В зависимости от амплитуды гармоник в электросети применяются различные конфигурации устройств КРМ:

Стандартные конденсаторы: при отсутствии значительных нелинейных нагрузок.
Конденсаторы увеличенного номинала: при наличии незначительных нелинейных нагрузок. Номинальный ток конденсаторов должен быть увеличен, чтобы они могли выдерживать циркуляцию токов гармоник.
Конденсаторы увеличенного номинала с антирезонансными дросселями применяются при наличии многочисленных нелинейных нагрузок. Дроссели необходимы для подавления циркуляции токов гармоник и предотвращения резонанса.
Фильтры высших гармоник: в сетях с преобладанием нелинейных нагрузок, где требуется подавление гармоник. Обычно фильтры конструируются для конкретной электроустановки, исходя из результатов измерений на месте и компьютерной модели электросети.

Расчёты

Для вычисления полной мощности используют формулу в комплексной форме. Например, для генератора расчет имеет вид:

А для потребителя:

Но применим знания на практике и разберемся как рассчитать потребляемую мощность. Как известно мы, обычные потребители, оплачиваем только за потребление активной составляющей электроэнергии:

Здесь мы видим, новую величину cosФ. Это коэффициент мощности, где Ф – это угол между активной и полной составляющей из треугольника. Тогда:

В свою очередь реактивная мощность рассчитывается по формуле:

Для закрепления информации, ознакомьтесь с видео лекцией:

Всё вышесказанное справедливо и для трёхфазной цепи, отличаться будут только формулы.

Для чего компенсация реактивной мощности

кВа в кВт — как правильно перевести мощность

Компенсировать реактивную составляющую мощности необходимо для повышения эффективности энергосистемы и снижения нагрузки на питающие кабеля и коммутирующие аппараты.

На производстве в основном преобладают потребители индуктивного характера. Для компенсации реактивной мощности, возникающей из-за их работы, чаще всего применяют конденсаторные установки. Их использование позволяет добиться следующих положительных эффектов:

В электрических цепях протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения, когда нагрузка имеет активный (резисторы) характер. Когда ток отстает от напряжения, нагрузка индуктивная (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), когда ток опережает напряжение, нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы).

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой 1. Iа - активный ток 2. Iри - реактивный ток индуктивного характера К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем. 1. Р – активная мощность привязана к Iа (по всем гармоникам суммарно) 2. Q – реактивная мощность привязана к Iри (по всем гармоникам суммарно) 3. A – полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)

Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.

Параметры определяющие потребление реактивной мощности называются POWER FACTOR или Cos (φ)

POWER FACTOR (PF) = P / A Cos (φ) = P1гарм / A1гарм P1гарм - активная мощность первой гармоники 50 Гц А 1гарм - полная мощность первой гармоники 50 Гц где, A = √P² + Q²

Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

1. Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности) 2. Высокие перепады напряжения в электрических линиях (например 330…370 В, вместо 380 В) 3. Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Конденсаторы нужны чтобы скомпенсировать реактивную мощность двигателей.

Как компенсировать реактивную мощность?

Компенсация реактивной мощности производится путем подключения конденсаторных установок и конденсаторов. Подключая конденсаторы мы уменьшаем потребление реактивной мощности через силовые трансформаторы у энергоснабжающей организации и улучшаем сos (φ). Необходимо поддерживать сos (φ) = 0,9..0,95, для того, чтобы избежать платежей за потребление реактивной мощности, снизить нагрузку на кабели и трансформаторы, и в тоже время, застраховаться о перекомпенсации (работы с избыточным количеством конденсаторов), возможной при сos (φ)=0,97 и выше.

Более того, при повышении сos (φ) от 0,9 до 0,99 полный ток уменьшается всего на 3% а мощность конденсаторной установки необходимая для этого увеличивается в 2 раза, ее стоимость в 1,5 раза, что экономически нецелесообразно.

Компенсация реактивной мощности может быть ОБЩЕЙ (ЦЕНТРАЛИЗОВАНОЙ) и ИНДИВИДУАЛЬНОЙ.

Индивидуальная компенсация – компенсация реактивной мощности каждой нагрузки отдельно (например на клеммах двигателя).

Индивидуальная компенсация – это наиболее простое техническое решение. Конденсатор подбирается мо мощности и сos (φ) двигателя, поэтому реактивная мощность двигателя компенсируется постоянно в течение всего дня, сos (φ) достаточно высок. Дополнительное преимущество индивидуальной компенсации реактивной мощности, это то что затраты на нее невелики.

Общая (централизованная) компенсация – компенсация реактивной мощности с помощью одной конденсаторной установки устанавливаемой на КТП или в составе главного распределительного щита (ГРЩ).

Дневной тренд (характер изменения нагрузки), является основным фактором, влияющим на выбор наиболее подходящей схемы компенсации реактивной мощности. На многих предприятиях не все оборудование работает одновременно, многие станки задействованы всего несколько часов в день. Поэтому индивидуальная компенсация становится очень дорогим решением, при большом количестве оборудования и соответственно большом числе устанавливаемых конденсаторов. Большинство этих конденсаторов не будут задействованы долгий период времени. Индивидуальная компенсация наиболее эффективна, когда большая часть реактивной мощности генерируется небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени. Централизованная компенсация применяется там, где нагрузка флюктуирует (перемещается) между разными потребителями в течение дня. При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется, поэтому использование автоматических конденсаторных установок предпочтительнее, чем нерегулируемых.

Асинхронные двигатели, трансформаторы, газоразрядные и люминесцентные лампы, индукционные и дуговые печи и т.д. в силу своих физических свойств вместе с активной энергией потребляют из сети также и реактивную энергию, которая необходима для создания электромагнитного поля. В отличие от активной энергии, реактивная не преобразуется в другие виды – механическую или тепловую – и не выполняет полезной работы, однако вызывает потери при ее передаче. На Рис.1 изображены направления протекания тока при работе с реактивными нагрузками.

Рис.1. Полная мощность.

Наличие в сети реактивной мощности (Q, Вар) характеризуется коэффициентом мощности (PF, cos ф) и является соотношением активной (P, Вт) к полной (S, ВА). Ниже можно увидеть зависимость полной мощности от ее составляющих как на векторной диаграмме, так и на более житейском уровне – бокале пива, где пиво является активной составляющей, а пена – реактивной. Никто же не хочет иметь бокал только с пеной?

Рис.2. Треугольник мощностей. Расчет коэффициента мощности.

При низких значениях коэффициента мощности в сети будет возникать ряд нежелательных явлений, которые могут привести к существенному уменьшению срока службы оборудования. Рекомендуется иметь cos ф не менее 0,9 (например, в Чехии за cos ф менее 0,95 штрафуют). Для этого разработан ряд мероприятий по регулированию баланса реактивной мощности в сети – компенсация реактивной мощности.

Компенсация реактивной мощности (КРМ).

Следует понимать, что реактивная мощность бывает двух характеров – индуктивная и емкостная. Нас интересует компенсация только первого типа, т.к. второй встречается редко. В нашем случае – сетях с индуктивной нагрузкой – для увеличения cos ф требуется устанавливать компенсационные конденсаторы. Но как это сделать?

Выбор способа компенсации предполагает определение места установки конденсаторов (зачастую в составе конденсаторной установки (далее КУ)). Существует три основных варианта:

Размещение конденсаторов у устройств с низким cos ф и включение одновременно с последними.

Размещение конденсаторов у группы устройств (например, пожарных насосов).

Предусматривает установку КУ на главном распределительном щите. Если предыдущие варианты могли быть как регулируемыми, так и нет, то этот, как правило, регулируемый.

Рис.3. Способы компенсации.

При правильном подборе КУ мероприятия по компенсации реактивной мощности позволяют:

существенно уменьшить нагрузку на трансформаторах, а следовательно уменьшить их нагрев и увеличить срок службы

при включении КУ в расчет при проектировании новых объектов, существенно уменьшить сечение проводников

при включении КУ в уже существующие сети, разгрузить их, повышая пропускную способность без реконструкции

снизить расходы на электроэнергию за счет снижения потери в проводниках

повысить стабильность напряжения (все) и качество электроэнергии (при использовании ФКУ)

Где мы можем сэкономить видно невооруженным глазом, но для начала придется и потратиться.

Во-первых, необходимо заказать проект, который следует доверить проверенной организации. Которая в свою очередь проведет ряд измерений или сделает расчеты для новых объектов и исходя из них даст рекомендации по способу компенсации, типу КУ и их параметрам.

Во-вторых, следует выбрать организацию-сборщика, которая соберет, установит и настроит наши КУ.

Что может входить в состав КУ?

Рассмотрим максимально возможную комплектацию конденсаторной установки:

Вводное устройство – автоматический выключатель, разъединитель предохранительный или выключатель нагрузки (при наличии еще одного вводного устройства, например, в ГРЩ).

Защитные устройства ступеней – большинство производителей (например, ZEZ Silko) рекомендуют использовать плавкие вставки с характеристикой gG (см. таблицу ниже), но нередко можно встретить и защиту автоматическими выключателями.

Коммутационное устройство (для статической компенсации НН) – контактор с токоограничевающей приставкой (контакты предварительного включения с сопротивлениями). Важно выбрать качественного производителя, т.к. через контактор при включении ступени проходят огромные токи (до 200Iе), обусловленные зарядом конденсатора, например, Benedict-Jager или Eaton (Moeller).

Антирезонансные дроссели (реакторы) – используются для защиты от перегрузки токами конденсаторов при наличии в сети высших гармоник.

Компенсационные конденсаторы – главный компонент всей установки – емкостной элемент. Читать подробнее о применении, конструкции и монтаже низковольтных цилиндрических компенсационных конденсаторов в предыдущей статье.

Регулятор реактивной мощности – своего рода анализатор сети с функцией управления ступенями. В зависимости от модели разные регуляторы кроме основных параметров (U, I, P, cos ф, количество подключенных ступеней) контролируют и ряд дополнительных (нелинейные искажения, температура и т.д). Также могу быть и дополнительные функции, например, коммуникация или автонастройка.

* Рассмотрена только основная комплектация без оболочек и микроклимата, защиты вторичных цепей.

Выбор оптимальных способов компенсации реактивной мощности в электрических сетях промышленных предприятий

Содержание

На промышленных предприятиях большинство электроприемников наряду с активной мощностью потребляет также и реактивную.

К основным промышленным потребителям реактивной мощности относятся:

Асинхронные двигатели.
Силовые трансформаторы.
Преобразовательные установки и т. п.

Вместе с тем наличие значительных перетоков реактивной мощности в электрических сетях увеличивает потери электроэнергии, снижает пропускную способность электрических сетей, а также оказывает существенное влияние на режимы напряжения [1].

Для снижения перетоков реактивной мощности в электрических сетях должна осуществляться компенсация реактивной мощности. С этой точки зрения, компенсация реактивной мощности может рассматриваться как эффективное направление энергосбережения на промышленных предприятиях.

Технические мероприятия по компенсации реактивной мощности заключаются в установке компенсирующих устройств в соответствующих точках системы электроснабжения промышленного предприятия. Наибольшее распространение в качестве компенсирующих устройств в промышленных электрических сетях получили конденсаторные установки.

Виды компенсации реактивной мощности в электросетях

Как известно, широкое применение конденсаторных установок обусловлено малыми удельными потерями активной мощности, простотой их монтажа и эксплуатации, возможностью размещения конденсаторных установок в любой точке электрической сети и др.

С помощью конденсаторных установок на промышленных предприятиях могут осуществляться следующие способы компенсации реактивной мощности:

Индивидуальная.
Групповая.
Централизованная.
Комбинированная [2].

Каждый из перечисленных способов компенсации имеет свои преимущества и недостатки:

Осуществление индивидуальной компенсации позволяет снизить потери электроэнергии в наибольшей степени, поскольку в данном случае конденсаторные установки подключаются непосредственно к зажимам электроприемников, и вся электрическая сеть разгружается от реактивной мощности. Вместе с тем данный способ компенсации обладает существенным недостатком, а именно неполным использованием конденсаторов, т. к. одновременно с отключением электроприемников отключаются и конденсаторные установки.
При групповой компенсации конденсаторные установки подключаются к распределительным пунктам электрической сети. Использование установленной мощности конденсаторных установок увеличивается, но при этом электрическая сеть до электроприемников не разгружается от реактивной мощности.
При централизованной компенсации конденсаторные установки подключаются к шинам 0,4 кВ или 6 (10) кВ трансформаторной подстанции. В данном случае использование установленной мощности конденсаторных установок оказывается наиболее полным, однако, при этом все элементы электрической сети, питающейся от подстанции, не разгружаются от реактивной мощности. Кроме того, поскольку действующие в настоящее время методические указания [3], устанавливающие повышающие (понижающие) коэффициенты к тарифам на услуги по передаче электроэнергии в зависимости от соотношения потребления активной и реактивной мощности, распространяются только на потребителей электроэнергии, подключенных к Единой национальной (общероссийской) электрической сети, т. е. к сетям ФСК, то это фактически делает централизованную компенсацию для промышленных предприятий экономически невыгодной.
При комбинированной компенсации сочетаются централизованная или групповая компенсация с индивидуальной. Таким образом, выбор мест установки компенсирующих устройств в общем случае является оптимизационной задачей, т. е. необходимо выбрать такой вариант, который обеспечивает максимальный экономический эффект при соблюдении всех технических условий нормальной работы электрических сетей и электрооборудования.

С этой целью была рассмотрена система электроснабжения цехов одного из крупных промышленных предприятий г. Кемерово. Для данных цехов характерна большая постоянная двигательная нагрузка, присутствуют как высоковольтные, так и низковольтные асинхронные двигатели, поэтому потребление реактивной мощности по цехам в целом довольно значительное.

Определение оптимального способа компенсации реактивной мощности электросети

Имеем следующие вводные по исследуемому предприятию:

Электроснабжение предприятия осуществляется по трем линиям электропередачи с Кемеровской ГРЭС.
На центральной распределительной подстанции (ЦРП) происходит распределение электроэнергии по цеховым трансформаторным подстанциям.
Схема электроснабжения цехов предприятия представлена на рисунке 1.

Рисунок 1 – Схема электроснабжения цехов промышленного предприятия

Для выбора оптимального способа компенсации реактивной мощности в представленной электрической сети были рассмотрены несколько возможных вариантов:

При отсутствии компенсации реактивной мощности.
Централизованная компенсация с подключением конденсаторных установок к шинам 10 кВ ЦРП.
Групповая компенсация с подключением конденсаторных установок к шинам 6 кВ ЦРП.
Групповая компенсация с подключением конденсаторных установок к шинам 0,4 кВ цеховых трансформаторных подстанций.
Групповая компенсация с подключением конденсаторных установок к шинам 0,4 кВ цеховых трансформаторных подстанций и распределительным пунктам.
Комбинированная компенсация с подключением части конденсаторных установок к зажимам электроприемников непосредственно, а части — к шинам 0,4 кВ трансформаторных подстанций и распределительным пунктам.
Комбинированная компенсация, когда реактивная мощность, потребляемая электроприемниками, запитанными от шин 6 кВ ЦРП и 0,4 кВ трансформаторных подстанций, компенсируется индивидуально, а остальная реактивная мощность — конденсаторными установками, подключенными к распределительными пунктам и шинам 6 кВ подстанции № 6.
Комбинированная компенсация, когда реактивная мощность, потребляемая мощными электроприемниками, запитанными от шин 6 кВ ЦРП и подстанции №6, компенсируется индивидуально, а остальная часть реактивной мощности — групповым способом.
Комбинированная компенсация, когда реактивная мощность, потребляемая электроприемниками, запитанными от шин 6 кВ ЦРП и 0,4 кВ трансформаторных подстанций, компенсируется индивидуально, а остальная реактивная мощность — конденсаторными установками, подключенными к распределительными пунктам.
Индивидуальная компенсация, где критериями оптимизации являлись минимум потерь электроэнергии в электрической сети и минимум суммарных приведенных затрат.

Алгоритм программы построен на расчете технологических потерь электроэнергии по методу средних нагрузок в соответствии с требованиями инструкции [4] и определении оптимального способа компенсации реактивной мощности, исходя из минимума потерь электроэнергии в электрической сети.

В целях выбора оптимального способа компенсации реактивной мощности были также проведены технико-экономические расчеты, в ходе которых для каждого из рассматриваемых способов компенсации были определены суммарные приведенные затраты. Результаты расчета потерь электроэнергии в электрической сети и суммарных приведенных затрат при различных способах компенсации реактивной мощности приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Потери электроэнергии в электрической сети при различных способах компенсации реактивной мощности

Анализ полученных результатов показал:

Наиболее оптимальным способом компенсации реактивной мощности для рассматриваемой электрической сети является индивидуальная компенсация, поскольку в этом случае обеспечивается минимум потерь электроэнергии.
Из технико-экономических расчетов также следует, что индивидуальная компенсация является наиболее оптимальной, т. к. в данном случае суммарные приведенные затраты оказываются минимальными.
Наибольшие потери электроэнергии в электрической сети и суммарные приведенные затраты имеют место при отсутствии компенсации реактивной мощности, а также в случае централизованной компенсации.
Вместе с тем следует отметить, что полученные результаты необходимо рассматривать лишь как первое приближение к решению задачи оптимизации выбора мест установки компенсирующих устройств.
Для более точного решения данной задачи необходимо также учитывать дополнительные ограничения (по допустимым уровням напряжения в узлах сети, по режимам работы компенсирующих устройств, по устойчивости нагрузки и др.), вводя их в целевую функцию в качестве критериев оптимизации и переходя к решению задачи многокритериальной оптимизации. Многокритериальный подход позволит комплексно подходить к задаче выбора мест установки компенсирующих устройств, более точно описывать ее условия, получая тем самым решения, в наибольшей степени соответствующие реальной задаче.

В то же время использование многокритериального подхода для решения задачи оптимизации выбора мест установки компенсирующих устройств требует проведения углубленного техникоэкономического анализа.

В частности, при выборе оптимальных способов компенсации реактивной мощности следует учитывать стоимость электроэнергии и сравнивать ее с затратами на компенсирующие устройства.

По результатам экономического анализа можно будет определить оптимальное соотношение между реактивной мощности, потребляемой предприятием из сети энергоснабжающей организации, и реактивной мощностью, вырабатываемой компенсирующими устройствами, установленными на промышленном предприятии.

Следует учитывать график электрической нагрузки предприятия и производить выбор соответствующего оптимального способа компенсации реактивной мощности для каждой зоны графика нагрузки:

В базовой части графика нагрузки наиболее оптимальной будет групповая компенсация, а при наличии высоковольтных электроприемников, подключенных непосредственно к шинам 6 (10) кВ трансформаторных подстанций — централизованная компенсация.
В полупиковой зоне групповая компенсация также будет наиболее оптимальной.
Использование же индивидуальной компенсации будет наиболее целесообразным в пиковой зоне графика нагрузки промышленного предприятия.

Режимы работы и коэффициенты использования установленного электрооборудования также могут оказывать существенное влияние на выбор оптимального способа компенсации реактивной мощности. Так, при постоянной нагрузке более выгодной будет индивидуальная компенсация, а в случае, если нагрузка будет неравномерной — групповая или комбинированная компенсация.

Проведение углубленного технико-экономического анализа с последующим построением компьютерной модели системы электроснабжения промышленного предприятия и решением задачи многокритериальной оптимизации позволит определить наиболее оптимальные способы компенсации реактивной мощности в промышленных электрических сетях.

Таким образом, выбор оптимальных мест установки компенсирующих устройств и оптимизация процесса компенсации реактивной мощности в промышленных электрических сетях в целом является на сегодняшний день актуальной практической задачей.

Оптимизация процесса компенсации реактивной мощности позволит максимально снизить потери электроэнергии в электрических сетях, обусловленные перетоками реактивной мощности, сократить расходы промышленных предприятий на электроэнергию, увеличить пропускную способность электрических сетей и будет способствовать реализации на промышленных предприятиях потенциала энергосбережения.

Читайте также: