4.1. Реактивная мощность в электрической сети

Общетехнические дисциплины / Общая энергетика / 4.1.     Реактивная мощность в электрической сети

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности (ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

Мощность электрооборудования электроэнергетической системы (генераторов, линий электропередач, трансформаторов, электроприемников и т.п.) определяется его полной мощностью. Между полной мощностью (S) при синусоидальной форме напряжения и тока,  активной (Р) и реактивной (Q) мощностями существует квадратичная зависимость:

S² = Р² + Q².

При этом полная, активная и реактивная мощности соответственно равны:

S = UI;

Р = UIcosφ;

Q = UIsinφ,

где U и I — действующие значения синусоидального напряжения и тока; φ — угол между векторами напряжения и тока.

В конденсаторах, кабелях и других видах электрооборудования, которое характеризуется емкостным сопротивлением (Х_C), реактивной мощностью (Q = U²/Х_C), определяемой приложенным напряжением (U), создаются электрические поля.

В индуктивных элементах системы, например в реакторах, трансформаторах, электродвигателях, создаются магнитные поля. В этом случае реактивная мощность (Q = I²Х_L

) определяется током (I)и индуктивным сопротивлением элемента (Х_L).

Емкостной ток в идеальном конденсаторе опережает приложенное к нему напряжение на 90эл. град. Тогда мощность этого конденсатора

Q_C = UIsin(–φ) = –UI

имеет отрицательный знак. В этом случае говорят, что конденсатор генерирует реактивную мощность.

Индуктивный ток в идеальном реакторе отстает от приложенного к нему напряжения на 90эл.

град. Мощность реактора

Q_L = UIsinφ

имеет положительный знак. В этом случае говорят, что реактор потребляет реактивную мощность.

Очевидно, что в понятиях «генерирование» и «потребление» реактивной мощности заложена определенная условность, но тем самым подчеркивается, что взаимодействие емкостных и индуктивных элементов в электрической сети имеет компенсирующий эффект:

Q_S=Q_L – Q_C.

Это свойство элементов широко используется на практике для компенсации реактивной мощности, тем самым снижая падение напряжения в сети, потери электроэнергии.

Приведенные величины S, P, Q применяются при расчетах режимов в электроэнергетических системах, проектировании и выборе электрооборудования. Значения этих величин принимаются как независимые от времени, что позволяет существенно упростить расчеты.

Фактически же по цепи протекает переменный ток, мгновенное значение которого определяется выражением:

i = I_msin(wt – φ).

Под действием этого тока на элементах цепи устанавливается напряжение:

u_а = U_mcosjsin(wt – φ) — активная составляющая

и

u_р = U_msinjsin(wt – φ ± p/2) — реактивная составляющая.

Здесь U_m и I_m — амплитуды синусоидальных напряжения и тока.

При этом мощность, потребляемая активными элементами электрической цепи, определяется как функция времени выражением:

р_а = iu_а = UIcosφ[1 – cos(2wt – φ)],

а реактивная мощность, потребляемая (генерируемая) реактивными элементами, – выражением:

q_р = iu_р = ± UIsinφsin2(wt – φ).

Линейные диаграммы, отображающие мгновенные значения напряжения и тока в активно-индуктивной цепи, а также соответствующие им мощности приведены на рис. 4.1.

Амплитуды активной и реактивной мощностей, изменяющихся по синусоидальному закону с двойной частотой (2w), соответственно составляют:

Р = UIcosφ;

Q = UIsinφ,

т.е. те самые значения мощностей, которыми пользуются при расчетах режимов и выборе оборудования. При этом мгновенные значения «потребляемой» в индуктивных элементах и «генерируемой» в емкостных элементах реактивной мощности в каждый момент времени имеют противоположный знак, в чем, как было отмечено выше, и проявляется их взаимокомпенсирующее действие.

Для чего необходима компенсация реактивной мощности? Устройство компенсации реактивной мощности

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.

Соответственно все оборудование питания сети, передачи и распределения энергии должны быть рассчитаны на большие нагрузки. Кроме того, в результате больших нагрузок срок эксплуатации этого оборудования может соответственно снизиться. Дальнейшим фактором повышения затрат является возникающая из-за повышенного значения общего тока теплоотдача в кабелях и других распределительных устройствах, в трансформаторах и генераторах. Возьмем, к примеру, в нашем выше приведенном случае при cos(ф) = 1 мощность потерь равную 10 KW. При cos(ф) = 0,6 она повышается на 180% и составляет уже 28 KW. Таким образом, наличие реактивной мощности является паразитным фактором, неблагоприятным для сети в целом.

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 устройства компенсации реактивной мощности КРМ-0,4 (УКМ-58) — конденсаторные установки, 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;
• подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
• 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.

 

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

Что такое коэффициент мощности? Разница активной и реактивной мощности —

Посмотрим, какой коэффициент мощности? И, следовательно, мы увидим разницу между KVA и KW.

Сначала посмотрим, что такое коэффициент мощности?

Говоря простыми словами, Коэффициент мощности — это мера эффективного использования электроэнергии. Это означает, что чем больше коэффициент мощности, тем лучше использование энергии.

Коэффициент мощности — это не что иное, как угол между напряжением и током. Это разность фаз между напряжением и током. Следовательно, коэффициент мощности напрямую связан с разностью фаз между напряжением и током. Здесь мы можем видеть векторную диаграмму напряжения и тока источника переменного тока. Если мы рассмотрим напряжение как эталон, а Φ как угол между напряжением и током. Тогда коэффициент мощности равен cos Φ.

 

Теперь рассмотрим формы сигналов напряжения и тока. Это форма волны напряжения.

Уравнение напряжения:

V=VmsinωT

Где Vm=пиковое значение напряжения

ω=2πf, где f — частота, а T — время

Уравнения тока будут отличаться в зависимости от разности фаз между напряжением и током .

1. Ток в фазе с напряжением (Φ=0):

 

Это означает, что разность фаз между напряжением и током равна нулю. Это означает, что Φ равно нулю.

Следовательно, уравнение тока

I=ImsinωT

Уравнение и векторная диаграмма аналогичны диаграмме напряжения.

Где

Im= Пиковое значение тока. ω=2πf. f — частота. Т — время.

Ток в фазе с напряжением.

2. Ток опережает напряжение (Φ+Ve):

Это означает, что Φ положителен.

Отсюда уравнение тока

I=Imsin(ωT+Φ)

Ток опережает напряжение в емкостной цепи или нагрузке.

Ток опережает напряжение.

3. Ток отстает от напряжения (Φ-Ve):

Это означает, что Φ отрицательно.

Отсюда уравнение тока

I=Imsin(ωT-Φ)

Ток отстает от напряжения в индуктивной цепи или нагрузке. Как правило, любая бытовая или промышленная нагрузка является индуктивной. Ток отстает от напряжения.

Теперь давайте посмотрим, почему существует разница фаз между напряжением и током сети переменного тока?

Поскольку мы знаем, что разность фаз есть не что иное, как разница во времени между распространением напряжения и тока. Разница фаз в основном связана с частотой источника питания переменного тока. Из-за своей переменной природы мощность переменного тока имеет частоту, которая вызывает разность фаз между напряжением и током как в индуктивных, так и в емкостных цепях. В силовой цепи постоянного тока нет частоты, следовательно, нет разности фаз между напряжением и током, и, следовательно, коэффициент мощности равен единице.

Что такое активная мощность? А что такое реактивная мощность?

Простыми словами, активная мощность полезна для мощности, за счет которой нагрузка выполняет свою функцию.

Реактивная мощность существует в основном за счет индуктивных и емкостных свойств цепи или нагрузки, которая потребляется для зарядки цепей или нагрузок. Эта мощность перемещается между источником и нагрузкой. Следовательно, реактивная мощность не влияет непосредственно на функцию нагрузки.

Для лучшего понимания рассмотрим треугольник мощности. В этом треугольнике мощности это активная мощность, обозначаемая как P, это реактивная мощность, обозначаемая как Q, и это векторное сложение активной и реактивной мощностей, называемое полной мощностью, обозначаемое как S. Как мы видели, только эта активная мощность полезна для мощности. . Опять же, эти три типа мощности существуют из-за фазового угла, который представляет собой разность фаз между напряжением и током. Следовательно, активная и реактивная мощности также напрямую связаны с коэффициентом мощности.

Теперь давайте посмотрим на соотношение между реактивной мощностью.

Как известно, активная мощность

P = VIcosΦ

И реактивная мощность

Q = VIsinΦ

Где

В — напряжение, I — ток, а Phi — разность фаз между напряжением и током.

Также на диаграмме видно, что полная мощность представляет собой векторное сложение активной и реактивной мощностей.

Следовательно, полная мощность

S = вектор P + вектор Q

So

S = VIcosΦ + VIsinΦ

Кроме того, это представлено как

S = P + J Q

И по величине или скалярной форме это дано как

S = √(P²+Q²)

3 90 используются во многих расчетах, связанных с активной и реактивной мощностью.

Снижение реактивной мощности повышает эффективность и экономит затраты

Реактивная мощность: ненужная нагрузка и затраты

с отрицательным влиянием на эффективность электроустановки

Сегодня реактивная мощность присутствует во многих установках. Это создает дополнительную нагрузку на установку, оборудование и транспортную инфраструктуру (например, кабели и трубы). Реактивная мощность может возникать во внешней сети и в локальной сети и может быть вызвана как поставщиком энергии, так и конечным потребителем. Это отрицательно влияет на эффективность и мощность и приводит к ненужным (энергетическим) потерям и затратам. Решение: установка конденсаторной батареи Cos Phi и/или пассивного или активного фильтра гармоник.

Чрезмерная реактивная мощность может привести к

Перегрузка и перегрев электроустановки и подключенных компонентов (кабелей, трансформаторов….)

Проблемы мощности на установке

Непреднамеренное отключение установленных машин и связанных с ними бизнес-процессов

An неоправданно высокий счет за электроэнергию из-за потерь энергии

Штраф от поставщика энергии

Активная мощность по сравнению с реактивной мощностью

Электрическая энергия в электрической нагрузке частично преобразуется в другие формы энергии. В электродвигателе это может быть механическая энергия, но также и тепло. Вся энергия, преобразованная из электрической формы в любой другой вид энергии за определенный период времени, называется активной мощностью (кВт).

Однако электрическая энергия также может передаваться к нагрузке, но не преобразовываться в другую форму энергии. Эта энергия, передаваемая за определенный период времени, называется реактивной мощностью (кВАр). Реактивная энергия будет транспортироваться обратно к источнику. Эта дополнительная передача энергии приводит к дополнительным потерям энергии в кабелях и требует дополнительной мощности от электроустановки и кабелей.

Следующий логический вопрос: почему эта энергия транспортируется, но не преобразуется? Мы можем различать три типа электрической нагрузки: линейную, емкостную и индуктивную. Линейная нагрузка полностью преобразует всю энергию, подаваемую в нагрузку: это будет иметь 100% активной мощности и 0% реактивной мощности.

Часть объема электроэнергии всегда используется эффективно. Это называется активной мощностью или фактической мощностью (кВт). В установке фактическая мощность преобразуется в механическую энергию (двигатель), свет (лампа) или тепловую энергию (нагрев или охлаждение). Однако часть мощности всегда теряется. Это называется реактивной мощностью (кВАр). Эта мощность требуется для создания магнитных и электрических полей, необходимых для правильного функционирования таких устройств, как трансформаторы, устройства управления и газоразрядные лампы. Полная мощность или полная мощность представляет собой сумму фактической (активной) мощности и реактивной мощности.

В результате реактивной мощности увеличивается полная мощность, а также нагрузка и минимальная необходимая мощность электрической инфраструктуры. Требуется большая подключаемая мощность, а также более (мощные) трансформаторы, более толстые кабели, больше меди и так далее. Реактивная мощность также приводит к более высоким счетам за электроэнергию из-за более высоких потерь энергии в установке. Кроме того, поставщики энергии все чаще взимают плату за включенную реактивную мощность с конечного потребителя. Этот «штраф» можно найти в счете за электроэнергию.

Общая мощность (кВА) = фактическая (активная) мощность (кВт) + реактивная мощность (кВАр)

На приведенном выше рисунке мощность сравнивается с полным стаканом пива (общая или кажущаяся мощность). Жидкость (которую вы пьете) представляет фактическую мощность, а пена (дополнительный продукт) представляет собой реактивную мощность.

Заинтересованы в возможностях?

Мы будем рады помочь вам получить представление о качестве электроэнергии в вашей установке. Благодаря измерениям, анализу и соответствующей отчетности мы предлагаем вам информацию о состоянии качества электроэнергии вашей установки.

В каких случаях НЕТ реактивной мощности?

При омической/резистивной нагрузке имеющаяся в установке мощность напрямую преобразуется в полезную энергию. Примеры включают электрические духовки, лампочки и радиаторы. Ток в этом случае находится в фазе с напряжением.

В каких ситуациях возникает реактивная мощность?

В большей или меньшей степени реактивная мощность присутствует в каждой электроустановке. Это присутствие тесно связано с постоянно растущим использованием электроники и индуктивных нагрузок.

Мы можем различать следующие типы реактивной мощности 

1. Переменная реактивная мощность : вызванная индуктивными и/или емкостными нагрузками. Они гарантируют, что ток «отстает/отстает» от напряжения (индуктивный) или что ток «опережает/обгоняет» напряжение (емкостный).
2. Искажающая реактивная мощность : это «нежелательная» часть полной мощности, связанная с гармоническими помехами, вызванными нелинейными нагрузками.

Также может встречаться комбинация этих типов. Некоторые нагрузки, такие как системы ИБП, вызывают как индуктивную, так и искажающую реактивную мощность. Чтобы найти правильное решение или комбинацию решений, требуются специальные знания. HyTEPS обладает знаниями, опытом и высококачественной продукцией для поддержки этого.

Индуктивная

Реактивная мощность

• Возникает в результате индуктивных нагрузок.
• Возникает особенно в установках с большим количеством индуктивных нагрузок (включая трансформаторы и сварочное оборудование).
• Например: промышленные установки.
• Ток и напряжение не совпадают по фазе; ток «отстает/опаздывает» за напряжением.

Емкостная

Реактивная мощность

• Возникает из-за емкостных нагрузок.
• Возникает особенно в установках с большим количеством электроники. Также встречается в установках с конденсаторами увеличенной емкости.
• Например: центры обработки данных, больницы, туннели.
• Ток и напряжение не совпадают по фазе; ток опережает/ опережает напряжение.

Искажения

Реактивная мощность

• Возникает в результате гармонических составляющих в электроустановке.
• Возникает особенно в установках с (многими) нелинейными нагрузками (выпрямители, преобразователи частоты, ИБП).
  Также встречается в низковольтных установках.
• Гармонические токи вызывают деформации тока, вызывая искажение напряжения.

Реактивная мощность связана с коэффициентом мощности

Коэффициент мощности представляет собой отношение фактической (активной) мощности к полной (полной) мощности в установке переменного напряжения. В идеальной ситуации коэффициент мощности равен 1. Напряжение и ток совпадают по фазе; активная мощность в этом случае равна полной мощности. Из-за наличия индуктивной и/или емкостной реактивной мощности полная мощность увеличивается, а коэффициент мощности становится меньше 1,9.0003

Коэффициент мощности представляет собой комбинацию коэффициента мощности (cos φ) и общего гармонического загрязнения (THD или Total Harmonic Distortion). Гармоники возникают в установках с нелинейными нагрузками. Это искажает синусоидальную форму тока. Сумма всех гармонических токов может вызвать искажение напряжения.

При уменьшении коэффициента мощности требуется все больший ток для обеспечения той же фактической мощности при том же напряжении.