- •Введение
- •1. Выбор электрооборудования
- •1.2. Выбор осветительных приборов
- •Рекомендации по проектированию осветительных приборов
- •1.3. Выбор степени защиты и исполнения электрооборудования
- •2. Расчет электрических нагрузок цеха (предприятия)
- •3. Схемы электроснабжения цеха (предприятия)
- •4. Выбор трансформаторов подстанции
- •5. Реактивная мощность в сетях промышленных предприятий и ее компенсация
- •Понятия активной, полной и реактивной мощностей
- •Компенсация реактивной мощности
- •6. Выбор проводов и жил кабелей
- •7. Общие указания по выбору аппаратов управления и защиты
- •8. Регулируемый электропривод как средство рационального использования энергоресурсов и снижения потребления реактивной энергии
- •8.1. Система тиристорный преобразователь напряжения – асинхронный двигатель
- •8.2. Внедрение частотно - регулируемых асинхронных электроприводов как средства сбережения электроэнергии, повышения cosφ
- •9. Качество электрической энергии и энергосбережение
- •Библиографический список
- •Приложение 1 Примеры определения момента нагрузки Мс
- •Приложение 2
- •Приложение 3
- •Приложение 4
- •Выбор кабельных линий, автоматического выключателя и предохранителя в сети 0,4 кВ Задание на проектирование
- •1. Расчет электрических нагрузок по коэффициенту расчетной активной мощности
- •Значения коэффициентов расчетной нагрузки Kр для питающих сетей
- •2. Расчет пиковых нагрузок электроприемников
- •3. Выбор кабельных линий
- •Допустимый длительный ток определяется следующим образом:
- •4. Расчет токов коротких замыканий
- •Трансформаторы трехфазные силовые общего назначения двухобмоточные
- •Расчет трехфазного короткого замыкания
- •Расчет однофазного короткого замыкания
- •5. Выбор защитной и коммутационной аппаратуры Выбор предохранителя
- •Выбор электротеплового реле
- •Выбор автоматического выключателя
- •6. Проверка кабеля на термическую стойкость
- •7. Проверка допустимости перегрева кабеля при протекании по нему пикового тока в течение времени срабатывания защиты
- •Приложение 6
- •Пример определения эффективности использования регулируемого привода насосных установок
- •Оглавление
- •Электроснабжение и электрооборудование промышленных предприятий
- •Редакционно-издательский отдел угту – упи
- •620002, Екатеринбург, ул. Мира, 19
- •620002, Екатеринбург, ул. Мира
5. Реактивная мощность в сетях промышленных предприятий и ее компенсация
Одним из основных вопросов, решаемых как на стадии проектирования, так и при эксплуатации систем промышленного электроснабжения, является вопрос о компенсации реактивной мощности (РМ), включающий выбор целесообразных источников, расчет и регулирование их мощности, их размещение в системе электроснабжения.
Количественные и качественные изменения, происходящие в промышленном электроснабжении за последние годы, придают этому вопросу особую значимость. В настоящее время прирост потребления реактивной мощности существенно превосходит прирост потребления активной мощности. При этом передача реактивной мощности на значительные расстояния от мест генерации до мест потребления существенно ухудшает технико-экономические показатели систем электроснабжения.
Понятия активной, полной и реактивной мощностей
Пусть приемник электроэнергии присоединен к источнику синусоидального напряжения u(t) = Usin(ωt) и потребляет синусоидальный ток i(t) = I sin (ωt -φ), сдвинутый по фазе относительно напряжения на угол φ. U и I – действующие значения. Значение мгновенной мощности на зажимах приемника определяется выражением
p(t) = u(t) ∙i(t) = 2UI sin(ωt) sin (ωt -φ) = UI cos φ - UI cos (2ωt -φ) |
(5.1) |
и является суммой двух величин, одна из которых постоянна во времени, а другая пульсирует с двойной частотой.
Среднее значение p(t) за период Т называется активной мощностью и полностью определяется первым слагаемым уравнения (5.1):
Активная мощность характеризует энергию, расходуемую необратимо источником в единицу времени на производство полезной работы потребителем. Активная энергия, потребляемая электроприёмниками, преобразуется в другие виды энергии: механическую, тепловую, энергию сжатого воздуха и
газа и т. п.
Среднее значение от второго слагаемого мгновенной мощности (1.1) (пульсирует с двойной частотой) за время Т равно нулю, т. е. на ее создание не требуется каких-либо материальных затрат и поэтому она не может совершать полезной работы. Однако ее присутствие указывает, что между источником и приемником происходит обратимый процесс обмена энергией. Это возможно, если имеются элементы, способные накапливать и отдавать электромагнитную энергию – емкость и индуктивность. Эта составляющая характеризует реактивную мощность.
Полную мощность на зажимах приемника в комплексной форме можно представить следующим образом:
. |
(5.2) |
Единица измерения полной мощности S = UI – ВА.
Реактивная мощность – величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями (обменом) энергии между источником и приемником. 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.
Реактивная мощность не связана с полезной работой ЭП и расходуется только на создание переменных электромагнитных полей в электродвигателях, трансформаторах, аппаратах, линиях и т. д.
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 %).
Передача реактивной мощности загружает электрические сети и установленное в ней оборудование, уменьшая их пропускную способность. Реактивная мощность генерируется синхронными генераторами электростанций, синхронными компенсаторами, синхронными двигателями (регулирование током возбуждения), батареями конденсаторов (БК) 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; подземный кабель 20 кВ – 20 кВ∙Ар/км; 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 и (5.2) следует, что S2 = Р2 + Q2; tgφ = Q/P; cosφ = P/S.
Основным нормативным показателем, характеризующим реактивную мощность, ранее 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 tgφ = Q/P, которое называют коэффициентом реактивной мощности.
Предприятиям, у которых присоединенная мощность более 150 кВт (за исключением «бытовых» потребителей), определены предельные значения коэффициента реактивной мощности, потребляемой в часы больших суточных нагрузок электрической сети – с 7 до 23 часов (Приказ Министерства промышленности и энергетики РФ от 22.02.2007 г. № 49 «О порядке расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии»).
Предельные значения коэффициентов реактивной мощности (tgφ) нормируются в зависимости от положения точки (напряжения) присоединения потребителя к сети. Для напряжения сети 100 кВ tgφ=0,5; для сетей 35, 20, 6 кВ – tgφ=0,4 и для сети 0,4 кВ – tgφ=0,35.
Введение новых директивных документов по компенсации реактивной мощности было направлено на повышение эффективности работы всей системы электроснабжения от генераторов энергосистемы до приемников электроэнергии.
С введением коэффициента реактивной мощности стало возможным представлять потери активной мощности через активную или реактивную мощности: ∆Р = (P2/U2)R(l + tg2φ).
Угол между векторами мощностей Р и S соответствует углу φ между векторами активной составляющей тока Iа и полного тока I, который, в свою очередь, представляет собой векторную сумму активного тока Iа, находящегося в фазе с напряжением, и реактивного тока Iр, 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.
Электродвигатели |
tgφ |
cosφ |
Однофазный асинхронный двигатель |
1,30–0,90 |
0,61–0,74 |
Трехфазный асинхронный двигатель |
1,00–0,50 |
0,70–0,89 |
Коллекторный двигатель |
1,30–1,00 |
0,61–0,70 |
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 Pном и напряжении Uном могут вырабатывать номинальную реактивную мощность Qном ≈ 0,5Pном.
При недогрузке СД по активной мощности β = P/Pном < 1 возможна перегрузка по реактивной мощности α = Q/Qном > 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 Pном, кВт:
∆Рном = Q2номR /U2ном ,
где Qном – номинальная реактивная мощность СД, кВ∙Ар; R – сопротивление одной фазы обмотки СД в нагретом состоянии, Ом; Uном – номинальное напряжение сети, кВ.
В системах электроснабжения промышленных предприятий КБ компенсируют реактивную мощность базисной (основной) части графиков нагрузок, а СД снижают пики нагрузок графика.
Таблица 5.1
Зависимости коэффициента перегрузки по реактивной мощности
синхронных двигателей
Серия, номинальное напряжение, частота вращения двигателя |
Относительное напряжение на зажимах двигателя U/Uном |
Коэффициент перегрузки по реактивной мощности α при коэффициенте загрузки β |
||
0,90 |
0,80 |
0,70 |
||
СДН, 6 и 10 кВ (для всех частот вращения) СДН, 6 кВ: 600–1000 об/мин 370–500 об/мин 187–300 об/мин 100–167 об/мин СДН, 10 кВ: 1000 об/мин 250–750 об/мин СТД, 6 и 10 кВ, 3000 об/мин
СД и СДЗ, 380 В (для всех частот вращения) |
0,95 1,00 1,05
1,10 1,10 1,10 1,10
1,10 1,10 0,95 1,00 1,05 1,10 0,95 1,00 1,05 1,10 |
1,31 1,21 1,06
0,89 0,88 0,86 0,81
0,90 0,86 1,30 1,32 1,12 0,90 1,16 1,15 1,10 0,90 |
1,39 1,27 1,12
0,94 0,92 0,88 0,85
0,98 0,90 1,42 1,34 1,23 1,08 1,26 1,24 1,18 1,06 |
1,45 1,33 1,17
0,96 0,94 0,90 0,87
1,00 0,92 1,52 1,43 1,31 1,16 1,36 1,32 1,25 1,15 |
Синхронные компенсаторы. Разновидностью СД являются синхронные компенсаторы (СК), которые представляют собой СД без нагрузки на валу. В настоящее время выпускается СК мощностью выше 5000 кВ∙Ар. Они имеют ограниченное применение в сетях промышленных предприятий. Для улучшения показателей качества напряжения у мощных ЭП с резкопеременной, ударной нагрузкой (дуговые печи, прокатные станы и т. п.) используются СК.
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. 5.2. В ней в качестве регулируемой индуктивности используются индуктивности LR и нерегулируемые ёмкости С1–С3.
Рис. 5.2. Быстродействующие источники реактивной мощности
Регулирование индуктивности осуществляется тиристорными группами VS, управляющие электроды которых подсоединены к схеме управления. Достоинствами статических ИРМ являются 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.