Все чаще в различных изданиях и СМИ, в рамках информации о реализации Федерального закона от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности…» встречается информация о борьбе с реактивной мощностью в сетевых компаниях и на промышленных предприятиях. Что же это за такое зло, что для борьбы с ним сетевыми компаниями тратятся сотни миллионов рублей, разрабатываются специальные долгосрочные целевые программы мероприятий по управлению реактивной мощностью в электрических сетях, ведутся агитации среди крупных потребителей электроэнергии на установку устройств по компенсации реактивной мощности. Так ли она важна и необходима эта компенсация?
Зачастую, многие потребители подсознательно полагают, что генерирующие компании поставляют два типа электрической энергии, так как оплачивают счета за потребленную активную и реактивную мощность, составляющие полной мощности выдаваемой генерирующими подстанциями. Хотя на самом деле понятие реактивной мощности хоть и общепринято и употребляемо, но не совсем корректно, так как физически реактивной мощности (именно в классическом понимании мощности, как отношения работы ко времени) не существует, так как никакой работы она не совершает.
Активная мощность — та часть электрической энергии, которая идет на совершение полезной работы и в процессе потребления преобразуется в другие типы энергии, например тепловую, механическую или световую.
Название реактивная мощность, по аналогии с реактивным сопротивлением, обусловлено способностью индуктивных и емкостных элементов накапливать и отдавать обратно в сеть, запасенную магнитную или электрическую энергию, и проявлять кажущиеся сопротивление только в цепях переменного тока. В то время как активное сопротивление зависит только от конкретного материала проводника.
Согласно общепринятому утверждению, под условным термином «реактивная мощность» понимают вторую составляющую полной мощности в сетях переменного тока, характеризующую интенсивность обмена/циркуляции электрической энергии между источником и подключенной к нему реактивной нагрузки (элементов индуктивности и/или конденсаторов), которая необходима только для расчетов определяющих влияние реактивных элементов на сеть.
Индуктивные (катушки в трансформаторах, дросселях, индукционных печах, двигателях и пр.) и емкостные (конденсаторные батареи) элементы практически не расходуют электроэнергии (без учета магнитного рассеивания и утечек в конденсаторах), хотя она и используется для создания электромагнитных и электрических/электростатических полей, но в процессе разряда возвращается обратно в сеть. Так как энергия циркулирует, то соответственно есть изменения тока и напряжения, которые можно посчитать в виде условной реактивной мощности используемой только для совершения данных преобразований.
Для электрических цепей в зависимости от подключаемого оборудования можно выделить три ситуации:
- если оборудование имеет практически чистую активную (резистивную) нагрузку, например, лампы накаливания, утюги, электроплиты и др. приборы, то протекающий через цепь переменный ток будет синфазен напряжению (см. рис. ниже). Т.е. ток и напряжение будут совпадать по фазе, угол между напряжением и током ϕ=0. Для данного случая мощность является полностью активной и определяется как произведение тока на напряжение. Мощность, переданная источником, полностью тратится на совершение работы.
Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для активной (резистивной) нагрузки.
- в оборудовании преобладает только индуктивная нагрузка. В данном случае имеется ситуация когда ток отстает от напряжения на уголϕ (см. рис. ниже), это связано со свойственной индуктивности инерционностью, задерживать появление тока. Для идеального случая, когда ϕ = 90° (в некоторой степени подходит для асинхронных двигателей и трансформаторов, работающих на холостом ходу ϕ > 80°), как видно из рисунка, в первой четверти периода происходит потребление энергии для создания магнитного поля, а во второй четверти его обратная генерация в сеть, т.е. происходит обмен мощностью.
Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для индуктивной нагрузки.
- третья ситуация аналогична предыдущей, но в данном случае для оборудования с только емкостной нагрузкой, проходящий через него ток будет опережать напряжение (см. рис. ниже).
Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для емкостной нагрузки.
В реальности нагрузка имеет более-менее выраженную индуктивно-емкостную нагрузку (см. рис. ниже), зависящую от параметров самого оборудования. Из-за смещения фаз напряжения и тока уменьшается величина активной мощности, используемой для совершения полезной работы в системах с индуктивной нагрузкой, так как часть электрической энергии (реактивной мощности) будет циркулировать в энергосистеме и тратиться только на создание магнитных полей, не совершая ничего полезного, что в свою очередь приводит к увеличению тока необходимого для полноценной работы оборудования. В то же время, как известно, все проводники обладают активным сопротивлением, и циркуляция больших токов в системе будет приводить к их нагреву (величина нагрева, а соответственно и потерь, как известно, пропорциональна квадрату тока), а соответственно и к потерям электрической энергии.
Рис. Диаграмма напряжения, тока и мощности для индуктивно-емкостной нагрузки.
Для расчетов полной мощности применяется формула,
где, P — активная мощность, определяется по формуле,
Q — реактивная мощность, определяется по формуле,
U — напряжение, I — сила тока, ϕ — угол между напряжением и током.
Как было сказано выше, перетоки реактивной мощности в сети не выполняют полезной работы, при этом загружают источник, силовые линии, и все коммутационное оборудование, установленное между генерирующими станциями и конечными потребителями, а также нагревая кабели и линии высоковольтных передач, снижая тем самым их пропускную способность (с увеличением температуры растет сопротивление проводов) и создавая бесполезное тепло. Зачем же греть окружающую среду и еще платить за это деньги?
Помимо этого снижение пропускной способности и увеличение потерь из-за нагрева проводов ведет к значительным отклонениям напряжения, нормируемым в соответствии с ГОСТ 13109-97, что в конечном итоге негативно сказывается на:
- уменьшение вращающего момента и частоты вращения асинхронных двигателей, что в конечном итоге, при соответствующей нагрузке может привести к его остановке. Одновременно с уменьшением напряжения (снижения реактивной мощности на 2-3 % за каждый процент напряжения) пропорционально вырастит ток двигателя, что может привести к перегреву изоляции обмоток и уменьшения его срока службы.
- уменьшение световой отдачи осветительных приборов, что скажется на производительности труда рабочих. Для люминесцентных ламп снижения/повышения напряжения на 10% приводят к уменьшению их срока службы на 20-25%. Помимо этого, учитывая то, что многие производители компактных люминесцентных ламп не используют в ЭПРА корректоры коэффициента мощности (ККФ), увеличение питающего напряжения ведет к увеличению потребления реактивной мощности. Без ККФ значение коэффициента мощности находиться на уровне 0.5, что делает проблему компенсации также актуальной для индивидуальных потребителей электроэнергии со значительным количеством данных ламп.
- качество работы и длительность эксплуатации различной бытовой электроаппаратуры.
- на качество работы сварочного оборудования, так при отклонениях напряжения до 15%, на машинах для точечной сварки будет гарантированно получаться брак.
- качество и устойчивость работы энергетических систем, возможно появление такой ситуации как «лавина напряжении», обусловленная нарастающим дефицитом реактивной мощности.
Исходя из всего вышесказанного, решение проблем по компенсации реактивной мощности занимают одно из важнейших мест среди мероприятий направленных на повышение эффективности распределения, передачи и потребления электроэнергии. Ведь от их результатов зависит качественное электроснабжение, а также экономия средств по оплате за потребленную электроэнергию (активную и реактивную) и материальных ресурсов. Поэтому в зависимости от конкретной ситуации, все вопросы по компенсации реактивной мощности необходимо решать с учетом современных разработок и решений для данной области.
Основной безразмерной величиной, характеризующей преобладание реактивной составляющей в оборудование, является коэффициент мощности, который численно равен косинусу сдвига тока относительно приложенного к нагрузке напряжения или отношению потребляемой оборудованием активной мощности (Р), к полной (S).
Таким образом, многие предприятия и генерирующие/распределительные сетевые компании стремятся увеличить cos(ϕ) до 1, чтобы в значительной мере снизить величину потребляемой реактивной мощности. Как было приведено выше, в быту и промышленности в основном преобладает оборудование с индуктивным характером нагрузки, с отставанием тока от напряжения, поэтому используя устройства с емкостной нагрузкой, удается уменьшить сдвиг между током и напряжением в фазе, а соответственно добиться cos(ϕ), близкого к единице.
Этого можно достичь с минимальными затратами путем использования компенсирующих установок построенных на базе конденсаторов (конденсаторные установки КРМ, АУКРМ, батареи статических конденсаторов), более дорогих синхронных двигателей в режиме перевозбуждения или тиристорных схем с фильтрами, устанавливаемых непосредственно вблизи оборудования с преобладающей реактивной нагрузкой или группами, на распределительных подстанциях предприятия. Так создание электрической энергии с преобладающей емкостной характеристикой с генерирующих синхронными генераторами подстанций, в целом не целесообразно, ввиду тех же самых потерь при передаче и распределении электрической энергии.
В последнее время все более востребованными становятся конденсаторные установки АУКРМ, позволяющие производить более точную коррекцию коэффициента мощности с учетом изменения значений, потребляемой мощности от токов нагрузки, напряжения, времени суток.
При этом при формировании конденсаторной установки желательно обеспечивать максимально малый шаг регулирования, но с использованием минимального количества конденсаторов. В конечном итоге грамотный выбор определенного оборудования для компенсации реактивной мощности определяется на основании технико-экономических расчетов, характера преобладающей в сетях предприятия реактивной нагрузки, что позволит достигнуть положительного экономического эффекта при минимальных сроках окупаемости внедренного оборудования.
По материалам компании «Нюкон»
