Выберите ваш филиал:
ул. Иркутская, д.3 стр. 20
+7 (495) 788-11-33
пн-пт 9:30-18:00
сб 10:00-17:00
Ярославское ш., д.146, к.1
+7 (495) 788-93-33
пн-пт 9:30-18:00
ул Складочная, 1, стр. 31
+7 (495) 788-07-80
пн-пт 9:30-18:00
МО, п. Трехгорка,
ул. Трехгорная, дом 12
+7 (495) 788-15-16
пн-пт 9:30-18:00
МО, Подольск, пр-т Юных
Ленинцев, д.70, стр. 3
+7 (495) 788-04-80
пн-пт 9:30-18:00
Бомбардирование - процесс активирования электродов и удаления загрязнений из неоновой трубки. То же самое, что прожиг [...]
ЗЕНОН - Рекламные Поставки
Статьи

Компенсация реактивной мощности

Евгений Авдонин

Рациональное проектирование электротехнической части газосветных установок весьма важно как для их нормальной работы, так и для обеспечения их совместимости с существующими электрическими сетями. Круг проблем, которые приходится решать проектировщику, достаточно широк, и, к сожалению, многие из них часто остаются нерешенными. Это, в частности, относится и к компенсации реактивной мощности.

"Мы не буржуи - электрическую энергию зря жечь..." - сказал один из героев бессмертного романа Ильи Ильфа и Евгения Петрова "Золотой теленок". Применительно к сфере производства наружной рекламы эти слова по-прежнему актуальны.

Рис.1. Эпюры тока (красный цвет)
и напряжения (черный цвет)
Мы, потребители, сами вносим вклад в перегрузку электрических сетей (ЭС). Исследование электроустановок различных предприятий позволяет сразу же обнаружить массу нерациональных конструкторских решений: отсутствие или недостаточную компенсацию реактивной мощности (РМ), асимметрию нагрузок по фазам сети, необоснованно заниженное сечение нулевого проводника.

К сожалению, Ростехнадзор редко обращает внимание на подобные факты. Ведь многих проблем можно было бы избежать, если бы проработка документации проектировщиками проводилась тщательнее, а техническая грамотность монтажного и эксплуатационного электротехнического персонала была выше. Еще одна наша беда - низкая техническая культура обслуживания электроустановок.

Основные термины

Как известно, генератор переменного тока вырабатывает два вида электрической энергии - активную и реактивную. Активная энергия расходуется в электрических печах, лампах, электрических машинах и иных потребителях, переходя в другие виды энергии - тепловую, световую, механическую. Реактивная же энергия не расходуется потребителями и возвращается по питающей линии к генератору. Это влечет рост тока, протекающего по ЭС, и соответственно требует увеличения площади их сечения.

Рис. 2. Индивидуальная (а)
и групповая (б) компенсация
реактивной мощности
Чтобы упростить понимание дальнейших выкладок и заключений, вспомним некоторые элементы курса физики. На рис. 1 показаны эпюры тока и напряжения в цепях переменного тока с различными нагрузками. На рис. 1а нагрузкой генератора G1 служит сопротивление R1 - это может быть лампа накаливания, электрочайник или плитка - одним словом, нагрузка, не имеющая конденсаторов и дросселей или трансформаторов. В такой цепи ток изменяется синхронно с напряжением: в моменты, когда напряжение достигает максимума и минимума, имеются аналогичные экстремумы кривой тока и т.п. Элемент R1 носит в данном случае название диссипативного элемента, то есть превращающего электрическую энергию в другие ее виды - тепловую, механическую, световую и т.п. Но если включить в цепь индуктивность (дроссель, показанный на рис. 16 как L1), то картина резко изменится. Как видно из рисунка, ток в цепи дросселя отстает от напряжения. Напряжение достигает нулевого значения, а ток в цепи в это время еще течет! Если же генератор нагружен емкостью - конденсатором С1 (рис. 1в), то в такой цепи ток, напротив, опережает изменение напряжения. Эти явления обусловлены реактивностью индуктивных и емкостных элементов, то есть их способностью препятствовать мгновенному изменению тока одновременно с изменениями напряжения, опережая или отставая от последнего.

Особенно интересен тот факт, что в интервалах времени t1 и t2 (рис. 1б и 1в) напряжение и ток имеют противоположные знаки. В это время мощность не потребляется нагрузкой, а, напротив, подается обратно по сети в сторону генератора. Эта мощность, называемая реактивной, совершает колебательные движения между нагрузкой и генератором, не расходуясь в диссипативных элементах. Самое интересное заключается в том, что цепь, содержащую индуктивную нагрузку, нельзя лишить РМ, но разгрузить генератор от этой РМ можно и нужно. В масштабах энергосистемы, а тем более страны, задача компенсации РМ становится чрезвычайно важной: к примеру, лет тридцать назад на Днепрогэсе один-два гидроагрегата постоянно работали в режиме синхронного компенсатора, выдавая в сеть реактивную мощность. Естественно, такое, можно сказать бесполезное, использование мощностей огромной ГЭС обусловлено серьезными проблемами из-за дефицита РМ емкостного характера в ЭС. В наши дни проблем, вызванных обилием нагрузок с низким коэффициентом мощности, меньше не стало.

Мощность в цепях переменного тока

В промышленной сети мы имеем дело с изменением напряжения и тока по синусоидальному закону, описываемому как:

А = Am sin (ωt+φ), где Am - амплитудное значение функции, t - независимая переменная. Приняв угол ср для кривой напряжения равным нулю, для кривой тока в случае нагрузки активного характера φ = 0, для индуктивной нагрузки φ > 0, для нагрузки емкостной φ < 0. Обычно на практике пользуются не величиной самого угла φ, а значением cos φ (косинус фи), называемым коэффициентом мощности (КМ). Для активной нагрузки (нагревательные приборы, лампы накаливания и т.п.), не обладающей заметной индуктивностью и емкостью, cos φ = 1. При наличии в цепи реактивных элементов cos φ < 1.

В цепях переменного тока, содержащих индуктивные и емкостные элементы, определены три величины мощности:

  • активная Р, измеряемая в ваттах (Вт) и вычисляемая по формуле:

P = UI cos ф = UI

где U - напряжение питания цепи, I - ток в цепи;

  • реактивная Q, измеряемая в варах (ВАр - вольт-ампер реактивный), определяемая как:

Q = UI sin ф = UI

  • полная S - вычисляется аналогично мощности цепи постоянного тока:

S = UI =

Единицей измерения полной мощности служит вольт-ампер (ВА). Раньше полную мощность называли кажущейся - это указывало на тот факт, что на самом деле полезная работа в цепи совершается при меньшей мощности (Р). Из представленных формул виден физический смысл cos φ - коэффициент показывает, какая часть полной мощности (в долях единицы) используется для совершения полезной работы, то есть соотношение между полной и активной мощностями. Существенным для практики является тот факт, что реактивная нагрузка индуктивного характера может быть скомпенсирована включением параллельно ей емкостной нагрузки. При внимательном изучении рис. 1 это явление становится очевидным: отстающий ток индуктивной ветви такой цепи компенсируется опережающим током ветви емкостной. При надлежащем подборе емкости отставание тока в цепи может быть почти полностью скомпенсировано (cos φ = 1). Конденсаторы, включаемые параллельно индуктивной нагрузке для компенсации ее РМ, называют компенсирующими, или косинусными (поскольку служат для повышения cos φ ЭУ).

Таблица 1. результаты эксперимента с ГТ Tecnoservice 10025

Методы компенсации

Компенсация РМ может быть индивидуальной (местной), когда конденсаторы монтируются в непосредственной близости от каждого потребителя (рис. 2а) и групповой (рис. 2б) с использованием специальных конденсаторных установок, располагаемых обычно вблизи трансформаторных подстанций, распределительных пунктов и т.п., присоединяемых к началу каждой групповой линии. Такой метод целесообразен для крупных ЭУ

Потребление РМ связано с наличием в ЭС индуктивных и емкостных нагрузок, в том числе и с собственной емкостью и индуктивностью сетей. Однако подавляющее большинство электроприборов представляет собой комплексные - активно-индуктивные - нагрузки. Это, например, электродвигатели, трансформаторы, все виды разрядных ламп, работающие с индуктивным пускорегулирующим аппаратом (ПРА). Низкий КМ вынуждает увеличивать полную мощность трансформаторов, влечет снижение КПД генераторов и трансформаторов и увеличение потерь напряжения и мощности в проводах, что в свою очередь вынуждает увеличивать их сечение. Обычно сечение нулевого проводника принимается равным сечению фазных, что позволяет обеспечить нормальную работу трехфазной сети при неравномерной нагрузке фаз - в режиме, когда ток в нулевом проводе равен фазному току. В электроустановках (ЭУ) большой мощности вероятность асимметричного режима работы снижается за счет множественного включения потребителей, запитанных от разных фаз. Для питания таких ЭУ допускается применение кабелей с уменьшенным сечением нулевого проводника (для кабелей с медными жилами - при сечении фазных проводников более 16 мм2, с алюминиевыми жилами - более 25 мм2).

Коэффициент мощности падает при:

  • недогрузке электродвигателей переменного тока;
  • неправильном выборе электродвигателей (тихоходные, маломощные и закрытые двигатели имеют более низкий cos φ);
  • росте напряжения питания по отношению к номинальному (при этом увеличивается намагничивающий ток, a cos φ падает);
  • неправильном ремонте электродвигателей и трансформаторов, когда возрастает магнитный поток рассеяния.

При наличии в нагрузке значительных индуктивностей рассеяния cos φ ее будет низким. В частности, для мощных газосветных трансформаторов (ГТ) он может достигать 0,4 и ниже, причем, чем меньше нагрузка ГТ, то есть чем выше потери мощности за счет магнитного рассеяния, тем ниже будет и cos φ. Это прямо указывает на необходимость рационального распределения нагрузки по ГТ в составе ГУ. Например, использование ГТ на напряжение 6-10 кВ для питания одной-двух газосветных ламп (ГЛ) неэффективно, здесь выгоднее применять ПРА, рассчитанный на меньшее напряжение: он и дешевле, и экономичнее в эксплуатации. Дело в том, что вследствие большого коэффициента самоиндукции при разомкнутой вторичной обмотке трансформатора его первичная обмотка имеет небольшое активное и достаточно высокое индуктивное сопротивление. При замыкании цепи нагрузки и по мере увеличения ее тока коэффициент самоиндукции снижается, падает индуктивное сопротивление первичной обмотки. Это увеличивает протекающий в ней ток и снижает его реактивную составляющую.

Проверим на практике...

Рис. 3. Включение ГТ с косинусным конденсатором
В табл. 1 приведены результаты эксперимента с ГТ Tecnoservice 10025 (10 кВ, 25/32 мА). В режиме холостого хода (XX) - вторичная обмотка разомкнута - трансформатор потребляет минимальную мощность. В режиме короткого замыкания (КЗ) вторичной обмотки ток в ней максимален, как и мощность, потребляемая ГТ. Однако в обоих случаях cos φ ГТ весьма низок - всего 0,15. Это означает, что практически вся мощность, потребляемая ГТ, расходуется на перемагничивание сердечника. При включении ГЛ по мере роста их количества в цепи (рис. 3) cos φ начинает расти, и чем ближе величина нагрузки к номинальной, тем выше КМ. Однако даже при номинальной нагрузке рассматриваемого ГТ он невелик (см. табл. 2):

Cos φ = P/S = P/UI = 0,54.

Значит, лишь чуть больше половины мощности, потребляемой ГТ, идет на совершение полезной работы. Однако, включив параллельно первичной обмотке ГТ конденсатор (С1 на рис. 3) емкостью 12,5 мкФ, можно резко увеличить cos φ - примерно до 0,86-0,9. Значение cos φ = 0,92-0,95 на вводе ЭУ считается в Правилах устройства электроустановок (ПУЭ) приемлемым, поскольку дальнейшее его увеличение сопряжено с возможностью перекомпенсации (превышения индуктивной нагрузки емкостной) и нецелесообразно. Отдельные потребители в составе ЭУ могут иметь и более низкий cos φ, что обычно компенсируется за счет наличия активных нагрузок.

В средних и крупных ГУ, содержащих 8-10 ГТ и более, особенно на большие токи нагрузки (50 мА и выше), вопрос о компенсации РМ весьма актуален.

Пример. ГУ с 10 трансформаторами Tecnoservice 10050 (10 кВ, 50 мА) имела полную мощность 5,37 кВА, КМ 0,53 и соответственно активная мощность, потребляемая ГУ, составляла всего 2,85 кВт. Потребляемый ею ток по факту достигал 25 А. Автоматический выключатель на ток 20 А, защищавший цепь, выполненную проводом ППВ 3×1,5, отключался после 10-20 минут работы ГУ. Поскольку прокладка новой питающей линии оказалась невозможной, было решено использовать групповую компенсацию РМ. После включения параллельно ГТ группы конденсаторов общей емкостью около 180 мкФ (что несколько меньше рекомендуемого табл. 2) потребляемый ток снизился до 13,6 А, а провод ППВ перестал греться.

Естественно, что затраты на монтаж и эксплуатацию такой ГУ могут быть резко снижены путем коррекции КМ. С этой целью все производители электромагнитных ГТ в технических характеристиках указывают необходимую емкость косинусных конденсаторов. В среднем она составляет 10 мкФ для трансформаторов 10 кВ, 25-30 мА и 25 мкФ для трансформаторов 10 кВ, 50 мА (более подробные сведения приведены в табл. 2). За счет включения компенсирующих конденсаторов параллельно первичным обмоткам ГТ можно повысить cos φ ГУ примерно до 0,86-0,92. Параметры конденсаторов, приведенные в табл. 2, применимы и для ГТ других марок равной или близкой мощности.

Для повышения КМ с 0,5 до 0,9 на каждый киловатт установленной мощности требуются конденсаторы мощностью 1,2 квар. Необходимую РМ косинусных конденсаторов можно определить по формуле:

Qc = S (tg φ1*tg φ2),

где S - полная мощность ЭУ (кВА); φ1 и φ2 - углы сдвига фаз, соответствующие желаемому (cos φ1) и исходному (cos φ2) значениям КМ. Рассчитав Qc (квар), можно определить необходимую емкость косинусного конденсатора С (мкФ) как:

C = 109Qc / (2Π f U2).

РМ конденсатора Qc можно рассчитать по формуле:

Qc = 2*l0-9 U2 П f C (квap),

где U - напряжение на конденсаторе (В), f - частота питающей сети (Гц), С - емкость конденсатора (мкФ). При напряжении 220 В мощность в 1 квар имеет конденсатор емкостью 65,8 мкФ, при напряжении 380 В - 22,1 мкФ.

Таблица 2. Параметры ГТ
Eurores Galileo (продукция
Tecnoservice, Tecnolux Group)

Косинусные конденсаторы

В качестве косинусных можно использовать бумажные конденсаторы МБГЧ на напряжение 400 В (в трансформаторах типа ТГ-1020 выпуска 1980-х годов предусматривался встроенный в корпус конденсатор МБГЧ 10 мкФ х 250 В), пленочные К 73-47 (250-400 В, 3-30 мкФ, ФГУП "Кузнецкий завод приборов и конденсаторов"), К 78-25 (250-500 В, 1-30 мкФ, Северо-Задонский конденсаторный завод), К 73-63 (200-500 В, 3-22 мкФ, продукция "Поликонд") и аналогичные на напряжение не ниже 400 В. Косинусные конденсаторы должны снабжаться разрядными резисторами (R1 на рис. З), обеспечивающими спад напряжения на конденсаторе до значений не выше 50 В за время не более 1 мин. после отключения питающей сети. В табл. 3 приведены рекомендуемые параметры разрядных резисторов. Для снижения тепловыделения в установках групповой компенсации вместо резисторов иногда применяют небольшие дроссели. В установках групповой компенсации эксплуатируются мощные трехфазные конденсаторы Усть-Каменогорского конденсаторного завода, однако их параметры - масса, габариты, надежность - не отвечают современным требованиям. Сейчас имеется много предложений более компактных и достаточно безопасных в эксплуатации косинусных конденсаторов (Epcos и др.).

Таблица 3. Сопротивления разрядных резисторов для косинусных конденсаторов

При работе косинусный конденсатор подвержен старению, вызванному нагревом при протекании тока, а также старением диэлектрика. Наихудший случай выхода конденсатора из строя - пробой, то есть короткое замыкание, которое может стать причиной загорания. Обрыв в конденсаторе также выводит его из строя, но более безопасен. Кроме того, из-за старения диэлектрика со временем емкость конденсаторов несколько снижается. В современных конструкциях риск выхода конденсаторов из строя значительно снижен, однако при их эксплуатации следует соблюдать меры предосторожности и периодически осматривать работающие конденсаторы.

Рис. 4. Схема измерения активной и полной мощности ЭУ

Применение для управления динамическими ГУ контроллеров также требует компенсации РМ. В 1970-80-е годы ГУ, как правило, управлялись контактными коммутаторами, в которых при разрыве цепи нагрузки на контактах вспыхивала электрическая дуга, разрушавшая их. В нынешних коммутаторах используются тиристорные ключи, которые порой нестабильно работают на индуктивную нагрузку. Особенно это относится к тиристорам старых разработок с большим током удержания и управляющим током. Современные модификации тиристоров способны работать на индуктивные нагрузки достаточно устойчиво, однако иногда при этом наблюдается асимметрия открывания тиристорного ключа на разных полупериодах питающей сети. Это явление типично для многих симисторов, что указывается в технической документации и справочниках, причем при значительной индуктивности нагрузки эта асимметрия может возрастать до недопустимо высоких значений. Асимметрия полупериодов питающего ГТ напряжения вызывает появление в токе нагрузки значительной постоянной составляющей, что становится причиной катафореза (миграции ртути) в ГЛ и может вывести ГТ из строя.

Включение даже активной нагрузки через фазовые регуляторы мощности (диммеры) любых нагрузок также влечет понижение КМ. Чем ниже действующее значение выходного напряжения диммера, тем меньше cos φ. Очевидно, что действие диммера аналогично работе индуктивности: ток в регулируемой нагрузке также отстает от напряжения, причем это отставание наиболее велико при больших углах включения тиристора, когда мощность в нагрузке минимальна.

КМ электронных преобразователей (электронных трансформаторов)

Установка компенсации
реактивной мощности
В отношении электронных ГТ (ЭГТ) вопрос о коррекции КМ стоит не столь остро, поскольку для них cos φ обычно не ниже 0,7-0,8. Однако отметим, что рекомендации МЭК 555.2 и сменившей ее МЭК 1000.3.2, поддержанные Россией, жестко ограничивают уровни высших гармоник потребляемого из сети тока, а также минимальные значения КМ для всех типов однофазных преобразователей мощностью более 200 Вт. Наличие во входной цепи ЭГТ емкостного фильтра является причиной низкого (не более 0,5-0,7) КМ некоторых моделей. Для его повышения применяют как пассивные LC-цепи, одновременно выполняющие функции фильтра, предотвращающего распространение высших гармонических составляющих, генерируемых ЭГТ, в сеть, так и схемы активной коррекции cos φ. Последние наиболее эффективны и позволяют при хороших массогабаритных показателях получить значение КМ до 0,99. Схема активной коррекции состоит из транзисторного ключа, реактора (дросселя) и схемы управления, коммутирующей ключ по сложной функции, определяемой током, потребляемым нагрузкой, и мгновенным значением напряжения сети.

Ни один из массовых серийных ЭГТ для ГЛ не оснащен цепями активной коррекции cos φ, т.к. большинство из них имеют мощность менее 200 Вт. Более того, в ЭГТ типа НВ (Power Link Electronic Ltd., Гонконг) отсутствует сглаживающий конденсатор после выпрямительного моста. Такое схемное решение является несомненным достоинством, поскольку позволяет, во-первых, избежать возможности появления в ГЛ эффекта "светящихся бус" - заметного на глаз слоистого разряда, а во-вторых, не снижает КМ ЭГТ. Проведенные измерения cos φ показали, что во всех режимах для НВ-7500-30 и НВ-10000-30 он не ниже 0,95, что является очень хорошим значением.

ГУ на ЭГТ, как правило, не нуждаются в коррекции КМ, однако при большом количестве ЭГТ (свыше 10-15) целесообразно устанавливать фильтр-пробку для предотвращения распространения высокочастотных помех по питающим проводам. Правда, следует заметить, что при значительной протяженности линии, питающей ГУ (более 50-70 м), собственная емкость линии обычно гасит помехи почти полностью. При более коротких линиях помехи могут служить причиной акустического шума автоматических выключателей и УЗО (из-за магнитострикции сердечника и вибрации обмотки магнитного расцепителя) и возможных помех для работы устройств с микропроцессорным управлением.

Аномальные режимы работы ЭС достаточно часты. Памятные события мая 2005 года, в результате которых Москва и близлежащие регионы остались без электроснабжения, наглядно показали, какими проблемами чреваты перегрузки сетей и старого, изрядно изношенного оборудования подстанций. Однако решение проблемы надежного, качественного и бесперебойного снабжения электрической энергией - это забота не только энергетиков. Задачи качественного проектирования электрических схем потребителей, рационального выбора режимов их работы, компенсации РМ должны решаться совместно усилиями энергоснабжающих, проектных организаций и потребителей.

Литература

  1. Геворкян М.В. Современные компоненты компенсации реактивной мощности (для низковольтных сетей). - М.: Додэка-ХХ1, 2003. 64 с.
  2. Дьяков В.И. Типовые расчеты по электрооборудованию: Практ. пособие. - 7-е изд., перераб. и доп. -М.: Высшая школа, 1991.169 с.
  3. О компенсации реактивной мощности в электросетях общественных зданий. II Светотехника. - М., 1980, № 10.
  4. Шеховцов В.П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. Методическое пособие для курсового проектирования. - М.: ФОРУМ; ИНФРА-М, 2005. 214 с. (Профессиональное образование).