+7 (495) 981-9839
+7 (495) 642-5882

Rus Eng
Заказ обратного звонка
заказать звонок тел.: +7 (495) 981-9839
+7 (495) 642-5882
+7 (498) 653-4068
sales@khomovelectro.ru
Отправить заявку
Компания «Хомов электро» — завод-изготовитель, имея многолетний опыт работы на рынке электротехнического оборудования по производству конденсаторных установок и налаженные прямые поставки комплектующих высокого качества для компенсации реактивной мощности от мировых производителей, — признанных лидеров в своих отраслях бизнеса, готова оперативно и качественно выполнить ваш заказ на изготовление и поставку оборудования в срок.
большой опыт работы
качество продукции
оперативность выполнения
индивидуальный подход

Компенсация реактивной мощности и коррекция коэффициента мощности


	
		
			

В конденсаторных установках с низким коэффициентом мощности можно добиться значительного снижения затрат на электроэнергию путём применения коррекции коэффициента мощности. Эта экономия достигается в первую очередь за счёт уменьшения сумм счетов, которые энергоснабжающие организации выставляют потребителям.

Увеличение коэффициента мощности может уменьшить стоимость электроэнергии, высвободить мощности системы распределения, увеличить уровень напряжения и уменьшить потери в системе. Хорошо зарекомендовавшим себя способом коррекции коэффициента мощности является использование шунтирующих конденсаторных батарей. Однако с применением конденсаторов связаны определённые проблемы.

При выборе величины и места подключения конденсаторов многие проектанты ведут свои расчёты исходя из наибольшей выгоды от такой установки при минимизации затрат на изоляцию и максимизации снижения затрат на энергоснабжение. При этом почти не уделяется внимания потенциальным неблагоприятным эффектам при взаимном влиянии устройств коррекции коэффициента мощности и некоторых элементов энергосистемы. Одним из наиболее распространённых и потенциально опасных факторов является усиление гармоник по причине резонанса в энергосистеме на частоте, близкой частоте гармоники. Статья посвящена этой «изнаночной стороне» коррекции коэффициента мощности, которая может стать причиной значительных разрушений в энергосистеме. Целью данной статьи является обзор математических инструментов для анализа данного явления и применение их на примере промышленной энергосистемы.

Определение коэффициента мощности

Коэффициент мощности – это отношение активной или полезной мощности, измеряемой в кВт, к полной мощности (активной и реактивной), измеряемой в кВА. Полная мощность, потребляемая индуктивной нагрузкой, представляет собой векторную сумму активной (кВт) и реактивной (кВА). Коэффициент реактивной мощности – это косинус угла между этими двумя величинами.

Значение коэффициента мощности теоретически может меняться от 1 до 100%, при значении 100% (единичный коэффициент мощности) вся мощность является активной. Значение 0% говорит о том, что вся потребляемая мощность является реактивной, при этом никакие двигатели не могут вращаться и не может выполняться другая полезная работа. Энергоснабжающие компании должны поставлять полную мощность (кВА), а потребители получают полезную работу только от активной мощности (кВт). Поэтому важно иметь высокий коэффициент мощности. Реактивная мощность, потребляемая электрическим оборудованием, таким как трансформаторы, электродвигатели, сварочные установки и статические преобразователи, является дополнительной нагрузкой для генераторов, линий передачи, выключателей и кабелей. Она может также стать причиной значительных потерь из-за теплового рассеяния.

Основные понятия о коэффициенте мощности

Значение коэффициента мощности (наряду, разумеется, с другими показателями) демонстрирует, насколько эффективно предприятие использует электроэнергию. С помощью коэффициента мощности можно определить количество полезной работы, которая получена с помощью общего количества потребляемой энергии. Коэффициент мощности определяет отношение полезной мощности, резистивной по своей природе и измеряемой в кВт, к полной электрической мощности, часто называемой кажущейся мощностью и измеряемой в кВА.

Коэффициент мощности 1,00 или единица означает, что вся мощность, потребляемая предприятием, идёт на полезную работу, например, на питание электронагревателей и ламп накаливания, которые имеют коэффициент мощности, близкий к единице. С другой стороны, имеются реактивные устройства, то есть устройства, использующие индуктивности или конденсаторы (электродвигатели, трансформаторы и т.п.), значительная часть мощности, необходимой для их работы, идёт на создание электромагнитного поля, а не на полезную работу. Эту часть электрической мощности обычно называют реактивной мощностью. Соотношение между полной мощностью (кВА), активной или полезной мощностью (кВт) и реактивной мощностью (кВАр) определяется выражением, приведённым ниже. Эффективный коэффициент мощности может быть меньше при наличии нелинейных устройств (полупроводниковых или импульсных источников питания, регулируемых приводов, приводов постоянного тока) и гармонических искажений, которые производят такие устройства. Гармонические искажения, по сути, преобразуют часть полезной энергии в энергию колебаний высоких частот, которая не может быть полезной для большинства устройств и которая, в конце концов, теряется, превращаясь в тепло. Следовательно, наличие гармонических искажений дополнительно уменьшает эффективный коэффициент мощности.

Обычно электродвигатели, которые работают при полной номинальной нагрузке (например, двигатель с номинальной мощностью 100 л.с. производит работу с мощностью 100 л.с.) имеют коэффициент мощности от 0,90 до 0,95. А если такой же двигатель не нагружен, значение его коэффициента мощности может составлять 0,30 или меньше. К примеру, электродвигатели в больших машинах с гидроприводом, таких как машины для литья пластмассы, работают большую часть времени малонагруженном состоянии и имеют общий коэффициент мощности около 0,60.

Значение коэффициента мощности 0,60 означает, что для получения полезной работы с мощностью 100 кВт требуется полная или кажущаяся мощность 167 кВА. При напряжении 480 В значение тока составит 347 А. Установка оборудования коррекции коэффициента мощности для получения значения 0,95 уменьшит полную мощность до 105 кВА, а ток – до 219 А, то есть на 37%.

Основные выражения, имеющие отношение к коррекции коэффициента мощности

Формулы, приведённые ниже, могут быть использованы при проектировании систем коррекции коэффициента мощности и батарей фильтров гармоник.

Условные обозначения:

C – ёмкость, Ф; F – частота, Гц; KVAR – реактивная мощность, квар; KVA – полная мощность, кВА; KV – напряжение, кВ;
KW - активная мощность, кВт; Q – реактивная мощность, квар; S – полная мощность, кВА; P- активная мощность, кВт;
PF – коэффициент мощности (без размерности); I – ток, А.

Коэффициент мощности: , tg .

Реактивная мощность, необходимая для изменения коэффициента мощности:
,
где – исходный угол между током и напряжением,
– конечный угол между током и напряжением.

Выражения для определения полной мощности для трёх фаз и одной фазы:
,
, .

Выражения для реактивной мощности:
,
.

Выражения для активной мощности:
,
.

Приблизительное значение увеличения напряжения при установке конденсатора:
увеличения напряжения ,
где .

Высвобождаемая мощность системы при коррекции коэффициента мощности:
.

Уменьшение потерь при коррекции коэффициента мощности:
.

Ток конденсатора:
.

Повышение коэффициента мощности

Для лучшего понимания процессов, связанных с коэффициентом мощности, необходимо знать о процессах запасания энергии в конденсаторах и индуктивностях. Так как напряжение переменного тока меняется по синусоидальному закону, оно попеременно проходит через ноль и растёт до максимального значения. В это время индуктивность отдаёт энергию своего электромагнитного поля, а конденсатор запасает энергию в своё электромагнитное поле. После того как напряжение проходит точку максимума и начинает уменьшаться, конденсатор отдаёт энергию, а индуктивность её запасает. Таким образом, если конденсатор и индуктивность установлены в одной цепи, то в ней будет вестись обмен током намагничивания между ними, то есть опережающий ток конденсатора нейтрализует намагничивающий ток индуктивности. Конденсатор можно считать генератором реактивной мощности (квар), так как он обеспечивает намагничивание индуктивности. Концепция конденсатора как генератора реактивной мощности полезна для понимания его использования для повышения коэффициента мощности.

Для применения коррекции коэффициента мощности имеется много причин, но основными из них считаются:

  1. снижение расходов на электроснабжение за счёт исключения штрафов за коэффициент мощности;
  2. увеличение или высвобождение мощности сети энергоснабжения.

Хотя первая причина по-прежнему имеет первостепенное значение, вторая становится всё более важной, так как при разработке сетей необходимо учитывать экономические требования. Это существенно при применении конденсаторов для повышения коэффициента мощности, так как выгода от высвобождения мощностей сети оценивается в несколько раз выше стоимости конденсаторов.

Имеются два наиболее распространённых метода повышения коэффициента мощности. Это использование шунтирующих конденсаторов и синхронных электродвигателей. Каждый из них имеет свою область применения. Обычно использование конденсаторов наиболее экономично и практично для существующих предприятий, а синхронные двигатели находят применение при установке новых и больших приводов.

Результаты коррекции коэффициента мощности

Потери в линиях передачи непосредственно связаны с током, поэтому величина потерь будет уменьшаться пропорционально току. Уменьшение величины тока, потребляемого предприятием, как правило, будет приводить к повышению напряжения линии, особенно там, где система распределения работает на уровнях, близких к максимальной мощности.

Величина повышения эффективности использования оборудования хорошо известна, она составляет от 1 до 6%. Наибольший эффект обычно наблюдается в системах низкого напряжения 220 или 240 В и на предприятиях с очень низким коэффициентом мощности (0,60 – 0,65). Электродвигатели обычно обеспечивают более высокую производительность при коэффициенте мощности, близком к единице, и при работе на более высоком напряжении: имеют меньшее скольжение и меньший нагрев. Облегчение теплового режима упрощает охлаждение и увеличивает срок службы оборудования.

Таким образом, повышение коэффициента мощности предприятия не только снижает плату за коэффициент мощности поставщику электроэнергии, оно также приводит к снижению потребления мощности и к другим преимуществам: снижению платы за потребляемую мощность, увеличению токопроводящей способности существующих цепей, повышению напряжения и уменьшению потерь в системе энергоснабжения.

Взимание платы за коэффициент мощности стимулирует повышение эффективности

Чтобы стимулировать потребителей к более эффективному использованию электроэнергии и позволить предприятиям энергоснабжения окупить повышенные затраты на обслуживание потребителей с низким коэффициентом мощности, которые запрашивают чрезмерную величину тока, поставщики электроэнергии устанавливают доплату за коэффициент мощности.

Большинство поставщиков электроэнергии предписывают штраф за коэффициент мощности для своих больших коммерческих и промышленных потребителей. Часто такие штрафы налагаются, только если коэффициент мощности падает ниже 0,90 или 0,95, иногда – 0,80. Без таких начислений у потребителей не было бы мотивации устанавливать оборудование для коррекции коэффициента мощности.

Стимул может принимать форму штрафа за коэффициент мощности (например, корректировка начислений за мощность или корректировка общих начислений) или структуры тарифов, в которых начисления или тарифы основываются на токе или полной мощности. Потребители поставщиков, которые берут оплату на основании потребляемого тока или полной мощности, по сути, платят больше при любом коэффициенте мощности, меньшем единицы. В регионах, где начисления производятся на основании полной мощности, потребители испытывают трудности, связанные с тем, что в счёте поставщика нет никакого показателя или отдельной строки, где можно было бы увидеть штраф за коэффициент мощности, который тем не менее имеется. Единственным способом является фиксация коэффициента мощности в моменты пиковых значений полной мощности, потребляемой предприятием.

Всё больше и больше поставщиков включают штрафы за коэффициент мощности (оплату за полную мощность) в свою структуру тарифов, в частности, чтобы соответствовать требованиям Закона о чистом воздухе и требованиям, связанным с дерегулированием, и в некоторой степени в ответ на растущую конкуренцию на недавно дерегулированном рынке электроэнергии. Увеличивая долю оплаты, относящуюся к низкому коэффициенту мощности, в своей структуре тарифов, энергоснабжающие компании могут снижать основной тариф за электроэнергию и отдельный сервис по обеспечению реактивной мощностью.

Такие начисления обеспечивают действенные стимулы для повышения потребителями коэффициента мощности. Результатом является снижение издержек, как потребителей, так и поставщика электроэнергии.

Уменьшение платы за мощность

Большинство энергоснабжающих компаний взимают оплату за максимальную мощность на основании наибольшей зарегистрированной мощности в кВт или как процент от наибольшей зарегистрированной полной мощности в кВА (что больше). Если коэффициент мощности низкий, процент измеренной полной мощности будет значительно выше потребления активной мощности. Увеличение коэффициента мощности уменьшает плату за мощность.

Увеличение нагрузочной способности в существующих цепях

Реактивные нагрузки потребляют реактивный ток от линии. Установка конденсаторов в конце имеющейся линии рядом с индуктивными нагрузками уменьшает ток, который проводит линия. Уменьшение тока вследствие повышения коэффициента мощности позволяет подключить новые нагрузки, сэкономив, таким образом, на модернизации сети при необходимости увеличения её мощности, необходимой для дополнительного оборудования. Кроме того уменьшение тока снижает резистивные потери.

Повышение напряжения

Низкий коэффициент мощности приводит к увеличению тока нагрузки. Увеличение тока линии является причиной увеличения падения напряжения на проводниках и, соответственно, уменьшения напряжения, поступающего на оборудование. При увеличении коэффициента мощности уменьшается падение напряжения на проводниках.

Уменьшение потерь в системе

Хотя сама по себе экономия от уменьшения потерь в проводниках недостаточна, чтобы оправдать установку конденсаторов, она является дополнительным преимуществом, особенно для старых предприятий с длинными фидерами или для полевого оборудования. Потери в проводниках пропорциональны квадрату тока. Так как ток уменьшается в прямой пропорции с увеличением коэффициента мощности, потери обратно пропорциональны квадрату коэффициента мощности.

Высвобождение пропускной способности системы энергоснабжения

Что означает выражение «высвобождение пропускной способности системы»? При работе конденсаторов они выдают реактивную энергию, снабжая током намагничивания электродвигатели, трансформаторы и т.п., уменьшая, таким образом, ток, потребляемый от источника энергоснабжения. Уменьшение тока означает уменьшение полной мощности или нагрузки на трансформаторы и фидеры сети. Это означает, что конденсаторы могут быть использованы для уменьшения перегрузки или обеспечения возможности подключения нагрузки в дополнение к уже имеющейся. Высвобождение пропускной способности системы путём повышения коэффициента мощности, особенно с помощью конденсаторов, становится всё более важным, так как экономические преимущества такого решения очевидны.

Потери в системе энергоснабжения

Уменьшение электрических потерь благодаря коррекции коэффициента мощности приводит к ежегодной экономии до 15% от затрат на установку конденсаторов. Хотя сама по себе финансовая отдача от уменьшения потерь недостаточна, чтобы оправдать установку конденсаторов, она является дополнительным преимуществом. В большинстве промышленных систем распределения мощность потерь (I2R) колеблется от 2,5 до 7,5% мощности нагрузки в зависимости от времени полной нагрузки и работы без нагрузки, сечения проводников и общей протяжённости сети и её ответвлений. Конденсаторы могут влиять только на ту часть потерь, которые возникают из-за реактивного тока. Потери в проводниках пропорциональны квадрату тока. Так как ток уменьшается в прямой пропорции с увеличением коэффициента мощности, потери обратно пропорциональны квадрату коэффициента мощности. Конденсаторы имеют собственные потери, но они относительно малы – около 0,3% номинальной реактивной мощности.

Факторы, которые нужно учитывать при проектировании системы коррекции коэффициента мощности

Коррекция коэффициента мощности и резонанс

Резонанс – это состояние, когда емкостное сопротивление системы компенсирует её индуктивное сопротивление, оставляя единственным импедансом системы её резистивные элементы. Частота, на которой имеет место этот эффект компенсации, называется резонансной частотой системы. При наличии источника гармоник с частотой, близкой или равной резонансной частоте, значения напряжения и тока будут возрастать до опасных величин, которые могут стать причиной выхода из строя конденсаторов и другого электрооборудования. Резонанс может быть последовательного и параллельного типа в зависимости от расположения реактивных элементов в системе.

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности используются в системах энергоснабжения для повышения эффективности использования электроэнергии. Как уже говорилось, высокий коэффициент мощности позволяет избежать штрафов поставщика электроэнергии и лучше использовать пропускную способность системы энергоснабжения. Однако наличие гармоник может создать условия для параллельного и последовательного резонанса и привести к разрушительным последствиям. Относительно источника гармоник шунтирующие конденсаторные батареи подключаются параллельно реактивному сопротивлению системы. Если считать элементы идеальными и пренебречь насыщением и другими нелинейными эффектами, можно считать, что индуктивное сопротивление возрастает прямо пропорционально увеличению частоты, а емкостное сопротивление уменьшается при увеличении частоты:

.

Резонансная частота такого параллельного соединения может быть определена как:

или
,

где fr – резонансная частота;
f1 – основная частота системы (50 или 60 Гц);
SCMVAsource – мощность короткого замыкания системы;
KVARcap – номинальная реактивная мощность конденсаторов коррекции коэффициента мощности.

На частоте резонанса параллельное соединение конденсаторной батареи и индуктивности источника имеет большой импеданс. Если эта частота совпадёт с одной из частот источника гармоник, значения напряжения и тока непропорционально увеличатся, при этом могут выйти из строя конденсаторы и другое электрооборудование. Конденсаторы также могут выйти из строя из-за перегрузки гармониками. Так как импеданс конденсатора обратно пропорционален частоте, токи гармоник могут нагружать конденсаторы выше допустимого предела, что может привести к повреждению конденсаторов.

Последовательный резонанс происходит, если конденсаторы расположены ближе к концу фидера. В этом случае относительно источника гармоник импеданс линии оказывается подключенным последовательно с конденсатором. На частоте резонанса или близко к ней импеданс такого последовательного соединения будет очень мал. Если источник гармоник генерирует токи на частоте, близкой этой резонансной частоте, они будут протекать по пути с малым импедансом и создавать помехи для коммуникационных линий, проходящих вдоль таких цепей, и создавать повышенные искажения напряжения на конденсаторе.

Увеличение переходных процессов коммутации конденсаторов

Переходные процессы при подключении конденсаторов обычно связаны с тем, что процесс заряда большого конденсатора на стороне высокого напряжения (обычно на стороне поставщика электроэнергии) приводит к увеличению переходных процессов на конденсаторах низкого напряжения для коррекции коэффициента мощности. Причиной увеличения переходного процесса на низком напряжении является то, что резонансная частота системы энергоснабжения потребителя близка к собственной частоте колебаний при подключении конденсатора на стороне поставщика. Усиление переходного процесса на стороне низкого напряжения может достигать 400%. Для изучения этого явления можно моделировать критические зоны предприятия потребителя и распределительной сети поставщика электроэнергии, чтобы выявить проблемы, связанные с коммутационными переходными процессами, а также эффектом усиления из-за конденсаторов коррекции реактивной мощности.

Заземление конденсаторов

Нужно ли заземлять конденсаторные батареи среднего напряжения в коммерческих и промышленных системах энергоснабжения? Такой вопрос часто возникает, а ответа на него обычно нет по следующим причинам.

Заземление конденсаторных батарей может создавать помехи для системы защиты от замыкания на землю, это может привести к обесточиванию всего объекта (отключению автоматического выключателя). Токи гармоник в цепи заземления могут стать причиной гармонических помех для систем управления и коммуникации. Токи разряда конденсаторов могут повредить расположенные поблизости разрядники. Заземлённые конденсаторные батареи создают путь для токов нулевой последовательности. Это может привести к ложному отключению системы обнаружения небаланса нейтрали.

Помехи для системы защиты от замыкания на землю - это основная причина для незаземления конденсаторной батареи или батареи фильтра гармоник. Хотя такие помехи могут быть уменьшены или устранены модификацией системы, это может потребовать анализа согласования работы защиты, изменения уставок реле и/или изменения сопротивления заземления.

Это приводит к увеличению стоимости и сложности установки и может ухудшить чувствительность существующей системы защиты от замыкания на землю.

Отрицательными факторами, связанными с отсутствием заземления конденсаторных батарей, являются следующие:

  • затрудняется защита небольших батарей, потому что ток неисправного конденсатора только в 3 раза выше номинального тока;
  • при перегорании предохранителя может возникнуть перенапряжение на исправных конденсаторах при небалансе батареи.

Эта проблема может быть устранена изменением количества конденсаторов, изоляцией нейтрали и/или добавлением в батарею схемы определения небаланса нейтрали.

Анализ подключения конденсатора на стороне поставщика

В качестве примера рассматривается предприятие, питаемое напряжением 28 кВ от локальной подстанции поставщика электроэнергии, расположенной на расстоянии 3 мили, с компенсацией коэффициента мощности низкого напряжения. Поставщик электроэнергии имеет на подстанции двухкаскадную конденсаторную батарею. Предприятие получает электроэнергию напряжением 600 В через понижающий трансформатор. Подстанция 600 В имеет многокаскадную коммутируемую конденсаторную батарею 0 – 500 квар. Конденсаторы на стороне поставщика используются для регулирования уровня напряжения и уменьшения реактивной мощности системы. В этом случае конденсатор поставщика электроэнергии может рассматриваться как коррекция коэффициента мощности. Схема моделируемой системы приведена на рис. 1.

При включении конденсаторов начальный бросок тока приводит к провалу напряжения. При последующем возрастании напряжения оно может достичь и даже превысить 400% от номинального значения. Установившееся состояние наступает после колебаний напряжения. Частота этого переходного процесса довольно низка (как правило, от 200 Гц до 1,5 кГц).

Величина, длительность и частота колебательного переходного процесса зависит от многих факторов: демпфирование, индуктивность системы, возможные условия для резонанса в системе и т.п. Если сеть потребителя имеет резонансную частоту, близкую частоте колебательного переходного процесса коммутации, влияние этого переходного процесса будет возрастать, создавая проблемы на приёмном конце линии потребителя. На результатах временного моделирования, изображённых на рис. 2 и 3, показаны переходные перенапряжения и низкочастотные колебания в сети низкого напряжения потребителя при подключении конденсатора на подстанции поставщика электроэнергии. На рис. 4 показаны коммутационные перенапряжения при различных величинах коммутируемых конденсаторов. Можно увидеть, что в этой системе пиковое значение напряжения может достигать 2,5 крат.

Анализ методом частотного сканирования

Метод частотного сканирования применяется для анализа системы электроснабжения в интересующей точке. В данном случае интерес представляют сторона поставщика и сторона низкого напряжения потребителя. Резонансная частота параллельного соединения конденсатора коррекции коэффициента мощности и импеданса короткого замыкания оказывается близкой собственной резонансной частоте на стороне поставщика. Это приводит к увеличению переходного процесса на стороне потребителя.

Методы уменьшения перенапряжений при подключении конденсатора

Имеется несколько методов уменьшения перенапряжений при подключении конденсатора. Некоторые могут быть реализованы на стороне потребителя, другие – на стороне поставщика. Какие из этих методов подходят лучше, зависит от конкретной ситуации. Наиболее часто используются следующие:

  • применение коммутирующих устройств без повторных зажиганий;
  • применение синхронной коммутации конденсаторов;
  • установка металл-оксидных разрядников высокой энергии для ограничения перенапряжений и защиты критического оборудования;
  • проработка конструкции и применение настроенных фильтров вместо обычных конденсаторов;
  • применение разделительных трансформаторов или последовательных дросселей для чувствительных нагрузок;
  • применение ограничителей выбросов напряжений переходных процессов.
143405, Московская область, г. Красногорск, ул. Ильинский тупик, д.6, Бизнес-центр "Березовая роща", офис 5.
Тел.: +7 (495) 981-98-39, +7 (495) 642-58-82, +7 (498) 653-40-68, факс:+7 (498) 653-40-69.
E-mail: sales@khomovelectro.ru. Время работы: с 8:00 до 17:00. © 2017 «Хомов электро»