Экономим на компенсации реактивной мощности

Николай Козлов, к.т.н.

Перепечатано с сайта www.promvest.info

Основной нагрузкой электрической сети переменного тока в промышленности являются асинхронные двигатели и распределительные трансформаторы, имеющие значительную индуктивность. Компенсация создаваемой ими реактивной мощности – это ключ к энергосбережению на производстве. Любое предприятие может сохранить за собой до трети «обычных» затрат на электроэнергию.

Из-за значительного количества витков медного провода, намотанного на магнитопровод, промышленные двигатели и трансформаторы имеют очень высокую магнитную проницаемость. Поэтому в процессе работы они за счет самоиндукции генерируют реактивную мощность (РМ), которая, совершая колебательные движения от нагрузки к источнику (генератору) и обратно, распространяется по сети.

РМ характеризуется задержкой (ток отстает) между синусоидами фаз напряжения и тока сети. В моменты, когда синусоиды напряжения и тока имеют противоположные знаки, мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора.

Проблема

Генерация РМ нагрузкой сопровождается отрицательными явлениями, такими как:

• повышение активных потерь (т.к. увеличивается полная мощность);
• снижение нагрузочной способности (т.к. возрастает токовая нагрузка на питающий кабель и распределительный трансформатор);
• большее падение напряжения (из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).

Хотя на выработку реактивной мощности не тратится энергия генератора, но для передачи РМ по сети требуется дополнительная, активная энергия генератора. Дополнительный реактивный ток, проходя по сети, не только вызывает активные потери мощности в проводах сети и генератора, но и уменьшает допустимую активную составляющую тока питающей сети, т.к. сечение питающего кабеля рассчитано под максимальную нагрузку.

Уровень РМ двигателей, генераторов и сети предприятия в целом характеризуется коэффициентом мощности cosw – это численное отношение активной мощности к полной мощности. Например, cosw асинхронных двигателей составляет примерно 0,7; сварочных трансформаторов – примерно 0,4; cosw станков – не превышает 0,5 и т. д. Поэтому полное использование мощности сети возможно только при компенсации ее реактивной составляющей. Кстати сказать, во многих регионах России для стимуляции увеличения cosw введен чувствительный тариф на потребление РМ, который предназначен для общей экономии электроэнергии на предприятиях.

Пути решения

В настоящее время для компенсации реактивной мощности широкое применение получили конденсаторные установки (КУ), и в т.ч. автоматизированные (АКУ), обладающие рядом преимуществ перед другими устройствами, предназначенными для той же цели – синхронными компенсаторами и синхронными двигателями. Последние имеют большие активные потери электрической мощности и вращающиеся части, подверженные механическому износу.

Для снижения доли реактивного тока в системе генератор – нагрузка параллельно нагрузке подключают емкостные компенсаторы, которые при работе формируют опережающую реактивную мощность (фаза синусоиды тока опережает фазу напряжения) для компенсации отстающей реактивной мощности, генерирующую индуктивной нагрузкой. Эффект работы КУ и АКУ заключается в том, что РМ уже не перемещается между генератором и нагрузкой, а совершает локальные колебания между реактивными элементами – индуктивными обмотками нагрузки и емкостным компенсатором.

Оборудование

Его для борьбы с РМ выпускают сейчас многие компании и у нас, и за рубежом. Для наглядности рассмотрим предлагаемое ими разнообразие на примере отечественной «Матик-электро». Оборудование для компенсации реактивной мощности с помощью низковольтных КРМ-0,4 кВ (аналог УКМ 58, АКУ, УККРМ), производимое этой компанией и оснащенное автоматическими регуляторами европейского уровня, способно почти на треть сократить расходы любого производства на электроэнергию. Конденсаторные установки существенным образом снижают нагрузку на трансформаторы и кабели и тем самым повышают надежность сетей.

Компенсация реактивной мощности осуществляется на базе высоковольтных конденсаторных установок, применяется в электросетях 6,3 / 10,5 / 35 кВ с высоковольтной нагрузкой. Конденсаторные установки компенсации реактивной мощности высоковольтные КРМ (аналог УКЛ 56, УКЛ 57) – 6,3 / 10,5 / 35 кВ производятся на реактивные мощности от 150 до 50 тыс. кВАр. Компенсация реактивной мощности происходит в ручном режиме, путем подключения необходимого числа батарей косинусных конденсаторов. Высоковольтные установки компенсации реактивной мощности производятся на базе компенсационных конденсаторов ведущих мировых производителей, в корпусах порошковой окраски, имеют срок службы 150 тыс. ч.

Регулируемая установка компенсации реактивной мощности в автоматическом режиме, под управлением микропроцессорного регулятора улучшает cosw путем подключения/отключения необходимого числа батарей конденсаторов. Они выпускаются с шагом от 20 до 450 кВАр и суммарной мощностью до 100 МВАр. Производятся также установки, в которых компенсация реактивной мощности осуществляется одновременно с фильтрацией гармоник в сети.

Тиристорные КУ

Такие конденсаторные установки – лучшее, а иногда и единственное решение, когда необходимо осуществлять компенсацию реактивной мощности нагрузки в короткий период времени. Конденсаторные установки с тиристорными ключами применяются в цехах с резкопеременной нагрузкой. К таким относятся цеха с большим количеством подъемно-транспортных механизмов, штамповочных установок и прессов, сварочных аппаратов.

В отличие от установок с контакторами, тиристорные КУ обладают быстродействием на два порядка выше, т.к. не требуется задержка срабатывания на время разряда конденсатора. В тиристорных установках после подачи сигнала на коммутацию тиристор «сам выбирает» время подключения в момент, когда напряжение в сети и на конденсаторе равны. Задержка включения составляет не более 20 мсек.

При этом следует отметить, что конденсаторы подключаются без пусковых токов. Это продлевает срок службы конденсаторов. В связи с отсутствием движущихся механических контактов тиристорные конденсаторные установки имеют больший ресурс. Для защиты тиристоров применяются специальные быстродействующие предохранители. Их назначение – при любых перегрузках разорвать цепь раньше, чем ток через тиристоры достигнет недопустимой для них величины.

Батареи статических конденсаторов мощностью от 10 до 200 МВАр производятся на базе косинусных однофазных конденсаторов, путем параллельно-последовательного соединения их в звезду или треугольник в зависимости от режима работы нейтрали.

Внедрение батарей статических конденсаторов позволяет увеличить напряжение на шинах СПП на 3–4%, снизить потери в сетях 6–110 кВ. БСК позволяют скорректировать перетоки энергии, выдавать реактивную мощность и поддерживать желаемое напряжение.

Контроль на входе

Электрические нагрузки как потребляют, так и генерируют реактивную мощность. В связи с тем, что передаваемая по ЛЭП мощность постоянно изменяется, баланс реактивной мощности в сети также подвержен изменению. Результатом являются неприемлемые изменения амплитуды напряжения, провалы напряжения или даже аварийные отключения. Предлагаемое техническое решение проблемы – шкаф распределительный серии ШК-85. Он предназначен для приема и распределения электрической энергии, защиты линий от перегрузок и коротких замыканий, компенсации реактивной мощности, для нечастых оперативных включений и отключений электрических цепей.

Компенсация реактивной мощности в автоматическом режиме осуществляется с помощью регулятора DCRK. Это одна из последних разработок ведущих европейских лабораторий. Регулятор имеет цифровой индикатор параметров сети, кнопки для задания нужных величин.

Параметры компенсации реактивной мощности в сети могут выводиться на ПК через интерфейс RS-232/485. Регулятор реактивной мощности полностью адаптирован к российским условиям и способен работать при температурах до –30°C, при которых регуляторы с ЖК-индикатором обычно выходят из строя.

Используя новейшие решения

Косинусные, фазовые конденсаторы для компенсации реактивной мощности используются для местной компенсации (подключение параллельно двигателям и т.п.). Большой гарантированный срок их эксплуатации (более 100 тыс. ч) обеспечивается передовыми разработками в области пленочных технологий для конденсаторов, в т.ч. – вакуумной обработкой диэлектрика. Конденсаторы для компенсации реактивной мощности производятся на напряжения от 0,4 до 10,5 кВ и мощности до 700 кВАр.

Контакторы для компенсации реактивной мощности – новое поколение электрических аппаратов на токи от 10 до 130 А с широкими функциональными возможностями и современным дизайном. Все аппараты имеют европейский и российский сертификаты, и применяются в установках компенсации реактивной мощности на напряжения 0,4–0,69 кВ. Контакторы для установок компенсации реактивной мощности производятся на номиналы 5–75 кВАр и имеют контакты предвключения для ограничения тока через компенсирующий конденсатор в момент включения. Данные контакторы сглаживают пусковой ток и продляют срок службы конденсаторов в установках компенсации реактивной мощности.

Выключатели нагрузки для установок компенсации реактивной мощности Federal и ВНК производятся с предохранителями или без них (исполнение – выключатель нагрузки) в соответствии со стандартами IEC/EN 60947-3 и ГОСТ. Они были разработаны для обеспечения мгновенного выключения цепей установок компенсации реактивной мощности с различными токами. Выключатели нагрузки незаменимы в установках компенсации реактивной мощности на большие токи – мощность свыше 200 кВАр.

Трансформаторы тока разборные TA.R (аналог Т-0.66, ТНШЛ, ТШ), на ток от 250 до 5 тыс. А, для быстрого монтажа, предназначены для облегчения установки их на шину (от 20х30 мм до 160х80 мм) и кабель (диаметр от 20 до 80 мм). Данные трансформаторы удобны как внешний датчик тока для установок компенсации реактивной мощности.