Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

Реактивная мощность является одним из основных показателей, характеризующих режим работы электрической системы. Термин “реактивная мощность” вводится применительно к установившимся режимам симметричных цепей синусоидального переменного тока и напряжения.

При синусоидальном характере передачи мощности, положительные полуволны характеризуют передачу мощности от источника потребителю. При отрицательных полуволнах происходит возврат энергии от потребителя к источнику. Совокупная полная мощность, характеризующая перетоки в энергосистеме, разделяется на активную и реактивную составляющие.

Генерация активной составляющей связана с потреблением мощности нагрузкой и выполнением полезной работы. На выработку активной мощности затрачивается определенный объем первичного энергоносителя на электростанциях. Вторая составляющая связана с обменом энергией между системой и источником.

Появление реактивной мощности (РМ) связано с наличием в системе элементов способных накапливать и отдавать электроэнергию. Такими элементами являются: протяженные линии высокого и сверхвысокого напряжения, конденсаторы связи, кабельные линии, шунтирующие конденсаторы, обладающие значительной емкостью.

Другие потребители имеют, наоборот индуктивный характер нагрузки, к таким элементам относятся: асинхронные двигатели, печи индукционного нагрева, трансформаторы, реакторы, в общем - оборудование имеющее массивную обмотку. Результирующая РМ в системе равна нулю, поэтому затрат на ее производство не происходит.

Основным критерием баланса активной мощности в системе является частота. При соответствии потребляемой нагрузки и выработки мощности на электростанциях частота в сети поддерживается на неизменном уровне 50 Гц.

При выпадении части системы из синхронизма, на оставшиеся в работе генераторы набрасывается мощность, которую генераторы потянуть не в состоянии, частота их вращения падает, соответственно падает и частота в системе. Показателем баланса выработки потребления РМ в системе является напряжение.

Причем, для РМ этот показатель не является системным, так как баланс должен поддерживаться в каждом узле, где контролируется уровень напряжения. Несмотря на общее в системе соответствие выработки и потребления реактива, в отдельных узлах баланса может и не быть. Поэтому очень важно соблюдать наличие источников РМ там, где есть ее потребление.

Применение статических источников реактивной мощности (ИРМ) в узлах нагрузки, помогает решить ряд проблем связанных с экономичным режимом работы энергосистемы и потребителя. Также, применение ИРМ положительно влияет на качество электроэнергии и эффективность проектирования объектов электроснабжения.

Основным источником РМ считаются синхронные генераторы, работающие на электростанциях. С этой точки зрения остальные ее источники являются дополнительными. К таким ИРМ относятся: батареи конденсаторов, синхронные компенсаторы, большие синхронные двигатели, шунтирующие управляемые и неуправляемые реакторы.

Синхронный компенсатор (СК) представляет собой синхронный двигатель, работающий в режиме холостого хода. Эффективность компенсации реактива источниками РМ, зависит не только от мощности оборудования, но и от систем регулирования, управляющими этими источниками.

Так, для СК регулирующий эффект заметно увеличивается при применении автоматического регулирования возбуждения (АРВ). Такие системы предусматривают регулирование возбуждения не только при отклонениях контролируемого параметра, но и при отклонении режимов работы самого компенсатора и энергосистемы в целом.

Однако, возможности действия АРВ ограничиваются инерционностью обмоток возбуждения синхронных машин. Эта проблема может быть решена путем быстрого изменения магнитного потока, за счет искусственного насыщения отдельных участков ее магнитной цепи с помощью специальных подмагничивающих обмоток.

Синхронный компенсатор (СК) в режиме недовозбуждения потребляет из системы ток с индуктивной составляющей, при чем, индуктивная составляющая, тем больше, чем больше недовозбуждение. При перевозбуждении, СКпотребляет из сети емкостный ток, загружая линии реактивом, и снижая тем самым напряжение в узле. При токе возбуждения равном току холостого хода компенсатора, из сети потребляется активный ток, обусловленный потерями в обмотках оборудования.

Наряду с СК, широкое распространение для компенсации РМ получили батареи конденсаторов (БК). Большую популярность они получили за дешевизну и простоту в эксплуатации.

Внедрение новых технологий и материалов изготовления этих источников РМпозволило уменьшить удельные объемы, увеличить срок службы, снизить потери мощности в конденсаторах, что привело к удешевлению оборудования.

БК, при приложении к ним синусоидального переменного тока, выдают в сеть емкостный опережающий ток, тем самым разгружая линии электропередач от транспорта РМ. Напряжение в рассматриваемом узле при этом повышается.

Регулирование напряжения при помощи батареи конденсаторов происходит ступенчато, при подключении или отключении дополнительных конденсаторов. Ступенчатость регулирования, является одним из самых существенных недостатков этого ИРМ.

К тому же, в режиме малых нагрузок в сети появляется избыток РМ, что приводит к повышению напряжения в контролируемом сечении. Иногда это приводит к снижению статической устойчивости узловой нагрузки. В сравнении с конденсаторами регулирование напряжение компенсатором имеет значительное преимущество.

Так как регулирование происходит плавно, а в совокупности с новейшими системами АРВ компенсаторов регулирование происходит непрерывно, постоянно поддерживая высокую статическую устойчивость. При проектировании электроснабжения производства выбор того или иного средства компенсации обязательно должно просчитываться.

Капиталовложения на установку СК и БК значительно разнятся, однако и эффективность их работы различна. Кроме выбора самого источника ИРМ, просчитываются варианты мест их установки, от этого также зависит их единичная мощность, количество и затраты, соответственно.