Причинами потерь в электрических цепях является наличие в них индуктивности и ёмкостей, которые генерируют реактивные мощности. При этом полезную работу совершает только часть полной мощности — активная составляющая. Реактивная составляющая идёт на создание магнитных полей, нагрев проводки и увеличивает нагрузку на сеть. Для предотвращения потерь в сетях устанавливают компенсаторы реактивной мощности.
Полная мощность
В электросетях, где присутствует только активная нагрузка — за счет нагревательных приборов, электроосвещения, ток и напряжение изменяются с нулевым сдвигом по фазе. Вся мощность там активная и идёт в нагрузку. При использовании в сетях индуктивностей и ёмкостей появляется реактивная составляющая. Она характеризуется сдвигом по фазе между напряжением и током.
Сдвиг фаз означает, что существуют моменты, когда значения напряжения и тока имеют разную полярность, отрицательный ток при положительном напряжении и наоборот. В эти периоды мощность не используется для проведения полезной работы, а возвращается к источнику энергии. Полная мощность состоит из активной и реактивной составляющих. Коэффициент мощности (КМ) численно равен косинусу угла сдвига фаз между током и напряжением (cosφ). Он выражает отношение активной мощности к полной. При низком значении cosφ проявляются следующие факторы:
- увеличиваются затраты на использование электроэнергии;
- возрастает нагрузка на трансформаторы и уменьшается срок их эксплуатации;
- увеличиваются тепловые потери;
- происходит падение напряжения из-за наличия реактивной составляющей.
Наличие реактивной составляющей является неблагоприятным фактором для электрической сети и поэтому необходимо включать в сеть компенсаторы.
Компенсирующие устройства
Вид компенсирующего устройства зависит от того, какого рода составляющая возникает в сети. Если есть индукционная нагрузка, используются устройства компенсации реактивной мощности с применением конденсаторов. Если существует ёмкостная нагрузка, применяются дроссельные компенсаторы. Дроссель в электротехнике — это один из видов катушек индуктивности.
На предприятиях наиболее часто существует индукционная нагрузка, которая связана с наличием в технологических цепочках асинхронных двигателей, трансформаторов, электрических печей. Поэтому там применяются конденсаторные компенсирующие устройства реактивной мощности.
Главной целью конденсаторных устройств компенсации реактивной мощности в электрических сетях УКРМ является поддержание КМ сети в нормативном уровне, уменьшение перетоков реактивной составляющей, стабилизация напряжения. По месту установки УКРМ различаются следующие методы компенсации:
- Централизованная компенсация с установкой УКРМ на стороне высокого напряжения 6—10 кВ. При этом разгружаются только расположенные выше трансформаторов участки сети. Потребительские установки остаются неразгруженными.
- Установка УКРМ на шинах низкого напряжения 0,4 кВ. Обеспечивается разгрузка трансформаторов и сетей, расположенных выше. Это тоже вид централизованной компенсации. Потребительские сети остаются под реактивной нагрузкой.
- Групповая компенсация, когда УКРМ присоединяются непосредственно к производственным шинам 0,4 кВ. Под реактивной нагрузкой остаются только сети, ведущие к отдельным потребителям.
- Индивидуальная компенсация заключается в присоединении УКРМ непосредственно к потребляющим реактивную мощность установкам.
Конденсаторные установки позволяют улучшить условия энергопользования: понижают нагрузочный ток на 30—50%, увеличивают срок эксплуатации электрических приборов, уменьшают тепловые потери, снижают сетевые помехи, уменьшают несимметричность фаз, используют фильтры высших гармоник, делают сети более экономичными и снижают расходы на электроэнергию.
При выборе компенсирующего устройства учитываются характеристики оборудования, условия внешней среды и сложность управляющих процессов. В сетях 6—10 кВ используются следующие типы компенсации:
- Нерегулируемый — состоит из нескольких ступеней, которые переключаются вручную при отсутствии нагрузочных токов.
- Автоматический — осуществляется путём автоматического переключения ступеней, состоящих каждая из трёх конденсаторов, соединённых треугольником.
- Динамический — для быстро изменяющихся нагрузок применяется электронный компенсатор реактивной составляющей.
Защита УКРМ
Для безопасной работы компенсаторных установок необходимо создание средств защиты и блокировок на случай непредвиденных ситуаций. Предусматриваются следующие меры:
Блокировки, защищающие от контакта с токоведущими частями.- Встроенный разъединитель, предотвращающий ток короткого замыкания.
- Электрозащита от превышения нормативов по току, напряжению, перекоса по фазам.
- Блокировки, предотвращающие неправильное включение коммутационных аппаратов УКРМ.
- Применение выключателя для обесточивания установки при открывании дверей.
Нужно учитывать, что при отключении конденсаторов на их клеммах имеется опасное остаточное напряжение. Полная разрядка через разрядные сопротивления происходит через несколько минут.
Производить полную компенсацию, доводя cosφ до единицы, противопоказано. Это может привести к перекомпенсации. КМ должен иметь значения не выше 0,90—0,95. Мощность УКРМ определяется для каждого участка сети с учётом нагрузочных характеристик и типа компенсации.
Постоянно растущие объёмы потребления электроэнергии заставляют внимательнее относиться к её сбережению. Технический прогресс увеличивает потребности в энергетических ресурсах, а возможности генерации ограничены. Поэтому на первый план выходят технологии энергосбережения, и компенсаторы — это один из важных способов экономии.
Экономический эффект от применения этих установок большой. Уже на стадии проектирования можно закладывать уменьшенное сечение кабелей и экономить на их стоимости. А в процессе производства появляется экономия затрат на использование электроэнергии, которые достигают в отдельных регионах 50% от общей стоимости.
