Компенсация реактивной мощности в электросетях предприятий

Большинство электроприемников (двигатели, электромагнитные устройства и др.), а также средства преобразования электроэнергии (трансформаторы, различные типы преобразователей) в силу своих физических свойств требуют для своей работы кроме активной энергии, однонаправлено поступающей из сети в электроприемник, некоторой реактивной мощности (РМ), которая в течение половины периода основной частоты направлена в сторону электроприемника, а в другую половину периода - в обратную сторону. Несмотря на то, что на выработку РМ, активная мощность, а следовательно и топливо непосредственно не расходуется, ее передача по сети вызывает затраты активной энергии, которые покрываются активной энергией генераторов (за счет дополнительного расхода топлива). Кроме того, передача РМ загружает электрические сети и установленное в ней оборудование, отнимая некоторую часть их пропускной способности. Например, если предприятие потребляет 4 единицы активной энергии и генерирует 3 единицы реактивной энергии, сеть оказывается загруженной на 5 единиц, а потери в ней возрастают с величины пропорциональной 4 ² = 16 единицам, до величины, пропорциональной 4 ²+ 3² = 25 единицам. В результате сеть загружается на 25 % больше, а потери в ней становятся на 56 % больше по сравнению с режимом передачи только активной энергии. В то же время реактивная энергия может производиться непосредственно в месте потребления. Практика такого производства широко распространена во всем мире и известна под термином "компенсация реактивной мощности". Компенсация реактивной мощности (КРМ) - одно из наиболее эффективных средств рационального использования электроэнергии. Так, по данным VDEW (Association of German Power Supply Companies), в распределительных электросетях Германии, благодаря КРМ, в 1999 году было сэкономлено порядка 9 миллионов кВт·ч активной энергии.

общем случае, для КРМ применяются синхронные компенсаторы и электродвигатели, а также конденсаторные установки (КУ).

Синхронные компенсаторы могут работать в режиме генерирования (режим возбуждения) и потребления реактивной мощности (недовозбуждение). Большие единичные мощности (от десятков МВ·А) и худшие по сравнению с КУ технико-экономические показатели, особенно в диапазоне небольших (до 10 МВ·А) мощностей компенсации, практически исключают использование в сетях предприятий синхронных компенсаторов.

Синхронные электродвигатели (СД) в режиме перевозбуждения также способны генерировать реактивную мощность, величина которой, определяется загрузкой СД по активной мощности. Как показывают исследования, учет зависимости стоимости годовых потерь электроэнергии, обусловленной генерацией РМ и влияние на компенсационную мощность загрузки СД, делает использование для КРМ низковольтных СД любой мощности, а также высоковольтных СД мощностью до 1600 кВт неэкономичным.

В тоже время, поскольку системы КРМ для снижения потерь, вызываемых перетоком РМ, необходимо располагать как можно ближе к нагрузке, КУ являются наиболее распространенным средством КРМ в промышленных сетях электроснабжения. На сегодняшний день в сетях отечественных потребителей для КРМ установлено порядка 30 млн. квар конденсаторов, из которых 18-20 млн. квар включаются и отключаются вручную. При этом доля низковольтных (до 1 кВ) конденсаторов составляет 75-80 % от общего объема.

Такое широкое применение конденсаторных установок (КУ), как для индивидуальной, так и для групповой компенсации, объясняется их преимуществами по сравнению с другими существующими в промышленности способами КРМ: небольшие, практически постоянные в зоне номинальной температуры окружающей среды, удельные потери активной мощности, не превышающими 5 Вт на 1 квар компенсационной мощности, т.е. не более 0,5% (для сравнения: в синхронных компенсаторах это значение достигает 10% номинальной мощности компенсатора, а в синхронных двигателях, работающих в режиме перевозбуждения - 7%); отсутствие вращающихся частей; простота монтажа и эксплуатации; относительно невысокие капиталовложения; большой диапазон подбора требуемой мощности; возможность установки в любых точках электросети, бесшумность работы и т.д. Кроме того, в отличие от компенсаторов и синхронных двигателей, КРМ с помощью конденсаторов позволяет расширить функциональные возможности устройств компенсации. Так фильтрокомпенсационные КУ одновременно осуществляют КРМ и частичную фильтрацию присутствующих в компенсируемой сети гармоник, искажающих синусоидальность напряжения; а симметрирующие установки производят КРМ и симметрирование нагрузки сети.

С помощью КУ возможны следующие виды компенсации:

1. Индивидуальная (нерегулируемая) - КУ размещаются непосредственно у электроприемников и коммутируются одновременно с ними. В этом случае выключатель электроприемника одновременно является и выключателем КУ. Предпочтительна при компенсации единичных, постоянно присоединенных в течение длительного времени мощностей свыше 20 кВт. Недостатки данного вида КРМ - зависимость времени включения КУ от времени включения электроприемников и необходимость согласования емкости КУ с индуктивностью приемника для предотвращения возникновения резонансных явлений или применения специальных схем подключения (переключения со "звезды" на "треугольник", параллельное подключение к обмоткам двигателя трех однофазных конденсаторов).
2. Групповая (также нерегулируемая). Применяется при КРМ нескольких индуктивных нагрузок, присоединенных к одному распределительному устройству с общей КУ. Увеличение коэффициента одновременности включения нагрузки снижает мощность и повышает эффективность работы КУ, которая может устанавливаться на стороне 0,4 кВ или 6(10) кВ. Недостатки - раздельная коммутация КУ и неполная разгрузка распределительных сетей предприятия от РМ.
3. Централизованная (как правило, регулируемая). Для узлов нагрузки с широким диапазоном изменения потребления РМ. Регулирование мощности КУ может осуществляться в функции реактивного тока нагрузки, но для этого КУ должна быть оборудована специльным автоматическим регулятором, а ее полная компенсационная мощность (равная РМ установленных конденсаторов) разделена на отдельно коммутируемые ступени. Такие комплектные КУ называются автоматизированными. Данный тип КУ производит КРМ в соответствии с ее фактическим потреблением. Современные автоматические микропроцессорные регуляторы РМ заподноевропейских производителей (в первую очередь Германии, Финляндии, Швеции) по надежности работы аналогичны широко известным потребителям маркам телевизоров "Sony" и фотоаппаратов "Kodak". Кроме управления ступенями КУ, автоматические регуляторы РМ позволяют производить измерение параметров качества электроэнергии компенсируемой сети с выводом результатов на жидкокристаллический дисплей регулятора (у большинства типов автоматических регуляторов предусмотрена также опция передачи через интерфейс результатов измерения в память компьютера).

Комплектные КУ изготавливаются из отдельных, расположенных в металлических шкафах, силовых модулей, конструкция которых обеспечивает взаимозаменяемость идентичных элементов установки. Сборка комплектных КУ производится на предприятии-изготовителе, а на месте их размещения - только монтаж и подключение шкафов. КУ небольшой мощности выпускаются в настенном исполнении. Размещать КУ лучше всего вблизи распределительного щита, т.к. в этом случае упрощается их присоединение. При соблюдении требований ПУЭ комплектные КУ можно устанавливать непосредственно в производственных помещениях.

Отметим, что исполнение конденсаторов во многом опреляет надежность работы КУ, поскольку в КУ именно конденсаторы являются основным компенсационным элементом. Поэтому при заказе КУ следует в первую очередь обращать внимание именно на тип применяемых конденсаторов. Современные низковольтные конденсаторы для КРМ (косинусные) имеют металлопленочную (напыление слоя металлизации обкладок, толщиной около десяти нанометров, на полимерную пленку или двойную - "двухсторонняя металлизация конденсаторной бумаги, с последующей пропиткой + пленка"), диэлектрические системы, позволяющие добиться эффекта самовосстанавления работостособности конденсатора при локальных пробоях диэлектрика. При этом надежность работы конденсатора будет полностью определяться, как качеством исходного материала (например, в конденсаторах применяются специальные конденсаторные полимерные пленки имеющие повышенные, относительно обычных пленок, допуски на отклонение толщины), так и технологией их изготовления.

ДИАЛ-Электролюкс выпускает КУ на базе компонентов ведущих мировых производителей, таких как "Siemens", Epcos AG (Германия) - автоматические регуляторы, косинусные конденсаторы, фильтрующие (антирезонансные) дроссели, электронные контакторы (пускатели), разрядные дроссели; "Weber" (Швейцария) - размыкатели и предохранители, шкафы; Benedikt & Jäger (Австрия) - электромеханические конденсаторные контакторы (пускатели); "CONTA-CLIP" (Германия) - клеммные соединения модулей. Все указанные компоненты, также как и сами КУ производства ООО "ДИАЛ-Электролюкс", имеют Российские сертификаты соответствия.

Учитывая происходящее в настоящее время изменение характера электропотребления, особенно в электросетях низкого напряжения, обусловленное резким ростом мощности нелинейной (различного вида преобразователи, регулируемые выпрямители, блоки питания компьютеров и офисного оборудования, а также однофазной нагрузки, перед заказом КУ следует произвести комплексное измерение параметров качества электроэнергии в узлах предполагаемого подключения установок с помощью специального анализатора качества электроэнергии, например переносной прибор MRG 503(F) производства Janitza, автоматически фиксирующий измеряемые параметры, регламентируемые ГОСТ 13109-97 "Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения".

Если в результате измерения будет зафиксировано превышение суммарного уровня гармонических искажений, для КРМ нужно применять фильтрокомпенсационные конденсаторные установки (ФКУ), которые позволят в первую очередь избежать выхода из строя конденсаторов, вследствии протекания через них высокочастотных гармоник, оптимизировать загрузку силовых трансформаторов, частично понизить уровень присутствующих в сети гармоник. ДИАЛ-Электролюкс, по предварительному заказу, выпускает ФКУ, в том числе и автоматизированные (оснащенные автоматическим регулятором РМ). Причем в этих установках предусмотрен контроль температуры внутри шкафа (т.к. выделение тепла от фильтрующих дросселей на порядок выше, чем у конденсаторов, эквилентной РМ) и, при необходимости, вентиляция внутреннего пространства. Это позволяет устанавливать ФКУ в производственных помещениях, температура в которых достигает значения +40°C.

ДИАЛ-Электролюкс продолжительное время занимается производством КУ для КРМ, с образцами нашей продукции можно ознакомиться на специализированных выставках электротехнического оборудования, в том числе и региональных, постоянным участником которых является ООО "ДИАЛ-Электролюкс".