Общие сведения. Большинство современных потребителей электроэнергии переменного тока наряду с активной мощностью Р потребляет из сети реактивную (индуктивную) мощность QL

Большинство современных потребителей электроэнергии переменного тока наряду с активной мощностью Р потребляет из сети реактивную (индуктивную) мощность Q_L. Это обусловлено тем, что электродвигатели, трансформаторы и другие электротехнические устройства содержат обмотки, связанные с переменными магнитными полями, т.е. помимо активного сопротивления обладают индуктивностью.

Потери активной мощности в линии электропередачи (ЛЭП), питающей потребителя и имеющей сопротивление R _л:

.

Из этого выражения видно, что потери активной мощности в линии можно разделить на две составляющие: потери от передачи активной мощности Р и потери от передачи реактивной мощности Q. Отношение Q / Р = tgj называют коэффициентом реактивной мощности (cos j = P / S – коэффициент активной мощности). Естественный tgj промышленных предприятий (без установки специальных компенсирующих устройств) обычно находится в пределах
tg j = 0, 7...1, т.е. реактивная мощность составляет от 70 до 100 % активной. Следовательно, большое потребление реактивной мощности существенно повышает потери в питающих сетях и удорожает передачу электроэнергии потребителю.

Кроме того, загрузка генераторов, трансформаторов и ЛЭП реактивной мощностью требует повышения установленной мощности генераторов и трансформаторов, а также сечения проводов ЛЭП. Генераторы и трансформаторы рассчитывают на определенный номинальный ток I _ном и номинальную мощность , превышать которые нельзя: . При данной активной мощности потребителя Р возрастание Q требует установки генераторов и трансформаторов большей номинальной мощности S _ном и сооружения ЛЭП с большей пропускной способностью (большим сечением проводов). В результате капитальные затраты на сооружение электростанций, трансформаторных подстанций и ЛЭП, а также текущие расходы на их обслуживание возрастают. Полная или частичная разгрузка электростанций и ЛЭП от реактивной мощности существенно повышает экономичность систем электроснабжения.

Потребление реактивной мощности снижают с помощью организационно-технических мероприятий и путем компенсации реактивной мощности.

К организационно-техническим мероприятиям относятся:

а) упорядочение технологических процессов с целью повышения загрузки оборудования и асинхронных двигателей, так как при малой загрузке коэффициент реактивной мощности tgj = Q / Р резко возрастает;

б) замена малозагруженных асинхронных двигателей и трансформаторов двигателями и трансформаторами меньшей мощности;

в) ограничение времени работы двигателей в режиме холостого хода;

г) применение, где это возможно, вместо асинхронных двигателей синхронных, работающих с cosj, близким к 1, либо с потреблением емкостной мощности.

Как правило, одних организационно-технических мероприятий оказывается недостаточно и дальнейшее снижение Q осуществляют путем компенсации части или всей реактивной мощности потребителя. Для этого параллельно потребителю подключают батареи конденсаторов (БК) или синхронные двигатели, работающие в режиме потребления емкостной мощности (рис. 6.1, а).

Рис. 6.1

Ток потребителя имеет активную и индуктивную составляющие (см. рис. 6.1). Подключение БК приводит к появлению емкостного тока , который компенсирует реактивную составляющую тока в линии до величины I _P = I_L – I_C.

Умножив это равенство на U, получим уравнение для мощностей

Q = Q_L – Q_C или Q + Q_C = Q_L.

Последнее соотношение означает, что генератор, вырабатывающий реактивную мощность Q, и БК мощностью Q_C совместно покрывают реактивную мощность потребителя Q_L. Следовательно, БК по существу является местным источником реактивной мощности.

Физическое объяснение роли конденсаторов в процессе компенсации реактивной мощности состоит в следующем. Генерирование и потребление реактивной мощности представляет периодический обмен энергией между источником и потребителем. Емкость конденсаторов С и индуктивность потребителя L образуют колебательный контур (см. рис. 6.1, а), в котором осуществляется обмен энергией между С и L. Принимая на себя основную часть указанного колебательного процесса, БК разгружает от него генератор и ЛЭП.

Целесообразная степень компенсации реактивной мощности определяется экономическими соображениями. Для небольших предприятий часто экономически выгодна полная компенсация реактивной мощности (Q_C = Q_L, Q = 0, tgj = 0).

Мощность БК, необходимая для компенсации реактивной мощности, определяется по формуле

Q_C = Q _п – Q = P (tgj_п – tgj),

где Р – активная мощность потребителя;

Q _п – естественная реактивная мощность потребителя;

Q – заданное значение реактивной мощности, поступающей из энергосистемы;

tgj_п, tgj – естественный и требуемый коэффициенты реактивной мощности.