Компенсация реактивной мощности. Основы

Посмотрите видео о компенсации реактивной мощности.

Большинство электроприемников (двигатели, электромагнитные устройства, осветительное оборудование и др.), а также средства преобразования электроэнергии (трансформаторы, различные типы преобразователей), в силу своих физических свойств требуют для работы кроме активной энергии, однонаправлено поступающей из сети в электроприемник, некоторой реактивной мощности (РМ), которая в течение половины периода основной частоты сети 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 дополнительно загружает электрические сети и установленное в них щитовое оборудование (в первую очередь силовые трансформаторы), 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 полной мощности, а потери в ней возрастают с величины пропорциональной 42 = 16 единицам, до величины, пропорциональной 42+ 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 на месте потребления. Подобная практика широко распространена во всем мире и известна под термином "компенсация реактивной мощности" (КРМ) - одного из наиболее эффективных средств обеспечения рационального использования электроэнергии.

Уменьшение потерь активной энергии, обусловленных перетоками РМ, является одним из основных энергосберегающих мероприятий для системы электроснабжения, существенно влияющим на уровень технологических транспортных потерь распределительных сетей.

В общем случае, в энергосистемах для КРМ применяются синхронные компенсаторы и электродвигатели, а так же конденсаторные установки (КУ).

Синхронные компенсаторы могут работать в режиме генерирования (режим возбуждения) и в ограниченном диапазоне потребления РМ (недовозбуждение). Большие единичные мощности (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 подавляющего числа предприятий синхронных компенсаторов.

Синхронные электродвигатели (СД) в режиме перевозбуждения также способны генерировать РМ, 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 не экономичным.

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 именно в промышленных системах 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, как для индивидуальной, так и для групповой компенсации, объясняется их преимуществами по сравнению с другими существующими способами КРМ.

Преимущества использования конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности

  • небольшие, практически постоянные в зоне номинальной температуры окружающей среды, удельные потери активной мощности конденсаторов, не превышающие 0,5 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 СД, работающих в режиме перевозбуждения - до 7%). Использование в качестве компенсирующих устройств синхронных двигателей может привести к отрицательному эффекту - затраты активной энергии на компенсацию могут превысить экономию от снижения затрат на реактивную энергию.
  • 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 фазовых конденсаторов позволяет расширить функциональные возможности устройств компенсации. Так фильтрокомпенсирующие КУ (ФКУ) одновременно осуществляют КРМ и частичное подавление присутствующих в компенсируемой сети гармоник, искажающих синусоидальность напряжения, а симметрирующие установки на базе конденсаторных батарей с различными по емкости плечами, при соответствующем конструктивном исполнении, позволяют производить одновременно КРМ и симметрирование нагрузки сети.

В общем случае снижение суммарных затрат на оплату электроэнергии зависит от уровня КРМ и величины тарифа (рисунок). На графиках рисунка приведены данные зависимости для КБ и СД, построенные для трех дифференцированных суточных тарифов. Принятые при построении тарифные коэффициенты (соотношения между стоимостями активной энергии в разное время суток: пик = 1,8; полупик = 1,02; ночь = 0,3). Таким образом, эффективность КРМ существенно повышается с ростом тарифов на электроэнергию и увеличением сменности работы оборудования [6].

компенсация рм

С помощью конденсаторных установок возможны следующие виды компенсации реактивной мощности:

  • Индивидуальная (нерегулируемая) - КУ размещаются непосредственно у электроприемников и коммутируются одновременно с ними. Предпочтительна при компенсации единичных, постоянно присоединенных в течение длительного времени мощностей более 20 кВт. Недостатки данного вида КРМ - зависимость времени подключения КУ от времени включения электроприемников и необходимость согласования величины емкости КУ с индуктивностью компенсируемого электроприемника для предотвращения возникновения резонансных перенапряжений или применения специальных схем подключения (переключения со "звезды" на "треугольник", подразумевающее параллельное подключение к обмоткам двигателя трех однофазных конденсаторов).
  • 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 20-6 кВ. Недостатки - раздельная коммутация КУ и неполная разгрузка распределительных сетей предприятия от РМ.
  • 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 конденсаторная установка должна быть оборудована специальным автоматическим регулятором, а ее полная компенсационная мощность (равная РМ установленных конденсаторов) разделена на отдельно коммутируемые ступени. Такие комплектные КУ называются автоматическими конденсаторными установками (АКУ). АКУ производят КРМ в соответствии с ее фактическим потреблением. Современные автоматические микропроцессорные регуляторы РМ западноевропейских производителей (в первую очередь Германии, Италии, Чехии, Финляндии, Франции) по надежности работы аналогичны широко известным потребителям маркам телевизоров "Sony" и фотоаппаратов "Nikon". 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 компенсационных модулей, конструкция которых обеспечивает взаимозаменяемость идентичных элементов установки. Сборка комплектных конденсаторных установок производится на предприятии-изготовителе, а на месте их размещения - только монтаж и подключение шкафов. АКУ небольшой единичной мощности выпускаются в настенном исполнении. Размещать КУ лучше всего вблизи распределительного щита, т.к. в этом случае упрощается их присоединение. При соблюдении требований ПУЭ автоматические конденсаторные установки можно устанавливать непосредственно в производственных помещениях.

Отметим, что исполнение конденсаторов (в русскоязычной терминологии конденсаторы для КРМ называются косинусными) во многом определяет надежность работы КУ, поскольку именно они являются элементом, обеспечивающим компенсацию реактивной мощности. Поэтому при заказе конденсаторной установки следует в первую очередь обращать внимание на тип и марку изготовителя применяемых косинусных конденсаторов (КК). Современные низковольтные конденсаторы для КРМ имеют преимущественно металлопленочную структуру обкладок - напыление слоя металлизации (однородного, чистотой до 99%, алюминия), толщиной около десяти нанометров, на одну из сторон полимерной (полипропиленовой) пленки (тип МКР) или двойное - двухсторонняя металлизация конденсаторной бумаги, с последующей пропиткой минеральным маслом и прокладкой из полимерной пленки (тип MKV). Подобное исполнение диэлектрической системы, позволяет добиться эффекта самовосстановления работоспособности конденсатора при локальных пробоях диэлектрика. Кроме того, конструкция современных КК предусматривает "сухое" (инертный газ) или нетоксичное кампаудное заполнение объема корпуса и наличие встроенного предохранителя от превышения избыточного внутреннего давления (разрыва корпуса). При этом надежность работы КК 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.

Группа Компаний "ДИАЛ" выпускает КУ на базе компонентов ведущих европейских производителей, таких как "Electronicon" (Германия) - косинусные конденсаторы, дроссели; Rade Koncar (Македония) - электромагнитные контакторы; Janitza (Германия) - регуляторы реактивной мощности Epcos AG (Германия) - фильтрующие (антирезонансные) дроссели, электронные контакторы (пускатели), разрядные дроссели; Benedikt (Австрия) - электромеханические конденсаторные контакторы (пускатели); "CONTA-CLIP" (Германия) - клеммные соединения цепей управления и сигнализации модулей КРМ. Совместно с компанией Beluk (Германия) нашей компанией налажено производство регуляторов РМ марки "ДИАЛ". Все указанные электротехнические компоненты, также как и сами КУ производства ГК "ДИАЛ", имеют Российские сертификаты соответствия.

Уважаемые посетители нашего сайта! Обращаем Ваше внимание на то, что Группа Компаний "ДИАЛ" гарантирует подлинность всех комплектующих КУ изделий, т.к. является официальным дистрибьютером указанных выше компаний.

Учитывая происходящее в настоящее время изменение характера электропотребления, особенно в электросетях низкого (до 1 кВ) 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 переносного измерительного устройства MRG 503(F) производства Janitza, автоматически фиксирующего измеряемые параметры сети, регламентируемые ГОСТ 13109-97 "Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения".

Если в результате измерения будет зафиксирован повышенный (практически достигающий половины допустимого значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения - ku, одного из показателей качества электроэнергии согласно ГОСТ 13109-97), уровень гармонических искажений, для компенсации реактивной мощности нужно применять фильтрокомпенсирующие конденсаторные установки, которые позволят в первую очередь избежать выхода из строя косинусных конденсаторов, вследствии протекания через них высокочастотных гармоник, а также оптимизировать загрузку силовых трансформаторов, за счет частичного снижения уровня присутствующих в сети гармоник. Согласно рекомендации VDEW, ФКУ целесообразно использовать при доле нелинейных электроприемников (включая преобразователи) в присоединенной мощности нагрузки более 15-20%. До этого значения КРМ осуществляется обычными КУ, а свыше 50% необходимо устанавливать сетевые фильтры настроенные на фиксированные частоты гармоник (как правило, 5-ой, 7-ой, 11-ой, 13-ой).

ГК "ДИАЛ", по предварительному заказу, выпускает автоматические конденсаторные установки (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 эквивалентной РМ, и принудительная вентиляция внутреннего пространства шкафа. Это позволяет устанавливать АФКУ в производственных помещениях, температура в которых достигает значения +40°C. Как было указано выше, в АФКУ предпочтительно устанавливать КК с повышенным значением токовой перегрузки.

Группа Компаний "ДИАЛ" продолжительное время занимается производством низковольтных КУ для КРМ. С образцами нашей продукции можно ознакомиться на специализированных выставках электротехнического оборудования, в том числе региональных, постоянным участником которых является наша компания.

Компенсация реактивной мощности (КРМ) является одним из важных вопросов, который связан с результативным потреблением энергии. Возможности компенсации реактивной мощности помогают предприятиям существенно снизить затраты электроэнергии, а также сводят к нулю потребность в дополнительных аппаратах, которые вырабатывают электроэнергию. Линии энергосбережения, как известно, часто приходят в аварийное состояние. А КРМ помогает максимально снизить процент выхода из строя и увеличивает срок эксплуатации оборудования.

Автоматизированные конденсаторные установки – АКУ – являются одним из основных способов компенсации реактивной мощности. Данные конденсаторные установки типов УКМ и АКУ, главными элементами которых являются конденсаторы, позволяют добиться отличных результатов в вопросе компенсации реактивной мощности энергосетей. Кроме того, конденсаторные установки дают возможность повышения временного ресурса энергоснабжения, увеличивая его в разы. Конденсаторные установки помимо этого помогают стабилизировать энергоснабжение при резких нагрузках и скачках напряжения. Это может быть запуск электродвигателя или любого другого оборудования – здесь УКМ отлично справляются со своими задачами.

Как уже говорилось ранее, УКМ разработаны для компенсации реактивной мощности. Конденсаторные установки являются одним из типов электрощитового оборудования, которое успешно применяется для энергосбережения и эффективно справляется со своими задачами.

Конденсаторные установки могут быть выполнены в двух вариантах: моноблочном и модульном. Модульные конденсаторные установки применяются для КРМ в групповых сетях, а также в сетях энергообеспечения на средних и крупных предприятиях. Моноблочные конденсаторные установки широко используются для КРМ в групповых сетях энергоснабжения на малых предприятиях.

Проблемы, которые помогут решить конденсаторные установки

Конденсаторные установки (УКМ, АКУ и другие модели) применяются не только для замедления вращения счетчика реактивной энергии. Помимо этого с их помощью решается ряд других проблем, возникающих на производстве:

  • снижение загрузки силовых трансформаторов (при уменьшении потребления реактивной мощности понижается и потребление полной мощности);
  • обеспечение питания нагрузки по кабелю с меньшим сечением (не допуская перегрева изоляции);
  • за счет частичной токовой разрузки силовых трансформаторов и питающих кабелей подключение дополнительной активной нагрузки;
  • позволяет избежать глубокой просадки напряжения на линиях электроснабжения удаленных потребителей (водозаборные скважины, карьерные экскаваторы с электроприводом, стройплощадки и т. д.);
  • возможность максимально использовать мощность автономных дизель-генераторов (судовые электроустановки, электроснабжение геологических партий, стройплощадок, установок разведочного бурения и т. д.);
  • облегчается пуск и работу асинхронных двигателей (при индивидуальной компенсации).
  • автоматически отслеживается изменение реактивной мощности нагрузки в компенсируемой сети и, в соответствии с заданным, корректируется значение коэффициента мощности - cosφ;
  • исключается генерация реактивной энергии в сеть (режим "перекомпенсации");
  • исключается появление в сети перенапряжения, т. к. нет перекомпенсации, возможной при использовании нерегулируемых конденсаторных установок;
  • визуально отслеживаются и выводятся на дисплей автоматического регулятора все основные параметры компенсируемой сети;
  • контролируется режим эксплуатации и работа всех элементов конденсаторной установки, в первую очередь батарей конденсаторов;
  • предусмотрена система аварийного отключения конденсаторной установки и предупреждения обслуживающего персонала;
  • возможно автоматическое подключение обогрева или вентиляции конденсаторной установки.

Гарантия на производимое оборудование

На конденсаторные установки производства ГК "ДИАЛ" предоставляется гарантия 2 года с момента покупки.