Меню

Как определить реактивную мощность по косинусу фи



Что такое реактивная мощность и как её рассчитать?

Многие потребители электроэнергии не подозревают того, что часть учтённого электричества расходуется бесполезно. В зависимости от вида нагрузки уровень потерь электроэнергии может достигать от 12 до 50%. При этом счетчики электроэнергии засчитывают эти потери, относя их к полезной работе, за что приходится платить. Виной завышения оплаты за потребление электроэнергии, не выполняющей полезной работы, является реактивная мощность, присутствующая в сетях переменных токов.

Чтобы понять, за что мы переплачиваем и как компенсировать влияние реактивных мощностей на работу электрических установок, рассмотрим причину появления реактивной составляющей при передаче электроэнергии. Для этого придётся разобраться в физике процесса, связанного с переменным напряжением.

Что такое реактивная мощность?

Для начала рассмотрим понятие электрической мощности. В широком смысле слова, этот термин означает работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электрической энергии, понятие мощности немного откорректируем: под электрической мощностью будем понимать физическую величину, реально характеризующую скорость генерации тока или количество переданной либо потреблённой электроэнергии в единицу времени.

Понятно, что работа электричества в единицу времени определяется электрической мощностью, измеряемой в ваттах. Мгновенную мощность на участке цепи находят по формуле: P = U×I, где U и I – мгновенные значения показателей параметров напряжения и силы тока на данном участке.

При наличии в электрической цепи ёмкостных или индуктивных нагрузок, появляются паразитные токи, не участвующие в выполнении полезной работы. Мощность этих токов называют реактивной.

На индуктивных и ёмкостных нагрузках часть электроэнергии рассеивается в виде тепла, а часть препятствует выполнению полезной работы.

К устройствам с индуктивными нагрузками относятся:

  • электромоторы;
  • дроссели;
  • трансформаторы;
  • электромагнитные реле и другие устройства, содержащие обмотки.

Ёмкостными сопротивлениями обладают конденсаторы.

Физика процесса

Когда мы имеем дело с цепями постоянного тока, то говорить о реактивной мощности не приходится. В таких цепях значения мгновенной и полной мощности совпадают. Исключением являются моменты включения и отключения ёмкостных и индуктивных нагрузок.

Похожая ситуация происходит при наличии чисто активных сопротивлений в синусоидальных цепях. Однако если в такую электрическую цепь включены устройства с индуктивными или ёмкостными сопротивлениями, происходит сдвиг фаз по току и напряжению (см. рис.1).

При этом на индуктивностях наблюдается отставание тока по фазе, а на ёмкостных элементах фаза тока сдвигается так, что ток опережает напряжение. В связи с нарушением гармоники тока, полная мощность разлагается на две составляющие. Ёмкостные и индуктивные составляющие называют реактивными, бесполезными. Вторая составляющая состоит из активных мощностей.

Сдвиг фаз индуктивной нагрузкой

Рис. 1. Сдвиг фаз индуктивной нагрузкой

Угол сдвига фаз используется при вычислениях значений активных и реактивных ёмкостных либо индуктивных мощностей. Если угол φ = 0, что имеет место при резистивных нагрузках, то реактивная составляющая отсутствует.

Важно запомнить:

  • резистор потребляет исключительно активную мощность, которая выделяется в виде тепла и света;
  • катушки индуктивности провоцируют образование реактивной составляющей и возвращают её в виде магнитных полей;
  • Ёмкостные элементы (конденсаторы) являются причиной появления реактивных сопротивлений.

Треугольник мощностей и cos φ

Для наглядности изобразим полную мощность и её составляющие в виде векторов (см. рис. 2). Обозначим вектор полной мощности символом S, а векторам активной и реактивной составляющей присвоим символы P и Q, соответственно. Поскольку вектор S является суммой составляющих тока, то, по правилу сложения векторов, образуется треугольник мощностей.

Коэффициент мощности

Рис. 2. коэффициент мощности

Применяя теорему Пифагора, вычислим модуль вектора S:

Формула модуля вектора S

Отсюда можно найти реактивную составляющую:

Реактивная составляющаяРеактивная составляющая

Выше мы уже упоминали, что реактивная мощность зависит от сдвига фаз, а значит и от угла этого сдвига. Эту зависимость удобно выражать через cos φ. По определению cos φ = P/S. Данную величину называют коэффициентом мощности и обозначают Pf. Таким образом, Pf = cos φ = P/S.

Коэффициент мощности, то есть cos φ, является очень важной характеристикой, позволяющей оценить эффективность работы тока. Данная величина находится в промежутке от 0 до 1.

Если угол сдвига фаз принимает нулевое значение, то cos φ = 1, а это значит что P = S, то есть полная мощность состоит только из активной мощности, а реактивность отсутствует. При сдвиге фаз на угол π/2 , cos φ = 0, откуда следует, что в цепи господствуют только реактивные токи (на практике такая ситуация не возникает).

Из этого можно сделать вывод: чем ближе к 1 коэффициент Pf , тем эффективнее используется ток. Например, для синхронных генераторов приемлемым считается коэффициент от 0,75 до 0,85.

Формулы

Поскольку реактивная мощность зависит от угла φ, то для её вычисления применяется формула: Q = UI×sin φ. Единицей измерения реактивной составляющей является вар или кратная ей величина – квар.

Активную составляющую находят по формуле: P = U*I×cosφ. Тогда

Формула полной мощности

Зная коэффициент Pf (cos φ), мы можем рассчитать номинальную мощность потребителя тока по его номинальному напряжению, умноженному на значение силы потребляемого тока.

Способы компенсации

Мы уже выяснили, как влияют реактивные токи на работу устройств и оборудования с индуктивными или ёмкостными нагрузками. Для уменьшения потерь в электрических сетях с синусоидальным током их оборудуют дополнительными устройствами компенсации.

Принцип действия установок компенсации основан на свойствах индуктивностей и ёмкостей по сдвигу фаз в противоположные стороны. Например, если обмотка электромотора сдвигает фазу на угол φ, то этот сдвиг можно компенсировать конденсатором соответствующей ёмкости, который сдвигает фазу на величину – φ. Тогда результирующий сдвиг будет равняться нулю.

Читайте также:  Как получить треугольник мощностей

На практике компенсирующие устройства подключают параллельно нагрузкам. Чаще всего они состоят из блоков конденсаторов большой ёмкости, расположенных в отдельных шкафах. Одна из таких конденсаторных установок изображена на рисунке 3. На картинке видно группы конденсаторов, используемых для компенсации сдвигов напряжений в различных устройствах с индуктивными обмотками.

Устройство компенсации

Рис. 3. Устройство компенсации

Компенсацию реактивной мощности ёмкостными нагрузками хорошо иллюстрируют графики на рисунке 4. Обратите внимание на то, как эффективность компенсации зависит от напряжения сети. Чем выше сетевое напряжение, тем сложнее компенсировать паразитные токи (график 3).

Компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов

Рис. 4. Компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов

Устройства компенсации часто устанавливаются в производственных цехах, где работает много устройств на электроприводах. Потери электричества при этом довольно ощутимы, а качество тока сильно ухудшается. Конденсаторные установки успешно решают подобные проблемы.

Нужны ли устройства компенсации в быту?

На первый взгляд в домашней сети не должно быть больших реактивных токов. В стандартном наборе бытовых потребителей преобладают электрическая техника с резистивными нагрузками:

  • электрочайник (Pf = 1);
  • лампы накаливания (Pf = 1);
  • электроплита (Pf = 1) и другие нагревательные приборы;

Коэффициенты мощности современной бытовой техники, такой как телевизор, компьютер и т.п. близки к 1. Ими можно пренебречь.

Но если речь идёт о холодильнике (Pf = 0,65), стиральной машине и микроволновой печи, то уже стоит задуматься об установке синхронных компенсаторов. Если вы часто пользуетесь электроинструментом, сварочным аппаратом или у вас дома работает электронасос, тогда установка устройства компенсации более чем желательна.

Экономический эффект от установки таких устройств ощутимо скажется на вашем семейном бюджете. Вы сможете экономить около 15% средств ежемесячно. Согласитесь, это не так уж мало, учитывая тарифы не электроэнергию.

Попутно вы решите следующие вопросы:

  • уменьшение нагрузок на индуктивные элементы и на проводку;
  • улучшение качества тока, способствующего стабильной работе электронных устройств;
  • понижение уровня высших гармоник в бытовой сети.

Для того чтобы ток и напряжение работали синфазно, устройства компенсации следует размещать как можно ближе к потребителям тока. Тогда реальная отдача индуктивных электроприёмников будет принимать максимальные значения.

Видео в тему

Источник

Компенсация реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ

Причины необходимости компенсации реактивной мощности у потребителя электроэнергии. Некоторые аспекты применения коэффициентов мощности cos φ и реактивной мощности tg φ. Особенности компенсации реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ.

Выработка, передача и потребление электроэнергии переменного тока сопряжено с решением ряда проблем и ключевой из них можно смело считать проблему компенсации реактивной мощности. В сетях переменного тока de facto потребителями реактивной мощности являются, как звенья самой сети (линии электропередачи, трансформаторы подстанций, шунтирующие реакторы и т.д.), так и все без исключения приемники электроэнергии, причем львиную долю реактивной мощности (порядка 60%) потребляют асинхронные двигатели сетей среднего и низкого напряжения, около четверти всей реактивной мощности приходится на трансформаторы разного назначения, в том числе трансформаторы понижающих подстанций и одну десятую часть делят между собой приемники, использующие для запуска и работы переменное магнитное поле (индукционные печи, выпрямители и т.д.).

Генераторы электростанций в нормальном режиме работы вырабатывают активную мощность, в режиме перевозбуждения — реактивную мощность в объемах от 20% до 70% от средней потребности в реактивной мощности распределительных сетей, понижающих подстанций и приемников электроэнергии у потребителей. Также незначительная доля потребности в реактивной мощности компенсируется емкостью воздушных и кабельных линий, но все это в совокупности не решает и даже отчасти усугубляет проблему дефицита реактивной мощности и вызываемых этим негативных последствий, поскольку транспорт реактивной мощности от генераторов электростанций:

  • снижает объемы передаваемой активной мощности, около 10% которой и так теряется в различных звеньях сетей разного напряжения;
  • значительно повышает риски перегрева линий электропередач; перегружает трансформаторы подстанций более высокого уровня;
  • уменьшает число оптимальных для подключения к сети потребителей;
  • приводит к падению сетевого напряжения и ухудшению качества передаваемой электроэнергии.

По этим причинам в РД 34.20.185-94 «Инструкция по проектированию городских электрических сетей» (п. 5.2.9), «Методических указаниях по проектированию развития энергосистем» Минпромэнерго (п. 5.36.3), «Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации» Минэнерго РФ (п. 6.3.16) и ряде других нормативно-правовых актов определена необходимость использования устройств компенсации реактивной мощности у потребителей, что снижает объемы перетоков мощности и в целом увеличивает пропускную способность сетей различного напряжения.

Некоторые аспекты применения коэффициентов мощности cos φ и реактивной мощности tg φ.

В «Приложении к Порядку расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоры энергоснабжения)» (Приказ №49 Минпромэнерго России от 22 февраля 2007 года) определены предельные значения коэффициентов мощности cos φ и реактивной мощности tg φ в зависимости от точки присоединения потребителя к распределительной сети.

При аудите электрической распределительной сети или сегмента электрической сети, находящегося в балансовой принадлежности потребителя может использоваться, как коэффициент мощности cos φ, определяемый отношением активной мощности к полной мощности, так и коэффициент реактивной мощности tg φ, численно равный отношению реактивной к активной мощности. Вместе с тем таблица ниже демонстрирует недостаточность коэффициента мощности cos φ для точной оценки потребности в потреблении реактивной мощности.

Таблица. Значение реактивной мощности (РМ) в процентах от активной мощности при разных значениях коэффициентов мощности cos φ

cos φ 1.0 0.99 0.97 0.95 0.94 0.92 0.9 0.87 0.85 0.8 0.7 0.5 0.316
tg φ 0.0 0.14 0.25 0.33 0.36 0.43 0.484 0.55 0.60 0.75 1.02 1.73 3.016
РМ,% 0.0 14 25 33 36 43 48.4 55 60 75 102 173 301.6

Из данных таблицы видно, что даже при высоких значениях коэффициента мощности cos φ = 0.95 электроприемниками/звеньями электрической сети потребляется реактивная мощность величиной в 33% от активной мощности, а уже при значении коэффициента мощности cos φ = 0.7 объемы потребляемой активной и реактивной мощности сравниваются. Поэтому более целесообразно выполнять оценку распределительной сети/сегмента сети в балансовой принадлежности потребителя по коэффициенту реактивной мощности tg φ, показывающему реальный баланс активной и реактивной мощности.

Особенности компенсации реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ

Целесообразность компенсации реактивной мощности для потребителя можно рассматривать, как в техническом, так и экономическом аспектах. В случае подключения потребителя к распределительной сети 6,3 (10,5) кВ конденсаторные установки могут интегрироваться на подстанции в балансовой принадлежности электросетевой компании и тогда потребитель будет иметь чисто техническую выгоду от качества получаемой электроэнергии. При установке КРМ 6,3 (10,5) кВ (или УКРМ 6,3 (10,5) кВ) на шинах РУ 6,3 (10,5) кВ предприятия, или на шинах РУ цеховых ТП 6-10/0,4 кВ, шинах первичных цеховых РП 0,4 кВ, а также непосредственно у электроприемников, потребитель будет иметь, как техническую, так и экономическую выгоду за счет возможности использования активной мощности в более полном объеме и соответственно снижения затрат на «балластную» реактивную мощность.

Источник

Реактивная мощность и cos фи

Рассмотрим такие понятия, как: реактивная мощность, коэффициент мощности ( cos фи), низкое значение Cos FI и способы его повышения.

Что такое реактивная мощность?

Коэффициент мощности cos фи (φ) определяется как отношение полезной мощности к полной. Математически это определение часто записывают в виде кВт/кВА, где числитель – активная (действительная) мощность, а знаменатель – кажущаяся (активная + реактивная, полная) мощность. И хотя определение выглядит весьма простым, само понятие реактивной мощности весьма зачастую туманно и запутанно даже для людей с неплохой технической подготовкой.

Объяснение понятия реактивной мощности основывается на том, что в системе переменного тока в случае, когда напряжение и ток возрастают и уменьшаются одновременно, передается только активная мощность, а когда между током и напряжением есть сдвиг во времени (сдвиг по фазе), передается как активная, так и реактивная мощность. Однако, при расчете среднего за период значения, присутствует только среднее значение активной мощности, которое приводит к «чистой» передаче энергии из одной точки в другую, тогда как среднее значение реактивной мощности равно нулю, независимо от структуры и режима работы системы.

В случае реактивной мощности количество энергии, протекающее в одном направлении равно количеству энергии, протекающему в противоположном направлении (иначе говоря, реактивные элементы сети – конденсаторы, индуктивности и др. – обмениваются реактивной энергией). Это означает, что реактивная мощность не производится и не потребляется.

Но, в действительности, мы наблюдаем потери реактивной мощности и внедряем много различного оборудования для ее компенсации, чтобы уменьшить потребление электроэнергии и затраты.

Заблуждения о законе сохранения энергии

Закон сохранения энергии, не подвергаемый сомнению, гласит: «энергия ни откуда не возникает и никуда не исчезает», а мы все еще продолжаем говорить о «сбережении энергии»!! Заблуждения возникают тогда, когда мы рассуждаем о законе сохранения, игнорируя другие законы термодинамики, в частности закон, гласящий, что энтропия («низкосортная» энергия) постоянно увеличивается. В математическом смысле «полная» энергия не имеет значения для потребителя энергии, следовательно, он должен заботиться об эффективности ее преобразования и сохранения. Точно так же, несмотря на то, что мы можем доказать математически, что потери реактивной мощности не являются реальными потерями и реактивная энергия вообще не тратится, у нас есть целый ряд причин для коррекции реактивной мощности. Это проще объяснить на основе физических аналогий.

Физические аналогии

Предположим, нам надо заполнить водой резервуар, выливая по одному ведру за раз. Единственный способ сделать это – подняться по лестнице с ведром воды и вылить ведро в емкость. Вылив ведро, мы должны спуститься по лестнице за следующим ведром. За этот цикл (подъем по лестнице и спуск) мы проделали определенную работу, причем энергия, затраченная на подъем, больше энергии, требуемой для спуска.

Читайте также:  Как рассчитать мощность потребляемую цехом

Если бы мы поднялись по лестнице с пустым ведром и с ним же спустились, то мы не совершили бы никакой работы. Но энергия для подъема и спуска осталась бы такой же. И хотя мы не совершали никакой полезной работы, мы затратили некоторое количество энергии.

Таким образом, энергия, необходимая на подъем и спуск по лестнице с пустыми руками, требует реактивной мощности, но не полезной. А энергия, затраченная на подъем с ведром воды и спуск с пустым ведром, требует как активной мощности, так и реактивной.

Аналогия может быть распространена и на трехфазные системы, если поставить три лестницы к резервуару и заставить трех человек подниматься по ним в такой последовательности, чтобы наполнение резервуара было непрерывным.

Что вызывает низкий коэффициент мощности cos φ (cos фи) в электрической системе?

Перечислим некоторые причины, которые способствуют возникновению в системе низкого коэффициента мощности:

  • индуктивные нагрузки, особенно недогруженные асинхронные двигатели и трансформаторы;
  • индукционные печи и дуговые печи с реакторами;
  • дуговые лампы;
  • токоограничивающие реакторы;
  • повышенное напряжение.

Реактивная мощность, потребляемая этими нагрузками, увеличивает значение полной мощности в распределительной сети, и такое увеличение реактивной и полной мощности вызывает снижение коэффициента мощности.

Как повысить коэффициент мощности cos φ?

Коэффициент мощности можно повысить путем дополнительного подключения в сеть потребителей реактивной мощности, таких как конденсаторы или асинхронные двигатели.

Также его можно увеличить за счет полного использования по нагрузке асинхронных двигателей и трансформаторов и за счет применения высокоскоростных двигателей. Применение автоматической системы переключения отводов обмоток трансформаторов также способствует повышению коэффициента мощности.

При каких обстоятельствах коррекция коэффициента мощности способна:

а) снизить потребление электроэнергии на предприятии?
Повышение коэффициента мощности cos фи (cos φ) на предприятии за счет внедрения любого из вышеупомянутых способов компенсирует потери и уменьшает токовые нагрузки на оборудование электросети, т.е. кабели, распределительные коммутационные устройства, трансформаторы, генерирующие установки и т.д. Это означает, что коррекция коэффициента мощности cos фи там, где она возможна, уменьшит потребление электроэнергии на предприятии и, в свою очередь, снизит стоимость электроэнергии.

Повышение коэффициента мощности cos φ приводит к снижению энергопотребления, когда коррекция реализована на уровне отдельных потребителей (т.е. оборудования) или на уровне распределительного устройства. Но это не приведет к снижению энергопотребления, если предприятие, получающее энергию из общей сети, вынесет коррекцию на уровень питающего/входного напряжения только для того, чтобы скомпенсировать реактивную энергию, потребляемую из сети. Если предприятие осуществляет такую коррекцию для своей собственной системы генерации электроэнергии, то в этом случае экономия на стоимости (либо электроэнергии, либо стоимости топлива) будет иметь место за счет снижения потерь в генераторе.

б) сократить только затраты на электроэнергию?
Коррекция коэффициента мощности cos φ (cos фи) приведет только к уменьшению стоимости электроэнергии в случае, если предприятие, получающее энергию из общей сети, вынесет коррекцию на уровень питающего/входного напряжения только для того, чтобы скомпенсировать реактивную энергию, потребляемую из сети.

Как правило, cos фи повышают до значения 0.95-0.98, а дальнейшее его повышение до единицы может привести к увеличению срока окупаемости мероприятий по коррекции.

в) снизить затраты и потребление электроэнергии?
Во всех остальных случаях, кроме вышеописанных исключений, повышение коэффициента мощности в конечном итоге приводит к снижению потребления энергии и, следовательно, к снижению стоимости электроэнергии. Однако окупаемость инвестиций за счет повышения коэффициента мощности зависит от типа предприятия и многих других факторов, таких как тариф на электроэнергию, схемы загрузки оборудования, метода производства и использования мощности и т.д.

Коррекция коэффициента мощности cos фи осуществляется за счет индивидуальной или групповой коррекции.

увеличение нагрузочной способности распределительной сети

удельная стоимость (на квар) конденсаторов малых габаритов выше, чем стоимость больших конденсаторов

возможность аппаратного отключения, не требуется дополнительных коммутаций

экономическая целесообразность обычно до 10 л.с.

лучше стабилизация напряжения

затрудненная установка в местах с особыми требованиями (пожаробезопасные и защищенные исполнения)

простота определения типоразмера конденсатора

необходимость в дополнительном оборудовании для обслуживания

конденсаторы, встроенные в оборудование,
могут быть перемещены во время реконструкции

если номинал конденсатора слишком велик – больше, чем мощность намагничивания двигателя, возможно повредить двигатель и другое подключенное оборудование

увеличение нагрузочной способности системы энергоснабжения

необходимость в коммутирующих устройствах для управления величиной емкости

снижение материальных затрат по сравнению с индивидуальной коррекцией

необходимость в индивидуальных коммутирующих устройствах

сокращение количества оборудования для обслуживания / простота доступа для контроля

отсутствие снижения потерь в кабелях ниже
точки коррекции

исключение самовозбуждения асинхронных двигателей из-за высокого значения емкости

высокий срок окупаемости

уменьшение удельной цены на квар для устройств больших типоразмеров

отсутствие вклада в увеличение срока службы/эффективности оборудования

простота регулирования нагрузки энергосистемы; коэффициент мощности cos φ может быть приближен к единице

опережающий коэффициент мощности на предприятиях с собственной генерацией электроэнергии при неправильной коммутации

возможность установки на подстанциях и, следовательно, возможность применения на опасных объектах

вероятность непосредственной коммутации емкостной нагрузки при отключении электроэнергии

Источник

Как определить реактивную мощность по косинусу фи



Компенсация реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ

Причины необходимости компенсации реактивной мощности у потребителя электроэнергии. Некоторые аспекты применения коэффициентов мощности cos φ и реактивной мощности tg φ. Особенности компенсации реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ.

Выработка, передача и потребление электроэнергии переменного тока сопряжено с решением ряда проблем и ключевой из них можно смело считать проблему компенсации реактивной мощности. В сетях переменного тока de facto потребителями реактивной мощности являются, как звенья самой сети (линии электропередачи, трансформаторы подстанций, шунтирующие реакторы и т.д.), так и все без исключения приемники электроэнергии, причем львиную долю реактивной мощности (порядка 60%) потребляют асинхронные двигатели сетей среднего и низкого напряжения, около четверти всей реактивной мощности приходится на трансформаторы разного назначения, в том числе трансформаторы понижающих подстанций и одну десятую часть делят между собой приемники, использующие для запуска и работы переменное магнитное поле (индукционные печи, выпрямители и т.д.).

Генераторы электростанций в нормальном режиме работы вырабатывают активную мощность, в режиме перевозбуждения — реактивную мощность в объемах от 20% до 70% от средней потребности в реактивной мощности распределительных сетей, понижающих подстанций и приемников электроэнергии у потребителей. Также незначительная доля потребности в реактивной мощности компенсируется емкостью воздушных и кабельных линий, но все это в совокупности не решает и даже отчасти усугубляет проблему дефицита реактивной мощности и вызываемых этим негативных последствий, поскольку транспорт реактивной мощности от генераторов электростанций:

  • снижает объемы передаваемой активной мощности, около 10% которой и так теряется в различных звеньях сетей разного напряжения;
  • значительно повышает риски перегрева линий электропередач; перегружает трансформаторы подстанций более высокого уровня;
  • уменьшает число оптимальных для подключения к сети потребителей;
  • приводит к падению сетевого напряжения и ухудшению качества передаваемой электроэнергии.

По этим причинам в РД 34.20.185-94 «Инструкция по проектированию городских электрических сетей» (п. 5.2.9), «Методических указаниях по проектированию развития энергосистем» Минпромэнерго (п. 5.36.3), «Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации» Минэнерго РФ (п. 6.3.16) и ряде других нормативно-правовых актов определена необходимость использования устройств компенсации реактивной мощности у потребителей, что снижает объемы перетоков мощности и в целом увеличивает пропускную способность сетей различного напряжения.

Некоторые аспекты применения коэффициентов мощности cos φ и реактивной мощности tg φ.

В «Приложении к Порядку расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоры энергоснабжения)» (Приказ №49 Минпромэнерго России от 22 февраля 2007 года) определены предельные значения коэффициентов мощности cos φ и реактивной мощности tg φ в зависимости от точки присоединения потребителя к распределительной сети.

Положение точки присоединения потребителя к электрической сети tgφ cosɸ
Напряжением 110 кВ (154 кВ) 0.5 0.9
Напряжением 35 кВ (60 кВ) 0.4 0.93
Напряжением 6-20 кВ 0.4 0.93
Напряжением 0,4 кВ 0.35 0.94

При аудите электрической распределительной сети или сегмента электрической сети, находящегося в балансовой принадлежности потребителя может использоваться, как коэффициент мощности cos φ, определяемый отношением активной мощности к полной мощности, так и коэффициент реактивной мощности tg φ, численно равный отношению реактивной к активной мощности. Вместе с тем таблица ниже демонстрирует недостаточность коэффициента мощности cos φ для точной оценки потребности в потреблении реактивной мощности.

Из данных таблицы видно, что даже при высоких значениях коэффициента мощности cos φ = 0.95 электроприемниками/звеньями электрической сети потребляется реактивная мощность величиной в 33% от активной мощности, а уже при значении коэффициента мощности cos φ = 0.7 объемы потребляемой активной и реактивной мощности сравниваются. Поэтому более целесообразно выполнять оценку распределительной сети/сегмента сети в балансовой принадлежности потребителя по коэффициенту реактивной мощности tg φ, показывающему реальный баланс активной и реактивной мощности.

Особенности компенсации реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ

Целесообразность компенсации реактивной мощности для потребителя можно рассматривать, как в техническом, так и экономическом аспектах. В случае подключения потребителя к распределительной сети 6,3 (10,5) кВ конденсаторные установки могут интегрироваться на подстанции в балансовой принадлежности электросетевой компании и тогда потребитель будет иметь чисто техническую выгоду от качества получаемой электроэнергии. При установке КРМ 6,3 (10,5) кВ (или УКРМ 6,3 (10,5) кВ) на шинах РУ 6,3 (10,5) кВ предприятия, или на шинах РУ цеховых ТП 6-10/0,4 кВ, шинах первичных цеховых РП 0,4 кВ, а также непосредственно у электроприемников, потребитель будет иметь, как техническую, так и экономическую выгоду за счет возможности использования активной мощности в более полном объеме и соответственно снижения затрат на «балластную» реактивную мощность.

Источник

Что такое реактивная мощность и как её рассчитать?

Многие потребители электроэнергии не подозревают того, что часть учтённого электричества расходуется бесполезно. В зависимости от вида нагрузки уровень потерь электроэнергии может достигать от 12 до 50%. При этом счетчики электроэнергии засчитывают эти потери, относя их к полезной работе, за что приходится платить. Виной завышения оплаты за потребление электроэнергии, не выполняющей полезной работы, является реактивная мощность, присутствующая в сетях переменных токов.

Чтобы понять, за что мы переплачиваем и как компенсировать влияние реактивных мощностей на работу электрических установок, рассмотрим причину появления реактивной составляющей при передаче электроэнергии. Для этого придётся разобраться в физике процесса, связанного с переменным напряжением.

Что такое реактивная мощность?

Для начала рассмотрим понятие электрической мощности. В широком смысле слова, этот термин означает работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электрической энергии, понятие мощности немного откорректируем: под электрической мощностью будем понимать физическую величину, реально характеризующую скорость генерации тока или количество переданной либо потреблённой электроэнергии в единицу времени.

Понятно, что работа электричества в единицу времени определяется электрической мощностью, измеряемой в ваттах. Мгновенную мощность на участке цепи находят по формуле: P = U×I, где U и I – мгновенные значения показателей параметров напряжения и силы тока на данном участке.

Строго говоря, приведённая выше формула справедлива только для постоянного тока. Однако, в цепях синусоидального тока формула работает лишь тогда, когда нагрузка потребителей чисто активная. При резистивной нагрузке вся электрическая энергия расходуется на выполнение полезной работы. Примерами активных нагрузок являются резистивные приборы, такие как кипятильник или лампа накаливания.

При наличии в электрической цепи ёмкостных или индуктивных нагрузок, появляются паразитные токи, не участвующие в выполнении полезной работы. Мощность этих токов называют реактивной.

Читайте также:  Мощность трехфазной электрической цепи при различных соединениях нагрузки это

На индуктивных и ёмкостных нагрузках часть электроэнергии рассеивается в виде тепла, а часть препятствует выполнению полезной работы.

К устройствам с индуктивными нагрузками относятся:

  • электромоторы;
  • дроссели;
  • трансформаторы;
  • электромагнитные
    реле и другие устройства, содержащие обмотки.

Ёмкостными сопротивлениями обладают конденсаторы.

Физика процесса

Когда мы имеем дело с цепями постоянного тока, то говорить о реактивной мощности не приходится. В таких цепях значения мгновенной и полной мощности совпадают. Исключением являются моменты включения и отключения ёмкостных и индуктивных нагрузок.

Похожая ситуация происходит при наличии чисто активных сопротивлений в синусоидальных цепях. Однако если в такую электрическую цепь включены устройства с индуктивными или ёмкостными сопротивлениями, происходит сдвиг фаз по току и напряжению (см. рис.1).

При этом на индуктивностях наблюдается отставание тока по фазе, а на ёмкостных элементах фаза тока сдвигается так, что ток опережает напряжение. В связи с нарушением гармоники тока, полная мощность разлагается на две составляющие. Ёмкостные и индуктивные составляющие называют реактивными, бесполезными. Вторая составляющая состоит из активных мощностей.

Угол сдвига фаз используется при вычислениях значений активных и реактивных ёмкостных либо индуктивных мощностей. Если угол φ = 0, что имеет место при резистивных нагрузках, то реактивная составляющая отсутствует.

  • резистор потребляет исключительно активную мощность, которая выделяется в виде тепла и света;
  • катушки индуктивности провоцируют образование реактивной составляющей и возвращают её в виде магнитных полей;
  • Ёмкостные элементы (конденсаторы) являются причиной появления реактивных сопротивлений.

Треугольник мощностей и cos φ

Для наглядности изобразим полную мощность и её составляющие в виде векторов (см. рис. 2). Обозначим вектор полной мощности символом S, а векторам активной и реактивной составляющей присвоим символы P и Q, соответственно. Поскольку вектор S является суммой составляющих тока, то, по правилу сложения векторов, образуется треугольник мощностей.

Применяя теорему Пифагора, вычислим модуль вектора S:

Отсюда можно найти реактивную составляющую:

Выше мы уже упоминали, что реактивная мощность зависит от сдвига фаз, а значит и от угла этого сдвига. Эту зависимость удобно выражать через cos φ. По определению cos φ = P/S. Данную величину называют коэффициентом мощности и обозначают P f. Таким образом, P f = cos φ = P/S.

Коэффициент мощности, то есть cos φ, является очень важной характеристикой, позволяющей оценить эффективность работы тока. Данная величина находится в промежутке от 0 до 1.

Если угол сдвига фаз принимает нулевое значение, то cos φ = 1, а это значит что P = S, то есть полная мощность состоит только из активной мощности, а реактивность отсутствует. При сдвиге фаз на угол π/2 , cos φ = 0, откуда следует, что в цепи господствуют только реактивные токи (на практике такая ситуация не возникает).

Читайте также:  Какая мощность светодиодной ленты для ступеней

Из этого можно сделать вывод: чем ближе к 1 коэффициент P f , тем эффективнее используется ток. Например, для синхронных генераторов приемлемым считается коэффициент от 0,75 до 0,85.

Формулы

Поскольку реактивная мощность зависит от угла φ, то для её вычисления применяется формула: Q = UI×sin φ. Единицей измерения реактивной составляющей является вар или кратная ей величина – квар.

Активную составляющую находят по формуле: P = U*I×cosφ. Тогда

Зная коэффициент P f (cos φ) , мы можем рассчитать номинальную мощность потребителя тока по его номинальному напряжению, умноженному на значение силы потребляемого тока.

Способы компенсации

Мы уже выяснили, как влияют реактивные токи на работу устройств и оборудования с индуктивными или ёмкостными нагрузками. Для уменьшения потерь в электрических сетях с синусоидальным током их оборудуют дополнительными устройствами компенсации.

Принцип действия установок компенсации основан на свойствах индуктивностей и ёмкостей по сдвигу фаз в противоположные стороны. Например, если обмотка электромотора сдвигает фазу на угол φ, то этот сдвиг можно компенсировать конденсатором соответствующей ёмкости, который сдвигает фазу на величину – φ. Тогда результирующий сдвиг будет равняться нулю.

На практике компенсирующие устройства подключают параллельно нагрузкам. Чаще всего они состоят из блоков конденсаторов большой ёмкости, расположенных в отдельных шкафах. Одна из таких конденсаторных установок изображена на рисунке 3. На картинке видно группы конденсаторов, используемых для компенсации сдвигов напряжений в различных устройствах с индуктивными обмотками.

Компенсацию реактивной мощности ёмкостными нагрузками хорошо иллюстрируют графики на рисунке 4. Обратите внимание на то, как эффективность компенсации зависит от напряжения сети. Чем выше сетевое напряжение, тем сложнее компенсировать паразитные токи (график 3).

Устройства компенсации часто устанавливаются в производственных цехах, где работает много устройств на электроприводах. Потери электричества при этом довольно ощутимы, а качество тока сильно ухудшается. Конденсаторные установки успешно решают подобные проблемы.

Нужны ли устройства компенсации в быту?

На первый взгляд в домашней сети не должно быть больших
реактивных токов. В стандартном наборе бытовых потребителей преобладают
электрическая техника с резистивными нагрузками:

  • электрочайник (P f = 1);
  • лампы накаливания
    (P f = 1);
  • электроплита (P f =
    1) и другие нагревательные приборы;

Коэффициенты
мощности современной бытовой техники, такой как телевизор, компьютер и т.п.
близки к 1. Ими можно пренебречь.

Но если речь идёт о холодильнике (P f = 0,65), стиральной машине и микроволновой печи, то уже стоит задуматься об установке синхронных компенсаторов. Если вы часто пользуетесь электроинструментом, сварочным аппаратом или у вас дома работает электронасос, тогда установка устройства компенсации более чем желательна.

Экономический эффект от установки таких устройств
ощутимо скажется на вашем семейном бюджете. Вы сможете экономить около 15%
средств ежемесячно. Согласитесь, это не так уж мало, учитывая тарифы не
электроэнергию.

Попутно вы решите следующие вопросы:

  • уменьшение нагрузок на индуктивные элементы и на проводку;
  • улучшение качества тока, способствующего стабильной работе электронных устройств;
  • понижение уровня высших гармоник в бытовой сети.

Для того чтобы ток и напряжение работали синфазно, устройства компенсации следует размещать как можно ближе к потребителям тока. Тогда реальная отдача индуктивных электроприёмников будет принимать максимальные значения.

Источник