Для чего реактивная мощность

Распределительная линия электропередачи с компенсацией реактивной мощности

А.А. Кувшинов, д.т.н., ФГБОУ ВПО «Тольяттинский государственный университет»; коллектив ООО «Энергия-Т»: В.Ф. Карманов, генеральный директор; К.В. Замула, главный конструктор; Е.А. Володин, инженер-конструктор.

Введение

В последнее время существенно увеличилось потребление реактивной мощности как электроприемниками промышленных предприятий из-за недостаточного использования компенсирующих устройств, так и коммунально-бытовыми потребителями в результате массового распространения новых типов электроприемников (компьютерная техника, микроволновые печи, стиральные машины и др.).

По некоторым оценкам общее потребление реактивной мощности приблизилось к 1 квар на 1 квт активной мощности [1]. Негативные последствия передачи таких объемов реактивной мощности от электростанций к узлам потребления общеизвестны — это и дополнительные потери активной мощности, и снижение пропускной способности распределительных сетей.

Известно также, что потери реактивной мощности в трансформаторах составляют в среднем (30–40)% реактивной мощности нагрузки на шинах 6–10 кВ. В распределительных линиях 35–110 кВ потери составляют (10–20)% реактивной составляющей нагрузки на шинах этих линий [2].

Таким образом, суммарные потери реактивной мощности в распределительной сети могут составлять от 40% до 60% общего объема передаваемой реактивной мощности.

Распределительная сеть с точки зрения физики протекающих процессов, связанной с неизбежным образованием магнитных полей вокруг фазных проводов распределительных линий и обмоток распределительных трансформаторов, является таким же потребителем реактивной мощности, как и все остальные электроприемники, имеющие активноиндуктивный характер. Поэтому широко распространенный термин «потери реактивной мощности» нельзя считать абсолютно корректным, поскольку так называемые «потери» не являются безвозвратными и вполне могут быть компенсированы.

Следует добавить, что даже полная компенсация реактивной мощности на шинах (в основном 0,4 кВ) потребителей не обеспечивает компенсации потерь реактивной мощности в распределительной сети. Данное обстоятельство делает правомерной постановку задачи компенсации реактивной мощности не только электроприемников, подключенных к распределительной сети, но и реактивной мощности, потребляемой собственно распределительными линиями и трансформаторами.

Натуральный режим работы распределительной линии

Режим передачи натуральной мощности является наиболее благоприятным, поскольку в силу сбалансированности электромагнитного поля линия не потребляет и не генерирует реактивную мощность, а потери активной мощности минимальны [3]. Для линии без потерь величина натуральной мощности определяется простым выражением [4]

\[Р_{НАТ} = \frac{ U2_{НОМ} } {Z_B}\]

(1)

где: \(U_{НОМ}\) — номинальное напряжение линии; \(Z_{B} = \sqrt{\frac{x_0}{b_0}} \) — волновое сопротивление линии без потерь; \( x_0, b_0 \) — погонное индуктивное сопротивление и погонная емкостная проводимость линии соответственно, величину которых можно оценить с помощью эмпирических выражений [5]

\[ x_0 = 0,1445 \cdot lg \frac{D_{СР}}{r_{ПР}} (Ом/км) \] 

(2)

\[ b_0 = \frac{7,54} { lg \frac{D_{СР}}{r_{ПР}} } \cdot 10{-6} (См/км) \]

(3)

где: \( D_{СР} = \sqrt[3] {D_{12} \cdot D_{13} \cdot D_{23} }\) — среднегеометрическое расстояние между фазными проводами;

Источник: https://www.energy-t.ru/about/articles/raspredelitelnaya-liniya-elektroperedachi-s-kompensacziej-reaktivnoj-moshhnosti.html

Общие сведения о компенсации реактивной мощности

Разработка и проектирование схемы электросети / электроустановки потребителя ставит перед проектировщиком широкий перечень задач. Одной из основных задач является задача обеспечения безопасности, в том числе и путем повышения надежности электроустановки и качества потребляемой электрической энергии.

Среди мероприятий по оптимизации использования электроэнергии потребителем стоит выделить мероприятия направленные на повышение коэффициента мощности.

Если рассматривать эти мероприятия с рациональной точки зрения, то изменение коэффициента мощности сети всего с 0,8 до 0,97 (идеальный случай – чаще всего изначальный коэффициент мощности не более 0,6), то общие затраты на потребляемую электроэнергию сократятся на 4 – 5 % от общего расхода.

В данном случае эти цифры свидетельствуют не только о экономии средств на потребляемую электроэнергию и о повышении энергоэффективности производства, но и о улучшении косвенного влияния на экологию путем экономии природных ресурсов и снижению затрат на оборудование.

Само возникновение реактивной мощности, как понятия, обусловлено уровнем современного развития промышленности, а именно большим количеством электрических машин в современных сетях. Известно, что полная мощность имеет две составляющие – активную мощность, непосредственно выполняющие работу и реактивную – необходимую для активации магнитных полей электрических машин.

Реактивная мощность отбирается потребителем из сети и снижает коэффициент мощности и КПД электроустановки. То есть, чем ниже коэффициент мощности, тем выше будет индуктивный реактивный компонент по отношению к активному компоненту и наоборот. Для решения проблемы реактивной мощности могут использовать процесс принудительного производства реактивной энергии путем использования батарей специальных (косинусных) конденсаторов или синхронных компенсаторов. Конденсаторы сдвигают ток, по фазе на 180% из фазы с индуктивным реактивным током. Оба тока суммируются алгебраически таким образом, что циркулирующим реактивным током установки является реактивный ток, который равен разнице между индуктивным и ёмкостным токами.

Компенсация коэффициента мощности

Как известно, в электрических цепях протекающий ток совпадает по фазе с напряжением только когда нагрузка имеет активный (резисторы) характер. В случае индуктивной нагрузки ток отстает от напряжения (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), когда ток опережает напряжение – нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы).

Так как в промышленности и в бытовой сфере преобладают нагрузки или активные или активно-индуктивные, тем самым график тока отстает от графика напряжения на угол φ косинус которого (cos(φ)) является отношением средней мощности переменного тока к произведению действующих значений напряжения и тока.

Наибольшее значение КМ (коэффициент мощности) равно 1 – в случае чисто активной нагрузки . В случае синусоидального переменного тока КМ равен косинусу угла сдвига фаз между синусоидами напряжения и тока и определяется параметрами цепи: cos(φ) = r/Z, где (φ) — угол сдвига фаз, r — активное сопротивление цепи, Z — полное сопротивление цепи.

КМ может отличаться от 1 и в цепях с чисто активными сопротивлениями, если в них содержатся нелинейные участки. В этом случае КМ уменьшается вследствие искажения формы кривых напряжения и тока.

Формула полной мощности, составленная для первой гармоники имеет вид : S= √((P2+ Q2)) Где S-полная мощность P- активная мощность Q- реактивная мощность Таким образом, cos(φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к увеличению cos(φ), т.к. низкий cos(φ) вызывает следующие проблемы:

1. Протекание тока реактивной мощности (большие потери мощности в электрических линиях).
2. Большие перепады напряжения в электрических линиях (например 330370 В, вместо 380 В)
3. Необходимость увеличения габаритов и мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из решения этих технических проблем и вытекает коррекция (компенсация) коэффициента мощности в электрических сетях. Компенсация реактивной мощности осуществляется путем подключения к сети конденсаторных установок и конденсаторов. Подключая конденсаторы мы вводим в сеть емкостную составляющую, которая уменьшает отставание графика тока от напряжения и приближает, при достаточной компенсации, коэффициент мощности к 1.

Таким образом, уменьшается потребление реактивной мощности через силовые трансформаторы у энергоснабжающей организации и улучшается cos(φ). Рекомендуется поддерживать cos(φ) в пределах = 0,92..0,96, для того, чтобы избежать платежей за потребление реактивной мощности, снизить нагрузку на кабели и трансформаторы.

Однако, в то же время необходимо избегать и перекомпенсации в сети (работы с избыточным количеством конденсаторов), возможной при cos(φ)=0,97 и выше, т.к. тарифы энергоснабжающих организаций за несанкционированную перекомпенсацию превышают значительно тарифы на реактивную мощность. Различают два основных типа компенсации: Индивидуальная компенсация — компенсация реактивной мощности по каждой нагрузке отдельно.

Индивидуальная компенсация — это наиболее простое техническое решение. В этом случае конденсатор(ы) подбирается по мощности и cos(φ) двигателя, поэтому реактивная мощность двигателя компенсируется постоянно в течение всего дня. При этом cos(φ) достаточно высокий. Еще одним достоинством данного вида компенсации реактивной мощности являются низкие удельные затраты на компенсацию.

Общая компенсация — компенсация реактивной мощности с помощью одной конденсаторной установки устанавливаемой на трансформаторной подстанции или в составе ГРЩ. Основным фактором, влияющим на выбор оптимальной схемы компенсации реактивной мощности является характер изменения нагрузки в течение дня. Если предприятие содержит, например, большой парк станочного оборудования, работающего посменно или временно – периодически.

То в этом случае индивидуальная компенсация является более дорогим решением по причине большого количества мало работающих конденсаторов. Индивидуальная компенсация более эффективна, в случае генерирования реактивной мощности небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени. Общая компенсация применяется там, где нагрузка перераспределяется между разными потребителями в течение дня.

При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется. В этом случае предпочтительнее использование регулируемых (автоматических) конденсаторных установок. Задача такой установки будет подключать требуемую емкость, соответствующую нагрузке в каждый конкретный момент.

Эффект гармоники в электрических сетях

Гармоники тока (напряжения) можно определить, разложив соответствующие кривые в ряд Фурье. Порядок гармоники определяется как соотношение частоты гармоники к основной частоте той же периодической волны. В случае идеальной синусоидальной волны будет присутствовать только основная гармоника первого порядка, в Украине (СНГ) ее частота составляет 50 Гц.

В случае искаженной кривой, (искажение обусловлено нелинейностью нагрузки- инверторы, лампы дневного света, сварочные агрегаты и др.) кривая тока или напряжения может содержать некоторое количество частот искажающих идеальную синусоиду. Такая кривая может быть разложена на гармонический ряд, включающий в себя не только основную (первую) гармонику — синусоиду (50 Гц), но и некоторое количество частот кратных 50 Гц – высшие гармоники.

Например, 250 Гц это есть 5-я гармоника. При “нелинейной” нагрузке форма волны тока будет отличаться от идеальной и, согласно теореме Фурье, даст гармонику, чьи число и амплитуда увеличатся вместе со степенью искривления формы волны тока.

Установка в сети конденсаторов с компенсацией коэффициента мощности служит для создания условия параллельного резонанса между эквивалентной емкостью конденсаторов и эквивалентной индуктивностью системы (которую обычно могут аппроксимировать при расчете эквивалентной индуктивности трансформатора) в соответствии с частотой fк.

Источник: https://electrocontrol.com.ua/stati-sxemy-i-spravochnaya-informaciya/obshhie-svedeniya-o-kompensacii-reaktivnoj-moshhnosti.html

Теория реактивной мощности

Теория реактивной мощности

Появление термина «реактивная» мощность связано с необходимостью выделения мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая формирует электромагнитные поля и обеспечивает вращающий момент двигателя. Эта составляющая имеет место при индуктивном характере нагрузки. Например, при подключении электродвигателей. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер.

В электрических цепях, когда нагрузка имеет активный (резистивный) характер, протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения. Если нагрузка имеет индуктивный характер (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), ток отстает от напряжения. Когда нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы), ток опережает напряжение.

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой:

1. Iа — активный ток
2. Iри — реактивный ток индуктивного характера

К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем.

1. Р – активная мощность привязана к Iа (по всем гармоникам суммарно)
2. Q – реактивная мощность привязана к Iри (по всем гармоникам суммарно)
3. A – полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)

Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.

Параметр определяющий потребление реактивной мощности называется Cos (φ)

Cos (φ) = P1гарм / A1гарм

где:

• P1гарм — активная мощность первой гармоники 50 Гц
• A1гарм — полная мощность первой гармоники 50 Гц

где:

A = √P² + Q²

Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

1. Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности);
2. Высокие перепады напряжения в электрических линиях (например 330370 В, вместо 380 В);
3. Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Чего легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Конденсаторы в которых будут компенсировать реактивную мощность двигателей.

Потребители реактивной мощности

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

Трансформатор как потребитель реактивной мощности. Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести.

Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности.

Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя – статора передаётся во вторичную – ротор посредствам магнитного поля.

Индукционные печи как потребители реактивной мощности. К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.

Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте.

Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др.

Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

С другой стороны, элементы распределительной сети (линии электропередачи, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу особенностей конструктивного исполнения имеют продольное индуктивное сопротивление.

Поэтому, даже для нагрузки потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет иметь место индуктивная составляющая – реактивная мощность.

Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.

Действительно, для простейшей схемы:

• Р – активная мощность в центре питания,
• Рн – активная мощность на шинах потребителя,
• R – активное сопротивление распределительной сети,
• Q – реактивная мощность в центре питания,
• Qн – реактивная мощность на шинах потребителя.
• U – напряжение в центре питания,
• Uн – напряжение на шинах потребителя,
• Х – индуктивное сопротивление распределительной сети.

В результате, независимо от характера нагрузки, по распределительной сети от источника питания будет передаваться реактивная мощность Q. При двигательном характере нагрузки ситуация ухудшается – значения мощности в центре питания увеличивается и становится равными:

Р = Рн + ( Рн² + Qн² ) * R / Uн²;

Q = Qн + ( Рн² + Qн² ) * X / Uн².

Передаваемая от источника питания к потребителю реактивная мощность имеет следующие недостатки:

1. В распределительной сети возникают дополнительные потери активной мощности – потери при транспорте электрической энергии:

   δР = ( Рн² + Qн² ) * R ,

   часть которых (а иногда и значительную) составляют потери от транспорта реактивной мощности.

2. Величина напряжения у потребителя, а, следовательно, и качество электрической энергии, снижается:

   Uн = U – ( P * R + Q * X ) / U.

3. Увеличивается распределительной сети током, что лишает потребителя возможности перспективного развития.

Таким образом, транспортировка реактивной мощности по распределительным сетям от центров питания к потребителям превращается в сложную технико-экономическую проблему, затрагивающую как вопросы экономичности так и вопросы надежности систем электроснабжения.

Классическим решением данной проблемы в распределительных сетях является компенсация реактивной мощности у потребителя путём установки у него дополнительных источников реактивной мощности – потребительских статических конденсаторов.

Компенсация реактивной мощности применяется:

• по условию баланса реактивной мощности;
• как важное мероприятие для снижения потерь электрической энергии в сетях;
• для регулирования напряжения.

Источник: https://www.nucon.ru/reactive-power/theory-of-reactive-power.php

Компенсация реактивной мощности

В электрических цепях переменного тока присутствуют два вида мощности – активная и реактивная. Активная мощность является полезной и расходуется непосредственно на совершение полезной работы. Реактивная мощность чаще имеет отрицательное воздействие, в связи с чем, требуется компенсация реактивной мощности. 

Реактивная мощность

Реактивная мощность возникает при наличии реактивных элементов в цепи, таких как катушка или конденсатор. При этом часть энергии полученной от источника возвращается обратно к нему.

При наличии в цепи и катушки и конденсатора, суммарная реактивная мощность оказывается меньше, чем в цепях, в которых эти элементы расположены по отдельности. Это связано с тем, что индуктивная QL и емкостная QC  мощности имеют разные знаки. При равенстве этих мощностей наблюдается явление резонанса, при котором реактивная мощность равна нулю. В этом случае энергия не поступает к источнику, а циркулирует между катушкой и конденсатором.

Реактивная мощность в промышленных установках

В промышленности большая часть оборудования обладает индуктивностью, а следовательно и реактивной мощностью. Примером таких установок может служить трансформаторы, двигатели, индукционные нагревательные установки и т.д.

Чем больше величина реактивной мощности, тем меньше коэффициент мощности cosϕ, который определяется как отношение активной мощности к полной.

Чем больше число установок, тем больше их суммарная реактивная мощность, следовательно, потери связанные с реактивной мощностью больше.

Реактивная мощность также влияет на токи в цепи. На примере асинхронного двигателя ток определяется как 

При увеличении реактивной мощности (Q) ток также будет увеличиваться, что приводит к необходимости выбора проводов большего сечения, а следовательно к лишним затратам. Кроме того, увеличение тока приводит к увеличению тепловых потерь, а следовательно к дополнительному нагреву двигателя.

Как было сказано ранее, большие значения реактивной мощности приводят к значительным экономическим и трудовым затратам. Поэтому, на практике стараются максимально уменьшить её значение.

Уменьшение реактивной мощности может достигаться несколькими способами. Самым эффективным считается правильный подбор мощности двигателей и трансформаторов и нахождение эффективного режима нагрузки, без холостого хода и недогрузки. Такой способ не требует дополнительных материальных затрат, но им не всегда получается достигнуть оптимальных значений и прибегают к искусственным способам компенсации реактивной мощности.

Одним из таких способов является включение батареи конденсаторов параллельно к приемнику.

С помощью использования батареи конденсаторов можно добиться полной компенсации реактивной мощности. Но на практике затраты на дополнительное оборудование могут значительно превысить затраты на реактивную мощность, из-за дороговизны конденсаторов. Поэтому чаще всего, добиваются лишь частичной компенсации реактивной мощности.

Компенсацию реактивной мощности рассмотрим на примере асинхронного двигателя.

До включения батареи конденсаторов параллельно двигателю, значение реактивной мощности было равно Q1, а ток в питающих проводах двигателя был равен I1. При включении батареи, это значение снизилось до Q2, так как часть индуктивной мощности была скомпенсирована емкостной.

Ток значительно уменьшается до величины I2, благодаря появлению тока Ic, который можно рассчитать по формуле

Емкость батареи 

Мощность батареи 

Таким образом, компенсация реактивной мощности играет важную роль с точки зрения сокращения расходов предприятия. 

1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 3.13 (4 Голоса)

Источник: https://electroandi.ru/toe/ac/kompensatsiya-reaktivnoj-moshchnosti.html

Влияние реактивной мощности на энергоресурсоэффективность

За последние годы характер потребления электроэнергии сильно изменился. Это обусловлено увеличением мощности нелинейных потребителей, а также опережающим ростом потребления реактивной мощности по отношению к активной вследствие уменьшения загрузки силовых трансформаторов. Это является характерной чертой современной электроэнергетики, отрицательно влияющей на качество и потери электроэнергии.

Поэтому основная задача оптимизации электропотребления, как на стадии проектирования, так и на стадии эксплуатации системы электроснабжения, состоит в том, чтобы наиболее полно обеспечить компенсацию реактивной мощности в сети.

Основные негативные последствия, вызванные ростом потребления реактивной мощности:

• Общее снижение уровней напряжения в распределительных сетях, на шинах потребителей и снижение качества электрической энергии;
• Увеличение потерь активной мощности в элементах электрической сети;
• Дополнительная линий электропередач и силовых трансформаторов потоками реактивной мощности, которые увеличивают токовую нагрузку электросети, снижают резерв пропускной способности и устойчивость сети;
• Значительное увеличение потребности в источниках реактивной мощности в энергосистеме.

Первопричины и вызываемые ими помехи в сети	Колебания напряжения в сети	Несимметрия напряжения в сети	Высшие гармоники	Промежуточные гармоники
Мощные регуляторы напряжения			×
Генераторы электроэнергии (ветровые станции, фотоэлектрические установки)	×		×
Медицинские электроприводы (рентгеновские станции, магнитные диагностические аппараты)	×
Эксцентриковые приводы (пилорамы)	×			×
Частотные преобразователи (преобразователи числа фаз, несинхронные преобразователи тока)			×	×
Газоразрядные лампы (мощные осветительные установки)			×
Пульсирующая нагрузка (напр. от терморегуляторов)	×
Выпрямители переменного тока (напр. для питания ж/д. транспорта, для узлов связи)			×
Мощные потребители (переходные процессы при вкл./выкл.)	×
Индукционные нагревательные установки			×
Дуговые сталеплавильные печи	×
Дуговые сварочные агрегаты		×
Светомузыкальные установки			×	×
Среднечастотные индукционные печи	×
Электродвигатели большой мощности (лифты, вентиляторы, насосы)	×
Индукционные печи промышленной частоты			×	×
Вентильные преобразователи	×
Кузнечные прессы		×
Агрегаты и блоки резервного питания			×
Электропечи для производства электродов	×	×		×
Плавильные электропечи		×
Автоматы контактной сварки	×	×		×

С чего начать? Мониторинг параметров КЭЭ

Чтобы понять суть процессов, протекающих в конкретной электросети, нужна достоверная техническая информация. Для этого необходимо проводить мониторинг параметров электросети, снимая и фиксируя специальными приборами одновременно несколько десятков характеристик электросети с интервалом в доли секунды (токи, напряжения, активные, реактивные и полные мощности по каждой фазе, СosF, гармонический состав сети и т.д.).

Полученную информацию необходимо обрабатывать, анализировать, и только после этого можно будет с уверенностью сказать, что за процессы протекают в вашей электросети, самое главное, где, каким образом и сколько нужно компенсировать реактивной мощности, чтобы электроэнергия, получаемая от поставщика, имела бы необходимые показатели качества, и расходовалась самым экономичным образом на нужды предприятия, без потерь, а вы бы еще и экономили эту самую электроэнергию.

Отрицательное влияние реактивной мощности на электрическую сеть несоизмеримо больше, чем положительное

Недаром еще во времена заката СССР в конце 80-х годов директивно на всех промышленных предприятиях были установлены конденсаторные батареи. К сожалению, в дальнейшие 90-е годы многие предприятия-потребители электроэнергии отключали имевшиеся у них компенсирующие устройства, а некоторые — вовсе демонтировали, не занимались поддержанием их работоспособности по причине отсутствия финансирования.

Все изменилось после опубликования Приказа Минпромэнерго от 22 февраля 2007 года № 49, утверждающего :

«Порядок расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоры энергоснабжения)» энергосистемам следует начать подготовку к переходу на новый уровень взаимоотношений с потребителями и новую организацию работ по управлению реактивной мощностью.

Многие энергосистемы уже приступили к этой работе, не дожидаясь указания сверху, на особо проблемных участках электрических сетей устанавливая компенсирующие устройства.

Важно, чтобы положительные результаты этой работы в локальных энергосистемах тиражировались на другие регионы.

После выхода в свет новой методики применения скидок и надбавок к тарифам на электроэнергию, которая готовится в недрах Минпромэнерго, потребителю будет дана возможность получить скидку за поддержание требуемого коэффициента реактивной мощности за регулирование реактивной мощности у себя в электросети предприятия в часы max/min нагрузок.

Пути решения. Новые подходы

Сегодня проектировщикам и эксплуатационным службам пром. предприятий следует обращать особое внимание решению проблемы качества электроэнергии.

Все мощные потребители на предприятии должны оснащаться фильтро-компенсирующими устройствами (ФКУ), а потребители с большой единичной мощностью и резко-переменной нагрузкой (дуговые печи с электропечными трансформаторами 100 МВА и выше) — статическими тиристорными компенсаторами (СТК).

Это позволит обеспечить высокую степень стабилизации требуемой реактивной мощности при по-фазном регулировании, а также снизить уровень высших гармоник в сети за счет фильтро-компенсирующих цепей (ФКЦ). Применение СТК даст также дополнительный технологический эффект.

К примеру, их использование в сетях, питающих дуговые сталеплавильные печи (ДСП), поможет повысить стабильность горения дуги и почти на 10% поднять производительность печи. Кроме того, в остальных менее ответственных участках электросети предприятия необходимо устанавливать регулируемые УКМ с электромеханическим переключением ступеней.

В системах промышленного электроснабжения 6-10 кВ устройства компенсации реактивной мощности служат для поддержания напряжения на шинах 6(10) кВ при провалах напряжения, вызванных КЗ в цепях 110(35) кВ. Они ограничивают колебания напряжения на шинах 6(10) кВ, а гармонические составляющие снижаются фильтро-компенсирующими устройствами ФКУ, состоящими из емкостей и реакторов, при этом улучшается и СosF.

На трансформаторных подстанциях рекомендуется применять устройства компенсации реактивной мощности, например такие как управляемые шунтирующие реакторы с вакуумными (элегазовыми) выключателями с повышенным коммутационным ресурсом и устройством синхронной коммутации в сетях до110 кВ включительно.

В электроустановках потребителей 0,4-10 кВ наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение регулируемых конденсаторных установок УКМ непосредственно на шинах РУНН-0,4 кВ трансформаторных подстанций.

Преимущества УКМ перед другими техническими средствами — синхронными компенсаторами и синхронными двигателями, в том, что последние имеют большие потери активной электрической мощности и вращающиеся части, подверженные механическому износу.

В качестве примера снижения электропотребления системы электроснабжения коммунальных однофазных потребителей представляет интерес опыт применения УКРМ в низковольтных городских распределительных сетях при минимальном удалении от потребителей, предприятий, входящих в группу Endesa (Испания). По данным Edeinor S. A.A.

[6], установка конденсаторов суммарной мощностью 37 000 кВАр в 114 000 домовладений района Инфантас северной части Лимы (Перу), повысила средневзвешенный CosF распределительной сети с 0,84 до 0,93, что позволило ежегодно экономить примерно 280 кВт/ч на каждый установленный кВАр реактивной мощности или всего около 19 300 МВт/?ч в год.

Остались вопросы? Специалисты ЭНЕРГОПУСК ответят на Ваши вопросы:

8-800-700-11-54 (8-18, Пн-Вт)

Источник: https://epusk.ru/articles/kondensatornye-ustanovki/vliyanie-reaktivnoy-moshchnosti-na-energoresursoeffektivnost/

Что такое реактивная мощность и её компенсация

17.08.2017

Асинхронные двигатели, трансформаторы, газоразрядные и люминесцентные лампы, индукционные и дуговые печи и т.д.

в силу своих физических свойств вместе с активной энергией потребляют из сети также и реактивную энергию, которая необходима для создания электромагнитного поля.

В отличие от активной энергии, реактивная не преобразуется в другие виды – механическую или тепловую – и не выполняет полезной работы, однако вызывает потери при ее передаче. На Рис.1 изображены направления протекания тока при работе с реактивными нагрузками.

Рис.1. Полная мощность.

Наличие в сети реактивной мощности (Q, Вар) характеризуется коэффициентом мощности (PF, cos ф) и является соотношением активной (P, Вт) к полной (S, ВА). Ниже можно увидеть зависимость полной мощности от ее составляющих как на векторной диаграмме, так и на более житейском уровне – бокале пива, где пиво является активной составляющей, а пена – реактивной. Никто же не хочет иметь бокал только с пеной?

Рис.2. Треугольник мощностей. Расчет коэффициента мощности.

При низких значениях коэффициента мощности в сети будет возникать ряд нежелательных явлений, которые могут привести к существенному уменьшению срока службы оборудования. Рекомендуется иметь cos ф не менее 0,9 (например, в Чехии за cos ф менее 0,95 штрафуют). Для этого разработан ряд мероприятий по регулированию баланса реактивной мощности в сети – компенсация реактивной мощности.

Компенсация реактивной мощности (КРМ).

Следует понимать, что реактивная мощность бывает двух характеров – индуктивная и емкостная. Нас интересует компенсация только первого типа, т.к. второй встречается редко. В нашем случае – сетях с индуктивной нагрузкой – для увеличения cos ф требуется устанавливать компенсационные конденсаторы. Но как это сделать?

Выбор способа компенсации предполагает определение места установки конденсаторов (зачастую в составе конденсаторной установки (далее КУ)). Существует три основных варианта:

• Индивидуальная компенсация

Размещение конденсаторов у устройств с низким cos ф и включение одновременно с последними.

Размещение конденсаторов у группы устройств (например, пожарных насосов).

• Централизованная компенсация

Предусматривает установку КУ на главном распределительном щите. Если предыдущие варианты могли быть как регулируемыми, так и нет, то этот, как правило, регулируемый.

Рис.3. Способы компенсации.

При правильном подборе КУ мероприятия по компенсации реактивной мощности позволяют:

• существенно уменьшить нагрузку на трансформаторах, а следовательно уменьшить их нагрев и увеличить срок службы
• при включении КУ в расчет при проектировании новых объектов, существенно уменьшить сечение проводников
• при включении КУ в уже существующие сети, разгрузить их, повышая пропускную способность без реконструкции
• снизить расходы на электроэнергию за счет снижения потери в проводниках
• повысить стабильность напряжения (все) и качество электроэнергии (при использовании ФКУ)

Где мы можем сэкономить видно невооруженным глазом, но для начала придется и потратиться.

Во-первых, необходимо заказать проект, который следует доверить проверенной организации. Которая в свою очередь проведет ряд измерений или сделает расчеты для новых объектов и исходя из них даст рекомендации по способу компенсации, типу КУ и их параметрам.

Во-вторых, следует выбрать организацию-сборщика, которая соберет, установит и настроит наши КУ.

Что может входить в состав КУ?

Рассмотрим максимально возможную комплектацию конденсаторной установки:

1. Вводное устройство – автоматический выключатель, разъединитель предохранительный или выключатель нагрузки (при наличии еще одного вводного устройства, например, в ГРЩ).

2. Защитные устройства ступеней – большинство производителей (например, ZEZ Silko) рекомендуют использовать плавкие вставки с характеристикой gG (см. таблицу ниже), но нередко можно встретить и защиту автоматическими выключателями.

3. Коммутационное устройство (для статической компенсации НН) – контактор с токоограничевающей приставкой (контакты предварительного включения с сопротивлениями). Важно выбрать качественного производителя, т.к. через контактор при включении ступени проходят огромные токи (до 200Iе), обусловленные зарядом конденсатора, например, Benedict-Jager или Eaton (Moeller).

4. Антирезонансные дроссели (реакторы) – используются для защиты от перегрузки токами конденсаторов при наличии в сети высших гармоник.

5. Компенсационные конденсаторы – главный компонент всей установки – емкостной элемент. о применении, конструкции и монтаже низковольтных цилиндрических компенсационных конденсаторов в предыдущей статье.

6. Регулятор реактивной мощности – своего рода анализатор сети с функцией управления ступенями. В зависимости от модели разные регуляторы кроме основных параметров (U, I, P, cos ф, количество подключенных ступеней) контролируют и ряд дополнительных (нелинейные искажения, температура и т.д). Также могу быть и дополнительные функции, например, коммуникация или автонастройка.

* Рассмотрена только основная комплектация без оболочек и микроклимата, защиты вторичных цепей.

Номинальный ток 3-фазного конденсатора [A]3-фазн. компенсационная мощность при 400 V[kvar]Рекомендуемое сечение Cu проводников [mm2]Номинальный ток предохранителя[A]

2,9	2	2,5	8
3,6	2,5	2,5	8
4,5	3,15	2,5	10
5,8	4	2,5	10
7,2	5	2,5	16
9	6,25	2,5	16
11,5	8	4	20
14,4	10	4	25
18,1	12,5	6	32
21,7	15	6	40
28,8	20	10	50
36,1	25	10	63
43,4	30	16	80
50,5	35	16	100
57,7	40	25	100
72,2	50	25	125
86,6	60	35	160
115,5	80	70	200
144,3	100	95	250

Таблица 1. Подбор предохранителей и проводников.

В заключение хочется напомнить, что неверно спроектированные, собранные и настроенные компенсационные установки или из материалов сомнительного происхождения имеют обыкновение громко выходить из строя.

Коммерческое предложение действительно на 22.06.2020 г.

Источник: https://lsys.by/news/articles/chto-takoe-reaktivnaya-moshchnost-i-eye-kompensatsiya.html

Реактивная мощность кратко и понятно: что такое, формулы

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.

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;
• электромагнитныереле 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.

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.

Рис. 2. коэффициент мощности

Применяя теорему Пифагора, вычислим модуль вектора S:

Отсюда можно найти реактивную составляющую:

Источник: https://www.asutpp.ru/reaktivnaya-moschnost.html

Расчет реактивной мощности конденсаторной установки

08.02.2019

Появление реактивной мощности (Q) в промышленных системах нередко приводит к дополнительными материальными и энергетическими затратами. Решить проблему призваны компенсирующие установки. Однако каждая модель должна решать определенный круг задач. Соответственно, произвести расчет реактивной мощности позволяет только комплексный подход, учитывающий ряд факторов.

Постановка проблемы

Реактивная мощность — показатель, характеризующий способность элементов системы аккумулировать или отдавать электроэнергию. Чем выше процент индуктивных нагрузок, тем выше энергия, возвращающаяся к генераторам и трансформаторам, что приводит к перегрузкам, перегреву и уменьшению КПД силовых установок. Избыточная электроэнергия снижает пропускную способность системы.

Для определения уровня Q используется такой показатель, как cos φ. Это коэффициент, отражающий отношение активной и полной мощности. Определив его значение, можно произвести расчет компенсации реактивной мощности, необходимой для проектирования наиболее эффективной КРМ.

Для удобства расчета устройства компенсации реактивной мощности используется специальная таблица. Ключевыми параметрами в данном случае выступают реальный и требуемый cos φ. Они позволяют определить коэффициент k, через который найти мощность соответствующей установки.

Суммарную мощность КРМ можно подсчитать по формуле:

Qc = P x (tg(ф1)-tg(ф2)),

где Р – потребляемая активная мощность; Qс – требуемая емкостная мощность; а разница tg(ф1) и tg(ф2) зависит от значений cos(ф1) и cos(ф2); cos(ф1) – фактический коэффициент мощности (до установки КРМ);

cos(ф2) – требуемый коэффициент (после монтажа компенсирующего Q оборудования).

Из вышесказанного можно вывести следующую формулу:

Qc = P x K,

где k – определенный по таблице коэффициент.

Факторы, влияющие на компенсацию Q

Реактивная мощность возникает локально, в системах с высоким процентом силовых установок, электродвигателей и других источников нелинейных нагрузок. В большинстве случаев напряжение системы мгновенно реагирует на повышение Q, что затрудняет передачу реактивной мощности на большие расстояния.

Следовательно, для компенсации этого фактора предпочтительны локальные КРМ, блокирующие Q на локальном уровне, что обязательно учитывать при расчете конденсаторной установки любого типа.

Вне зависимости от модели КРМ должна предотвращать распространение реактивной мощности и появление гармоник высшего порядка.

На распространение и уровень Q влияют не только конфигурация системы, но и эксплуатационный режим электрооборудования. Чем выше напряжение в сети и вероятность сбоев, тем сложнее и эффективнее потребуется установка.

В системах с нестабильным сетевым напряжением для компенсации реактивной мощности используются превентивные и корректирующие установки. В первом случае расчет мощности конденсаторной установки осуществляет заранее, еще до того, как проявится нестабильность системы. Во втором — после аварийного снижения напряжения. Корректировка осуществляется за счет коммутации компенсирующих реакторов, распределения параметров вторичной цепи и ряда других методов.

Источник: https://megavarm.ru/articles/raschet-reaktivnoj-moshhnosti-kondensatornoj-ustanovki.html

Активная, реактивная и полная (кажущаяся) мощности

Активная мощность (P)

Другими словами активную мощность можно назвать: фактическая, настоящая, полезная, реальная мощность. В цепи постоянного тока мощность, питающая нагрузку постоянного тока, определяется как простое произведение напряжения на нагрузке и протекающего тока, то есть

P = U I

потому что в цепи постоянного тока нет понятия фазового угла между током и напряжением. Другими словами, в цепи постоянного тока нет никакого коэффициента мощности.

Но при синусоидальных сигналах, то есть в цепях переменного тока, ситуация сложнее из-за наличия разности фаз между током и напряжением. Поэтому среднее значение мощности (активная мощность), которая в действительности питает нагрузку, определяется как:

P = U I Cosθ

В цепи переменного тока, если она чисто активная (резистивная), формула для мощности та же самая, что и для постоянного тока: P = U I.

Формулы для активной мощности

P = U I — в цепях постоянного тока

P = U I cosθ — в однофазных цепях переменного тока

P = √3 UL IL cosθ — в трёхфазных цепях переменного тока

P = 3 UPh IPh cosθ

P = √ (S2 – Q2) или

P =√ (ВА2 – вар2) или

Активная мощность = √ (Полная мощность2 – Реактивная мощность2) или

кВт = √ (кВА2 – квар2)

Реактивная мощность (Q)

Также её мощно было бы назвать бесполезной или безваттной мощностью.

Мощность, которая постоянно перетекает туда и обратно между источником и нагрузкой, известна как реактивная (Q).

Реактивной называется мощность, которая потребляется и затем возвращается нагрузкой из-за её реактивных свойств. Единицей измерения активной мощности является ватт, 1 Вт = 1 В х 1 А. Энергия реактивной мощности сначала накапливается, а затем высвобождается в виде магнитного поля или электрического поля в случае, соответственно, индуктивности или конденсатора.

Реактивная мощность определяется, как

Q = U I sinθ

и может быть положительной (+Ue) для индуктивной нагрузки и отрицательной (-Ue) для емкостной нагрузки.

Единицей измерения реактивной мощности является вольт-ампер реактивный (вар): 1 вар = 1 В х 1 А. Проще говоря, единица реактивной мощности определяет величину магнитного или электрического поля, произведённого 1 В х 1 А.

Формулы для реактивной мощности

Q = U I sinθ

Реактивная мощность = √ (Полная мощность2 – Активная мощность2)

вар =√ (ВА2 – P2)

квар = √ (кВА2 – кВт2)

Полная мощность (S)

Полная мощность – это произведение напряжения и тока при игнорировании фазового угла между ними. Вся мощность в сети переменного тока (рассеиваемая и поглощаемая/возвращаемая) является полной.

Комбинация реактивной и активной мощностей называется полной мощностью. Произведение действующего значения напряжения на действующее значение тока в цепи переменного тока называется полной мощностью.

Она является произведением значений напряжения и тока без учёта фазового угла. Единицей измерения полной мощности (S) является ВА, 1 ВА = 1 В х 1 А. Если цепь чисто активная, полная мощность равна активной мощности, а в индуктивной или ёмкостной схеме (при наличии реактивного сопротивления) полная мощность больше активной мощности.

Формула для полной мощности

Источник: https://khomovelectro.ru/articles/aktivnaya-reaktivnaya-i-polnaya-kazhushchayasya-moshchnosti.html

Активная и реактивная мощность генератора

Потребители, приобретая ДГУ, зачастую не задумываются о многих технических характеристиках оборудования. Касается это и такого понятия, как коэффициент мощности генератора. Параметр является важным, поскольку самым серьезным образом влияет на подачу электроэнергии.

Что представляет собой мощность генератора?

Электроприборы, подключенные к генератору, потребляют активную и реактивную мощность, которые в сумме образуют общую мощность.

1. Активная мощность используется для работы всех приборов. Ее называют «полезной».
2. Реактивная мощность, называемая «пустой», возникает вследствие особенности оборудования и законов физики. Мощность циркулирует между источником электроснабжения и подключенными потребителями.

Каждый генератор имеет свой коэффициент мощности, демонстрирующий количество активной мощности от полной. При выборе ДГУ для собственных нужд важно обратить внимание на этот параметр, убедившись в том, что оборудование справится с возложенными на него задачами.

Оптимальным коэффициентом мощности можно считать показатель 0.8. Это значит, что электроприборы получают 80% активной мощности от 100% общей мощности, вырабатываемой генератором.

Что такое компенсация реактивной мощности?

Чрезмерное большое количество реактивной мощности ухудшает работу всей электросети. Так, генератор потребляет слишком много топлива, быстро изнашивается и в электросети требуется задействовать провода с увеличенным сечением.

Закажите дизельный генератор в ООО «ЭК Прометей» оформив заявку онлайн или позвонив по контактному телефону:

(812) 748-27-22

Для снижения реактивной мощности используется компенсация. Она может быть нескольких видов:

• Индивидуальная. В данном случае задействуются конденсаторные установки для определенных потребителей.
• Групповая. Применение общей конденсаторной установки позволяет компенсировать реактивную мощность сразу для нескольких приборов.
• Централизованная. Это наиболее удобный способ компенсации, применяемый для широкого диапазона изменений мощности.

Главное преимущество компенсации реактивной мощности в том, что таким образом удается значительно сократить расходы топлива. Также это позволяет снизить нагрузку на оборудование.

Способ компенсации мощности в электросети следует подбирать грамотно. В некоторых случаях может потребоваться комплексное решение, включающее улучшение тока при помощи фильтров гармоник.

Особенно важная компенсация реактивной мощности на промышленных предприятиях. Она необходима для эффективного использования существующего электроснабжения.

Источник: https://prometey-energy.ru/articles/chto-takoe-reaktivnaya-moschnost-generatora.html

Активная и реактивная мощность. За что платим и работа

Активная и реактивная мощность — потребители электрической энергии на то и потребители, чтобы эту энергию потреблять. Потребителя интересует та энергия, потребление которой идет ему на пользу, эту энергию можно назвать полезной, но в электротехнике ее принято называть активной. Это энергия, которая идет на нагрев помещений, готовку пищи, выработку холода, и превращаемая в механическую энергию (работа электродрелей, перфораторов, электронасосов и пр.).

Кроме активной электроэнергии существует еще и реактивная. Это та часть полной энергии, которая не расходуется на полезную работу. Как понятно из вышесказанного, полная мощность – это активная и реактивная мощность в целом.

В понятиях активная и реактивная мощность сталкиваются противоречивые интересы потребителей электрической энергии и ее поставщиков. Потребителю выгодно платить только за потребленную им полезную электроэнергию, поставщику выгодно получать оплату за сумму активной и реактивной электроэнергии. Можно ли совместить эти кажущиеся противоречивыми требования? Да, если свести количество реактивной электроэнергии к нулю. Рассмотрим, возможно ли подобное, и насколько можно приблизиться к идеалу.

Активная мощность

Существуют потребители электроэнергии, у которых полная и активная мощности совпадают. Это потребители, у которых нагрузка представлена активными сопротивлениями (резисторами). Среди бытовых электроприборов примерами подобной нагрузки являются лампы накаливания, электроплиты, жарочные шкафы и духовки, обогреватели, утюги, паяльники и пр.

Указанная у этих приборов в паспорте, одновременно является активная и реактивная мощность . Это тот случай, когда мощность нагрузки можно определить по известной из школьного курса физики формуле, перемножив ток нагрузки на напряжение в сети. Ток измеряется в амперах (А), напряжение в вольтах (В), мощность в ваттах (Вт). Конфорка электрической плиты в сети с напряжением 220 В при токе в 4,5 А потребляет мощность 4,5 х 220 = 990 (Вт).

Реактивная мощность

Иногда, проходя по улице, можно увидеть, что стекла балконов покрыты изнутри блестящей тонкой пленкой. Эта пленка изъята из бракованных электрических конденсаторов, устанавливаемых с определенными целями на питающих мощных потребителей электрической энергии распределительных подстанциях. Конденсатор – типичный потребитель реактивной мощности.

В отличие от потребителей активной мощности, где главным элементом конструкции является некий проводящий электричество материал (вольфрамовый проводник в лампах накаливания, нихромовая спираль в электроплитке и т.п.). В конденсаторе главный элемент – не проводящий электрический ток диэлектрик (тонкая полимерная пленка или пропитанная маслом бумага).

Реактивная емкостная мощность

Красивые блестящие пленки, что вы видели на балконе – это обкладки конденсатора из токопроводящего тонкого материала. Конденсатор замечателен тем, что он может накапливать электрическую энергию, а затем отдавать ее – своеобразный такой аккумулятор. Если включить конденсатор в сеть постоянного тока, он зарядится кратковременным импульсом тока, а затем ток через него протекать не будет.

Вернуть конденсатор в исходное состояние можно, отключив его от источника напряжения и подключив к его обкладкам нагрузку. Некоторое время через нагрузку будет течь электрический ток, и идеальный конденсатор отдает в нагрузку ровно столько электрической энергии, сколько он получил при зарядке.

Подключенная к выводам конденсатора лампочка может на короткое время вспыхнуть, электрический резистор нагреется, а неосторожного человека может «тряхнуть» или даже убить при достаточном напряжении на выводах и запасенном количестве электричества.

Интересная картина получается при подключении конденсатора к источнику переменного электрического напряжения.

Поскольку у источника переменного напряжения постоянно меняются полярность и мгновенное значение напряжения (в домашней электросети по закону, близкому к синусоидальному).

Конденсатор будет непрерывно заряжаться и разряжаться, через него будет непрерывно протекать переменный ток. Но этот ток не будет совпадать по фазе с напряжением источника переменного напряжения, а будет опережать его на 90°, т.е. на четверть периода.

Это приведет к тому, что суммарно половину периода переменного напряжения конденсатор потребляет энергию из сети, а половину периода отдает, при этом суммарная потребляемая активная электрическая мощность равна нулю. Но, поскольку через конденсатор течет значительный ток, который может быть измерен амперметром, принято говорить, что конденсатор – потребитель реактивной электрической мощности

Вычисляется реактивная мощность как произведение тока на напряжение, но единица измерения уже не ватт, а вольт-ампер реактивный (ВАр). Так, через подключенный к сети 220 В частотой 50 Гц электрический конденсатор емкостью 4 мкФ течет ток порядка 0,3 А. Это означает, что конденсатор потребляет 0,3 х 220 = 66 (ВАр) реактивной мощности – сравнимо с мощностью средней лампы накаливания, но конденсатор, в отличие от лампы, при этом не светится и не нагревается.

Реактивная индуктивная мощность

Если в конденсаторе ток опережает напряжение, то существуют ли потребители, где ток отстает от напряжения? Да, и такие потребители, в отличие от емкостных потребителей, называются индуктивными, оставаясь при этом потребителями реактивной энергии. Типичная индуктивная электрическая нагрузка – катушка с определенным количеством витков хорошо проводящего провода, намотанного на замкнутый сердечник из специального магнитного материала.

На практике хорошим приближением чисто индуктивной нагрузки является работающий без нагрузки трансформатор (или стабилизатор напряжения с автотрансформатором). Хорошо сконструированный трансформатор на холостом ходу потребляет очень мало активной мощности, потребляя мощность в основном реактивную.

Реальные потребители электрической энергии и полная электрическая мощность

Из рассмотрения особенностей емкостной и индуктивной нагрузки возникает интересный вопрос – что произойдет, если емкостную и индуктивную нагрузку включить одновременно и параллельно. Ввиду их противоположной реакции на приложенное напряжение, эти две реакции начнут компенсировать друг друга.

Суммарная нагрузка окажется только емкостной или индуктивной, и в некотором идеальном случае удастся добиться полной компенсации. Выглядеть это будет парадоксально – подключенные амперметры зафиксируют значительные (и равные!) токи через конденсатор и катушку индуктивности, и полное отсутствие тока в объединяющих их общей цепи.

Описанная картина несколько нарушается лишь тем, что не существует идеальных конденсаторов и катушек индуктивности, но подобная идеализация помогает понять суть происходящих процессов.

Вернемся к реальным потребителям электрической энергии. В быту мы пользуемся в основном потребителями чисто активной мощности (примеры приведены выше), и смешанной активно-индуктивной. Это электродрели, перфораторы, электродвигатели холодильников, стиральных машин и прочей бытовой техники.

Также к ним относятся электрические трансформаторы источников питания бытовой радиоэлектронной аппаратуры и стабилизаторов напряжения. В случае подобной смешанной нагрузки, помимо активной (полезной) мощности, нагрузка потребляет еще и реактивную мощность, в итоге полная мощность отказывается больше активной мощности.

Полная мощность измеряется в вольт-амперах (ВА), и всегда представляет собой произведение тока в нагрузке на напряжение на нагрузке.

Таинственный «косинус фи»

Отношение активной мощности к полной называется в электротехнике «косинусом фи». Обозначается cos φ. Это отношение называется также и коэффициентом мощности. Нетрудно видеть, что для случая чисто активной нагрузки, где полная мощность совпадает с активной, cos φ = 1. Для случаев чисто емкостной или индуктивной нагрузок, где нулю равна активная мощность, cos φ = 0.

В случае смешанной нагрузки значение коэффициента мощности заключается в пределах от 0 до 1. Для бытовой техники обычно в диапазоне 0,5-0,9. В среднем можно считать его равным 0,7, более точное значение указывается в паспорте электроприбора.

За что платим?

И, наконец, самый интересный вопрос – за какой вид энергии платит потребитель. Исходя из того, что реактивная составляющая суммарной энергии не приносит потребителю никакой пользы, при этом долю периода реактивная энергия потребляется, а долю отдается, платить за реактивную мощность незачем.

Но бес, как известно, кроется в деталях.

Поскольку смешанная нагрузка увеличивает ток в сети, возникают проблемы на электростанциях, где электроэнергия вырабатывается синхронными генераторами, а именно: индуктивная нагрузка «развозбуждает» генератор, и приведение его в прежнее состояние обходится в затраты уже реальной активной мощности на его «довозбуждение».

Таким образом, заставить потребителя платить за потребляемую реактивную индуктивную мощность вполне справедливо. Это побуждает потребителя компенсировать реактивную составляющую своей нагрузки, а, поскольку эта составляющая в основном индуктивная, компенсация заключается в подключении конденсаторов наперед рассчитанной емкости.

Потребитель находит возможность платить меньше

Если потребителем оплачивается отдельно потребляемая активная и реактивная мощность. Он готов идти на дополнительные затраты и устанавливать на своем предприятии батареи конденсаторов, включаемые строго по графику в зависимости от средней статистики потребления электроэнергии по часам суток.

Существует также возможность установки на предприятии специальных устройств (компенсаторов реактивной мощности), подключающих конденсаторы автоматически в зависимости от величины и характера потребляемой в данный момент мощности. Эти компенсаторы позволяют поднять значение коэффициента мощности с 0,6 до 0,97, т.е. практически до единицы.

Принято также, что если соотношение потребленной реактивной энергии и общей не превышает 0,15, то корпоративный потребитель от оплаты за реактивную энергию освобождается

Что же касается индивидуальных потребителей, то, ввиду сравнительно невысокой потребляемой ими мощности, разделять счета на оплату потребляемой электроэнергии на активную и реактивную не принято. Бытовые однофазные счетчики электрической энергии учитывают лишь активную мощность электрической нагрузки, за нее и выставляется счет на оплату. Т.е. в настоящее время даже не существует технической возможности выставить индивидуальному потребителю счет за потребленную реактивную мощность.

Особых стимулов компенсировать индуктивную составляющую нагрузки у потребителя нет, да это и сложно осуществить технически. Постоянно подключенные конденсаторы при отключении индуктивной нагрузки будут бесполезно нагружать подводящую электропроводку.

За электросчетчиком (перед счетчиком тоже, но за то потребитель не платит), что вызовет потребление активной мощности с соответствующим увеличением счета на оплату, а автоматические компенсаторы дороги и вряд ли оправдают затраты на их приобретение.

Другое дело, что производитель иногда устанавливает компенсационные конденсаторы на входе потребителей с индуктивной составляющей нагрузки. Эти конденсаторы, при правильном их подборе, несколько снизят потери энергии в подводящих проводах, при этом несколько повысив напряжение на подключенном электроприборе за счет уменьшения падения напряжения на подводящих проводах.

Но, что самое главное, компенсация реактивной энергии у каждого потребителя, от квартиры до огромного предприятия, снизит токи во всех линиях электропитания, от электростанции до квартирного щитка. За счет реактивной составляющей полного тока, что уменьшит потери энергии в линиях и повысит коэффициент полезного действия электросистем.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/aktivnaia-i-reaktivnaia-moshchnost/