Коррекция коэффициента мощности: технические аспекты
Недавнее упразднение государственного регулирования рынка электроснабжения и появление многочисленных электроснабжающих компаний привели к появлению множества способов тарификации, во многих из которых коэффициент мощности не тарифицируется явно.
Однако конечная стоимость электроэнергии стабильно растет, и оптимизация коэффициента мощности становится все более и более оправданной.
В большинстве случаев установка оборудования для улучшения коэффициента мощности окупается за несколько месяцев.
Установка конденсаторной батареи дает следующие преимущества:
- уменьшение потерь в сети и трансформаторах за счет уменьшения протекающего тока;
- уменьшение падения напряжения в линиях;
- оптимизация типоразмеров оборудования распредсистемы.
Ток I, текущий в системе, определяется формулой:
где
P – активная мощность;
V – номинальное напряжение.
По мере увеличения cos ? ток, необходимый для получения одной и той же активной мощности, снижается. Как следствие, снижаются потери в сети и необходимая мощность трансформаторов. Как следствие, появляется возможность сэкономить на оборудовании за счет снижения необходимой мощности и типоразмеров.
Правильный выбор мощностей и типоразмеров оказывает влияние на падение напряжения в линиях. Это легко понять из следующей формулы:
где
P – активная мощность в сети (кВт);
Q – реактивная мощность в сети (квар);
R – активное сопротивление кабеля, а X – его индуктивное сопротивление (R
Установка конденсаторной батареи приводит к снижению Q, благодаря чему уменьшается падение напряжения. Если в результате неправильного расчета емкости конденсаторной батареи «реактивный» компонент уравнения станет отрицательным, вместо снижения падения напряжения мы получим повышение напряжение на конце линии (эффект Феранти), что может быть опасным для подключенных к ней нагрузок.
Ниже приведен пример, иллюстрирующий изложенные выше положения:
- Потери активной мощности (кВт) для медного кабеля 3х25 мм2, питающего нагрузку 40 кВт/400 В, в функции cos ?;
- Выдаваемая трансформатором мощностью 100 кВА активная мощность, в функции cos ?.
| cos φ | 1) | 2) |
|---|---|---|
| 0,5 | 3,2 | 50 |
| 0,6 | 2,3 | 60 |
| 0,7 | 1,6 | 70 |
| 0,8 | 1,3 | 80 |
| 0,9 | 1 | 90 |
| 1 | 100 |
Нетрудно видеть, что с ростом коэффициента мощности снижаются потери в сети и растет активная мощность, которую можно снять с трансформатора при одной и той же полной мощности (кВА).
Это позволяет оптимизировать параметры оборудования распредсистемы.
Физика процесса
Для понимания процесса образования реактивной мощности следует заострить внимание на двух фактах:
- Природа переменного тока такова, что он периодически изменяет своё направление. Т.е. «+» и «-» в розетке переставляются местами 50 раз в секунду. Происходит это не рывками, а плавно по синусоидальному закону. Смена направления тока чем-то схожа с колебаниями качель.
- На создание электромагнитного поля, например, обмоткой трансформатора, требуется некоторое время.
В итоге получается следующая картина. Напряжение на выводах обмотки достигает своего пикового значения. Ток из-за индуктивного характера потребителя всё никак не может выйти на максимум. Если нагрузка ёмкостная, то эффект обратный: ток опережает напряжение.
Такое рассогласование источника и потребителя приводит к ощутимым потерям полезной мощности. Поэтому для борьбы с этими нежелательными свойствами индуктивностей и ёмкостей используют специальные устройства компенсации реактивной мощности (УКРМ).
Расчет компенсирующего устройства: присутствие искажений напряжения
Во многих промышленных системах электроснабжения, а также коммерческом секторе, присутствуют нелинейные нагрузки (инверторы, сварочные аппараты, газоразрядные лампы компьютеры, электроприводы и т.д.), которые искажают форму тока. Для учета их влияния используется параметр THDI%.
Если ток синусоидален, то THDI% равен нулю; чем больше искажения, тем выше THDI%.
В системах с очень сильными искажениями тока оборудование для коррекции коэффициента мощности выполняется в виде «батарей с фильтрами» (или «антирезонансных», «отстроенных» и т. п. батарей), содержащих реакторы, не позволяющие токам гармоник протекать через конденсаторы и снижать их срок службы.
Обычно напряжение в сети остается синусоидальным даже при очень сильных искажениях тока. Однако, если внутреннее сопротивление трансформатора СН/НН велико, возможно искажение формы напряжения. В этом случае несинусоидальный ток вызывает падение напряжения на указанном сопротивлении, форма которого соответствует форме тока. Как следствие, к потребителям на стороне НН поступает несинусоидальное напряжение (с некоторым THDV%).
Значение THDV% довольно редко достигает 8% (предел, установленный МЭК EN 50160), но это возможно, если, например, трансформатор СН/НН имеет большое внутреннее сопротивление и/или перегружен (насыщен).
На объекте с искажениями напряжения могут возникать различные проблемы, характер которых зависит от имеющегося оборудования (поломка или ненормальная работа электронных устройств, таких как реле, ПЛК, контроллеры, компьютеры, выпуск несоответствующей продукции и т.п.). Применительно к задачам коррекции коэффициента мощности, высокий THDV% негативно влияет на отсекающие реакторы, используемые в установках компенсации реактивной мощности.
Это может приводить к насыщению и перегреву реакторов, вплоть до их выхода из строя, и/или проблемам с конденсаторами, что потребует отключения батареи, используемой для коррекции коэффициента мощности. Это влечет за собой убытки (штрафы за низкий cos ?) и проблемы технического плана, связанных с увеличением токов через линии (кабели, шины) и трансформаторы.
Для подобных случаев компания Хомов электро разработала специальные серии устройств КРМФ. В них применяются усиленные конденсаторы на основе пленки с двусторонней металлизацией и качественные измерительные приборы для контроля электрических параметров. Высокая линейность реактивного сопротивления позволяет длительно работать при THDV до 8% включительно.
Способы использования установок для компенсации реактивной мощности
При индивидуальной компенсации монтаж конденсаторной установки производится рядом с индуктивной нагрузкой. При этом подключение и отключение УКРМ происходит вместе с нагрузкой и, как правило, является нерегулируемой.
Преимущество этого способа состоит в том, что обеспечивается максимальная близость конденсаторной установки к нагрузке и, следовательно, компенсируются потери во всех участках энергосети, от места производства электроэнергии и до точки потребления.
Недостаток такого способа состоит в том, что он эффективен только для нагрузок с постоянной индуктивной составляющей. Если индуктивность нагрузки меняется во время работы, то возможна избыточная или недостаточная компенсация. Кроме того, при выключенной нагрузке УКРМ не используется и простаивает.
Групповая компенсация реактивной мощности
При групповой компенсации одна УКРМ, как правило, нерегулируемая, используется для нескольких устройств. Такой способ компенсации обеспечивает более эффективное использование конденсаторной установки.
Недостатки групповой компенсации:не компенсируется реактивная мощность в цепях подключения отдельных устройств, менее полная компенсация реактивной мощности.
Централизованная компенсация реактивной мощности
Централизованная компенсация применяется там, где реактивная мощность нагрузки во время работы изменяется в широких пределах и требуется автоматическая настройка номинальных значений подключенных к сети конденсаторов КРМ.
При централизованной компенсации достигаются наилучшая точность компенсации и наиболее эффективное использование конденсаторов.
Централизованная компенсация может применяться как на стороне высшего напряжения, так и на стороне низшего напряжения.
В первом случае автоматические высоковольтныеконденсаторные установки КРМ подключаются к линиям с напряжением 6 – 10 кВ, и достигается эффективное использование конденсаторов, требуется меньшее их количество и стоимость компенсации 1кВАр получается наименьшей. Но при использовании установок КРМ на стороне высокого напряжения компенсируется только реактивная мощность в высоковольтных линиях, а в трансформаторах подстанции компенсации нет.
Во втором случае применяются низковольтные установки компенсации реактивной мощности (на стороне напряжения 0,4 кВ), которые и обеспечивают компенсацию реактивной мощности в трансформаторах подстанции.
Следует отметить, что при индивидуальной и групповой компенсации возможно также применение и регулируемых (автоматических) установок КРМ (АУКРМ). Эти установки несколько дороже, но их применение может быть более эффективно, поскольку в данном случае при помощи контроллера можно автоматически подбирать требуемый номинал конденсатора КРМ. Также возможно и комбинированное решение: например, одна из ступеней установки всегда включена, а остальные ступени подключаются по мере необходимости при помощи контроллера.
Защита конденсаторных установок
Чтобы обеспечить безопасность установки, применяются механизмы:
- датчик температуры, инициирующий подогрев при ее понижении и охлаждение при излишнем нагреве батареи конденсаторов;
- защита от инцидентов короткого замыкания, сильных скачков тока и напряжения;
- блокиратор попыток прикосновения к токоведущим деталям;
- контактный переключатель, отключающий агрегат при отпирании двери с работающим оборудованием.
Монтаж установки с конденсаторной батареей позволит разгрузить электродвигатели, генераторы и другое оборудование, несущее реактивную нагрузку. При подготовке к приобретению нужно рассчитать, куда целесообразнее всего будет подключить агрегат.
Эффект, достигаемый при компенсации реактивной мощности
Применение установок компенсации реактивной мощности, в первую очередь, приводит к снижению электрических и тепловых потерь в сети и снижению нагрузки на трансформаторы.
За счет становится возможным увеличить количество потребителей, подключенных к сети, используя уже имеющееся оборудование, не устанавливая дополнительных трансформаторов, не подводя дополнительные линии. При этом количество подключённых потребителей может быть увеличено до 30%.
Как уже говорилось выше, при компенсации сокращаются тепловые потери, что позволяет устранить перегрев кабельных линий, автоматов, контакторов, и, в конечном счете, трансформатора. В результате оборудование реже выходит из строя и снижаются затраты на текущий ремонт.
Основной эффект от применения устройств компенсации реактивной мощности выражается в следующих моментах:
- Экономический эффект при внедрении УКРМ – от 5 до 30%, за счет снижения потерь в кабельных линиях и оплаты за реактивную энергию;
- Разгрузка кабельных линий;
- Увеличение срока службы коммутационного оборудования;
- Снижение аварийности;
- Возможность подключения на ту же выделенную мощность дополнительного оборудования.
Эффективность применения конденсаторных установок
То, насколько выгодным окажется использование агрегата, зависит от правильного выбора способа подключения и дальнейшего обслуживания.
Выбор режима компенсации
Существуют следующие схемы компенсации:
- Централизованная на одной из сторон – там, где присутствует максимальное для подстанции напряжение (6 и более киловатт) или минимальное (400 ватт). Такой принцип подключения обеспечивает разгрузку от индуктивной мощности сетей с высоким напряжением, во втором варианте – еще и трансформаторных устройств, относящихся к подстанции (поэтому этот вариант значительно выгоднее).
- Групповая – агрегат ставят в цеховом помещении, подсоединяют к распределительной точке или шинке на 400 ватт. Тогда без разгрузки обходятся только сети, ведущие к единичным приемникам.
- Индивидуальная – агрегат соединяют напрямую с оборудованием, нуждающимся в разгрузке от реактивной мощности. КПД разгрузки максимальный.
Режимы компенсации
Выбор типа компенсации
Различные типы компенсации реактивной нагрузки отличаются схемами подключения и особенностями управления.
Нерегулируемая компенсация
Здесь к требующему разгрузки оборудованию напрямую или к питающей его шине подсоединяется батарея конденсаторов со стабильной емкостью. Управление реализуется посредством автоматического выключателя или контакторного механизма.
Автоматическая компенсация
Подразумевает поддержание мощностного коэффициента на определенном уровне через контроль продуцируемой индуктивной энергии сообразно с колебаниями нагрузки. Используются специальные батареи и электронное управление.
Динамическая компенсация
Применяется для работы с часто и резко меняющимися нагрузками. Помимо батареи конденсаторов, задействуется электронное устройство, нивелирующее реактивные потери.
Учет условий эксплуатации и содержания гармоник в сети
Установку нужно приобретать, принимая во внимание будущие условия обслуживания в течение всего периода использования
Учет условий эксплуатации
При планировании использования агрегата нужно учитывать:
- наибольшее годовое число коммутаций;
- температуру воздуха;
- возможные скачки электротока, обусловленные изменениями в кривой напряжения.
Учет воздействия гармоник
Если в сети нет нелинейных нагрузок, используются типовые конденсаторные элементы, при наличии слабовыраженных – детали с большим номиналом. Если нагрузок такого типа много, в ход идут высокоемкие конденсаторы с катушками, предотвращающими резонанс.
Технические характеристики УКРМ среднего напряжения
| Параметр | Значение |
| Номинальное напряжение, кВ | 6,3 / 10,5 / 35 |
| Частота, Гц | 50 |
| Номинальная мощность, квар | 100 … 10 000 |
| Максимальная перегрузка по току | 30% |
| Максимальная перегрузка по напряжению | 10% |
| Регулирование мощности | Автоматическое / ручное |
| Нерегулируемые ступени, квар | Любые |
| Шаг регулирования, квар | 50…500 |
| Быстродействие ступеней, с | 600 |
| Прочность изоляции, кВ | 70/170 |
| Ток короткого замыкания, кА/с | до 40 |
| Вводной аппарат | Разъединитель РВЗ-10/630 А / Вакуумный контактор* |
| Напряжение вторичных цепей | ~ 220 В |
| Ошиновка | Алюминий / Медь* |
| Тип конденсаторов | Трехфазные со встроенными предохранителями, с быстроразрядными резисторами до 7,5 В/мин |
| Переключение ступеней | Микропроцессорный контроллер (блок управления) |
| Коммутация конденсаторов | 7,2 кВ вакуумный контактор (Корея) |
| Токоограничивающие реакторы | 7,2 кВ, 0,1 мГн (Россия) |
| Вид ввода | Снизу / Сверху* |
| Расположение вводной ячейки | Слева / Справа* |
| Тип ввода | Кабельный |
| Охлаждение | Воздушное — естественное, принудительное с вентилятором и термореле или с теплообменником |
| Климатическое исполнение | У3 / У1 / УХЛ1 (в контейнере) |
| Цвет по RAL | 7032 / 7035* |
| Температурный режим эксплуатации | -60 С…+ 60 С |
| Относительная влажность | До 98%, при +25 С |
| Степень защиты | IP31 / IP54 |
| Гарантийный срок | 12 месяцев с даты ввода оборудования в эксплуатацию, но не более 18 месяцев с даты продажи |
*) По требованию заказчика
Характеристики управляющего контроллера
- Цифровое программирование
- Раздельный вход напряжения
- Программная защита конденсаторов от перегрузки гармониками
- Встроенный датчик температуры с релейным выходом
- Интерфейс передачи данных RS-232*, RS-485*, Wi-Fi*, GPRS*
- Измерение и контроль напряжения, тока (фазные, линейные), косинуса, коэф. мощности и др.
- Регулирование по tg(φ), напряжению*
- Возможность работы с поддержанием в заданных пределах одного из трёх значений косинуса фи, выбираемого оператором дистанционно
- Регулируемое время задержки на включение
- Ведение журнала событий (возможность записи параметров тока, напряжения и др. для дальнейшего анализа причины аварии)
Защита
- Ограничение по току
- Ограничение по напряжению
- Контроль по гармоническим составляющим
- Защита от перенапряжений
- Защита от открытия дверей во время работы установки
- Защита от перегрева и переохлаждения
- Разрядные резисторы, встроенные в конденсаторы
- Принудительная вентиляция
- Блокировка двери конденсаторной установки (электромагнитный блок – замок на двери шкафа)
- Блокировка подачи напряжения на конденсаторную установку при открытых дверях
- Перегрузка по току, малый ток, несимметрия токов
- Потеря и превышение напряжения
- Высоковольтные предохранители на каждую ступень (защита от токов короткого замыкания)
- Токоограничивающий реактор на каждую ступень или защита от перегрузок гармониками (фильтры гармоник)
- Защита от грозовых импульсов и импульсных перенапряжений – ограничители перенапряжений ОПН
Скачать:
Виды реактивной мощности
Современная промышленность не обходится без силовых электроустановок, любое предприятие использует множество станков, электродвигателей, понижающих трансформаторов, стабилизаторов электрического напряжения. Все эти приборы и установки потребляют определенные мощности от электросетей. Все электропотребители работают с разным КПД, уменьшить энергозатраты возможно с помощью установоки фазного смещения.
Потребляемую мощность можно условно разделить на два вида: это активная и реактивная. Активная (cos ) –это то, из чего складывается КПД электроприбора, расходуется и в полной мере преобразуется в какое то действие: вращение электромоторов, выделение тепла, освещения. При индуктивной или емкостной нагрузке, ток смещается по фазе относительно напряжения(sin), этот параметр называется реактивной мощностью. Чем меньше смещение, тем больше компенсации реактивной мощности отдается полезной нагрузке. Реактивная (sin ) – это затраченная энергия на магнитные поля создаваемые устройством и не несущая полезного действия, но она необходима для обеспечения работы прибора (электромоторы, трансформаторы, электромагниты). Для таких потребителей электроэнергии существуют компенсаторы. Эти приборы позволяют, уравнивая ток и напряжение в фазе отдавать наиболее полнов активную нагрузку, уменьшая потребление электроэнергии устройством и соответственно увеличить экономию. При правильном подборе режима работы, возможно, добиться до 50% экономии электроэнергии.
Для быстрого разряда конденсаторов после их отключения применяются индуктивные или активные разрядные сопротивления, подключенные параллельно к конденсаторной батарее. Без разрядных сопротивлений естественный саморазряд конденсаторные установки до безопасного напряжения 65 В происходит медленно, оставшийся на зажимах отключенной батареи напряжение будет опасным для обслуживающего персонала.
Потери в электрических сетях
К электрическим сетям подключается как активная, так и реактивная нагрузка, которую создают потребители с резкопеременной нагрузкой: например, асинхронные двигатели, сварочные трансформаторы, компрессоры, станки, насосы, электропечи, электролизные печи, люминесцентные лампы.
Переменный ток в устройстве с индуктивными свойствами отстаёт по фазе от напряжения. Это означает, что в любом периоде переменного напряжения есть участки, когда мгновенные значения напряжения и тока имеют разный знак. В эти моменты индуктивная нагрузка возвращает в питающую сеть энергию, запасённую в индуктивности. При этом часть подводимой к устройству энергии не используется в нём. Эту часть принято называть реактивной энергией. Таким образом в сети образуются потери мощности. И, кроме того, реактивная энергия расходуется на нагрев проводов, создавая также и тепловые потери.
Для больших предприятий такие потери могут быть очень чувствительными. Кроме того, генераторы и линии электропередач в этом случае должны быть рассчитаны не только на полезную нагрузку, но, сверх того, и на генерацию и передачу этой бесполезной реактивной энергии.
Снижение потерь в электросетях
Для снижения потерь в электросетях необходимо проводить специальные мероприятия, обеспечивающие сокращение перетока реактивной мощности. В настоящее время наиболее эффективным решением является применение установок компенсации реактивной мощности (КРМ), которые позволяют не только компенсировать реактивный ток и реактивную мощность в сети, но и повысить качество электроэнергии, отдаваемой потребителям.
Чем ниже коэффициент мощности cosφ при одной и той же активной нагрузке электроприемников, тем больше потери мощности и падение напряжения в элементах систем электроснабжения. Так, в сетях с перечисленными в начале данной статьи видами реактивной нагрузки коэффициент мощности может находиться в диапазоне от 0,5 до 0,8.
Соответственно, в первую очередь, необходимо создать условия функционирования электрических сетей, обеспечивающие получение наибольшего значения коэффициента мощности. Для решения этих задач в электрическихсетях предприятий и внедряются устройства и системы компенсации реактивной мощности.В зависимости от особенностей конструкции и исторических причин эти устройства в разных источниках и у разных производителей могут называться по-разному:
- УКРМ – установка компенсации реактивной мощности;
- УКМ – установка компенсации мощности;
- ККУ – комплектная конденсаторная установка;
- УК – установка компенсации.
Наибольший эффект дают комплексные автоматизированные установки компенсации реактивной мощности (АУКРМ). При комплексном подходе конденсаторная установка разделяется на отдельные секции и снабжается специальным контроллером, который следит за величиной реактивной мощности в сети и подключает секции по мере необходимости. Современные контроллеры, кроме того, могут выполнять много дополнительных функций, например, они следят за состоянием конденсаторов, измеряют параметры электроэнергии в сети и выводят результаты измерений на специальный дисплей или передают их в компьютер.
Типы установок компенсации реактивной мощности УКРМ
В компания Хомов электро вы можете купить УКРМ по лучшей цене следующих типов:
УКРМ с фиксированной мощностью
Состоят из конденсаторных модулей и реакторов, размещенных в общей оболочке. Установка компенсации реактивной мощности подключается непосредственно к нагрузкам и работает в длительном режиме, выдавая фиксированную реактивную мощность. Такие батареи подходят для работы с крупными электрическими машинами, работающими с постоянной нагрузкой.
УКРМ с фиксированной мощностью либо жестко подключаются к нагрузке, либо могут отключаться коммутационными аппаратами, установленными в распредустройстве Заказчика.
УКРМ с фиксированной мощностью и коммутационным аппаратом
Конструкция таких УКРМ в целом аналогичная конструкции батарей с фиксированной мощностью, но в их состав введен коммутационный аппарат (разъединитель, контактор или выключатель). Это позволяет подключать их к сети или выводить из работы в любое время.
УКРМ автоматические
Такие установки компенсации реактивной мощности состоят из нескольких ступеней регулирования, включающих в себя конденсаторные модули, реакторы и коммутационные аппараты, размещенные в общей оболочке. Автоматические УКРМ позволяют изменять реактивную мощность в соответствии с текущим состоянием нагрузки.
Управление различными ступенями в зависимости от величины необходимой мощности и контроль состояния системы осуществляются контроллером на базе микропроцессора. Контроллер также выдает информацию, относящуюся к сети, и формирует аварийные сообщения.
Конфигурация УКРМ
Установка компенсации реактивной мощности обычно состоит из вводной ячейки с размещенными в ней выключателем, заземляющим разъединителем, реле защиты и цепями управления. Рядом с ней устанавливаются одна или несколько ячеек, содержащих конденсаторы, реакторы, предохранители и коммутационные аппараты. Батареи могут иметь множество опций и конфигураций, позволяющих соответствовать практически любым требованиям Заказчика.
Защитные устройства УКРМ
В типичной системе могут использоваться следующие защитные устройства:
- Конденсаторные модули со встроенными предохранителями и разрядными резисторами
- Защита от небаланса
- Защита от перегрузки по току и замыкания на землю
- Защита от повышения и понижения напряжения
- Дуговая защита с датчиками электрической дуги
- Оболочки, испытанные на электродинамическую стойкость
- Контроль температуры внутри ячеек
- Высоковольтные предохранители с высокой отключающей способностью и индикацией срабатывания
- Заземляющие разъединители
- Трансформаторы для быстрого разряда конденсаторов
Коммутационные аппараты УКРМ
Используются коммутационные аппараты, рассчитанные на работу с конденсаторами, такие как разъединители, вакуумные или элегазовые контакторы и выключатели.
Реакторы УКРМ
В зависимости от уровня гармоник в сети, к которой подключается батарея, и необходимого количества ступеней, она может оснащаться токоограничивающими и фильтрующими реакторами (как воздушными, так и с магнитопроводом).
Конденсаторные модули
В зависимости от способа соединения конденсаторов батареи могут быть разделены на две группы. Батареи с однофазными конденсаторными модулями, соединенными в звезду или двойную звезду, имеют мощность до 12 000 квар и рабочее напряжение до 36 кВ. Батареи с трехфазными модулями, соединенными в звезду, имеют мощность до 10 000 квар и рабочее напряжение до 10,5 кВ.
Дополнительные компоненты
Индикаторы напряжения, вентиляторы, кондиционеры и противоконденсационные обогреватели, клеммы заземления, клапаны сброса давления, освещение внутри шкафов, замки с ключом, электрические блокировки, ключевые блокировки, кабельные вводы снизу и сбоку, концевые выключатели дверей.
Установка
Установка конденсаторных батарей шкафного исполнения возможна в любой точке сети. После выполнения измерений, когда известен уровень гармоник, можно выбрать способ компенсации
- Индивидуальная компенсация: батарея подключается непосредственно к выводам нагрузки
- Групповая компенсация: батарея подключается к распредсистеме, питающей группу индивидуальных нагрузок
- Централизованная компенсация: батарея подключается к главным шинам системы электроснабжения, питающей множество индивидуальных нагрузок
