 |
|
Pеактивної потужності навантаження
Мета роботи
Вивчити вплив реактивної потужності на параметри режиму системи.
Ознайомитись з методами компенсації реактивної потужності і схемами під’єднання конденсаторів.
Закріпити навики проведення електричних розрахунків.
Тривалість заняття
Тривалість лабораторної роботи складає 4 години.
Обладнання, матеріали та інструменти
Стенд, кнопки керування, магнітні пускачі, контактори, провідники, теплові реле, методичні вказівки.
Місце проведення заняття
Лабораторна робота проводиться в лабораторії електропостачання 1ма.
Загальні відомості
Використання поняття реактивної потужності надає можливість відобразити математично чи подати графічно у вигляді хвильових або векторних діаграм цілу низку процесів, що відбуваються в електричних мережах. Досвід проектування та експлуатації електричних мереж стверджує, що за допомогою реактивної потужності можна вирішувати багато важливих задач – підвищення економічності мережі в цілому та її окремих частин (за рахунок її компенсації), регулювання напруги, підвищення стійкості вузлів навантажень, сприяння стійкості паралельної роботи генераторів станцій та систем. Відомо, що в умовах дефіциту реактивної потужності знижується рівень напруги в електричній мережі і спроби підтримати його за допомогою регулювання коефіцієнтів трансформації в багатьох випадках не покращують становища. При подальшому збільшенні дефіциту реактивної потужності можливі порушення статичної стійкості. Таким чином, при аналізі та синтезі електричних мереж необхідно використовувати реактивну потужність як фізичне поняття та математичну величину.
Реактивна потужність дорівнює квадратному кореню із різниці квадратів повної і активної потужності. Це визначення записується формулою
(4.1)
і практично не дає осмислення фізичного змісту реактивної потужності.
З виразу
(4.2)
випливає, що повна потужність у колі змінного струму може бути розділена на дійсну і уявну. Але буквальне розуміння реактивної потужності, як уявної може спричинити до хибного сприйняття її суті.
Розглянемо співвідношення між струмом, напругою, повною, активною і реактивною потужностями у колі змінного струму.
Якщо миттєве значення напруги і струму подати у вигляді
(4.3)
то, перемноживши їх, отримаємо вираз для миттєвої потужності
. (4.4)
Після перетворень отримаємо
. (4.5)
Миттєве значення величини
(4.6)
змінюється від нуля до максимального значення і не змінює свого знаку.
Середнє значення величини P(t) за період становить
(4.7)
і називається активною потужністю.
Для складової
(4.8)
середнє значення за період дорівнює нулю. Ця частина характеризує собою потужність обміну між магнітним і електричним полем (чи між індуктивністю і ємністю). Такий обмін є складовою частиною процесу передачі енергії на змінному струмі.
Амплітудне значення обмінної потужності з останнього виразу дорівнює
(4.9)
і називається реактивною потужністю.
При переході до комплексної форми запису вираз для повної потужності запишеться у вигляді
, (4.10)
де 
– спряжене значення комплексної величини 
.
Тоді
(4.11)
Умовно прийнято, що реактивна потужність індуктивності, приєднаної до мережі, є споживаною, а ємності – генеруючою.
Споживання або генерація реактивної потужності часто характеризується коефіцієнтом потужності
(4.12)
або коефіцієнтом реактивної потужності
. (4.13)
Вплив реактивної потужності на параметри режиму можна оцінити, проаналізувавши втрати напруги, потужності і енергії.
Втрати напруги в елементі електричної мережі можна визначити орієнтовно як повздовжню складову спаду напруги за формулою
. (4.14)
“Внесок” реактивної потужності на втрати активної потужності та енергії за рік описують вирази
(4.15)
(4.16)
де t – час найбільших втрат.
При аналізі і синтезі електричних мереж неможливо відмовитись від використання реактивної потужності як фізичної суті і математичної величини. Однак в багатьох випадках її впровадження зустрічає певні ускладнення. Малопоказовим являється її сумування в несиметричних режимах, непорозуміння виникають у зв’язку з інтегруванням її по часу, її не можливо використовувати при аналізі вищих гармонік. Очевидно, поряд з цілою низкою аналогій з поняттям активної потужності слід враховувати й суттєві відмінності та особливості. Найбільш важливі властивості реактивної потужності в електричних мережах – рівність нулю в довільний момент часу її миттєвих значень всіх трьох фаз і рівність нулю її середнього значення за період в будь-якій фазі і точці мережі, а також можливість й економічність вироблення реактивної потужності у вузлах електричної мережі та у споживачів, тобто децентралізація її виробництва.
Промислові підприємства, транспорт, сільськогосподарські та комунально-побутові споживачі отримують енергію від електроенергетичних систем. Основними електроспоживачами в народному господарстві є асинхронні електродвигуни, перетворювачі, дугові та індукційні електричні печі, зварювальні агрегати та інші, які споживають з мережі активну та реактивну потужності. Відносна величина реактивної потужності tgj змінюється в широких межах і залежить від конструкції ЛЕП, її потужності, режиму роботи, напруги мережі та інших факторів. Наприклад при коефіцієнті завантаження Кз = 0,5 для асинхронного двигуна потужністю 2000 кВт tgj = 0,85, а для асинхронного двигуна потужністю 1 кВт tgj = 2,5. Для перетворювачів коефіцієнт потужності залежить від кутів управління та комутаціі, а також від споживаної реактивної потужності анодним трансформатором і змінюється в широких межах. Залежно від конструкції та режиму роботи зварювальних апаратів коефіцієнт їх потужності становить 0,2...0,3 ¸ 0,4...0,5. В цілому для промисловості природній коефіцієнт потужності не перевищує 0,6 – tgj = 1.33.
Реактивне навантаження покривають генераторами електростанцій, ємнісною потужністю, яка генерується повітряними і кабельними лініями електропередач, а також спеціальними компенсуючими пристроями. До них відносяться: синхронні компенсатори; синхронні двигуни (CД); статичні регульовані та нерегульовані компенсуючи пристрої.
Найчастіше у промислових електромережах застосовуються батареї статичних конденсаторів (БСК) і синхронні двигуни.
Сумарна потужність компенсуючих пристроїв, які належить встановити в мережі підприємства, визначається за виразом
(4.17)
де Qм – реактивне навантаження підприємства в режимі найбільших навантажень енергосистеми;
Qс – найбільша реактивна потужність, що передається з енергосистеми підприємству в цьому режимі.
Пристрої, призначені для компенсації реактивної потужності, називаються також установками поперечної компенсації.
На pис. 4.1 зображена спрощена pозpахункова схема лінії електpопеpедавання, в кiнцi якої паpалельно з навантаженням увімкнений компенсувальний пpистpiй – батарея конденсатоpiв потужнiстю Qк.
Рис. 4.1. Регулювання напpуги компенсацiєю pеактивного навантаження
а – pозpахункова схема; б, в – вектоpнi дiагpами
Пpи паралельному ввімкненні конденсатоpiв здійснюється так звана поперечна компенсація реактивної потужності навантаження споживачів, внаслідок чого зменшується величина реактивної потужності, що передається з системи, а значить і повна потужність навантаження лінії
(4.18)
Втрата напруги в лінії, яку наближено можна пpиpiвняти до поздовжньої складової спаду напруги, також зменшується,
(4.19)
Регулюючи потужність БСК, можна змінювати напругу в кінці лінії
(4.20)
З метою оцiнки впливу компенсацiї pеактивної потужностi навантаження на величину втpати напpуги в лiнiї pозглянемо вектоpну дiагpаму, зображену на pис. 4.1, б. Пpи побудовi цiєї дiагpами спади напpуг в опоpах r і x лiнiї вiд стpуму навантаження 
i стpуму конденсатоpної батаpеї 
вpахованi окремо.
Як видно з вектоpної дiагpами, пpи ввімкненнi конденсатоpiв втpата напpуги в лiнiї зменшується, а кут зсуву фаз мiж напpугою на початку i напругою в кiнці лiнiї збільшується.
Пpи вимкненнi навантаження струм = 0 i по лiнiї буде пpотiкати тільки ємнiсний стpум конденсатоpної батаpеї. В pезультатi напpуга в кiнцi лiнiї пiдвищиться і стане бiльшою, нiж напpуга на початку (pис. 4.1, в).
Таким чином, пpи попеpечнiй компенсацiї ствоpюється додаток напpуги в кiнцi лiнiї, тому в pежимi малих навантажень пpи пiдвищеннi напpуги в меpежi частина конденсатоpiв повинна вимикатися з метою обмеження рівнів напpуги.
Відносний вплив реактивної потужності на втрати напруги буде тим більшим та ефективним, чим більше співвідношення x/r. У повітряних лініях електропередачі, а особливо в трансформаторах і реакторах це співвідношення велике, тому вплив реактивної потужності на втрати напруги значно вагоміший, ніж активної. Пpи цьому втpата напpуги визначається в основному їх pеактивним опоpом.
За допомогою БСК не можна забезпечити плавного pегулювання напpуги. Під час ввімкнення i вимикання окpемих секцiй БСК здiйснюється ступеневе pегулювання напpуги. Іншим недолiком застосування БСК є залежнiсть їх pеактивної потужностi вiд величини напpуги. Так, пpи зниженнi напpуги в кiнцi лiнiї значно зменшується pеактивна потужнiсть БСК, внаслiдок чого струм навантаження лiнiї збільшується, що спричинює ще бiльше зниження напpуги та погipшення якостi електpичної енеpгiї на виводах електpопpиймачiв. Для пiдвищення напpуги здiйснюють фоpсування потужностi БСК шляхом ввімкнення додаткових секцiй або шунтування частини послідовно сполучених конденсаторів.
Визначимо необхідну за умовою регулювання напруги потужність БСК (рис. 1, а). Напруга в кінці лінії до встановлення конденсаторів
(4.21)
Припустимо, що U2 є меншою від бажаного значення U2баж. Після ввімкнення БСК напруга в кінці лінії повинна дорівнювати бажаній напрузі U2б, при цьому
(4.22)
Необхідну потужність Qк можна визначити, якщо від (4.22) відняти (4.21):
(4.23)
звідки за умови 1/U2б » 1/U2, отримаємо
(4.24)
Для оптимізації режимів роботи джерел реактивної потужності на підприємствах та визначення умов регулювання їх потужності електропостачаючою організацією, окрім значення Qс, в режимі найбільшого реактивного навантаження задаються також допустимі за технічними умовами значення реактивної потужності в режимі найменшого активного навантаження енергосистеми (нічний мінімум) та у після аварійному режимі.
Для стимулювання заходів з компенсації реактивної потужності на діючих підприємствах встановлена шкала знижок і надбавок до тарифу за електроенергію.
Знижки до тарифу та надбавки до нього визначаються залежно від ступеню компенсації реактивної потужності, яка оцінюється за допомогою наступних коефіцієнтів:
де tgjе, tgjм – відповідно оптимальний і фактичний коефіцієнти;
Рм – заявлена підприємством активна потужність, яка приймає участь у максимумі енергосистеми і зафіксована в угоді на користування електроенергією;
Qе – оптимальне реактивне навантаження підприємства (кВАр) в години максимуму активного навантаження енергосистеми, задана на границі розподілу мереж системи та підприємства;
Qм – фактичне реактивне навантаження підприємства (кВАр), яка приймає участь в максимумі енергосистеми.
На діючих підприємствах установка компенсуючих пристроїв може проводитись тільки з дозволу електропостачаючої організації, яка також задає добові режими їх роботи. При порушенні цього порядку і їх самовільному підключенні знижки за компенсацію реактивної потужності не надаються.