Расчет компенсации реактивной мощности и выбор компенсирующих устройств
Среди многочисленных факторов, оказывающих влияние на эффективность работы системы электроснабжения как промышленных предприятий, так и городских электрических сетей, одно из приоритетных мест занимает вопрос компенсации реактивной мощности. Для понимания сущности процесса компенсации реактивной мощности, обратимся к теории. Нагрузка в электрических сетях имеет, как правило, не только активную P [кВт], но и реактивную составляющую Q [квар]. Основными потребителями реактивной мощности являются асинхронные электродвигатели, силовые трансформаторы, частотные преобразователи электроприводов, люминесцентные лампы и др. При этом в последнее время имеется тенденция к росту потребления реактивной мощности, что не в последнюю очередь связано с резким увеличением использования систем вентиляции и кондиционирования воздуха в бытовом секторе и общественных зданиях. На рисунке 1 приведены основные негативные моменты, возникающие в результате увеличения потребления реактивной мощности.
Рисунок 1 Негативное влияние увеличения потребления реактивной мощности в электрической сети
Компенсация реактивной мощности – это приближение источников реактивной мощности к местам ее потребления. Установка устройств компенсации реактивной мощности непосредственно у потребителя позволяет улучшить технико-экономические показатели системы электроснабжения:
- снизить стоимость оборудования за счет уменьшения сечений проводников воздушных и кабельных линий, уменьшения номинальной мощности силовых трансформаторов и т.д.;
- увеличить пропускную способность кабельных и воздушных линий электропередачи, а также пропускную способность силовых трансформаторов;
- снизить потери напряжения, а также потери мощности в кабельных линиях и трансформаторах;
- снизить затраты на оплату электроэнергии за счет уменьшения величины потребляемой мощности.
- улучшить качество электроэнергии у потребителя в соответствии с требованиями ГОСТ 23144-2013.
Для промышленных потребителей вопросы компенсации реактивной мощности являются ещё более актуальными. Согласно приложения к «Порядку расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договорах энергоснабжения)», утвержденный приказом Минпромэнерго РФ от 22.02.2007 г. №49 устанавливает предельные значения коэффициентов реактивной мощности tgφ (отношение потребляемой реактивной мощности к активной tg φ =Q/P) по каждому уровню напряжения для потребителей с присоединенной мощностью 150 кВ и выше, значения которых приведены в таблице 1
Таблица 1 Предельные значения коэффициентов реактивной мощности tgφ по каждому уровню напряжения для потребителей с присоединенной мощностью 150 кВт и выше
| Положение точки присоединения потребителя к электрической сети | tgφ |
| - напряжением 110 кВ (154 кВ) | 0,5 |
| - напряжением 35 кВ (60 кВ) | 0,4 |
| - напряжением 6-20 кВ | 0,4 |
| - напряжением 0,4 кВ | 0,35 |
В случае нарушения указанных соотношений, к нарушителям применяются штрафные санкции в виде повышающих коэффициентов к тарифу на услуги по передаче электрической энергии, в результате чего потребители электрической энергии могут на много увеличить сумму счетов по оплате электроэнергии из-за высокого потребления реактивной мощности. Наиболее эффективными источниками реактивной мощности для компенсации реактивной мощности в сетях 0,4 кВ, 6-10 кВ являются батареи статических конденсаторов, среди которых можно выделить несколько основных типов:
1. Нерегулируемые. Состоят только из фиксированных ступеней. Принцип действия: включение и отключение разъединителя производится в ручном режиме (при отсутствии нагрузочного тока). Марки производимых установок - КРМ, КРМ1, УКЛ, УКЛ56, УКЛ57.
2. Регулируемые. Состоят только из регулируемых ступеней. Принцип действия: коммутация осуществляется автоматически, включением и отключением ступеней. При этом мощность и момент включения автоматически определяются электронным блоком. Регулируя, повышая значение коэффициента cos(φ), высоковольтные конденсаторные установки автоматически компенсируют реактивную мощность нагрузки в электрических сетях трехфазного переменного тока напряжением 6,3 - 10,5 кВ. Марки - КРМ, УКРМ 6, УКРМ 6,3, УКРМ 10, УКРЛ, УКРЛ56, УКРЛ57.
3. Полуавтоматические. Для того, чтобы удешевить установки компенсации реактивной мощности УКРМ 10 кВ и 6 кВ, сохранив при этом высокий уровень их качества, были разработаны полуавтоматические компенсаторы реактивной мощности - гибрид неавтоматических и автоматических установок УКРМ. В их составе имеются как регулируемые ступени, так и фиксированные. Такие устройства получили широкое распространение ввиду того, что практически всегда некоторая часть нагрузки в высоковольтной сети присутствует постоянно, в круглосуточном режиме. Для этой "фиксированной" части нагрузки и подбираются соответствующие ёмкости конденсаторных батарей, размещаемых в нерегулируемых ячейках конденсаторных установок. Такие ступени в 2-3 раза дешевле по сравнению с автоматическими ступенями аналогичной мощности, что в свою очередь благоприятно сказывается на стоимости устройства компенсации реактивной мощности УКРМ в целом.
4. Фильтровые.
Любые вышеперечисленные высоковольтные установки (нерегулируемые, регулируемые, полуавтоматические) при необходимости исполняются с защитными дросселями от гармонических искажений.
При этом в зависимости от типа установки существенно зависит и её стоимость.
Правильный выбор типа УКРМ и её параметров позволит обеспечить экономию денежных средств как на этапе покупки данной установки, так и в процессе эксплуатации, обеспечит долговечность работы и минимальный срок окупаемости вложенных денежных средств.
Поэтому стоит доверить вопросы выбора типа компенсирующих устройств, их параметров и мест установки профессионалам. В качестве иллюстрации данных слов приведены два примера.
На одном из предприятий Ивановской области в связи с предписанием, полученным от электросетевой организации, о необходимости соблюдения договорных условий в части обеспечения значения tgφ было принято решение об установке компенсирующих устройств. «Специалисты» одной проектной организации использовали всем известное выражение для определения мощности компенсирующих устройств
где Qку – необходимая мощность компенсирующих устройств, Рмакс – максимальная потребляемая активная мощность предприятия, tgφ1 – значение tgφ до установки КУ, tgφ2- желаемое значение tgφ после установки КУ.
В результате чего стоимость указанных компенсирующих устройств составила более двух миллионов рублей. После обращения к нам представителей предприятия, специалистами ООО «Электропроект Плюс» было проведено инструментальное обследование электрической сети, выполнены расчеты и предоставлены исчерпывающие данные по местам подключения компенсирующих устройств, параметрам установок и режимам работы (законам управления) указанными компенсирующими установками. Пример заключения приведен в таблице 2.
Таблица 2 Пример заключения по работе
| Место установки | Номинальная мощность КУ, квар | Регулирование | Примечание |
| РУ-0,4 кВ ТП-1 | 300 | Ступенчатое регулирование по cosφ=1, ступень регулирования 33,3 квар, ТТ в одной фазе | Номинальное напряжение не ниже 400 В с возможностью перегрузки по напряжению не менее 10% |
| РУ-0,4 кВ ТП-2 | 200 | Нерегулируемая, включение в начале рабочего дня в 07:00, отключение в конце рабочего дня в 16:00 | Номинальное напряжение не ниже 400 В с возможностью перегрузки по напряжению не менее 10% |
| РУ-0,4 кВ ТП-3 | 400 | Нерегулируемая, включение в начале рабочего дня в 07:00, отключение в конце рабочего дня в 16:00 | Номинальное напряжение не ниже 440 В с возможностью перегрузки по напряжению не менее 10%, перегрузочная способность по току не менее 30% |
| РУ-0,4 кВ ТП-4 | 200 | Ступенчатое регулирование по cosφ=1, ступень регулирования 33,3 квар, ТТ в одной фазе | Номинальное напряжение не ниже 400 В с возможностью перегрузки по напряжению не менее 10% |
В результате чего стоимость указанных компенсирующих устройств составила около восьмиста тысяч рублей, что более чем в два раза меньше первоначально предлагавшихся капитальных вложений.
Для другого предприятия силами ООО «Электропроект Плюс» были выполнены работы, целью которых была оценка качества электрической энергии для установки батарей статических конденсаторов. Пример полученных данных по значениям искажения синусоидальности кривой напряжения (%V THD) и тока (%I THD) приведен на рисунках 2 и 3.
Рисунок 2 Суточный график искажения синусоидальности кривой напряжения (%V THD) и тока (%I THD) для лесоперерабатывающего предприятия
Рисунок 3 Значения гармонических составляющих кривой напряжения (%V THD) и тока (%I THD) для лесоперерабатывающего предприятия
В результате было выявлено, что уровень высших гармонических составляющих напряжений по некоторым гармоникам (12, 14, 18, 22, 30, 32, 36, 39 и 40) превышает не только нормально допустимые, но также и предельно допустимые значение (наибольшее превышение достигается в фазе С). Были даны рекомендации по использованию специальной УКРМ.
В случае установки обычной УКРМ срок службы её существенно сократился бы, а гарантийные обязательства зачастую не распространяются на выход из строя батарей конденсаторов, связанных с превышением токов высших гармоник установленные заводом-изготовителем пределов.