Для чего нужен компенсатор реактивной. Зачем нужна компенсация реактивной мощности. Защита от избыточного давления

Все виды конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности необходимы для стабилизации работы электрических сетей и снижения возможных энергопотерь. В состав этого оборудования входят батареи статических конденсаторов (БСК). Каждая БСК состоит из параллельно-последовательно соединенных в форме звезды или треугольника косинусных конденсаторов. Батарея оснащена токоограничивающими реакторами, которые нужны для регулировки тока при включении. Для защиты используется головной выключатель или трансформатор напряжения.

Благодаря этому процессу, возможно существенно уменьшить нагрузку на:

• провода;
• коммутационное оборудование;
• трансформаторы.

За счет уменьшения искажения формы сопротивления повышаются качество электроэнергии у конечного пользователя и срок службы всего оборудования. Но откуда берутся помехи в подаче тока, и возникает необходимость в компенсации?

Общие вопросы теории

Во всех крупных электрических сетях возникают два вида сопротивлений:

1. активное – например, у ламп накаливания, электронагревателей;
2. индуктивное – у электродвигателей, распределительных трансформаторов, сварочного оборудования, люминесцентных ламп.

Общая мощность формируется с учетом этих двух нагрузок. Подробнее эта зависимость показана на картинке ниже.

Когда напряжение становится отрицательным, а ток – положительным и наоборот, происходит смещение тока по фазе. В этот момент мощность поступает в обратном направлении в сторону генератора, хотя должна идти на нагрузку. При этом электрическая энергия колеблется от нагрузки к генератору и обратно, вместо того, чтобы переходить по сети. Мощность, которая возникает во время этого процесса, называется реактивной. Такая мощность генерирует магнитное поле, которое также дает дополнительную нагрузку на силовые поля.

Для того чтобы установить полную мощность сети, необходимо определить обе составляющие: и активную, и реактивную. Значение вычисляется, исходя из фактора, или коэффициента, мощности, которым является cosφ – косинус угла, возникающий между кривыми активной и реактивной составляющих.

Активная мощность используется для преобразования в тепловую, механическую и другие полезные виды энергии. Реактивная не подходит для использования в этих целях, но без нее невозможна работа трансформаторов, генераторов и другого оборудования, функционирование которого основано на свойствах электромагнитного поля. Организации, занимающиеся электроснабжением, ведут поставку только активной нагрузки, потому что поставки реактивного сопротивления:

• увеличивают мощность оборудования за счет снижения пропускной способности;
• повышают активные потери;
• приводят к падению напряжения из-за присутствия реактивной составляющей.

Особенности установки компенсационного оборудования

Удобнее всего генерировать реактивную часть напрямую у потребителя, иначе пользователю придется платить за поставки электричества дважды. Первый раз – за поставку активной, а второй – реактивной части. Кроме того, при такой двойной поставке потребуется дополнительное оборудование. Для чтобы избежать такой ситуации, используются конденсаторные установки компенсации реактивной мощности.

Важно! Установка компенсации реактивной мощности (КРМ) не просто экономит энергию. На промышленных предприятиях России потенциал энергосбережения составляет только 13-15% от общего потребления.

Уровень потребляемой электроэнергии на предприятии постоянно изменяется, то есть cosφ может расти или понижаться. Таким образом, чем больше коэффициент мощности, тем выше активная составляющая и наоборот. Для регулирования данного процесса требуются конденсаторные установки, способные компенсировать реактивную составляющую.

Конденсаторы, на основе которых построена эта компенсационная аппаратура, удерживают значение напряжения на заданном уровне. Ток в конденсаторах в противоположность индуктивности работает на опережение. Таким образом, конденсаторы выступают в роли фазосдвигающего оборудования.

Все конденсаторные установки по компенсации реактивной мощности разделяются на регулируемые и нерегулируемые. Главный недостаток последних заключается в том, что при существенном изменении нагрузки и коэффициента мощности, возможна перекомпенсация. Если в цепи имеется вероятность существенного роста cosφ, использовать нерегулируемого КРМ не рекомендуется.

Регулируемые устройства способны работать в динамическом режиме, проводить мониторинг и отслеживать показания для дальнейшего анализа. Контроллер, входящий в состав этого оборудования, прямо на месте отслеживает и рассчитывает сразу несколько показателей:

• уровень реактивной нагрузки во внешней цепи;
• определяет существующий коэффициент мощности;
• сравнивает коэффициент с заданными значениями.

Если полученное значение отличается от эталона, регулятор подключает или отключает определенные конденсаторы, входящие в компенсаторную установку. Использование этого оборудования дает возможность полностью контролировать уровень подачи электроэнергии на предприятиях с большим количеством разных по назначению приборов. Особенно это важно, если точно отследить, как изменяется реактивная составляющая по сети, довольно сложно. Общий принцип компенсирования позволяет не устанавливать у каждого прибора с реактивной составляющей отдельного оборудования.

Эффективность применения конденсаторных установок

Несмотря на то, что удобнее всего компенсировать реактивную составляющую напрямую у потребителя, для улучшения качества поставляемой электроэнергии первые установки используются еще на подстанциях. Это дает возможность разгрузить сеть и уже сэкономить от 10 до 20% энергии. Поэтому на подстанциях в 0,4 кВ проводится переключение пользователей с перегруженных фаз на недогруженные.

У непромышленных абонентов качественно выровнять фазы, используя только одну конденсаторную установку, практически невозможно. Особенно это касается жилых зданий с однофазной нагрузкой. Здесь компенсацию проводят на каждой фазе и дополнительно используют фильтры, емкость которых можно менять в автоматическом режиме.

Номинальное напряжение конденсаторных установок может быть самым разным. Высоковольтное оборудование 6, 10, 35кВ используют на подстанциях. Низковольтные устройства 0,4-0,66кВ применяют непосредственно на нагрузках. За счет высокого быстродействия низковольтные приборы могут стабилизировать не только постоянную, но и скачкообразную реактивную мощность.

В общем случае компенсация реактивной мощности состоит из 2 этапов:

1. Централизованный мониторинг качества (грубая компенсация) путем выравнивания фаз и фильтрации тока на подстанциях;
2. Индивидуальная компенсация на промышленных предприятиях, их отдельных подразделениях, а также на уровне мелких потребителей – владельцев квартир и частных домов. В ходе этих работ устройство компенсации реактивной мощности уменьшает энергопотери за счет обеспечения синусоидальности тока.

Раньше проблемы энергосбережения у небольших потребителей практически не брались во внимание. Считалось, что реактивная составляющая оказывает влияние только на работу крупных предприятий, где используются индукционные печи, асинхронные двигатели, понижающие трансформаторы и другие приборы.

Но в последнее время количество используемого преобразовательного и стабилизирующего оборудования в социально-бытовой среде значительно увеличилось. Полупроводниковые преобразователи ухудшают форму кривой тока, тем самым негативно влияют на функционирование других приборов. Но пока устройства КРМ для частных коммунально-бытовых потребителей почти не применяются.

Видео

С пошаговым (ступенчатым) регулированием реактивной мощности, (современный аналог установок АУКРМ, УКМ, УКМ-58, УКРМ и других) мощностью от 10 кВАр до 2000 кВАр предназначены для автоматического и ручного регулирования коэффициента мощности нагрузки с широким диапазоном изменения потребления реактивной мощности в распределительных сетях трехфазного переменного тока частотой 50 Гц, напряжением от 230 до 690В. Применение КРМ-0,4 позволит значительно сократить завтраты на оплату электроэнергии от 30-50%, а так же позволит снизить нагрузку и увеличить срок эксплуатации оборудования. Компенсаторы реактивной мощности серии КРМ с помощью подключения определенной емкостной нагрузки - конденсаторов, снижают суммарную реактивную мощность, потребляемую из сети. Возможно применение нерегулируемых и регулируемых КРМ . Ступенчатые КРМ переключают секции конденсаторных батарей, обеспечивая оптимальную компенсацию реактивной мощности .

Компания "ВП-АЛЬЯНС" изготавливает следующие устройства компенсации реактивной мощности КРМ :

• Компенсаторы реактивной мощности контакторные (серии КРМ );
• Компенсаторы реактивной мощности тиристорные (серии КРМ-Т );
• Компенсаторы реактивной мощности фильтрокомпенсирующие (серии КРМ-Ф );
• Компенсаторы реактивной мощности фильтрокомпенсирующие тиристорные (Серии КРМ-ФТ )

Стандартное исполнение устройств компенсации реактивной мощности У3 степенью защиты IP31. При необходимости изготавливаем установки КРМ-0,4 исполнением УХЛ1, УХЛ2, УХЛ3 УХЛ4 степенью защита IP54, IP55 для установки в помещениях отапливаемых, подстанциях КТП и для размещения на улице с системой обогрева и вентиляции.

Экономический эффект от внедрения компенсатора реактивной мощности (КРМ) складывается из следующих составляющих:
1. Экономия на оплате реактивной энергии. Оплата за реактивную энергию составляет от 12% до 50% от
активной энергии в различных регионах России.
2. Для действующих объектов - уменьшение потерь энергии в кабелях за счет уменьшения фазных токов. В среднем, на действующих объектах в подводящих кабелях теряется 10…15% расходуемой активной энергии.
3. Для проектируемых объектов - экономия на стоимости кабелей за счет уменьшения их сечения.
4. При значительной загрузке силового трансформатора можно учитывать экономию от продления срока службы трансформаторов за счет снижения температуры перегрева обмоток.

Сборка установок компенсации реактивной мощности осуществляется на импортных комплектующих: Gruppo Energia, Lovato, Vmtec, Epcos, Schneider Electric и др.

Преимущества использования конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности

• малые удельные потери активной мощности (у современных низковольтных косинусных конденсаторов собственные потери не превышают 0,5 Вт на 1 кВАр);
• отсутствие вращающихся частей;
• простой монтаж и эксплуатация;
• относительно невысокие капиталовложения;
• возможность подбора практически любой необходимой мощности компенсации;
• возможность установки и подключения в любой точке сети;
• отсутствие шума во время работы;
• небольшие эксплуатационные затраты.

Проблемы, которые помогут решить конденсаторные установки

Конденсаторные установки (УКМ, АКУ, АУКРМ, УКРМ, КРМ и другие модели) применяются не только для замедления вращения счетчика реактивной энергии. Помимо этого, с их помощью решается ряд других проблем, возникающих на производстве:

• снижение загрузки силовых трансформаторов (при уменьшении потребления реактивной мощности понижается и потребление полной мощности);
• обеспечение питания нагрузки по кабелю с меньшим сечением (не допуская перегрева изоляции);
• за счет частичной токовой разгрузки силовых трансформаторов и питающих кабелей подключение дополнительной активной нагрузки;
• позволяет избежать глубокой просадки напряжения на линиях электроснабжения удаленных потребителей (водозаборные скважины, карьерные экскаваторы с электроприводом, стройплощадки и т. д.);
• возможность максимально использовать мощность автономных дизель-генераторов (судовые электроустановки, электроснабжение геологических партий, стройплощадок, установок разведочного бурения и т. д.);
• облегчается пуск и работа асинхронных двигателей (при индивидуальной компенсации).

Преимущества автоматизированных конденсаторных установок при КРМ

• автоматически отслеживается изменение реактивной мощности нагрузки в компенсируемой сети и в соответствии с заданным, корректируется значение коэффициента мощности - cosφ;
• исключается генерация реактивной энергии в сеть (режим "перекомпенсации");
• исключается появление в сети перенапряжения, т. к. нет перекомпенсации, возможной при использовании нерегулируемых конденсаторных установок;
• визуально отслеживаются и выводятся на дисплей автоматического регулятора все основные параметры компенсируемой сети;
• контролируется режим эксплуатации и работа всех элементов конденсаторной установки, в первую очередь батарей конденсаторов;
• предусмотрена система аварийного отключения конденсаторной установки и предупреждения обслуживающего персонала;
• возможно автоматическое подключение обогрева или вентиляции конденсаторной установки.

Где необходима компенсация реактивной мощности?

Широкое применение потребителей энергии с резкопеременной нагрузкой и несинусоидальным током, сопровождается значительным потреблением электрической мощности и искажением питающего напряжения, что приводит к росту потерь электроэнергии за счет низкого cos Ф и нарушению нормального функционирования потребления электроэнергии.

Это предприятия, где используются:

• Асинхронные двигатели (cos Ф ~ 0.7)
• Асинхронные двигатели, при неполной загрузке (cos Ф ~ 0.5)
• Выпрямительные электролизные установки (cos Ф ~ 0.6)
• Электродуговые печи (cos Ф ~ 0.6)
• Водяные насосы (cos Ф ~ 0.8)
• Компрессоры (cos Ф ~ 0.7)
• Машины, станки (cos Ф ~ 0.5)
• Сварочные трансформаторы (cos Ф ~ 0.4)

и производства:

• Пивоваренный завод (cos Ф ~ 0.6)
• Цементный завод (cos Ф ~ 0.7)
• Деревообрабатывающее предприятие (cos Ф ~ 0.6)
• Горный разрез (cos Ф ~ 0.6)
• Сталелитейный завод (cos Ф ~ 0.6)
• Табачная фабрика (cos Ф ~ 0.8)
• Порты (cos Ф ~ 0.5)

Где необходимы тиристорные конденсаторные установки?

• Сталеплавильные заводы
• Лифтовое хозяйство
• Портовые краны
• Кабельные заводы (экструдеры)
• Аппараты точечной сварки
• Роботы
• Компрессоры
• Горнолыжные подъемники
• 0,4 кВ промышленные сети химических заводов, бумажных фабрик,

А также там, где нужны эргономичные - малошумные (не контакторные) решения:

• Гостиницы
• Банки
• Офисы
• Больницы
• Торговые центры
• Телекоммуникационные компании

Недостатки традиционных КРМ-0,4 по сравнению с тиристорными конденсаторными установками КРМ-Т-0,4:

1. Высокий коммутационный ток и перенапряжения конденсаторов
2. Риск возникновения коммутационных перенапряжений
3. Большое время повторного включения ступени > 30 c
4. Необходимость более частого проведения регламентного обслуживания (например: протяжка болтовых соединений, ослабляющихся из-за вибраций контакторов)

Достоинства тиристорных конденсаторных установок:

• Снижение потерь в линиях и силовых трансформаторах
• Увеличение доступных мощностей (кВт) завода
• Меньшие падения напряжения на предприятии
• Минимизация аномалий в электросети таких как фликер и падение напряжения
• Отсутствие движущихся частей и как следствие увеличение регламентного интервала
• Увеличение срока службы конденсаторов минимум в 1,5 раза

Так как тиристорная конденсаторная установка компенсирует реактивную мощность практически мгновенно, то силовой трансформатор работает на активную нагрузку, что увеличивает его срок службы. Статические тиристорные контакторы не имеют ограничений по числу коммутаций.

Компенсаторы реактивной мощности серии КРМ-Ф

Качество электроэнергии имеет большое значение для многих потребителей. В существующей системе электроснабжения предприятия (СЭСП) присутствует определенный уровень гармонических составляющих, зависящий от мощности и количества нелинейных электроприемников (преобразователь, дуговая печь, сварочная установка).
Повсеместное внедрение силовой преобразовательной техники (СПТ), например, частотно регулируемых приводов станций управления погружными насосами ЭЦН (ЧРП СУ), ставит перед предприятиями проблему искажения кривой питающего напряжения высшими гармониками, генерируемыми СПТ.
Многие производители (ЧРП), делая попытку сэкономить при внедрении частотных приводов, не оснащают их выходными фильтрами. Впоследствии таким предприятиям приходится решать проблему очень сильного засорения питающего напряжения высшими гармониками.
Высокое содержание высших гармонических составляющих в сети предприятия снижает коэффициент мощности, проводит к перегреву и обусловленному этим преждевременному старению изоляции и выходу из строя элементов СЭС, ложным срабатываниям защит, перебоям в сети работы компьютерного оборудования и т.д. Конденсаторная установка, подключаемая к СЭСП образует, вместе с силовым трансформатором резонансный контур, который может оказаться, настроен на одну из гармоник присутствующих в сети.
Частоты резонанса, конденсаторной установки и понижающего трансформатора 6/0,4 кВ 10/0,4 кВ находятся, как правило, в диапазоне от 150 до 500 Гц. Если с этим резонансом не бороться, мы сталкиваемся с такой проблемой как перегрузка конденсаторов, силовых трансформаторов, и другого распределительного оборудования, а также резонансное усиление гармоник. Чтобы избежать неприятностей с резонансами силовых трансформаторов и конденсаторов необходимо использовать трехфазные дроссели подключаемые последовательно с конденсаторами. Частота резонанса такого контура должна быть ниже, частоты самых низших гармоник присутствующих в сети. Для гармоник с частотами выше, чем частота контура образованного конденсатором и дросселем, резонанс не возникает.
Трехфазные дроссели предназначены для работы в составе конденсаторных установок, включаются последовательно с конденсаторами, и служат для отстройки от частоты превалирующей в сети гармоники, для предотвращения перегрева и пробоя конденсаторов. Как известно, при повышении частоты приложенного напряжения к конденсатору его сопротивление снижается. Поэтому используются дроссели которые вместе с конденсатором образуют контур отстроенный от частоты гармоники и подавляющий ее.
В настоящее время такие дроссели эффективно используются в сетях содержащих гармоники с 5-ой и выше - используются дросселя с расстройкой 14 % = 134 Гц и конденсаторы номинальным напряжением 525 В, и в сетях с гармониками с 7 ой и выше - используются дросселя с расстройкой 7 % = 189 Гц и конденсаторы номинальным напряжением 525 В.
Эти неприятные последствия (насыщение и перегрев трансформаторов, подгорание контактных соединений, сбои в работе электронных блоков автоматических выключателей и оборудования оснащенного ЧПУ) можно исключить.
Для этого, перед внедрением на предприятии установок компенсации реактивной мощности, необходимо произвести замеры качества электроэнергии, выявить присутствующие в сети гармоники и просчитать возможные резонансы при таком внедрении.
В случае возможности резонансных явлений, применение автоматических конденсаторных установок возможно только с фильтрующими дросселями на каждой ступени - КРМ-Ф

ОСНОВНЫЕ ТИПЫ

• Нерегулируемые (постоянной мощности)

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.

Регулируемые (автоматические)

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 "СлавЭнерго" автоматически компенсируют реактивную мощность нагрузки в электрических сетях напряжением 6,3 - 10,5 кВ. Наиболее часто встречающиеся аббревиатуры таких установок - КРМ, УКРМ 6, УКРМ 6,3, УКРМ 10, УКРЛ, УКРЛ56, УКРЛ57.

• Полуавтоматические

Для того, чтобы удешевить установки компенсации реактивной мощности УКРМ 10 кВ и 6 кВ, сохранив при этом высокий уровень их качества, компанией СлавЭнерго были разработаны полуавтоматические компенсаторы реактивной мощности - гибрид двух вышеперечисленных типов УКРМ. В их составе имеются как регулируемые (автоматические) ступени, так и фиксированные (не регулируемые). 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.

• Фильтровые

Любые вышеперечисленные высоковольтные установки (нерегулируемые, регулируемые, полуавтоматические) при необходимости исполняются с защитными дросселями от гармонических искажений. Подробнее о таких установках Вы можете узнать

Технические характеристики основных высоковольтных УКРМ*

Основной нагрузкой в промышленных электросетях являются асинхронные электродвигатели и распределительные трансформаторы. Эта индуктивная нагрузка в процессе работы является источником реактивной электроэнергии (реактивной мощности ), которая совершает колебательные движения между нагрузкой и источником (генератором), не связана с выполнением полезной работы, а расходуется на создание электромагнитных полей и создает дополнительную нагрузку на силовые линии питания. Поэтому очень важен компенсатор реактивной мощности.

Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети. Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ), численно равный косинусу угла (ф) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е.: cos(ф) = P/S. Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом. Чем ближе значение cos(ф) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности.

Пример: при cos(ф) = 1 для передачи 500 KW в сети переменного тока 400 V необходим ток значением 722 А. Для передачи той же активной мощности при коэффициенте cos(ф) = 0,6 значение тока повышается до 1203 А.

В результате этого:

• возникают дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока;
• снижается пропускная способность распределительной сети;
• отклоняется напряжение сети от номинала (падение напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).

Все сказанное выше является основной причиной того, что предприятия электроснабжения требуют от потребителей снижения доли реактивной мощности в сети. Решением данной проблемы является компенсация реактивной мощности – важное и необходимое условие экономичного и надежного функционирования системы электроснабжения предприятия. Эту функцию выполняют , основными элементами которых являются конденсаторы .

Правильная компенсация позволяет:

• снизить общие расходы на электроэнергию;
• уменьшить нагрузку элементов распределительной сети (подводящих линий, трансформаторов и распределительных устройств), тем самым продлевая их срок службы;
• снизить тепловые потери тока и расходы на электроэнергию;
• снизить влияние высших гармоник;
• добиться большей надежности и экономичности распределительных сетей.

Кроме того, в существующих сетях

• исключить генерацию реактивной энергии в сеть в часы минимальной нагрузки;
• снизить расходы на ремонт и обновление парка электрооборудования;
• увеличить пропускную способность системы электроснабжения потребителя, что позволит подключить дополнительные нагрузки без увеличения стоимости сетей;
• обеспечить получение информации о параметрах и состоянии сети.

А во вновь создаваемых сетях - уменьшить мощность подстанций и сечения кабельных линий, что снизит их стоимость.

Зачем компенсировать реактивную мощность?

Реактивная мощность и энергия ухудшают показатели работы энергосистемы, то есть загрузка реактивными токами генераторов электростанций увеличивает расход топлива; увеличиваются потери в подводящих сетях и приемниках; увеличивается падение напряжения в сетях.

Реактивный ток дополнительно нагружает линии электропередачи, что приводит к увеличению сечений проводов и кабелей и соответственно к увеличению капитальных затрат на внешние и внутриплощадочные сети.

Компенсация реактивной мощности, в настоящее время, является немаловажным фактором позволяющим решить вопрос энергосбережения практически на любом предприятии.

По оценкам отечественных и ведущих зарубежных специалистов, доля энергоресурсов, и в частности электроэнергии занимает величину порядка 30-40% в стоимости продукции. Это достаточно веский аргумент, чтобы руководителю со всей серьезностью подойти к анализу и аудиту энергопотребления и выработке методики компенсации реактивной мощности. Компенсация реактивной мощности – вот ключ к решению вопроса энергосбережения.

Основные потребители реактивной мощности:

• асинхронные электродвигатели, которые потребляют 40% всей мощности совместно с бытовыми и собственными нуждами;
• электрические печи 8%;
• преобразователи 10%;
• трансформаторы всех ступеней трансформации 35%;
• линии электропередач 7%.

В электрических машинах переменный магнитный поток связан с обмотками. Вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуктируются реактивные э.д.с. обуславливающие сдвиг по фазе (fi) между напряжением и током. Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а косинус фи уменьшается при малой нагрузке. Например, если косинус фи двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75-0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20-0,40.

Мало нагруженные трансформаторы также имеют низкий коэффициент мощности (косинус фи). Поэтому, применять компенсацию реактивной мощности, то результирующий косинус фи энергетической системы будет низок и ток нагрузки электрической, без компенсации реактивной мощности, будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток потребляемый из сети снижается, в зависимости от косинус фи на 30-50%, соответственно уменьшается нагрев проводящих проводов и старение изоляции.

Кроме этого, реактивная мощность наряду с активной мощностью учитывается поставщиком электроэнергии, а следовательно, подлежит оплате по действующим тарифам, поэтому составляет значительную часть счета за электроэнергию.

Наиболее действенным и эффективным способом снижения потребляемой из сети реактивной мощности является применение установок компенсации реактивной мощности (конденсаторных установок).

Использование конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности позволяет:

• разгрузить питающие линии электропередачи, трансформаторы и распределительные устройства;
• снизить расходы на оплату электроэнергии
• при использовании определенного типа установок снизить уровень высших гармоник;
• подавить сетевые помехи, снизить несимметрию фаз;
• сделать распределительные сети более надежными и экономичными.

продольная и поперечная компенсация реактивной мощности

Конденсаторная установка (КУ, или УКРМ - установка компенсации реактивной мощности) - согласно действующему , это электроустановка, состоящая из конденсаторов и относящегося к ней вспомогательного электрооборудования (регулятора реактивной мощности, контакторов, предохранителей и т. д.).

Выбор режима компенсации

По месту установки КУ различают следующие виды компенсации: централизованная на высокой стороне (а), централизованная на низкой стороне (б), групповая (в) и индивидуальная (г) (см. рисунок ниже).

• При централизованной компенсации на стороне высокого напряжения , когда конденсаторная установка присоединяется к шинам 6-10 кВ трансформаторной подстанции, получается хорошее использование конденсаторов, их требуется меньше и стоимость 1 квар установленной мощности получается минимальной по сравнению с другими способами. При компенсации по этой схеме разгружаются от реактивной мощности только расположенные выше звенья энергосистемы, а внутризаводские распределительные сети и даже трансформаторы подстанции остаются не разгруженными от реактивной мощности, а следовательно, потери энергии в них не уменьшаются и мощности трансформаторов на подстанции не могут быть уменьшены.
• При централизованной компенсации на стороне низкого напряжения , когда конденсаторная установка присоединяется к шинам 0,4 кВ трансформаторной подстанции, от реактивной мощности разгружаются не только вышерасположенные сети 6—10 кВ, но и трансформаторы на подстанции, однако внутризаводские распределительные сети 0,4 кВ остаются неразгруженными.
• При групповой компенсации , когда конденсаторные установки устанавливаются в цехах и присоединяются непосредственно к цеховым распределительным пунктам (РП) или шинам 0,4 кВ, разгружаются от реактивной мощности и трансформаторы на подстанции и питательные сети 0,4 кВ Неразгруженными остаются только распределительные сети к отдельным электроприемникам. В целях равномерного распределения компенсирующих устройств целесообразно подключать конденсаторную установку к шинам РП таким образом, чтобы реактивная нагрузка этого РП составляла более половины мощности подключаемой конденсаторной установки.
• При индивидуальной компенсации, когда конденсаторная установка подключается непосредственно к зажимам потребляющего реактивную мощность электроприемннка, что является основным требованием создания реактивной мощности по возможности ближе к месту ее потребления, такой способ будет наиболее эффективным в отношении разгрузки от реактивной мощности питательной и распределительной сетей, трансформаторов и сетей высшего напряжения. При индивидуальной компенсации происходит саморегулирование выработки реактивной мощности, так как конденсаторные установки включаются и отключаются одновременно с приводными электродвигателями машин и механизмов.

Практически распространенными способами компенсации реактивной мощности электроснабжения промышленных предприятий является групповая компенсация, возможны также варианты комбинированного размещения конденсаторных установок.
Определение наивыгоднейших решений выбора способа компенсации реактивной мощности производится на основании технико-экономических расчетов тщательных исследований производственных условий, факторов конструктивного характера и т. д..
При выборе места размещения конденсаторной установки в распределительной сети необходимо учитывать ее влияние на режим напряжения и величину потерь энергии в сети. Как правило, компенсация реактивной мощности должна производиться в той же сети (на том же напряжении), где она потребляется, при этом будут минимальные потери энергии, а следовательно, и меньшие мощности трансформаторов.

Выбор типа компенсации

В зависимости от требований к характеристикам оборудования и сложности управления, КРМ может быть следующих типов:

• нерегулируемой - путем подключения конденсаторной батареи фиксированной емкости;
• автоматической - путем включения различного количества ступеней регулирования для подачи требуемой реактивной энергии;
• динамической - для компенсации быстро изменяющихся нагрузок.

Нерегулируемая компенсация

В схеме используется один или несколько конденсаторов, обеспечивающих постоянный уровень компенсации. Управление может быть:

• ручным: с помощью автоматического выключателя или выключателя нагрузки;
• полуавтоматическим: с помощью кнопок и контактора;
• прямое подсоединение к нагрузке и включение/отключение вместе с ней.

Конденсаторы присоединяются:

• к вводным зажимам индуктивных нагрузок (в основном, электродвигателей);
• к шинам, питающим группы небольших электродвигателей или индуктивных нагрузок, для которых индивидуальная компенсация может быть довольно дорогостоящей;
• в случаях, когда коэффициент нагрузки должен быть постоянным.

Автоматическая компенсация

Данный тип компенсации предусматривает автоматическое поддержание заданного cos φ путем регулирования количества вырабатываемой реактивной энергии в соответствии с изменениями нагрузки.
Оборудование КРМ устанавливается и подключается к тем местам электроустановки, где изменения активной и реактивной мощности относительно велики, например:

• к сборным шинам главного распределительного щита;
• к зажимам кабеля, питающего мощную нагрузку.

Нерегулируемая компенсация применяется там, где требуется компенсировать реактивную мощность, не превышающую 15% номинальной мощности трансформаторного источника питания. Если требуется компенсировать более 15%, рекомендуется устанавливать конденсаторную батарею с автоматическим регулированием.
Управление обычно осуществляется электронным устройством (контроллером реактивной мощности), которое отслеживает фактический коэффициент мощности и выдает команды на подключение или отключение конденсаторов для достижения заданного коэффициента. Таким образом, реактивная энергия регулируется ступенчато. Кроме того, регулятор реактивной мощности выдает информацию о характеристиках электросети (амплитуда напряжения, уровень искажений, коэффициент мощности, фактическая активная и реактивная мощность) и состоянии оборудования.
В случае неисправности подаются аварийные сигналы. Подключение обычно обеспечивается контакторами. Для быстрой и частой коммутации конденсаторов при компенсации сильно изменяющихся нагрузок следует использовать полупроводниковые ключи.

Динамическая компенсация

Данный тип КРМ используется для предотвращения колебаний напряжения в сетях с изменяющимися нагрузками. Принцип динамической компенсации заключается в том, что вместе с нерегулируемой конденсаторной батареей используется электронный компенсатор реактивной мощности, обеспечивающий опережение или запаздывание реактивных токов относительно напряжения. В результате получается быстродействующая изменяющаяся компенсация, хорошо подходящая для таких нагрузок, как лифты, дробилки, аппараты точечной сварки и т. д.

Учет условий эксплуатации и содержания гармоник в сети

Конденсаторные установки следует выбирать с учетом условий эксплуатации на протяжении всего срока службы комплектующих, в первую очередь конденсаторов и контакторов.

Учет условий эксплуатации

Условия эксплуатации оказывают значительное влияние на срок службы конденсаторов.
Следует учитывать следующие параметры:

• температура окружающей среды (°C);
• ожидаемые повышенные токи, связанные с искажением формы напряжения, включая максимальное непрерывное перенапряжение;
• максимальное количество коммутационных операций в год;
• требуемый срок службы.

Учет воздействия гармоник

В зависимости от амплитуды гармоник в электросети применяются различные конфигурации устройств КРМ:

• Стандартные конденсаторы: при отсутствии значительных нелинейных нагрузок.
• Конденсаторы увеличенного номинала: при наличии незначительных нелинейных нагрузок. Номинальный ток конденсаторов должен быть увеличен, чтобы они могли выдерживать циркуляцию токов гармоник.
• Конденсаторы увеличенного номинала с антирезонансными дросселями применяются при наличии многочисленных нелинейных нагрузок. Дроссели необходимы для подавления циркуляции токов гармоник и предотвращения резонанса.
• Фильтры высших гармоник: в сетях с преобладанием нелинейных нагрузок, где требуется подавление гармоник. Обычно фильтры конструируются для конкретной электроустановки, исходя из результатов измерений на месте и компьютерной модели электросети.

Комплектующие к УКРМ

Конденсаторы

Конденсаторы всходят в состав любой установки компенсации реактивной мощности (нерегулируемой или автоматической) и используются для корректировки коэффициента мощности индуктивных потребителей (трансформаторов, электрических двигателей, ректификаторов) в электрических сетях для напряжений до 660 В.

Конструкция

Самые популярные компенсации реактивной мощности состоят из цилиндрического алюминиевого корпуса, внутри которого смонтированы три однофазных конденсатора соединенные по схеме "треугольник" (см.рис. вариант а). Подключение осуществляется через три клеммы. Также существуют модели (например от Legrand) с шестью клеммами (см.рис. вариант б) они позволяют подключать контактор в разрыв треугольника. Что в свою очередь позволяет взять контактор меньшего номинала.

В корпусе конденсатора установлен диэлектрик с тремя полипропиленовыми слоями, металлизированными алюминием и цинком. Данное покрытие обеспечивает низкий уровень потерь и высокую устойчивость к высоким импульсным токам, а также способствует самовосстановлению конденсатора при пробое. В зависимости от величины рабочего напряжения полипропиленовая пленка имеет различную толщину. При этом слои металлизации выступают в роли проводников тока (т.е. обкладок), а полипропилен является диэлектриком. После выполнения необходимых технологических операций и прохождения контроля качества емкостные элементы (рулоны) помещаются в алюминиевые цилиндрические корпуса и заливаются полиуретановой смолой, нетоксичной и обладающей высокими экологическими свойствами.

Технология производства и самовосстановление конденсаторов

Исходным материалом для производства конденсаторов служит полипропиленовая пленка. В начале технологического процесса происходит металлизация полипропиленовой пленки для формирования на ней токопроводящего слоя толщиной 10-50 нм из смеси цинка и алюминия. Применение материала с указанными характеристиками позволяет добиться получения эффекта самовостановления в случае возникновения пробоя диэлектрика между обкладками конденсатора. При этом электрическая энергия испаряет металл вокруг поврежденного места и тем самым предотвращает короткое замыкание. Потеря емкости в течении данного процесса, совсем незначительна (около 100pF). Способность к самовосстановлению гарантирует высокую операционную надежность и длительный срок эксплуатации конденсатора. Для сведения к минимуму тангенса угла диэлектрических потерь, на торцы конденсаторных секций наносится в два слоя покрытие из цинка, которое получило название цинковый крепленый край. За счет этого достигается более плотный контакт между выводами конденсатора и конденсаторной секцией.

Защита от избыточного давления

Для обеспечения защиты внутренних элементов конденсатора, у большинства производителей, применяется встроенный разъединитель, который срабатывает при возникновении избыточного давления. Назначением устройства является прерывание тока короткого замыкания при достижении конденсатором окончания срока службы и его неспособности к последующему восстановлению. Это устройство разрывает электрическую цепь конденсатора, используя внутреннее давление, которое возникает во время разрушения пленки от перегрева, вызванного током короткого замыкания.

Применение конденсаторов с номинальным напряжением выше 400В.

Так как напряжение напрямую влияет на реактивную мощность конденсатора, компании предлагают линейки конденсаторов с разными номинальными напряжениями Un - 400, 440, 460, 480, 525В.
В сетях 380В, со стабильными параметрами напряжения сети, рекомендовано применять конденсаторы с Un - 400В, в этом случае применение конденсаторов с Un - 440В и выше нецелесообразно, потому что номинальная мощность существенно уменьшается (примерные поправочные коэффициенты 230V - 1.74 / 440V - 0.91 / 480V - 0.83 / 525V - 0.76)
Согласно стандарта EN-60831.1-2, конденсаторы на промышленной частоте должны выдерживать напряжение величиной l,10*Un (1.10*400 = 440В) в течение не менее 8 часов в сутки. В случаях, когда повышенное напряжение сети сохраняется более 8 часов, необходимо применять конденсаторы с Un - 440В. Применение данного типа конденсатора гарантирует надежную работу в сети с повышенным напряжением и увеличение срока службы конденсатора.

Внимание! Остаточное напряжение

После отсоединения конденсатора от сети на его выводах еще присутствует остаточное напряжение, которое представляет опасность для обслуживающего персонала. Для его устранения все трехфазные конденсаторы снабжены разрядными сопротивлениями, которые снижают уровень напряжения до уровня меньше чем 75В за 3 минуты.

Внимание! Защита от перегрева

Для обеспечения надежного естественного охлаждения, расстояние между конденсаторными батареями должно быть: 2,5 - 25 kVAr не менее 25мм. 30 - 50 kVAr не менее 50мм.

Предохранители

Предохранители всходят в состав любой установки компенсации реактивной мощности (нерегулируемой или автоматической) и используются для защиты от коротких замыканий. Наиболее применяемые предохранители имеют формат NH.

Фильтрующие дроссели

Трехфазные дроссели предназначены для работы в составе конденсаторных установок, включаются последовательно с конденсаторами и используются как защитное, фильтрующее устройство от влияния высших гармоник на сеть потребителя и на конденсатор. При повышении частоты приложенного напряжения к конденсатору его сопротивление снижается, поэтому применяются дроссели, которые вместе с конденсатором образуют контур, отстроенный от частоты гармоники и подавляющий ее. Частота резонанса такого контура должна
быть ниже частоты самых низших гармоник, присутствующих в электросети. При наличии гармоник с частотами выше, чем частота контура, образованного конденсатором и дросселем, резонанс не возникает.
Стандартные значения коэффициента отстройки составляют 5,67%, 7% и 14% при резонансных частотах 210,189 и 134 Гц в сетях с номинальной частотой 50Гц. При таких стандартных значениях величин в трехфазной сети и симметричной нагрузке становится возможным устранить 5-ю (250Гц) и гармоники высших порядков. Это позволяет избежать резонанса между индуктивным сопротивлением и трехфазными конденсаторами, включенными для корректировки коэффициента мощности, и предотвращения перегрузки конденсаторных батарей.
Часто дроссели оборудованы биметаллическим тепловым реле, которое встроено в центральную обмотку и имеет выводы на отдельные клеммы. Датчик реле срабатывает при температуре выше 90°С.