ВВЕДЕНИЕ

Электрические установки переменного тока, в состав которых входят такие приемники электроэнергии, как трансформаторы, электродвигатели, электросварочные аппараты, силовая электроника и т. д., и особенно приемники, в которых имеется сдвиг фаз между током и напряжением, потребляют электроэнергию, которая называется «полной энергией» (E app).

По определению, коэффициент мощности (или cos ϕ) электрического устройства равен отношению активной мощности P (кВт) к полной мощности S (кВА), и принимает значения от 0 до 1.

Таким образом, по коэффициенту мощности можно судить о количестве реактивной энергии, потребляемой электрическими устройствами.
• Если коэффициент мощности равен 1, то потребляемая устройством реактивная энергия равна нулю (чисто активная нагрузка).
• Если коэффициент мощности меньше 1, то потребляемая устройством реактивная энергия не равна нулю, причем, чем ниже коэффициент, тем больше
потребляемая реактивная энергия. Для чисто индуктивной нагрузки коэффициент мощности равен 0. Для отдельных цехов, подключенных к одной и той же сети электропитания, коэффициент мощности может быть разным. Это зависит от типа используемых электроустановок и режима их работы (частичная или полная нагрузка и т. п.). Счетчики электроэнергии измеряют потребляемую активную и реактивную энергию, поэтому поставщики электроэнергии используют при выставлении потребителям счетов за электричество не cos ϕ, а tg ϕ.

Тангенс (tg ϕ) равен отношению реактивной энергии Er (кварч) к активной энергии Ea (кВтч), потребленных за один и тот же период времени. Очевидно, что, в отличие от cos ϕ, чем меньше tg ϕ, тем меньше потребление реактивной энергии. Соотношение между cos ϕ и tg ϕ выражается следующим уравнением:

Однако для пересчета проще всего воспользоваться таблицей №1.

ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ

Хороший коэффициент мощности позволяет оптимизировать работу электроустановки и обеспечивает следующие преимущества:
— бесплатное получение реактивной энергии потребителем;
— уменьшение количества потребленной энергии в кВА;
— уменьшение активных потерь в кабелях благодаря снижению тока, потребляемого электроустановкой;
— повышение стабильности напряжения для потребителя;
— снижение потерь электроэнергии в силовом трансформаторе, к вторичной обмотке которого подключено компенсирующее устройство.

УСТАНОВКА КОНДЕНСАТОРОВ ИЛИ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК

Коэффициент мощности электроустановки можно повысить, если установить в цепи дополнительный источник реактивной энергии, компенсирующий реактивную энергию основной нагрузки. Источниками реактивной энергии могут служить различные устройства, но наиболее распространенными являются фазокомпенсаторы и шунтирующие конденсаторы (параллельно подключенные), или последовательно подключенные конденсаторы в линиях электропередачи.
Наиболее часто применяются конденсаторы, поскольку они:
• не потребляют активной энергии;
• имеют низкую стоимость;
• просты в эксплуатации;
• имеют длительный срок службы (приблизительно 20 лет для конденсаторов Legrand);
• почти не нуждаются в техническом обслуживании (в связи с отсутствием движущихся частей).
Конденсатор представляет собой приемник электроэнергии, состоящий из двух обкладок (электродов), разделенных диэлектриком. Когда на конденсатор подается синусоидальное напряжение, то между током и напряжением возникает сдвиг фаз (ток опережает напряжение на 90°), и генерируется соответствующая емкостная реактивная мощность.
Все остальные приемники электроэнергии (электродвигатели, трансформаторы и т. п.) вносят противоположный сдвиг фаз между током и напряжением (ток отстает от напряжения на 90°), при этом генерируется соответствующая индуктивная реактивная мощность.
При сложении векторов индуктивной и емкостной реактивной мощности (или соответствующих токов) получается результирующая реактивная мощность (или ток), значение которой меньше, чем до установки конденсаторов.
Проще говоря, индуктивные приемники (электродвигатели, трансформаторы и т. п.) потребляют реактивную энергию, а емкостные приемники (конденсаторы) генерируют реактивную энергию.

ВЕКТОРНАЯ ДИАГРАММА МОЩНОСТИ

КОЭФФИЦИЕНТЫ МОЩНОСТИ ОСНОВНЫХ ПРИЕМНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Наибольшее количество реактивной энергии потребляют:
– электродвигатели при неполной нагрузке;
– электросварочные аппараты;
– индукционные и дуговые печи;
– силовые выпрямители.

РАСЧЕТ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Для расчета реактивной мощности Qc компенсирующей установки необходимо знать величину активной мощности Pkw и tg ϕ.
Эти параметры измеряются на выходе вторичной обмотки трансформатора.

* Коэффициент K берется из таблицы №1.

Пример. Рассмотрим электроустановку, электропитание которой осуществляется от понижающей подстанции (ВН / НН) мощностью 800 кВА.
Требуется изменить коэффициент мощности электроустановки до значений:
* cos ϕ = 0,928 (tg ϕ = 0,4) на первичной обмотке
* или cos ϕ = 0,955 (tg ϕ = 0,31) на вторичной обмотке со следующими параметрами:
• питание: 400 В, 3 фазы, 50 Гц
• P = 475 кВт
• cos ϕ (вторичной обмотки) = 0,75 (или tg ϕ = 0,88)
Qc = 475 x (0,88 – 0,31 ) ≈ 270 квар

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ТРАНСФОРМАТОРОВ

Для нормальной работы трансформатору требуется реактивная энергия для намагничивания сердечника (внутренняя). В таблице ниже приведены приблизительные значения параметров конденсаторных установок постоянной емкости, которые необходимо установить в соответствии с мощностью (кВА) и нагрузкой (%) трансформатора. Эти значения зависят от типа устройства и используемой технологии компенсации. Для получения точных значений обратитесь к изготовителю емкостного компенсатора.

ТАБЛИЦА ДЛЯ РАСЧЕТА МОЩНОСТИ КОНДЕНСАТОРА

Таблица №1.
Если известна мощность приемника в кВт, то в данной таблице можно найти коэффициент K, необходимый для расчета мощности конденсаторов. Кроме того, в таблице приведены значения cos ϕ и соответствующие им значения tg ϕ.

Пример. Мощность электродвигателя 200 кВт, исходный cos ϕ = 0,75; требуемый cos ϕ = 0,93. Qc = 200 x 0,487 = 98 квар

ПОДКЛЮЧЕНИЕ КОНДЕНСАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

СХЕМЫ ПОДКЛЮЧЕНИЯ

Централизованная компенсация
Преимущества:
• Отсутствует плата за потребление реактивной энергии.
• Наиболее экономичное решение, поскольку компенсация осуществляется в одной точке путем изменения количества подключенных конденсаторов.
• Снижается нагрузка трансформатора.
Примечание:
• Потери в кабелях (RI²) не снижаются.

Посекционная компенсация
Преимущества:
• Снижение платы за избыточное потребление реак- тивной мощности.
• Снижение требуемой полной мощности (кВА), на которой, как правило, основана постоянная плата за электроэнергию
• Возможность уменьшения сечений кабелей, питающих локальные распределительные щиты, или использования таких кабелей без уменьшения сечений для обеспечения дополнительной пропускной способности на случай повышения нагрузки
• Снижение нагрузки силового трансформатора, который становится способным принять дополнительную нагрузку при необходимости.
• Снижение потерь в кабелях
Примечание:
• Данное решение обычно применяется в крупных промышленных электрических сетях.

Индивидуальная компенсация
Преимущества:
• Снижается плата за избыточное потребление реактивной энергии.
• Является идеальным решением с технической точки зрения, поскольку реактивная энергия генерируется в том же месте, где и потребляется. Таким образом, джоулевы потери (RI²) снижаются во всех линиях.
• Уменьшение сечений всех кабелей, снижение потерь в кабелях
Примечание:
• Это наиболее дорогостоящее решение, что обусловлено:
– большим количеством установок;
– невозможностью изменения мощности батарей конденсаторов.

КОМПЕНСАЦИЯ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ АСИНХРОННЫХ ЭЛЕКТРОДВИГАТЕЛЕЙ

В таблице ниже приведены приблизительные значения максимальной мощности конденсаторов, которые можно подключить непосредственно к зажимам асинхронного электродвигателя без риска его самовозбуждения.
В любом случае следует убедиться, что максимальный ток конденсаторов не превышает 90 % от тока намагничивания электродвигателя (без нагрузки на валу).

Однако, если мощность конденсатора, необходимая для компенсации реактивной мощности электродвигателя, превышает значения, указанные в таблице выше, или в общем случае: если Qc > 90% Io √3 U, то компенсация на зажимах электродвигателя остается возможной, если последовательно с конденсатором установить контактор (C2), управляемый вспомогательным контактором электродвигателя (C1).

ТРЕБОВАНИЯ К УСТРОЙСТВАМ ЗАЩИТЫ И КАБЕЛЯМ ДЛЯ КОНДЕНСАТОРОВ

Устройства защиты
Кроме встроенных в конденсатор устройств защиты, таких как:
– самовосстанавливающаяся металлизированная полипропиленовая пленка;
– встроенные предохранители;
– реле высокого давления;
к конденсатору следует подключить внешнее устройство защиты.
В качестве устройства защиты можно использовать:
• автоматический выключатель:
– с тепловым расцепителем с уставкой срабатывания от 1,3 до 1,5 In;
– с электромагнитным расцепителем с уставкой срабатывания от 5 до 10 In.
Предохранители с HRC типа GI номиналом от 1,5 до 2 In.

Требования к кабелям
Согласно требованиям действующих стандартов, конденсаторы должны долговременно выдерживать ток, превышающий номинальный на 30 %.
Эти же стандарты требуют, чтобы допустимое отклонение емкости конденсатора от номинального значения не превышало 10 %.
Таким образом, кабель должен быть рассчитан на ток не менее: I кабеля = 1,3 x 1,1 x номинальный ток конденсатора In

КОНДЕНСАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ И ИХ ТИПЫ

СИСТЕМЫ КОМПЕНСАЦИИ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ

Конденсаторные установки постоянной емкости

• Производимая конденсаторной установкой реактивная энергия постоянна. Она не зависит от изменения коэффициента мощности и нагрузки приемников электроэнергии, и, следовательно, от количества реактивной энергии, потребляемой электроустановкой.
• Такие конденсаторные установки включаются:
– либо вручную с помощью автоматического выключателя или рубильника;
– либо полуавтоматически с помощью дистанционно управляемого контактора.
• Обычно конденсаторные установки данного типа применяются
в следующих случаях:
– в электроустановках, работающих круглосуточно с постоянной нагрузкой;
– для компенсации реактивной мощности трансформаторов в режиме холостого хода;
– для компенсации реактивной мощности отдельных электродвигателей.

Конденсаторные установки с автоматическим регулированием

• Реактивную энергию, производимую конденсаторной установкой, можно регулировать в соответствии с изменением коэффициента мощности и нагрузки приемников электроэнергии, и, следовательно, в соответствии с изменением энергопотребления установки.
• Конденсаторная установка данного типа состоит из параллельно включенных ступеней (каждая ступень включает в себя конденсатор и контактор). Включение и отключение ступеней осуществляется по сигналу встроенного регулятора коэффициента мощности.
• Обычно конденсаторные установки данного типа применяются в следующих случаях:
– в электроустановках с переменной нагрузкой;
– для компенсации реактивной мощности главного распределительного щита (ГРЩ) или основных отходя- щих линий.

ТИПЫ ЕМКОСТНЫХ КОМПЕНСАТОРОВ

Для надлежащей компенсации реактивной энергии характеристики емкостных компенсаторов должны соответствовать основным характеристикам сети электропитания (напряжение, частота, cos ϕ и т. д.). Однако ввиду наличия гармоник в питающей сети, конденсатор также должен быть рассчитан на имеющийся коэффициент гармоник, и должен обеспечивать требуемую компенсацию.
В зависимости от конкретного коэффициента гармоник можно выбрать емкостной компенсатор одного из пяти типов:
• стандартного типа;
• типа Н;
• типа SAH стандартного класса;
• типа SAHR усиленного класса;
• типа FH (фильтры гармоник).

ГАРМОНИКИ

Модернизация производственных процессов и усложнение электрооборудования привели в последние годы к значительному развитию и распространению силовой электроники.
Электронные системы, выполненные на основе полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров и т. п.), применяются в таких устройствах, как:
• силовые преобразователи: переменный / постоянный ток;
• выпрямители;
• инверторы;
• преобразователи частоты;
• и многие другие устройства для преобразования частотно-временных параметров напряжения и тока.
Для сетей электропитания данные системы являются нелинейными нагрузками. Нелинейными считаются нагрузки, у которых потребляемый ток не пропорционален напряжению сети электропитания. Даже если на такую нагрузку подается синусоидальное напряжение, потребляемый ток не будет синусоидальным.
Кроме силовой электроники, к нелинейным нагрузкам относятся:
• нагрузки с переменным внутренним сопротивлением, использующие электрическую дугу: дуговые печи, сварочные аппараты, люминесцентные и газоразрядные лампы и т. д.
• нагрузки, использующие сильные токи намагничива- ния: насыщающиеся трансформаторы, индукторы и т. п.
В результате прямого преобразования Фурье получаем, что потребляемый нелинейной нагрузкой ток представляет собой сумму:
• основной гармоники (синусоидального тока, частота которого равна частоте сети: 50 Гц или 60 Гц);
• высших гармоник (синусоидальных токов, частоты которых кратны частоте основной гармоники).
Согласно уравнению:

Эти гармонические токи протекают через источник, и его полное сопротивление, благодаря чему в сети генерируются гармонические напряжения в соответствии с уравнением Uh = Zh x Ih.
Гармонические токи создают гармонические напряжения, приводящие к гармоническим искажениям напряжения питающей сети.

ВЛИЯНИЕ ГАРМОНИК НА КОНДЕНСАТОРЫ

• Scc (кВА): мощность короткого замыкания источника
• Q (квар): мощность батареи конденсаторов
• P (кВт): активная мощность нагрузки
Емкостное сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте (кривая представляет собой обратную зависимость), поэтому с повышением частоты способность конденсатора блокировать гармонические токи резко снижается.

Гармонические токи высокой частоты поступают на конденсатор, который действует подобно «гармоническому насосу».
Во избежание повреждения конденсатора к нему обязательно следует подключить рассогласованный дроссель для фильтрации гармоник.

Токи высших гармоник в электроустановках генерируются полупроводниковыми устройствами:
пятая гармоника (250 Гц) – I5 – 20 % I1
седьмая гармоника (350 Гц) – I7 – 14 % I1
одиннадцатая гармоника (550 Гц) – I11 – 9 % I1
тринадцатая гармоника (650 Гц) – I13 – 8 % I1
* I1 – ток полупроводникового устройства при 50 Гц

ПАРАЛЛЕЛЬНЫЙ РЕЗОНАНС ИЛИ АНТИРЕЗОНАНС МЕЖДУ КОНДЕНСАТОРАМИ И ИСТОЧНИКОМ

• реактивное сопротивление источника XLT пропорционально частоте,
• емкостное сопротивление конденсаторов XС обратно пропорционально частоте. При частоте Fr.p. имеют место параллельный резонанс или антирезонанс (поскольку оба реактивных сопротивления равны по величине, но противоположно направлены) и усиление (F.A.) гармонических составляющих тока в конденсаторах и источнике (трансформаторе):

Важно отметить, что:
• чем больше мощность короткого замыкания источника (Sсc), тем больше резонансная частота удаляется от опасных гармонических составляющих частот,
• при увеличении собственной мощности (P) нагрузок снижается эффект усиления гармонических составляющих тока.

ЗАЩИТА КОНДЕНСАТОРОВ КАТУШКАМИ ИНДУКТИВНОСТИ, ПОДАВЛЯЮЩИМИ ГАРМОНИЧЕСКИЕ СОСТАВЛЯЮЩИЕ

В случае сильного загрязнения сети гармониками эффективную защиту можно обеспечить путем последовательного подключения к конденсатору катушки индуктивности, подавляющей гармонические составляющие тока. Такая катушка индуктивности играет двойную роль:
• увеличивает полное сопротивление конденсатора по отношению к гармоническим составляющим тока,
• смещает частоту параллельного резонанса (Fr.p.)

• для частот ниже Fr.s. система из катушки индуктивности и конденсатора проявляет себя как емкостная нагрузка, компенсирующая реактивную энергию.
• для частот выше Fr.s. система из катушки индуктивности и конденсатора проявляет себя как индуктивная нагрузка, параллельно подключенная к катушке индуктивности XLT и совместно с ней предотвращающая любую опасность параллельного резонанса при частотах выше Fr.s. и в частности при основных гармонических составляющих частоты.

ФИЛЬТРЫ ГАРМОНИК

Для электроустановок с высоким уровнем гармонических помех потребитель должен выполнить два требования:
• компенсировать реактивную энергию и защитить конденсаторы;
• уменьшить степень искажения напряжения до приемлемых значений, совместимых с нормальной работой большинства чувствительных приемников энергии (автоматические системы управления, промышленные компьютеры, конденсаторы и т. п.).
Для этих целей компания Legrand предлагает пассивные фильтры гармоник.
Пассивный фильтр гармоник представляет собой конденсатор и катушку индуктивности, включенные последовательно нелинейной нагрузке. Собственная частота образованного ими LC-контура соответствует частоте напряжения гармоник, которые необходимо подавить.

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ

Повышение качества электрической энергии является важной задачей мировой экономики. В электрических сетях присутствует большое количество электрических явлений, отрицательно сказывающихся на функционировании сетей. Эти явления характеризуются различными параметрами, которые можно измерить. Для анализа отрицательных явлений в электрических сетях требуется непрерывно измерять и контролировать все основные электрические параметры в соответствии со стандартами EN 50160, МЭК 61000-4-7, EN 61000-4-30, (ГОСТ 13109-97). Наши контрольно-аналитические системы позволяют найти ответы на следующие важные вопросы:
• Чем вызвано данное электрическое явление?
• Кто отвечает за данную проблему в электрической сети?
• Как устранить данную проблему?
Контрольно-аналитическая система Alptec включает в себя всю серию анализаторов электрических сетей, подключенных к компьютерам с установленным программным обеспечением Winalp, которое предназначено для сбора и анализа данных.

АНАЛИЗАТОРЫ ALPTEC

Контрольно-аналитическая система Alptec позволяет получать и распечатывать отчеты о функционировании электрической сети и качестве электрической энергии. Сбор и анализ данных может производиться непрерывно или только в случае нарушения электроснабжения. Контрольно-аналитическая система следит за изменениями энергопотребления и декодирует сигналы управления.
Анализаторы электрических сетей Alptec способны передавать данные через обычный модем или GSM- модем, Ethernet, USB, RS485 или RS232. В случае любого нарушения в электрической сети анализаторы могут немедленно отправить SMS-сообщение или электронное письмо с описанием нарушения. Это позволяет устранить проблему в кратчайшие сроки.
Программное обеспечение Winalp автоматически загружает результаты тысяч измерений, производимых одним или несколькими анализаторами электрических сетей. Эта информация сохраняется в базе данных, доступ к которой может быть разрешен одному или нескольким пользователям. Результаты можно анализировать и сопоставлять.

АНАЛИЗАТОРЫ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ ALPTEC