Переток реактивной мощности это

Что такое реактивная мощность и как её рассчитать?

Многие потребители электроэнергии не подозревают того, что часть учтённого электричества расходуется бесполезно. В зависимости от вида нагрузки уровень потерь электроэнергии может достигать от 12 до 50%. При этом счетчики электроэнергии засчитывают эти потери, относя их к полезной работе, за что приходится платить. Виной завышения оплаты за потребление электроэнергии, не выполняющей полезной работы, является реактивная мощность, присутствующая в сетях переменных токов.

Чтобы понять, за что мы переплачиваем и как компенсировать влияние реактивных мощностей на работу электрических установок, рассмотрим причину появления реактивной составляющей при передаче электроэнергии. Для этого придётся разобраться в физике процесса, связанного с переменным напряжением.

Что такое реактивная мощность?

Для начала рассмотрим понятие электрической мощности. В широком смысле слова, этот термин означает работу, выполненную за единицу времени. По отношению к электрической энергии, понятие мощности немного откорректируем: под электрической мощностью будем понимать физическую величину, реально характеризующую скорость генерации тока или количество переданной либо потреблённой электроэнергии в единицу времени.

Понятно, что работа электричества в единицу времени определяется электрической мощностью, измеряемой в ваттах. Мгновенную мощность на участке цепи находят по формуле: P = U×I, где U и I – мгновенные значения показателей параметров напряжения и силы тока на данном участке.

Строго говоря, приведённая выше формула справедлива только для постоянного тока. Однако, в цепях синусоидального тока формула работает лишь тогда, когда нагрузка потребителей чисто активная. При резистивной нагрузке вся электрическая энергия расходуется на выполнение полезной работы. Примерами активных нагрузок являются резистивные приборы, такие как кипятильник или лампа накаливания.

При наличии в электрической цепи ёмкостных или индуктивных нагрузок, появляются паразитные токи, не участвующие в выполнении полезной работы. Мощность этих токов называют реактивной.

На индуктивных и ёмкостных нагрузках часть электроэнергии рассеивается в виде тепла, а часть препятствует выполнению полезной работы.

К устройствам с индуктивными нагрузками относятся:

электромоторы;
дроссели;
трансформаторы;
электромагнитные
реле и другие устройства, содержащие обмотки.

Ёмкостными сопротивлениями обладают конденсаторы.

Физика процесса

Когда мы имеем дело с цепями постоянного тока, то говорить о реактивной мощности не приходится. В таких цепях значения мгновенной и полной мощности совпадают. Исключением являются моменты включения и отключения ёмкостных и индуктивных нагрузок.

Похожая ситуация происходит при наличии чисто активных сопротивлений в синусоидальных цепях. Однако если в такую электрическую цепь включены устройства с индуктивными или ёмкостными сопротивлениями, происходит сдвиг фаз по току и напряжению (см. рис.1).

При этом на индуктивностях наблюдается отставание тока по фазе, а на ёмкостных элементах фаза тока сдвигается так, что ток опережает напряжение. В связи с нарушением гармоники тока, полная мощность разлагается на две составляющие. Ёмкостные и индуктивные составляющие называют реактивными, бесполезными. Вторая составляющая состоит из активных мощностей.

Угол сдвига фаз используется при вычислениях значений активных и реактивных ёмкостных либо индуктивных мощностей. Если угол φ = 0, что имеет место при резистивных нагрузках, то реактивная составляющая отсутствует.

резистор потребляет исключительно активную мощность, которая выделяется в виде тепла и света;
катушки индуктивности провоцируют образование реактивной составляющей и возвращают её в виде магнитных полей;
Ёмкостные элементы (конденсаторы) являются причиной появления реактивных сопротивлений.

Треугольник мощностей и cos φ

Для наглядности изобразим полную мощность и её составляющие в виде векторов (см. рис. 2). Обозначим вектор полной мощности символом S, а векторам активной и реактивной составляющей присвоим символы P и Q, соответственно. Поскольку вектор S является суммой составляющих тока, то, по правилу сложения векторов, образуется треугольник мощностей.

Применяя теорему Пифагора, вычислим модуль вектора S:

Отсюда можно найти реактивную составляющую:

Выше мы уже упоминали, что реактивная мощность зависит от сдвига фаз, а значит и от угла этого сдвига. Эту зависимость удобно выражать через cos φ. По определению cos φ = P/S. Данную величину называют коэффициентом мощности и обозначают P f. Таким образом, P f = cos φ = P/S.

Коэффициент мощности, то есть cos φ, является очень важной характеристикой, позволяющей оценить эффективность работы тока. Данная величина находится в промежутке от 0 до 1.

Если угол сдвига фаз принимает нулевое значение, то cos φ = 1, а это значит что P = S, то есть полная мощность состоит только из активной мощности, а реактивность отсутствует. При сдвиге фаз на угол π/2 , cos φ = 0, откуда следует, что в цепи господствуют только реактивные токи (на практике такая ситуация не возникает).

Из этого можно сделать вывод: чем ближе к 1 коэффициент P f , тем эффективнее используется ток. Например, для синхронных генераторов приемлемым считается коэффициент от 0,75 до 0,85.

Формулы

Поскольку реактивная мощность зависит от угла φ, то для её вычисления применяется формула: Q = UI×sin φ. Единицей измерения реактивной составляющей является вар или кратная ей величина – квар.

Активную составляющую находят по формуле: P = U*I×cosφ. Тогда

Зная коэффициент P f (cos φ) , мы можем рассчитать номинальную мощность потребителя тока по его номинальному напряжению, умноженному на значение силы потребляемого тока.

Способы компенсации

Мы уже выяснили, как влияют реактивные токи на работу устройств и оборудования с индуктивными или ёмкостными нагрузками. Для уменьшения потерь в электрических сетях с синусоидальным током их оборудуют дополнительными устройствами компенсации.

Принцип действия установок компенсации основан на свойствах индуктивностей и ёмкостей по сдвигу фаз в противоположные стороны. Например, если обмотка электромотора сдвигает фазу на угол φ, то этот сдвиг можно компенсировать конденсатором соответствующей ёмкости, который сдвигает фазу на величину – φ. Тогда результирующий сдвиг будет равняться нулю.

На практике компенсирующие устройства подключают параллельно нагрузкам. Чаще всего они состоят из блоков конденсаторов большой ёмкости, расположенных в отдельных шкафах. Одна из таких конденсаторных установок изображена на рисунке 3. На картинке видно группы конденсаторов, используемых для компенсации сдвигов напряжений в различных устройствах с индуктивными обмотками.

Компенсацию реактивной мощности ёмкостными нагрузками хорошо иллюстрируют графики на рисунке 4. Обратите внимание на то, как эффективность компенсации зависит от напряжения сети. Чем выше сетевое напряжение, тем сложнее компенсировать паразитные токи (график 3).

Устройства компенсации часто устанавливаются в производственных цехах, где работает много устройств на электроприводах. Потери электричества при этом довольно ощутимы, а качество тока сильно ухудшается. Конденсаторные установки успешно решают подобные проблемы.

Нужны ли устройства компенсации в быту?

На первый взгляд в домашней сети не должно быть больших
реактивных токов. В стандартном наборе бытовых потребителей преобладают
электрическая техника с резистивными нагрузками:

электрочайник (P f = 1);
лампы накаливания
(P f = 1);
электроплита (P f =
1) и другие нагревательные приборы;

Коэффициенты
мощности современной бытовой техники, такой как телевизор, компьютер и т.п.
близки к 1. Ими можно пренебречь.

Но если речь идёт о холодильнике (P f = 0,65), стиральной машине и микроволновой печи, то уже стоит задуматься об установке синхронных компенсаторов. Если вы часто пользуетесь электроинструментом, сварочным аппаратом или у вас дома работает электронасос, тогда установка устройства компенсации более чем желательна.

Экономический эффект от установки таких устройств
ощутимо скажется на вашем семейном бюджете. Вы сможете экономить около 15%
средств ежемесячно. Согласитесь, это не так уж мало, учитывая тарифы не
электроэнергию.

Попутно вы решите следующие вопросы:

уменьшение нагрузок на индуктивные элементы и на проводку;
улучшение качества тока, способствующего стабильной работе электронных устройств;
понижение уровня высших гармоник в бытовой сети.

Для того чтобы ток и напряжение работали синфазно, устройства компенсации следует размещать как можно ближе к потребителям тока. Тогда реальная отдача индуктивных электроприёмников будет принимать максимальные значения.

Источник

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Переток — реактивная мощность

В зависимости от группы соединений силового и вольтодобавочного трансформаторов можно получить продольное или поперечное регулирование напряжения. Продольное регулирование напряжения в основном ведет к изменению перетоков реактивных мощностей , а поперечное — активных мощностей, поэтому последнее используют для принудительного перераспределения активных мощностей. Ввиду того что у элементов сети более высокого напряжения неоднородность сети sx / R может быть больше, чем у элементов сети более низкого напряжения, активные мощности по сетям распределяются так, что недопустимо загружается сеть более низкого напряжения, а сеть более высокого напряжения разгружается. Поэтому в данных условиях требуется принудительное перераспределение мощностей. [31]

Потери реактивной мощности в трансформаторах составляют в среднем 30 — 40 % реактивной составляющей нагрузки потребителей на шинах 6 — 10 кВ и ( так же как и потери активной мощности) состоят из потерь XX AQX, не зависящих от нагрузки, и потерь КЗ AQK, пропорциональных квадрату загрузки трансформатора. Влияние этих двух составляющих потерь на годовой график перетока реактивной мощности по питающей трансформатор сети противоположное: первая увеличивает годовое число часов использования максимума перетока реактивной мощности, вторая — уменьшает. [32]

В зависимости от группы соединений силового и регулировочного трансформаторов можно получить продольное или поперечное регулирование напряжения. Продольное регулирование напряжения в основном ведет к изменению перетоков реактивных мощностей , а поперечное — активных мощностей. Последнее поэтому используют для принудительного перераспределения активных мощностей в электрических сетях. [33]

Читайте также: Мощность самолета ту 154

Источниками реактивной мощности в этом случае могут быть синхронные двигатели напряжением 380 — 660 В и низковольтные конденсаторные батареи. Недостающая часть ( нескомпенсированная реактивная нагрузка) покрывается перетоком реактивной мощности QT с шин 6 — 10 кВ, т.е. из сети напряжением выше 1 кВ предприятия. [34]

При наличии на подстанции, являющейся центром питания ( ЦП), управляемых ИРМ, например синхронных компенсаторов GC с АРВ ( рис. 7.24), координация функционирования УРПН трансформаторов и АРВ СК, обеспечивающая устойчивость автоматического регулирования напряжения, целесообразна на основе управляющей ЭВМ. При этом могут достигаться и оптимальные загрузка реактивной мощностью ИРМ и переток реактивной мощности через трансформаторы. Функционирование управляющей ЭВМ зависит от типа ИРМ, режимного параметра управления их мощностью и способа ее автоматического изменения. [36]

Задача оптимизации баланса реактивной мощности в системе электроснабжения промышленного предприятия, выбора типа и мощности, а также места установки компенсирующих устройств должна решаться как задача поиска удовлетворительного технического решения при соблюдении требования минимума затрат в системе электроснабжения. Исходя из расчетной нагрузки предприятия, имеющихся источников реактивной мощности и задания энергосистемы на переток реактивной мощности из системы на данное предприятие в час максимума нагрузки [4], необходимо найти ту мощность дополнительных источников — конденсаторов, синхронных компенсаторов, статических управляемых компенсирующих устройств, при которой народнохозяйственные затраты на компенсацию реактивной нагрузки предприятия получаются наименьшими. Компенсация реактивной мощности с одновременным улучшением качества электроэнергии непосредственно в сетях промышленных предприятий является одним из основных направлений сокращения потерь электроэнергии и повышения эффективности электроустановок предприятий. [39]

Потери реактивной мощности в трансформаторах составляют в среднем 30 — 40 % реактивной составляющей нагрузки потребителей на шинах 6 — 10 кВ и ( так же как потери активной мощности) состоят из потерь холостого хода AQK, не зависящих от нагрузки, и потерь при коротком замыкании ( КЗ) AQK, пропорциональных квадрату загрузки трансформатора. Влияние этих двух составляющих потерь на годовой график перетока реактивной мощности по питающей трансформатор сети противоположное: первая увеличивает годовое число часов использования максимума перетока реактивной мощности , вторая — уменьшает. [40]

Оно позволяет регулировать напряжение, поддерживать заданные уровни напряжения в системообразующей сети и в контрольных точках, осуществлять снижение потерь активной мощности за счет оптимизации перетоков реактивной мощности , обеспечивать заданные запасы статической устойчивости. [42]

При компенсации реактивной мощности снижаются потери электрической мощности в сетях, уменьшаются установленные мощности генераторов и синхронных компенсаторов энергосистемы, разгружаются электрические линии и трансформаторы от перетоков реактивной мощности и одновременно улучшается качество напряжения. Все эти четыре эффекта от компенсации реактивной мощности в полной мере проявляются в часы максимальных нагрузок энергосистем. В остальное время при компенсации реактивной мощности — также снижаются потери электроэнергии в сетях и улучшается качество напряжения. В ряде случаев в часы минимальных нагрузок уменьшение реактивных нагрузок в узлах потребления может приводить к увеличению потерь электроэнергии в сетях и ухудшению качества электроэнергии. [43]

Регулирование напряжения на трансформаторах связи питающих сетей осуществляется таким Образом, чтобы обеспечить необходимый диапазон регулирования для трансформаторов ЦП распределительных электросетей, уменьшить потери в сетях от перетоков реактивной мощности и уменьшить суммарные потери мощности в сетях путем выбора оптимального общего уровня напряжения. [44]

Источник

Реактивная мощность и её компенсация, формула, схема, диаграмма

Большинство электроприемников потребляет из сети ток, отстающий от приложенного к зажимам напряжения. Это связано с наличием индуктивностей, создающих магнитный поток, необходимый для функционирования ЭП. Примем, что приемник электроэнергииприсоединен к источнику синусоидального напряженияи потребляет синусоидальный ток, сдвинутый по фазе относительно напряжения на угол ср.

Мгновенная мощность, переносимая переменным (синусоидальным) током, — это произведение мгновенных тока и напряжения. Мгновенная мощность — тоже синусоида, но двойной частоты. Мгновенная мощность положительна при совпадении знаков тока и напряжения грузку и обозначена «Г*Н») и отрицательна при разных знаках тока и напряжения (т. е. передается от нагрузки в генератор: «Н*Г»).

При наличии индуктивностей в нагрузке часть периода электромагнитной энергии запасается, а в другую часть периода она поступает обратно в основной источник энергии — генератор. В целом за период количество энергии, переданной от генератора в нагрузку, больше (на величину активной мощности), чем переданной от нагрузки в генератор. Происходит перенос энергии от генератора в нагрузку. Аналогичные процессы происходят, если в нагрузке присутствует не индуктивность, а емкость, т. е. есть нагрузка потребляет ток, опережающий напряжение.

Значение мгновенной мощности на зажимах приемникаявляется алгебраической суммой двух величин, одна из которых не зависит от времени, а другая пульсирует с двойной частотой.

Центрируем синусоиду, т. е. переносим ось абсцисс, в центр синусоиды мгновенной мощности (рис. 9.2). Величину этого переноса, или первое слагаемое в формуле (9.1), и назвали активной мощностью,задав направление движения этой мощности только от генератора в нагрузку. Активная мощность характеризует энергию, выделяемую в единицу времени на производство полезной работы в нагрузке. А центрированная синусоида (величина действующего значения синусоиды) получила название реактивной мощности(РМ).

Соответственно вводится понятие полной мощности, потребляемой нагрузкой, которую в комплексной форме можно представить выражениями:

Принято считать, что если потребляемый ток отстает по фазе от напряжения (индуктивный характер нагрузки), то РМ имеет положительное значение и говорят о потреблении РМ, а если ток опережает напряжение (емкостный характер нагрузки), то РМ имеет отрицательное значение и говорят о генерации РМ.

Введенное понятие « реактивная мощность» отражает обменные процессы передачи энергии на переменном токе. Протекает РМ по элементам сети, загружая их, вызывает в них потери активной и реактивной мощности, вызывает падение напряжения, но не производит полезной работы в нагрузке, так как количество энергии в целом за период, перенесенной центрированной синусоидой в одном направлении, равно количеству энергии, перенесенной в обратном направлении. По этой причине произведение РМ на время не является энергией и нет понятия «реактивная энергия» (этот термин иногда используют при решении задач учета электроэнергии, но правильнее говорить о кварчасах). Чтобы подчеркнуть особый характер РМ, отступили от правил в написании ее размерности и пишут: вар, квар, Мвар (а не ВАр, кВАр, МВАр, как это следовало бы по правилам).

До недавнего времени основным нормативным показателем, характеризующим потребление РМ, был коэффициент мощностиcos φ(см. формулу (9.3)). На вводах, питающих промышленное предприятие, средневзвешенное значение этогокоэффициента должно было находиться в диапазоне 0,92 …0,95. Следует признать, что выбор соотношения P/S в качестве нормативного не дает четкого представления о динамике изменения реального значения РМ. Например, при уменьшении коэффициента мощности с 0,95 до 0,94 РМ изменяется на 10 %, а при уменьшении этого же коэффициента с 0,99 до 0,98 изменение РМ составляет уже 42 %. При расчетах удобнее оперировать соотношением Q/P = tgcp, которое назвали коэффициентом реактивной мощности.

Рис. 9.3. Принципиальная схема питания узла нагрузки

Можно уменьшить индуктивность узла нагрузки установкой емкостей или, в общем случае, установкой в узле устройств, потребляющих опережающий ток (устройств, генерирующих РМ). Это позволяет уменьшить потребление РМ узлом нагрузки, т.е. компенсировать часть РМ узла нагрузки, поэтому такое мероприятие по

лучило название «компенсация реактивной мощности» (КРМ). Устройства, потребляющие опережающий ток, получили название «компенсирующие устройства» (КУ), или дополнительные источники реактивной мощности. Таким образом, установка КУ в узле нагрузки (рис. 9.3) уменьшает переток РМ в этот узел, что приводит выше точки отключения КУ (на рис. 9.4, 9.5 — векторные диаграммы мощностей и токов, соответствующие рис. 9.3) к снижению:

1) Загрузки элементов в цепи питания рассматриваемого узла нагрузки (что может, в частности, снизить сечение токоведущих частей);

2) Нагрузочных (продольных) потерь активной мощности в элементах в цепи питания рассматриваемого узла нагрузки;

3) Потерь (и падения) напряжения в элементах в цепи питанияузла нагрузки.

Источник