Джерела реактивної потужності у електричних мережах. Реактивна потужність в електричній мережі

Електрична енергія, що виробляється генераторами електростанцій, характеризується їх активною та реактивною потужністю. Активна потужність споживається електроприймачами, перетворюючись на теплову, механічну та інші види енергії. Реактивна потужністьхарактеризує електроенергію, що перетворюється на енергію електричних і магнітних полів. В електричної мережіта її електроприймачі відбувається процес обміну енергією між електричними та магнітними полями. Пристрої, які беруть участь у цьому процесі, називають джерелами реактивної потужності (ІРМ). Такими пристроями можуть бути не тільки генератори електричних станцій, але й синхронні компенсатори, реактори, конденсатори, реактивною потужністю яких управляють за законом регулювання за допомогою спеціальних засобів.

Потужність електрообладнання електроенергетичної системи (генератори, лінії електропередач, трансформатори, електроприймачі тощо) визначається його повною потужністю. Повна потужність Sпри синусоїдальній формі напруги та струму пов'язана з активною Рта реактивною Qпотужностями квадратичною залежністю S 2 = Р 2 + Q 2 . При цьому повна потужність S = UI, активна Р = UI cosj та реактивна Q = UI sinj , де Uі I - діючі значеннясинусоїдальної напруги та струму; j - кут між векторами напруги та струму.

У конденсаторах, кабеляхта інших видах електрообладнання, що характеризується ємнісним опором Х C, реактивною потужністю Q = U 2 /Х C , що визначається прикладеною напругою U, створюються електричні поля.

В індуктивних елементах системи, наприклад, в реакторах, трансформаторах, електродвигуни, створюються магнітні поля. В цьому випадку реактивна потужність Q = I 2 Х Lвизначається струмом Iта індуктивним опором елемента Х L .

Ємнісний струм в ідеальному конденсаторі випереджає напругу на 90 ел. град. Тоді потужність цього конденсатора Q C = UI sin(–j ) = – UIмає негативний знак. І тут кажуть, що конденсатор генерує реактивну потужність.

Індуктивний струм в ідеальному реакторі відстає від напруги на 90 ел. град. Потужність реактора Q L = UI sinj має позитивний знак. І тут кажуть, що реактор споживає реактивну потужність.

Вочевидь, що у поняттях «генерування» і «споживання» реактивної потужності закладено певна умовність, але цим підкреслюється, що взаємодія ємнісних і індуктивних елементів у мережі має компенсуючий ефект QS = QL – QC. Ця властивість елементів широко використовується практично для компенсації реактивної потужності, тим самим знижуючи падіння напруги в мережі, втрати електроенергії. Наведені вище величини S, P, Q застосовуються при розрахунках режимів електроенергетичних системах, проектуванні та виборі електрообладнання. Значення цих величин приймаються як незалежні від часу, що дозволяє значно спростити розрахунки. Фактично ж по ланцюгу протікає змінний струм, Миттєве значення якого визначається виразом i = Im sin (wt - j). Під дією цього струму на елементах ланцюга встановлюється напруга uа = Um cosj sin (wt - j) - активна складова та uр = Um sinj sin (wt - j ± p/2) - реактивна складова. Тут Um та Im - амплітуди синусоїдальної напругита струму. При цьому потужність, споживана активними елементами електричного ланцюга, визначається як функція часу виразом ра = iuа = UI cosj, а реактивна потужність, що споживається (генерується) реактивними елементами, -qр = iuр = ±UI sinj sin2(wt - j). Лінійні діаграми, що відображають миттєві значення напруги та струму в активно-індуктивному ланцюзі, а також відповідні потужності наведені на рис. 8.1. Амплітуди активної та реактивної потужностей, що змінюються за синусоїдальним законом із подвійною частотою (2w), відповідно становлять Р = UI cosj і Q = UI sinj, тобто. ті самі значення потужностей, якими користуються при розрахунках режимів та виборі обладнання. При цьому миттєві значення "споживаної" в індуктивних елементах і "генерується" в ємнісних елементахреактивної потужності в кожний момент часу мають протилежний знак, у чому, як було зазначено вище, і проявляється їхня взаємокомпенсуюча дія.

Література:

1. Електричні системи. Електричні мережі / Вєніков В.А., Глазунов А.А., Жуков Л.А. та ін..; За ред. Строєва

В.А. - 2-ге вид., перероб. та дод. М: Вища школа, 1998.

2. Статичні компенсатори реактивної потужності електричних системах: Пер. тематичного зб. робітника

групи ІЧ-38 СІГРЕ/За ред. Карташева І.І. М: Енергоатоміздат, 1990.

3. Статичні джерела реактивної потужності в електричних мережах / Вєніков В.А., Жуков Л.А., Карташев

І.І., Рижов Ю.П. М: Енергія, 1975.

Крім генераторів, джерелами реактивної потужності можуть бути й інші пристрої, розташовані на підстанціях або у споживачів електроенергії.

До таких пристроїв відносяться синхронні компенсатори - машини, що обертаються, з явнополюсним ротором, на якому розташовується обмотка збудження. Режим синхронного компенсатора подібний до режиму синхронного двигуна, який працює в режимі холостого ходу.

Малюнок 5.12

На малюнку 5.12 представлена ​​схема заміщення та векторна діаграма синхронного компенсатора, на підставі якої струм синхронного компенсатора визначається

а отже, потужність на його затисках

S с.к = Q с.к = √3U с.к I с.к = (5.1)

Вираз (5.1) показує, що величина та знак потужності синхронного компенсатора залежать від співвідношення між е.д.с. компенсатора та напругою в точці включення його в мережу. Електрорушійна силавизначається величиною струму збудження, причому зростанню струму збудження відповідає збільшення е.р.с.

Для струму збудження можна прийняти таке значення, у якому E q = U с.к. У цьому випадку потужність синхронного компенсатора Q с.к = 0. При деякому збільшенні струму компенсатор видасть певну реактивну потужність Q с.к > 0. Такий режим синхронного компенсатора називається режимом самозбудження.Зменшуючи струм збудження, можна отримати режим недозбудження, в якому E q< U с.к и Q с.к < 0. Поскольку перевод синхронного компенсатора из одного режима в другой, а также изменение его мощности достигается соответствующим изменением тока возбуждения, то управление режимом компенсатора осуществляется плавно, без скачков как при ручном, так и при автоматическом регулировании.

Номінальна потужність синхронного компенсатора вказується для режиму перезбудження, в якому компенсатор видає мережу реактивну потужність. У режимі недозбудження компенсатор споживає реактивну потужність із мережі. Гранична потужність при цьому визначається

Q с.к(ндв) = - (5.2)

Реактивний опір компенсаторів у відносних одиницях Х d = 1,7-2,0%, тому, вважаючи як базові величини номінальну потужність і Номінальну напругукомпенсатора отримаємо

Q с.к(ндв) ≈

Синхронний компенсатор, що працює в режимі перезбудження, здатний збільшувати реактивну потужність, що видається в мережу при зниженні напруги в мережі. Вираз (5.1) показує, що це збільшення буде більшим у тому випадку, коли при зниженні напруги U с.к одночасно зростає е.д.с. E q. Такий ефект має місце при автоматичному регулюванні струму порушення компенсатора. Вказана особливість синхронних компенсаторів, звана іноді позитивним регулюючим ефектом, дозволяє при їх застосуванні суттєво покращити характеристики режиму електричної мережі та системи загалом.

На малюнку 5.13 показано схему кінцевої ділянки мережі. На шинах споживача включена батарея статичних конденсаторів реактивним опоромХ до, потужність якої визначається

Векторна діаграма, побудована для цієї схеми (рисунок 8.3) показує, що під впливом батареї конденсаторів реактивна потужність лінії при незмінній потужності навантаження зменшується.

Малюнок 5.13 Малюнок 5.14

Батарея конденсаторів на відміну синхронного компенсатора може лише видавати реактивну потужність. Інший відмінною особливістюбатареї конденсаторів є різка залежність реактивної потужності від напруги в точці включення батареї в мережу. Формула (5.3) показує, що зниження цієї напруги призводить до зменшення Q к. Отже, на відміну від синхронного компенсатора, батарея конденсаторів характеризується негативним регулюючим ефектом. Змінити рівень зменшення потужності батареї при різкому зниженні напруги або навіть досягти деякого позитивного регулюючого ефекту можна шляхом зменшення опору Х к. Це можна досягти включенням додаткових конденсаторів. Різка зміна потужності батареї може бути досягнута при так званому форсуванні батареї, що здійснюється за допомогою перемикань, які призводять до зростання напруги на окремих конденсаторах. Наприклад, перемикаючи в трикутник трифазну батарею статичних конденсаторів (див. малюнок 8.4), з'єднаних за схемою можна збільшити напругу кожної фазі батареї в раз.

Сторінка 52 з 130

8. ДЖЕРЕЛА РЕАКТИВНОЇ ПОТУЖНОСТІ
8.1. Реактивна потужність в електричній мережі

Електрична енергія, що виробляється генераторами електростанцій, характеризується їх активною та реактивною потужністю. Активна потужність споживається електроприймачами, перетворюючись на теплову, механічну та інші види енергії. Реактивна потужність характеризує електроенергію, що перетворюється на енергію електричних і магнітних полів. В електричній мережі та її електроприймачах відбувається процес обміну енергією між електричними та магнітними полями. Пристрої, які беруть участь у цьому процесі, називають джерелами реактивної потужності (ІРМ). Такими пристроями можуть бути не тільки генератори електричних станцій, але й синхронні компенсатори, реактори, конденсатори, реактивною потужністю яких управляють за законом регулювання за допомогою спеціальних засобів.

Потужність електрообладнання електроенергетичної системи (генератори, лінії електропередач, трансформатори, електроприймачі тощо) визначається його повною потужністю. Повна потужність S при синусоїдальній формі напруги та струму пов'язана з активною Р та реактивною Q потужностями квадратичною залежністю S 2 = Р 2 + Q 2 . При цьому повна потужність S = UI, активна Р = UI cosj і реактивна Q = UI sinj, де U та I - діючі значення синусоїдальної напруги та струму; j - кут між векторами напруги та струму.

У конденсаторах, кабелях та інших видах електрообладнання, яке характеризується ємнісним опором Х C , реактивною потужністю Q = U 2 /Х C , яка визначається прикладеною напругою U, створюються електричні поля.

В індуктивних елементах системи, наприклад, у реакторах, трансформаторах, електродвигунах, створюються магнітні поля. У цьому випадку реактивна потужність Q = I 2 Х L визначається струмом I та індуктивним опором елемента Х L .

Ємнісний струм в ідеальному конденсаторі випереджає напругу на 90 ел. град. Тоді потужність цього конденсатора Q C = UI sin (-j) = -UI має негативний знак. І тут кажуть, що конденсатор генерує реактивну потужність.

Індуктивний струм в ідеальному реакторі відстає від напруги на 90 ел. град. Потужність реактора Q L = UI sinj має позитивний знак. І тут кажуть, що реактор споживає реактивну потужність.

Вочевидь, що у поняттях «генерування» і «споживання» реактивної потужності закладено певна умовність, але цим підкреслюється, що взаємодія ємнісних і індуктивних елементів у мережі має компенсуючий ефект Q S = Q L – Q C . Ця властивість елементів широко використовується практично для компенсації реактивної потужності, тим самим знижуючи падіння напруги в мережі, втрати електроенергії.

Наведені вище величини S, P, Q застосовуються при розрахунках режимів електроенергетичних системах, проектуванні та виборі електрообладнання. Значення цих величин приймаються як незалежні від часу, що дозволяє значно спростити розрахунки.

Фактично по ланцюгу протікає змінний струм, миттєве значення якого визначається виразом i = I m sin (wt - j). Під дією цього струму на елементах ланцюга встановлюється напруга a = U m cosj sin (wt - j) - активна складова і u р = U m sinj sin (wt - j ± p/2) - реактивна складова. Тут U m і I m - амплітуди синусоїдальної напруги та струму. При цьому потужність, що споживається активними елементами електричного ланцюга, визначається як функція часу виразом р а = iu а = UI cosj , а реактивна потужність, що споживається (генерується) реактивними елементами, –q р = iu р = ± UI sinj sin2(wt – j ). Лінійні діаграми, що відображають миттєві значення напруги та струму в активно-індуктивному ланцюзі, а також відповідні їм потужності наведено на рис. 8.1.

Амплітуди активної та реактивної потужностей, що змінюються за синусоїдальним законом із подвійною частотою (2w), відповідно становлять Р = UI cosj і Q = UI sinj, тобто. ті самі значення потужностей, якими користуються при розрахунках режимів та виборі обладнання. При цьому миттєві значення "споживаної" в індуктивних елементах і "генерованої" в ємнісних елементах реактивної потужності в кожний момент часу мають протилежний знак, у чому, як було зазначено вище, і проявляється їх взаємокомпенсуюча дія.