1.2 Компенсация реактивной мощности

Одним из основных вопросов, решаемых при проектировании и эксплуатации систем электроснабжения промышленных предприятий, является вопрос о компенсации реактивной мощности.

Передача значительного количества реактивной мощ­ности из энергосистемы к потребителям нерациональна по следующим причинам: возникают дополнительные потери активной мощности и энергии во всех элементах системы электроснабжения, обусловленные загрузкой их реактивной мощностью, и дополнительные потери напряжения в пита­ющих сетях.

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.

Основные потребители электрической энергии на шахте «Магнетитовая» – асинхронные двигатели, которые кроме активной мощности потребляют и реактивную, не производящую полезной работы и идущую на создание магнитных полей. Также потребителями реактивной энергии являются линии электропередач, трансформаторы, включая сварочные, и прочие электроприемники.

Наличие потребителей реактивной мощности приводит к тому, что коэффициент мощности (cosφ), характеризующий использование электроэнергии, отдаваемой электростанциями потребите­лям, имеет значение меньше единицы. Низкий коэффициент мощ­ности электрических установок наносит огромный ущерб промышленности.

Низкий cosφ приводит:

- к увеличению мощности и размеров генераторов и транс­форматоров, а также к неполному использованию мощности пер­вичных двигателей и нерациональной эксплуатации всего электро­оборудования энергоснабжающих систем;

- к увеличению потерь электроэнергии на нагревание проводов;

- к увеличению сечения, а следовательно, веса и стоимости проводов;

- к увеличению мощности трансформаторов.

Уменьшению cosφ электроустановок шахт способствуют следующие причины:

- недогрузка или работа вхолостую трансформаторов и особенно асинхронных двигателей;

- увеличение напряжения на зажимах потребителей;

- уменьшение скорости вращения двигателей;

- увеличение воздушного зазора асинхронных двигателей.

Повысить cosφ можно применяя: естественную компенсацию (естественный cosφ) без применения специальных компенсирующих устройств; искусственную компенсацию, называемую чаще про­сто компенсацией (искусствен­ный cosφ), с применением компенсирующих устройств.

Естественная компенсация реактивной мощности не требует больших материальных затрат и должна прово­диться на предприятиях в первую очередь. К естественной компенсации относятся:

- упорядочение и автоматизация технологического про­цесса, ведущие к выравниванию графика нагрузки и улуч­шению энергетического режима оборудования (равномер­ное размещение нагрузок по фазам, смещение времени обеденных перерывов отдельных цехов и участков, пере­вод энергоемких крупных электроприемников на работу вне часов макси­мума энергосистемы и, наоборот, вывод в ремонт мощных электроприемников в часы максимума в энергосистемы и т. п.);

- создание рациональной схемы электроснабжения за счет уменьшения количества ступеней трансформации;

- замена трансформаторов и другого электрооборудова­ния старых конструкций на новые, более совершенные с меньшими потерями на перемагничивание;

- замена малозагруженных трансформаторов и двигате­лей трансформаторами и двигателями меньшей мощности и их полная загрузка;

- применение СД вместо АД, когда это допустимо по ус­ловиям технологического процесса;

- ограничение продолжительности холостого хода двигателей и сва­рочных трансформаторов, сокращение длительности и рас­средоточение во времени пуска крупных электроприводов;

- улучшение качества ремонта электродвигателей, умень­шение переходных сопротивлений контактных соединений;

- отключение при малой нагрузке (например, в ночное время, в выходные и праздничные дни) части силовых трансформаторов.

Для искусственной компенсации реактивной мощности, называемой иногда «поперечной» компенсацией, применя­ются специальные компенсирующие устройства, являющи­еся источниками реактивной энергии емкостного характера.

К техническим средствам компенсации реактивной мощности относятся следующие виды компенсирующих устройств: конденсаторные батареи, синхронные двигатели, вентильные статические источники реактивной мощности.

Наибольшее распространение на промышленных пред­приятиях имеют конденсаторы – крупные специальные устрой­ства, предназначенные для выработки реактивной емкост­ной мощности. Конденсаторы изготовляют на напряжение 220, 380, 660, 6300 и 10500 В в однофазном и трехфазном исполнениях для внутренней и наружной установки. Они бывают масляные и соволовые. Широкое применение конденсаторов для компенсации ре­активной мощности объясняется их значительными преи­муществами по сравнению с другими видами компенсирующих устройств: незначи­тельные удельные потери активной мощности до 0,005 кВт/квар, отсутствие вращающихся частей, просто­та монтажа и эксплуатации, относительно невысокая сто­имость, малая масса, отсутствие шума во время работы, возможность установки около отдельных групп электроприемников и т. д.

Недостатки конденсаторных батарей: пожароопасность, наличие остаточного заряда, повышающего опасность при обслуживании; чувствительность к перенапряжениям и толчкам тока; возможность только ступенчатого, а не плавного регулирования мощности.

Конденсаторы, как правило, собираются в батареи и выпускаются заводами электротехнической промышлен­ности в виде комплектных компенсирующих устройств.

Рассмотрим другой вид компенсирующих устройств – синхронные двигатели. При увеличении тока возбуждения выше номинального значения синхронные двигатели могут вырабатывать реактив­ную мощность, следовательно, их можно использовать как средство компенсации реактивной мощности. Главным от­личием синхронного двигателя от асинхронного является то, что магнитное поле, необхо­димое для действия двигателя, создается в основном от отдель­ного источника постоянного тока (возбудителя). Вследст­вие этого синхронный двигатель в нормальном режиме (при cosφ=1) почти не потребляет из сети реактивной мощности, необходимой для создания главного магнитного потока, а в режиме пе­ревозбуждения, т. е. при работе с опережающим коэффи­циентом мощности, может генерировать емкостную мощность в сеть.

Преимуществом синхронных двигателей, используемым для компенсации реактивной мощности, по сравнению с конденсаторами является возможность плавного регулирования генерируемой реактивной мощности.

Недостатком является то, что активные потери на гене­рирование реактивной мощности для двигателя больше, чем для конденсаторов, так как зависят от квадрата генерируемой мощности двигателя.

Разновидностью синхронных двигателей являются синхронные компенсато­ры, которые представляют собой синхронный двигатель облегченной конструкции без нагрузки на валу.

В сетях с резкопеременной ударной нагрузкой на напряжении 6–10 кВ рекомендуется применение не конден­саторных батарей, а специальных быстродействующих ис­точников реактивной мощности, которые должны устанавливаться вблизи таких ЭП. Достоинствами статиче­ских источников реактивной мощности является отсутствие вращающихся частей, от­носительная плавность регулирования реактивной мощно­сти, выдаваемой в сеть, возможность трех- и четырехкрат­ной перегрузки по реактивной мощности. К недостаткам относится появление высших гармоник, которые могут воз­никнуть при глубоком регулировании реактивной мощ­ности.

Коэффициент мощности на шахте «Магнетитовая» составляет cosφ=0,91. Производить расчет и выбор компенсирующих устройств мы не будем, т. к. установленные в электроприводах синхронные двигатели компенсируют реактивную мощность (главные вентиляторы проветривания).