Передача реактивной мощности через трансформатор

Компенсация реактивной мощности трансформаторов

Анонс: Компенсация реактивной мощности трансформаторов в сетях объектов. Расчет потери реактивной мощности в трансформаторе. Расчет максимальной реактивной мощности, которую можно передать через трансформаторы.

Потери мощности в трансформаторах тока, напряжения, автотрансформаторах электрической сети объекта находятся в интервале от 12% до 35% и в целом:

• компенсация реактивной мощности трансформаторов в составе оборудования, устройств, приборов, систем осуществляется в рамках мероприятий по повышению коэффициента мощности cos фи, в том числе средствами и способами централизованной, групповой, индивидуальной или гибридной (комбинированной) компенсации (см. более подробно о средствах и способах компенсации реактивной мощности в этом материале);
• компенсация реактивной мощности трансформаторов понижающих ТП или КТП, РП осуществляется подключением дополнительных конденсаторных батарей, компенсирующих конденсаторов, установок, как правило, по стороне низшего напряжения, а расчет потребности в генерации реактивной энергии выполняют с учетом экономически оправданного объема реактивной мощности, который целесообразно передать в сеть со стороны высшего напряжения без наращивания числа и/или мощности трансформаторов.

Расчет потери реактивной мощности в трансформаторе.

Суммарные потери реактивной мощности силового трансформатора формируют:

• реактивная мощность намагничивания магнитопровода холостого хода Q₀ = Q_хх = S_н*I_хх/100, где S_н – номинальная мощность трансформатора (см. расчет мощности трансформатора в этом материале), I_хх – ток холостого хода в % по паспортным данным или справочнику;
• реактивная мощность полей рассеяния Q_р = S_н*К_з²*U_кз/100, где U_кз – напряжение короткого замыкания в %, К_з – коэффициент загрузки, который определяется отношением полной мощности загрузки трансформатора к его номинальной мощности S_п/S_т.

Расчет максимальной реактивной мощности, которую можно передать через трансформаторы.

Без увеличения числа и/или мощности трансформаторов из питающей сети высшего напряжения можно передать

Где N – число трансформаторов, Р_р – активная мощность нагрузки в сети низшего напряжения, ΔР_m – потери активной мощности в трансформаторах

или по упрощенной формуле ∆Р_m = 0,02*S_п;

Q_max > Q_пт, то возможна компенсация реактивной мощности по стороне высшего напряжения;

Справка: Компенсация реактивной мощности силовых трансформаторов по стороне высшего напряжения, что позволяет поднять коэффициент мощности самого трансформатора и, соответственно, увеличить коэффициент полезного действия. Так, коэффициент полезного действия трансформатора

где максимальная активная мощность, получаемая нагрузкой по низшей стороне, Р_max = S_п*cos(φ). Тогда коэффициент полезного действия

η = S_п*cos(φ)/( S_п*cos(φ) + Р_хх + Р_кз), т.е. при повышении cos фи увеличивается и коэффициент полезного действия трансформатора.

Вместе с тем, такой способ компенсации используется достаточно редко из-за:

• увеличения загрузки трансформатора и рисков перекомпенсации с генерацией реактивной мощности в питающую сеть;
• типового расположения коммерческого учета электроэнергии по стороне низшего напряжения.

Кроме того, коэффициент загрузки трансформатора в нормальном (К_знр = S_п/(N*S_н)) и аварийном (К_зар = 2*К_знр) режимах должен отвечать требованиям ГОСТ 14209-85 (и ГОСТ Р 52719-2007), а К_знр – находится в пределах рекомендуемых норм для трансформаторов ТП с различными нагрузками (см. таблицу ниже).

Таблица. Рекомендуемые коэффициенты загрузки трансформаторов при различных нагрузках и условиях работы.

Характер нагрузки и вид подстанции или РП	Коэффициент загрузки Кз
При преобладании нагрузок I категории на двухтрансформаторных подстанциях	0,65
При преобладании нагрузки II категории на однотрансформаторных ТП и взаимном резервировании трансформаторов по связи вторичного напряжения	0,8
При преобладании нагрузок II категории и при наличии складского резерва трансформаторов, а также при нагрузке III категории	0,9 — 0,93

Q_max ˂ Q_пт, то нужна компенсация реактивной мощности по стороне низшего напряжения, а мощность подбираемой конденсаторной установки или батареи не должна превышать

где Q_нагр – максимальная реактивная мощность, потребляемая нагрузкой по стороне низшего напряжения в часы пик.

В этом материале не рассмотрены проблемы из-за резонанса в контуре из индуктивности трансформатора и емкости конденсаторной батареи, необходимость и целесообразность установки пассивных и/или активных фильтров гармоник для нивелирования рисков перегрева конденсаторов, генерации реактивной мощности в питающую сеть и т.д. Такие вопросы, в том числе связанные с компенсацией реактивной мощности трансформаторов должны решаться индивидуально по результатам энергоаудита сети с конкретными загрузками определенного характера.

Источник

Передача реактивной мощности через трансформатор

Появление термина «реактивная» мощность связано с необходимостью выделения мощности, потребляемой нагрузкой, составляющей, которая формирует электромагнитные поля и обеспечивает вращающий момент двигателя. Эта составляющая имеет место при индуктивном характере нагрузки. Например, при подключении электродвигателей. Практически вся бытовая нагрузка, не говоря о промышленном производстве, в той или иной степени имеет индуктивный характер.

В электрических цепях, когда нагрузка имеет активный (резистивный) характер, протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) от напряжения. Если нагрузка имеет индуктивный характер (двигатели, трансформаторы на холостом ходу), ток отстает от напряжения. Когда нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы), ток опережает напряжение.

Суммарный ток, потребляемый двигателем, определяется векторной суммой:

1. I_а — активный ток
2. I_ри — реактивный ток индуктивного характера

К этим токам привязаны мощности потребляемые двигателем.

1. Р – активная мощность привязана к Iа (по всем гармоникам суммарно)
2. Q – реактивная мощность привязана к Iри (по всем гармоникам суммарно)
3. A – полная мощность потребляемая двигателем. (по всем гармоникам суммарно)

Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы двигателя, поэтому ее необходимо получать на месте, чтобы не потреблять ее от энергоснабжающей организации. Тем самым мы снижаем нагрузку на провода и кабели, повышаем напряжение на клеммах двигателя, снижаем платежи за реактивную мощность, имеем возможность подключить дополнительные станки за счет снижения тока потребляемого с силового трансформатора.

Параметр определяющий потребление реактивной мощности называется Cos (φ)

• P_1гарм — активная мощность первой гармоники 50 Гц
• A_1гарм — полная мощность первой гармоники 50 Гц

Таким образом, сos (φ) уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается. Необходимо стремиться к повышению сos (φ), т.к. низкий сos (φ) несет следующие проблемы:

1. Высокие потери мощности в электрических линиях (протекание тока реактивной мощности);
2. Высокие перепады напряжения в электрических линиях (например 330…370 В, вместо 380 В);
3. Необходимость увеличения габаритной мощности генераторов, сечения кабелей, мощности силовых трансформаторов.

Из всего вышеприведенного, понятно, что компенсация реактивной мощности необходима. Чего легко можно достичь применением активных компенсирующих установок. Конденсаторы в которых будут компенсировать реактивную мощность двигателей.

Потребители реактивной мощности

Потребителями реактивной мощности, необходимой для создания магнитных полей, являются как отдельные звенья электропередачи (трансформаторы, линии, реакторы), так и такие электроприёмники, преобразующие электроэнергию в другой вид энергии которые по принципу своего действия используют магнитное поле (асинхронные двигатели, индукционные печи и т.п.). До 80-85% всей реактивной мощности, связанной с образованием магнитных полей, потребляют асинхронные двигатели и трансформаторы. Относительно небольшая часть в общем балансе реактивной мощности приходится на долю прочих её потребителей, например на индукционные печи, сварочные трансформаторы, преобразовательные установки, люминисцентное освещение и т.п.

Трансформатор как потребитель реактивной мощности. Трансформатор является одним из основных звеньев в передаче электроэнергии от электростанции до потребителя. В зависимости от расстояния между электростанцией и потребителем и от схемы передачи электроэнергии число ступеней трансформации лежит в пределах от двух до шести. Поэтому установленная трансформаторная мощность обычно в несколько раз превышает суммарную мощность генераторов энергосистемы. Каждый трансформатор сам является потребителем реактивной мощности. Реактивная мощность необходима для создания переменного магнитного потока, при помощи которого энергия из одной обмотки трансформатора передаётся в другую.

Асинхронный двигатель как потребитель реактивной мощности. Асинхронные двигатели наряду с активной мощностью потребляют до 60-65% всей реактивной мощности нагрузок энергосистемы. По принципу действия асинхронный двигатель подобен трансформатору. Как и в трансформаторе, энергия первичной обмотки двигателя – статора передаётся во вторичную – ротор посредствам магнитного поля.

Индукционные печи как потребители реактивной мощности. К крупным электроприемникам, требующим для своего действия большой реактивной мощности, прежде всего, относятся индукционные печи промышленной частоты для плавки металлов. По существу эти печи представляют собой мощные, но не совершенные с точки зрения трансформаторостроения трансформаторы, вторичной обмоткой которых является металл (садка), расплавляемый индуктированными в нём токами.

Преобразовательные установки, преобразующие переменный ток в постоянный при помощи выпрямителей, также относятся к крупным потребителям реактивной мощности. Выпрямительные установки нашли широкое применение в промышленности и на транспорте. Так, установки большей мощности с ртутными преобразователями используются для питания электроизоляционных ванн, например при производстве алюминия, каустической соды и др. Железнодорожный транспорт в нашей стране почти полностью электрифицирован, причём значительная часть железных дорог использует постоянный ток преобразовательных установок.

Компенсация реактивной мощности в электрических сетях

С другой стороны, элементы распределительной сети (линии электропередачи, повышающие и понижающие трансформаторы) в силу особенностей конструктивного исполнения имеют продольное индуктивное сопротивление. Поэтому, даже для нагрузки потребляющей только активную мощность, в начале распределительной сети будет иметь место индуктивная составляющая – реактивная мощность. Величина этой реактивной мощности зависит от индуктивного сопротивления распределительной сети и полностью расходуется на потери в элементах этой распределительной сети.

Действительно, для простейшей схемы:

• Р – активная мощность в центре питания,
• Рн – активная мощность на шинах потребителя,
• R – активное сопротивление распределительной сети,
• Q – реактивная мощность в центре питания,
• Qн – реактивная мощность на шинах потребителя.
• U – напряжение в центре питания,
• Uн – напряжение на шинах потребителя,
• Х – индуктивное сопротивление распределительной сети.

В результате, независимо от характера нагрузки, по распределительной сети от источника питания будет передаваться реактивная мощность Q. При двигательном характере нагрузки ситуация ухудшается – значения мощности в центре питания увеличивается и становится равными:

Передаваемая от источника питания к потребителю реактивная мощность имеет следующие недостатки:

В распределительной сети возникают дополнительные потери активной мощности – потери при транспорте электрической энергии:

Таким образом, транспортировка реактивной мощности по распределительным сетям от центров питания к потребителям превращается в сложную технико-экономическую проблему, затрагивающую как вопросы экономичности так и вопросы надежности систем электроснабжения.

Классическим решением данной проблемы в распределительных сетях является компенсация реактивной мощности у потребителя путём установки у него дополнительных источников реактивной мощности – потребительских статических конденсаторов.

Компенсация реактивной мощности применяется:

• по условию баланса реактивной мощности;
• как важное мероприятие для снижения потерь электрической энергии в сетях;
• для регулирования напряжения.

Источник

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.

Рис. 1. Сдвиг фаз индуктивной нагрузкой

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.

Важно запомнить:

• 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.

Рис. 2. коэффициент мощности

Применяя теорему Пифагора, вычислим модуль вектора S:

Отсюда можно найти реактивную составляющую:

Реактивная составляющая

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.

Рис. 3. Устройство компенсации

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).

Рис. 4. Компенсация реактивной мощности с помощью конденсаторов

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