Конденсаторные установки

Рассматриваются конденсаторные установки для повышения коэффициента мощности промышленных предприятий. Приводятся сведения по их автоматизации, монтажу и эксплуатации.
Предназначена для электромонтеров и мастеров, занимающихся монтажом и эксплуатацией электроустановок.
Автор: Седаков Леонид Васильевич. Конденсаторные установки
М.—Л., Госэнергоиздат, 1963. 

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПЕРЕДАЧЕ И ПОТРЕБЛЕНИИ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ

Электроэнергия, вырабатываемая на электрических станциях, в виде трехфазного переменного тока частотой 50 гц, проходит на своем пути к потребителю, через ряд устройств и аппаратов, общее назначение которых сводится к обеспечению экономичного, безопасного и удобного способа ее передачи и распределения.
Районные электрические станции, являющиеся основной базой электрификации, располагаются в местах добычи топлива или у рек, энергия которых используется для производства электроэнергии. 11отребители же электроэнергии размещены в различных местах, иногда значительно удаленных от электростанций. Поэтому возникает необходимость передачи электроэнергии на большие расстояния при высоком напряжении.
Генераторы электрических станций обычно работают при напряжениях 3—10 кВ. Такое напряжение достаточно для передачи электроэнергии лишь близлежащим потребителям.
С целью повышения напряжения для передачи электроэнергии генераторы электростанций соединяются с повысительными трансформаторами, которые повышают напряжение до 35—500 кВ.
При таком напряжении электроэнергия по воздушным линиям электропередачи подается к месту потребления, где напряжение понижается на трансформаторных подстанциях до 10; 6 и реже 3 кВ.
От понизительной подстанции, которая может одновременно являться центральным распределительным пунктом промышленного предприятия, электроэнергия передается на этом напряжении к цеховым трансформаторным подстанциям или непосредственно к отдельным электроприемникам.
Цеховые подстанции (трансформаторные пункты) понижают напряжение 10: 6 и 3 кВ до 500; 380/220 в, на котором в основном работают приемники электрической энергии на предприятиях.
Для обеспечения высокой надежности электроснабжения районные электростанции и подстанции соединяются линиями электропередачи и образуют электрическую систему.
В цепях переменного тока происходит сдвиг фаз между напряжением и током, причиной которого является ток, называемый реактивным или намагничивающим током.
Намагничивающий ток необходим для образования переменного магнитного поля в асинхронных машинах, трансформаторах и воздушных линиях.
Поэтому в электрических цепях переменного тока наряду с производством, передачей и потреблением активной электрической энергии необходимо различать и производство, передачу и потребление реактивной электрической энергии.
Покрытие потребности в реактивной энергии осуществляется прежде всего за счет выработки ее генераторами электростанций наряду с выработкой активной энергии.
С технико-экономической стороны важно уменьшить передачу реактивной энергии по электрическим сетям, что достигается установкой дополнительных генераторов реактивной энергии.
К этим генераторам относятся синхронные компенсаторы и косинусные конденсаторы, которые устанавливаются у мест потребления реактивной мощности для повышения коэффициента мощности электроустановок.
2. ПОНЯТИЕ О КОЭФФИЦИЕНТЕ МОЩНОСТИ
Понятие о коэффициенте мощности электрических установок связано с применением переменного тока, который может быть разложен на две составляющие: активную /а, совпадающую по фазе с напряжением, и реактивную /р, отстающую или опережающую напряжение на 90° (рис. 1). Полезная работа производится не полным, а только активным током, равным:
/а=/cos ϕ,

где ϕ — угол сдвига между напряжением и током.
Активная мощность Р соответственно равна произведению напряжения на активную составляющую тока:
P=UIA= UI cos ϕ.
Эта мощность измеряется в ваттах или киловаттах.
Реактивный ток (намагничивающий) полезной работы не производит и равен:
/р=/ sin ϕ.
Реактивная мощность Q равна произведению напряжения на реактивную составляющую тока:
Q = UIV— VI sin ϕ.
Эта мощность измеряется в вольт-амперах реактивных или киловольт-амперах реактивных.
Полная мощность равна произведению действующих значений напряжения и тока, которое при сдвиге фаз между напряжением и током не отображает его полезной работы:
S=UI.
Эта мощность измеряется в вольт-амперах или киловольт-амперах.
Для цепей трехфазного переменного тока активная, реактивная и полная .мощности соответственно равны:
а — преобладание индуктивной нагрузки над емкостной; б — преобладание емкостной нагрузки над индуктивной.

Рис. 1. Разложение тока на активную и реактивную составляющие.

Таким образом, активную мощность можно представить следующим равенством:
P=S cos ϕ.
Величина cos ϕ, показывающая, какую часть полной мощности составляет активная мощность, называется коэффициентом мощности. Чем ближе угол сдвига фаз ϕ к нулю, тем ближе значение коэффициента мощности к единице и тем больше при тех же действующих значениях напряжения и тока активная мощность, а следовательно, и работа, совершаемая в цепи переменного тока.

Электрические установки промышленных предприятий по характеру нагрузок можно разделить на следующие группы:

1. Установки, потребляющие только активную мощность: лампы накаливания (за исключением люминесцентных), бытовые электронагревательные и электроотопительные приборы и аппараты. В такой электрической цепи нагрузка слагается из чисто активных сопротивлений и угол сдвига фаз между током и напряжением ϕ=0, cosϕ=l.
2. Установки, потребляющие активную и реактивную мощность: асинхронные двигатели, трансформаторы, реакторы, линии электропередачи и др. В электрической цепи, содержащей такие установки, нагрузка слагается как из активных, так и реактивных сопротивлений, а следовательно, ток отстает от напряжения по фазе и угол ϕ>0 (рис. 1,а). При этом cos ϕ будет тем меньше, чем большую величину имеет индуктивная нагрузка по отношению к активной.
3. Установки, обладающие емкостью: перевозбужденные синхронные машины и конденсаторы. Такие установки вырабатывают и отдают реактивную мощность в сеть. При этом в электрической цепи вследствие преобладания емкостной нагрузки ток опережает напряжение и угол ϕ<0 (рис. 1,6). При увеличении емкостной нагрузки cos ϕ будет уменьшаться.

Различают мгновенное, среднее и средневзвешенное значения коэффициента мощности.
Мгновенный коэффициент мощности определяется для данного момента времени фазометром или по амперметру, вольтметру и ваттметру (при одновременном замере показаний) по формуле

где Р — активная мощность трехфазной сети, вт\
U — линейное напряжение, в;
I — ток, а.
Средний коэффициент мощности определяется как среднее значение, получаемое из ряда мгновенных значений коэффициента мощности:
где п — ряд мгновенных значений коэффициента мощности.
Средневзвешенный коэффициент мощности вычисляется по показаниям счетчиков активной и реактивной энергии за определенный промежуток времени:
где WWp — активная и реактивная электроэнергия (за час, сутки, месяц и т. п.).
3. ВЛИЯНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Основными потребителями реактивной мощности на промышленных предприятиях являются трехфазные асинхронные двигатели и трансформаторы, которые оказывают наибольшее влияние на значение коэффициента мощности предприятия.
Величина коэффициента мощности асинхронных двигателей и трансформаторов зависит от степени их загрузки. Недогрузка двигателей и трансформаторов значительно снижает их коэффициент мощности. Коэффициент мощности асинхронных двигателей при холостом ходе равен ОД—0,25, трансформаторов 0,1—0,2. Низкий коэффициент мощности имеют также сварочные трансформаторы в связи с переменной нагрузкой.
Если активная мощность и рабочее напряжение в электрической цепи остаются постоянными, а коэффициент мощности понижается, то реактивная мощность и реактивный ток в цепи увеличиваются. С увеличением реактивного тока будут увеличиваться потери электроэнергии на нагревание проводов, кабелей и обмоток электрических машин. Эти потери определяются следующим уравнением:
где / — полный ток электрической сети, с;
R — сопротивление сети, ом.
Увеличение тока при передаче одной и той же активной мощности вызывает необходимость увеличения сечений проводов, кабелей и мощностей трансформаторов, что значительно усложняет и удорожает электроустановки.
Уменьшение коэффициента мощности приводит к увеличению падения напряжения в сети, а следовательно, к понижению напряжения у потребителей электроэнергии.
При большом сдвиге фаз влияние реактивного тока на падение напряжения может стать настолько значительным, что может вызвать нарушение нормальной эксплуатации электроустановок. Величина коэффициента мощности, при котором осуществляется эксплуатация генераторов, трансформаторов и электроустановок в целом, оказывает также влияние на их. к. п. д.
При существующей системе тарифов на электроэнергию низкий коэффициент мощности приводит к увеличению стоимости электроэнергии, получаемой предприятием от энергоснабжающей системы.

1. ПОВЫШЕНИЕ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ ПОСРЕДСТВОМ КОНДЕНСАТОРОВ

Для повышения коэффициента мощности промышленного предприятия в первую очередь должны быть проведены технические мероприятия по уменьшению потребления реактивной мощности.
К этим мероприятиям относятся: правильный выбор типа и мощности электродвигателей производственных механизмов, упорядочение технологического процесса (применение поточной системы производства, скоростных способов обработки металла, литья под давлением и т. д.); устранение холостых ходов и слабой загрузки асинхронных двигателей и трансформаторов, переключение обмотки слабо загруженных асинхронных двигателей с треугольника на звезду, применение синхронных двигателей вместо асинхронных той же мощности, где это возможно по условиям технологического процесса, и др.
Если в указанном направлении дальнейшее повышение коэффициента мощности невозможно, устанавливают компенсирующие устройства.
Компенсирующее устройство, как правило, рекомендуется осуществлять в виде косинусных конденсаторов, включаемых параллельно (поперечная компенсация) индуктивным элементам электрических сетей.
Если включить конденсатор параллельно с приемником, имеющим недостаточный высокий коэффициент мощности (рис. 2), то результирующий угол сдвига фаз Ф2, как видно из диаграммы, меньше угла сдвига фаз Ф1 приемника, а следовательно
cos ϕ2> cos ϕ1
Уменьшению угла сдвига фаз до ф2 соответствует уменьшение реактивного тока /pi до величины Iv2. Подобный способ присоединения источника реактивной мощности параллельно его приемнику носит название компенсации сдвига фаз.

Рис. 2. Частичная компенсация сдвига фаз.
а — векторная диаграмма; б — цепь переменного тока со смешанной нагрузкой (активной, индуктивной и емкостной).
Применение косинусных конденсаторов является одним из основных средств повышения cos ϕ, а технические и экономические преимущества по сравнению с другими компенсирующими устройствами делают выгодным применение их как источников реактивной мощности на промышленных предприятиях.
Удельные потери активной мощности в конденсаторах незначительны и составляют 0,3—0,5 кет на 100 квар.
Монтаж и эксплуатация конденсаторов проще и дешевле других компенсирующих устройств.
Необходимая промышленному предприятию мощность компенсирующего устройства определяется из выражения:
Где Рср — среднегодовая активная нагрузка предприятия, квт\
— тангенс угла сдвига фаз, соответствующий средневзвешенному коэффициенту мощности за год;
tg<P2 — тангенс угла сдвига фаз, соответствующий нормативному значению (см. ниже).
Среднегодовая нагрузка предприятия Рср определяется делением годового потребления электрической энергии в квт-ч на продолжительность работы предприятия tn в часах; при этом tn принимается:
4 000 ч — для двухсменных предприятий;
6 000 ч — для трехсменных предприятий;
8 000 ч — для предприятий, работающих непрерывно.
Ниже даны рекомендуемые нормативные значения коэффициента мощности при различном питании потребителей.

Указанные величины cosϕ относятся к шинам подстанций потребителей 6—10 кВ.
Рекомендуемые нормативные значения коэффициента мощности возрастают по мере удаления потребителей от источников реактивной мощности (электростанций).
Мощность компенсирующего устройства Qn.y может состоять из мощности высоковольтных и низковольтных конденсаторов, поскольку косинусные конденсаторы присоединяются к сети как высшего, так и низшего напряжения.
Размещение высоковольтных и низковольтных конденсаторов в сети определяется технико-экономическим расчетом.