Компенсиране на реактивна мощност

Реактивната мощност служи за образуване на електромагнитни полета в електрическите машини. Преносът й по електрическата мрежа е свързан с редица негативни последици като например повишени загуби по електропреносните съоръжения. Реактивната мощност е причина за непълно използване на синхронните генератори, тъй като ги натоварва допълнително.

Тя е желана само в близост до консуматора. Циркулацията й по елементите от електроенергийната система предизвиква загуби на активна мощност. Огромното количество индуктивни товари в мрежата сумарно имат огромна реактивна мощност, която циркулира между генераторите и консуматорите, без да върши никаква полезна работа.

Компенсирането на реактивните товари има пряко отношение към качеството на електрическата енергия и повишаването на ефективността на електроснабдителната система. Това налага да се вземат технически и организационни мерки.

Прието е консумацията на реактивна енергия да се изразява с cos j. Една от мерките е санкция от разпределителните дружества, когато cos j на консуматора е под 0,9. Друга мярка е монтирането на компенсатор на реактивна енергия. Всички консуматори са длъжни да имат индуктивен характер. Отдаването на реактивна енергия от консуматорите също се санкционира.

Задължително условие за нормалната работа на електрооборудването в предприятията е създаването в тях на магнитно поле. Трансформатори, асинхронни двигатели, индукционни пещи и други устройства, които могат да бъдат наречени "индуктивен товар", са основните консуматори на реактивна енергия и влошават cos j. Много рядко се използват устройства, които може да се считат за капацитивен товар. Колкото е по-малко активното натоварване на консуматора, толкова е по-малка стойността на cos j.

Естествени способи за намаляване на реактивната мощност

Намаляване на реактивната мощност може да бъде постигнато чрез: правилен избор на електрическото оборудване при проектиране; подреждане на технологичния процес с оглед уплътняване на товаровия график; използване на синхронни двигатели; замяна на малко натоварени асинхронни двигатели с по-маломощни с цел те да се натоварят близо до 100%; понижаване на напрежението в допустимите граници; ограничаване на празния ход на машините - при празен ход асинхронните двигатели имат cos j 0,15-0,30; качествен ремонт на асинхронните двигатели (да не се увеличава въздушната междина); намаляване на консумираната реактивна мощност на трансформаторите; ограничаване на времето на празен ход на електрическите машини (тогава cos j е 0,15-0,30); правилен подбор на трансформаторите и постоянно натоварване не по-малко от 80% от мощността им.

Прилагането на описаните мерки в повечето случаи не може да доведе до пълно решаване на въпроса с консумираната реактивна енергия. Те обаче могат да намалят необходимата мощност на компенсиращите съоръжения и следователно да намалят и експлоатационните разходи.

Почти всички консуматори в промишлените предприятия консумират значителна индуктивна мощност. Консумация на индуктивна мощност на някои консуматори: асинхронни двигатели 60-65%, трансформатори 15-20%, електропроводи и реактори 5-10%, светлоизточници 5-10%, електрически пещи 8%.

Съществуват много и различни варианти за разполагане на компенсиращите устройства и батерии в електроснабдителната система на потребителя.

Видове компенсации

Статичната компенсация се използва при електродвигатели без регулиране на оборотите, като токът на кондензатора се избира да е около 80% от тока на намагнитването му. Най-простото решение е коригиращият кондензатор и електродвигателят да се задействат с един изключвател, но това крие опасност от възникване на резонансни явления при отваряне на изключвателя, тъй като на реално съществуващия трептящ кръг се подава напрежение от въртящия се по инерция двигател.

Това се избягва чрез втори изключвател за кондензатора. В редица приложения се използва индивидуално компенсиране с автоматични регулатори на фактора на мощността. Използването на статични компенсатори на реактивна мощност (СКРМ) е актуална задача в съвременната енергетика. СКРМ нямат въртящи части и дават възможност за плавно регулиране на реактивната мощност.

Те имат повишена статична и динамична устойчивост, голяма пропускателна способност, минимални комутационни напрежения или бързо променящи се реактивни товари. Особено ценни са, когато в мрежата присъстват много хармоници, пренапрежения от различен характер, резки колебания на напрежението. Основните им елементи са кондензатори и реактори (индуктивности) поради това, че те лесно натрупват и отдават реактивна енергия.

Приложението на СКРМ е особено ефективно, когато е необходимо: голямо бързодействие на изменение на реактивната мощност, плавно регулиране на реактивната мощност. СКРМ са два основни вида: с последователно свързване на кондензатора и реактора и вторият вид - с паралелно свързване на кондензатора и реактора. Естествено, по-лесно е да се регулира величината на индуктивността (реактора).

Това става с подмагнитване на реактора, най-добре с тиристори. Регулирането е много бързо и плавно. Установеният режим настъпва след 1,5-2 периода на мрежовото напрежение. Преходен режим има само при първоначално включване на кондензаторната батерия. След това регулирането и превключването става без колебателен процес. Тиристорите се включват и изключват в най-благоприятния момент на тока и напрежението.

Активната корекция осигурява много по-добро потискане на хармониците, а стойността на cos j може да надхвърли 0,98. Тя дава възможност за работа в широк обхват на мрежовото напрежение, но е възможно да се вгражда само в нови апаратури. Към недостатъците се отнасят по-сложната и скъпа схема, по-голямата отделяна топлина и намаляването на надеждността на захранването. В зависимост от схемната реализация съществуват два основни типа - пасивна корекция (Passive PFC) и активна корекция (Active PFC).

Динамичната компенсация се осъществява със синхронни двигатели, синхронизирани асинхронни двигатели, компенсиращи преобразуватели, синхронни компенсатори, асинхронни компенсатори и др. Въртящите компенсатори най-често са синхронни двигатели на празен ход. Използват се при големи мощности от порядъка на 10 и повече MVAr. Изработват се специално за компенсиране на реактивна енергия и имат големи възможности за генериране или консумиране на реактивна енергия. Нямат изходен вал за свързване към машина.

Видове компенсации според разположе-ние на компенсиращите устройства

Единична компенсация се предпочита там, където трябва да се компенсират мощности повече от KVAr и мощността е постоянна продължително време. В стъпалните, статични регулатори се използват фиксирани кондензаторни батерии, постоянно включени в определени точки, разположени близо до големите консуматори на реактивна енергия (индивидуално компенсиране).

Групова компенсация се прилага, когато има близко разположени и едновременно включващи се индуктивни товари, свързани към едно разпределително устройство и се компенсират с една кондензаторна батерия. Ако компенсиращите батерии са разположени в главната подстанция, пак се говори за групово компенсиране.

Централизирана компенсация се използва в предприятия с изменяща се потребност от реактивна мощност. Компенсатор с постоянно включени кондензатори е неприемлив поради факта, че може да възникне недокомпенсиране или прекомпенсиране. В този случай компенсаторът трябва да е изпълнен с контролер и специална комутационна и защитна апаратура.

При отклонение на стойността на cos j от предварителното задание контролерът включва и изключва степени от кондензаторната батерия. Съотношението на отделните групи кондензатори може да е 1:1:1; 1:2:3; 1:2:4:8. Преимуществото на централната компенсация е в това, че включената кондензаторна мощност съответства на употребяваната в конкретен момент от времето реактивна мощност без прекомпенсиране или недокомпенсиране.

Съвременен вариант през последното десетилетие е смесеното компенсиране. Компенсират се дори маломощни консуматори от порядъка на няколко десетки вата. Централното компенсиране в този случай е облекчено. Тези устройства следят непрекъснато консумираната активна и реактивна мощност (Real Power, True Power), определят в реално време текущия фактор на мощността, а оттам и необходимата компенсираща мощност. На базата на текущите показатели те регулират реакторите, като кондензаторите батерии остават с постоянна стойност продължително време.

Компенсатори на реактивна мощност (power factor correction - PFC)

Компенсирането може да става по cos j (Displacement Factor) и по реактивна мощност Q (reactive power). Не по-малък е и проблемът със загубите поради несинусоидалната форма на тока на консуматорите, която налага в изискванията за качество на доставяната електроенергия към стойността на напрежението и честотата да се прибавя и изискване “максимална близост на формата му до синусоидата” (Distortion factor). Начините за компенсиране са няколко в зависимост от мощността за компенсиране, използваните апарати и др.

Компенсатори с активната корекция се реализират, като се видоизменени класическата схема на повишаващ преобразувател на променливо в постоянно напрежение (Boost Converter). След това се преобразува в променливо със стабилни параметри. Това осигурява синусоидална форма на консумирания ток, съвпадаща с тази на мрежовото напрежение.

Повишаването на напрежението означава постоянно изходно напрежение UPFC (Unified Power Flow Controller е бързо действащ компенсатор на реактивната мощност). По-голямото напрежение от амплитудата на мрежовото напрежение прави възможно автоматичната стабилизация на напрежението, а тази корекция позволява работа в споменатите широки граници на мрежовото напрежение, стойностите на Uo са около 385-400 V. Реално, получаваните стойности на kD - коефициент на изкривяване на формата (Distortion factor) - надхвърлят 0,9 и в някои случаи достигат до 0,999.

Контролерът прави анализ на хармониците на тока и напрежението до 19-ия хармоник. Максималната стойност се съхранява в паметта, изчисляват се сумарните коефициенти на хармоничните изкривявания на тока и напрежението. Ако изкривяването е по-голямо от предварително зададеното за тока, се изключват всички степени на кондензаторната батерия от контролера и се включва сигнализацията.

Кондензаторите в блок кондензаторна батерия са един от най-важните и основни елементи на СКРМ. Ако паралелно на индуктивния товар се включи кондензатор, фазата на тока във веригата на източника ще се премести в противоположна страна, създаден от индуктивния товар, компенсирайки ъгъла j. При определено съотношение на реактивните елементи може да се получи отсъствие на дефазиране, следователно и отсъствие на реактивни токове във веригата на източника на захранване.

Международният стандарт IEC831-1 и 2 изисква кондензаторите да издържат продължително претоварване по ток - до 30% (Imax=1,3 Iн). Факторите, които могат да доведат до протичане на по-голям от номиналния ток, са:

• наличие на хармоници (на напрежението);

• повишаване на мрежовото напрежение;

• чести пускания;

• пропадания на мрежовото напрежение (по-скоро от следващото му възстановяване);

• вибриране на контактите на контактори;

• резонанс.

Използването на качествен контролер с добър софтуер, който изпълнява и защитни функции, съществено би могло да удължи живота на кондензаторите. Контролерът ефективно ги защитава от повишаване и пропадане на мрежовото напрежение, чести пускания и дори защитава от резонанс. Ако параметрите на мрежата са по-лоши от предварително зададените, се изключва кондензаторната батерия от контролера и се включва сигнализацията.

Температурата на кондензаторите е важен параметър в устройствата за компенсиране на cos j. Колкото по-висока е температурата на кондензатора, толкова по-кратък е експлоатационният му живот. Според допустимото температурно натоварване кондензаторните батерии се разделят на четири класа. Ако хармониците са над определена стойност, скоро кондензаторите ще изчерпят температурните възможности.

По-високата околна температура във вътрешността на шкафа води до повишаване на температурата във вътрешността на кондензатора. Вече много често се налага използване на филтри за предпазване на кондензаторите от хармоничното замърсяване на мрежата. Хармониците увеличават налягането в кондензатора, нагряват го и така влияят пагубно върху експлоатационния му живот.

При включване на кондензаторите пусковият им ток е 8-10 пъти по-голям от работния (понякога се очаква 100 пъти по-голям). Възникват пренапрежения до 2,5 Uном. При много големи пренапрежения отделените при изпарението на диелектрика газове могат да създадат доста голямо вътрешно налягане, вследствие на което кондензаторът да експлодира. На съвременните кондензатори се монтират специални клапани за свръхналягане.

Не е изгодно да се закупуват кондензатори с по-голямо номинално напрежение, тъй като ако се закупи батерия с мощност 10 kVAr за напрежение 690 V, а се експлоатира на 400 V, то нейната мощност ще е едва 3,4 kVAr. Следователно, ще са необходими три пъти повече батерии за осигуряване на необходимата компенсираща мощност. Новите модели кондензатори са със сегментирани електроди. Отделните сегменти са свързани с мостчета, изпълняващи ролята на предпазители.

Когато настъпи пробив на диелектрика, те прекъсват връзката на повредената секция с другите и кондензаторът продължава да работи. Връзката на навивките на фолиото става със специален контактен пръстен със заварка. Това увеличава надеждността на кондензатора. Възможно е кондензаторните батерии да са за ниско напрежение. В този случай те са по-евтини, но работят с по-големи активни загуби от кондензаторните батерии за средно напрежение.

Продукти и услуги за компенсиране на реактивна мощност, предлагани на българския пазар