CC BY
170
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ
А.Г. Лепеш1, Т.В. Потемкина2
Санкт-Петербургский государственный экономический университет (СПбГЭУ),
191023, Санкт-Петербург, ул. Садовая, 21
В статье проведена оценкеа эффективности использования электрической энергии за счет компенсации реактивной мощности. Рассмотрены способы и методы компенсации с учетом исключения резонансных явлений в сети.
Ключевые слова: коэффициент мощности, конденсаторная батарея, резонанс, активная и реактивная мощность.
INCREASE IN EFFICIENCY OF USE OF THE ELECTRIC POWER
A.G. Lepesh, T.V. Potemkina
Saint-Petersburg state economic University (SPbGEU), 191023, Saint-Petersburg, st. Sadovaya, 21
In article questions of improvement of quality of the electric power by compensating of reactive power and a resonance in a circuit are considered.
Keywords: losses of the electric power, the active and reactive power, electrical power factor, capacitor batteries, resonance.
Проблема повышения эффективного и рационального расходования ресурсов требует ком-плексного подхода к управлению энергосбережением и энергоэффективностью, основными составляющими которых являются энергоменеджмент, энергоаудит и мониторинг [1,2]. Основные нормы энергосбережения и энергоэффективности установлены ГОСТ 321442013 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения», который введен в России взамен ГОСТ 13109-97 с 1.07.2014г. [3,4]. Стандарт ГОСТ Р 51317.3.3-99 устанавливает нормы изменений напряжения, которые могут быть созданы техническими средствами (ТС) при испытаниях в регламентированных условиях, и содержит указания по методам оценки.
На уровень энергоэффективности способны повлиять качество электроснабжения и способ использования энергии. Механизмы этого влияния не всегда осознаются; часто им не уделяется должного внимания. Во многих случаях имеют место потери, связанные с передачей избыточной мощности по внешним распределительным сетям или в пределах установки. Потери энергии в распределительной си-
стеме зданий и сооружений могут приводить к перепадам напряжения, которые, в свою очередь, могут вызывать преждевременный выход из строя электронной техники, электродвигателей или другого оборудования. Принято считать, что относительные потери электроэнергии при ее передаче и распределении в электрических сетях большинства стран можно считать удовлетворительными, если они не превышают 4^5 %. Потери электроэнергии на уровне 10 % можно считать максимально допустимыми с точки зрения физики передачи электроэнергии по сетям. Кроме того, неоптимальное функционирование энергосистем предприятий способно привести к применению повышенных тарифов на электроэнергию.
Качество электроснабжения и условия использования энергии зависят от различных факторов, включая сопротивление электрических сетей, а также влияние некоторых видов оборудования и использования энергии на характеристики энергоснабжения [5]. В энергетических системах крайне желательны стабильность напряжения, а также отсутствие искажений формы волн [6].
1 Лепеш Алексей Григорьевич - кандидат технических наук, доцент кафедры Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.:+7 904 510 527l,e-mail: alepesh@yandex.ru;
2Потемкина Татьяна Владимировна - старший преподаватель кафедры Машины и оборудование бытового и жилищно-коммунального назначения, СПбГЭУ, тел.:+7 905 256 0474,e-mail: tatatav@bk.ru
Многие широко распространенные виды электрического оборудования обладают не
Повышение энергоэффективности топливно-энергетических установок
только активным, но и индуктивным сопротивлением [7]. В качестве примеров можно назвать, в частности:
- однофазные и трехфазные электродвигатели переменного тока;
- приводы с переменной скоростью;
- трансформаторы;
- разрядные лампы высокой интенсивности.
При работе всех этих устройств потребляется как активная, так и реактивная электрическая мощность. Активная мощность преобразуется в полезную работу, в то время как реактивная мощность расходуется на создание электромагнитных полей. Реактивная мощность совершает периодические колебания между генератором и нагрузкой.
Конденсаторные батареи и подземные кабели также вносят вклад в формирование реактивной мощности.
Активная энергия, измеряемая в киловатт-часах (кВтХч), которая преобразуется в механическую работу тепло, свет и т.д. «Реактивная» энергия принимает две формы:
1. «Реактивная» энергия, требуемая для индуктивных цепей (трансформаторы, двигатели и т.д.)
2. «Реактивная» энергия, генерируемая емкостными цепями (кабели, силовые конденсаторы и т.д.)
Все индукционные (т.е., электромагнитные) машины и устройства, работающие в составе систем переменного тока, преобразуют электрическую энергию от генераторов энергосистемы в механическую работу и тепло. Такая энергия измеряется счетчиками киловатт-часов (кВтХч) и называется «активной» или ваттной энергией. Для осуществления такого преобразования необходимо образование магнитных полей в машинах, и эти поля связаны с другой формой энергии, обеспечиваемой энергосистемой, - «реактивной» или «безваттной» энергией.
Причина этого состоит в том, что индукционная цепь циклически поглощает энергию из системы (на создание магнитных полей) и отдает эту энергию обратно в систему (в течение спада магнитных полей) дважды за каждый цикл мощности-частоты. Точно такое же явление происходит при наличии параллельно включенных емкостных элементов в энергосистеме, таких как кабели или блоки силовых конденсаторов и т.д. В этом случае энергия запасается электростатически (заряд конденсатора). Циклическая зарядка и разрядка емкостной цепи оказывает на генераторы системы такое
же влияние, как описанное выше для индукци-оной цепи, но ток на емкостной цепи имеет фазу, противоположную фазе тока индукционой цепи. На этом основаны схемы повышения коэффициента мощности. Следует отметить, что хотя «безваттный» ток (точнее говоря, безваттная составляющая тока нагрузки) не забирает энергии из системы, он вызывает потери энергии в системах передачи и распределения энергии из-за нагрева проводников.
В реальных энергосистемах безваттные составляющие токов нагрузок неизменно индуктивны, а модули полного сопротивления систем передачи и распределения преимущественно индуктивно реактивны. Индуктивный ток через индуктивное реактивное сопротивление - наихудший возможный режим падения напряжения (т.е., прямая противофаза напряжению системы).
Поскольку большинство потребителей электроэнергии представляют собой электромагнитные механизмы, в которых переменный магнитный поток связан с обмотками, то вследствие этого в обмотках при протекании переменного тока индуцируются реактивные э.д.с., обуславливающие сдвиг по фазе (ф) между напряжением и током (рис.1 а).
Этот сдвиг по фазе обычно увеличивается, а cos ф уменьшается при малой нагрузке. Например, если cos^ двигателей переменного тока при полной нагрузке составляет 0,75 ^ 0,80, то при малой нагрузке он уменьшится до 0,20 ^ 0,40. Малонагруженные трансформаторы также имеют низкий cos ф. Поэтому, если не принять специальных мер, то результирующий cosy энергетической системы будет низок и может уменьшиться до 0,50 ^ 0,70.
Коэффициент мощности или cos ф являющийся параметром, определяющим потребление реактивной мощности, называется POWER FACTOR.
С уменьшением cos ф ток нагрузки электрической станции и подстанции будет увеличиваться при одной и той же потребляемой из сети активной мощности. Соответственно, при компенсации реактивной мощности (применении автоматических конденсаторных установок КРМ) ток, потребляемый из сети, снижается в зависимости от cos ф на 30 ^ 50%, соответственно, уменьшается нагрев кабельных и воздушных линий, повышается ресурс изоляции.
В таблице 1 приведены критерии оценки энергоэффективности энергопотребляющих установок по коэффициенту мощности.
В таблице 2 приведены коэффициенту мощности наиболее распространённого обору-
дования.
а)
б)
U
ф =900 ток отстает от напряжения
в)
U
I
ф =900 ток опережает напряжение
г)
Рисунок 1 - Иллюстрация для пояснения реактивной мощности: а) - запаздывание тока в сети; б) - интерпретация соотношения активной и реактивной мощностей: Р - активная мощность; Q - реактивная мощность; 5 - полная мощность; в) - индуктивная (двигательная) нагрузка; г) - емкостная (конденсаторная)
нагрузка
Таблица 1 - Оценка энергоэффективности по коэффициенту мощности
Значение коэффициента мощности Высокое Хорошее Удовлетворительное Низкое Не-удовлетворительное
cos ф 0,95-1,0 0,8-0,95 0,65-0,8 0,5-0,65 0-0,5
Электрические генераторы, трансформаторы и электрические сети рассчитываются на определенные напряжение и ток. Поэтому, например, при cos ф =0,5 и полной загрузке током трансформаторов и сетей мощность, передаваемая потребителям, будет составлять всего 50% от мощности, которая могла бы быть передана при cos ф =1. Будет иметь место нерациональное использование установленной мощности трансформаторов, а также электрических сетей.
Для повышения эффективности использования электрической энергии с целью минимизации потерь в условиях ограничений на максимальную потребляемую мощность большая роль отводится новым техническим средствам, позволяющим улучшить энергетические характеристики: повысить cos ф до заданных значений и уменьшить содержание гармоник в питающем напряжении.
Одним из мероприятий по компенсации реактивной мощности является подключение к устройству с постоянной нагрузкой компенси-
1
рующего конденсатора соответствующей мощности, включаемого одновременно устройством. В некоторых случаях рекомендуется использовать автоматические конденсаторные установки, способные настраиваться на необходимую нагрузку.
Компенсацию реактивной мощности в полной мере можно отнести к энергосберегающим технологиям. Повышение cos ф позволяет уменьшить потребление из сети реактивной энергии и увеличить за счет разгрузки по мощности срок службы оборудования.
Таблица 2 - Средние значения коэффициента мощности для наиболее распространенного оборудования [7]
торы на холостом ходу), когда ток опережает напряжение, нагрузка имеет емкостной характер (конденсаторы).
Суммарный ток, потребляемый энергетической установкой, потребляемой электроэнергию и производящей, например, механическую работу, определяется векторной суммой
/ = /а + /р, (1)
где : /а - активный ток; 1р - реактивный ток индуктивного характера.
К этим токам привязаны мощности, потребляемые энергетическими установками.
Ток /, протекающий в системе, вычисляется по формуле:
I
_ Р
ил • cos<p
(2)
Оборудование при нагрузке cos ^ tg<P
Стандартный асин- 0% 0,17 5,80
хронный двигатель 25% 0,55 1,52
50% 0,73 0,94
75% 0,80 0,75
100% 0,85 0,62
Лампы накаливания 1,0 0
Флуоресцентные 0,5 1,73
лампы
(без компенсации)
Флуоресцентные 0,93 0,39
лампы
(с компенсацией)
Газоразрядные лампы 0,4 -0,6 2,29 -1,33
Печи сопротивления 1,0 0
Печи индукционно- 0,85 0,62
го нагрева (с компенсацией)
Диэлектрические 0,85 0,62
электропечи
Резистивные паяль- 0,8 - 0,75
ные аппараты 0,9 -0,48
Стационарные сва- 0,5 1,73
рочные
аппараты для дуго-
вой сварки
Мотор-генераторная силовая 0,7 -0,9 1,02 -0,48
установка дуговой
сварки
Установка «трансформатор- 0,7 -0,8 1,02 -0,75
выпрямитель» дуго-
вой сварки
Электродуговая печь 0,8 0,75
В электрических цепях протекающий ток синфазен (не опережает и не запаздывает) с напряжением, если нагрузка имеет активный характер. Когда ток отстает от напряжения, нагрузка индуктивная (двигатели, трансформа-
где: Р - активная мощность; ил - падение напряжения.
Из этой формулы видно, что при одной и той же потребляемой мощности и увеличении сояф, происходит уменьшение величины протекающего тока и, следовательно, потерь в электрической сети и трансформаторе.
Полная мощность рассчитывается как геометрическая сумма активной и реактивной мощности, представленных взаимно перпендикулярными векторами (рис.3.48 б):
5 = ^Р2 + (}2, (3)
где: Р - активная мощность, кВат, привязана к 4; Q - реактивная мощность, кВАр, привязана к /р; 5 - полная мощность кВА, потребляемая двигателем.
Именно полная мощность определяет требования к генерирующим, сетевым и распределительным мощностям. Это означает, что генераторы, трансформаторы, линии электропередач, распределительное оборудование и т.д. должны быть рассчитаны на более высокую номинальную мощность, чем в том случае, если бы нагрузка потребляла только активную мощность. Повышение коэффициента мощности позволяет уменьшить номинальные значения мощности трансформаторов, распределительных устройств, кабелей и т.д., а также сократить потери мощности и ограничить падения напряжения.
Реактивная мощность не производит механической работы, хотя она и необходима для работы энергетической установки (например, электродвигателя), 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 дополнитель-
ное оборудование за счет снижения тока, потребляемого с силового трансформатора.
На рисунке 2 показано относительное изменение полной и реактивной мощности, потребляемой из сети в зависимости от cos ф. В этих графиках за единицу принято изменение активной мощности.
Если представить график относительного значения тока, протекающего по фазам, в зависимости от cos ф, то, в относительных величинах этот график численно совпадает с графиком полной мощности, если на этом графике за единицу принять значение тока при чисто активной нагрузке.
Практический интерес представляет график, приведенный на рисунке 2 [8]. На этом графике показаны относительные активные потери в проводах в зависимости от cos ф.
Потери в проводах и шинах пропорциональны квадрату протекающего через них тока. Из графика видно, что уже при cos ф =0,7 происходит удвоение потерь в линиях.
3,5 3 2,5 2 1,5 1
0,5 0
д г /р
ÜQ/P
1
2
COS V
0,2
0,4
0,6
0,8
1
Рисунок 2 - Относительное изменение мощности, потребляемой из сети в зависимости от cos <р\ 1 -
полной; 2 - реактивной
12
10
AP/P
0,2 0,4 0,6 0,8 1
COS ф
Рисунок 3 - Относительные активные потери в проводах в зависимости от cos <р
При этом под линиями следует понимать не только провода и шины, но и обмотки трансформатора, в которых также происходит удвоение потерь.
Коэффициент мощности (cos ф) есть отношение кВт к кВА (см. рис.1 б). Чем ближе коэффициент мощности приближается к своему максимальному значению 1, тем больше польза для потребителя и поставщика.
cos ф = Р/S (кВт/ (кВА), (4)
где: Р - активная мощность; S - полная (кажущаяся) мощность.
Для однофазной цепи: Р = U • I • cos ф, или Р = I • cos ф кВт; S = U •!, или S = ил^ I, кВА;
Q = U • I • sin ф, или Q = I • sin ф,
кВАр, ..............................(5)
где: ил - напряжение между фазой и нейтралью; U - междуфазное напряжение; I = ток; ф -угол между векторами напряжения и тока. Для трехфазной цепи 3 провода или 3 провода + нейтраль:
Р = 3U •¡•cosy, КВт; S = 3U • I кВА; Q = 3U • I • sin ф, кВАр. (6)
Повышение коэффициента мощности нагрузки существующей системы энергоснабжения требует, как правило, установки блока конденсаторов, служащего в качестве источника реактивной энергии. Устройство обеспечивает компенсацию реактивной энергии
Q = P(tg фь- tg фс), (7)
где ф1 и фс - углы между векторами напряжения и тока в случае индуктивной и емкостной нагрузки.
Индуктивная нагрузка, имеющая низкий коэффициент мощности, требует от генераторов и систем передачи/распределения пропускать реактивный ток (с отставанием от напряжения) с сопутствующим потерями мощности и повышенными падениями напряжениями. Если блок шунтирующих конденсаторов добавить к нагрузке, то его (емкостной) реактивный ток будет проходить по тому же пути через энергосистему, как и реактивный ток нагрузки. Поскольку такой емкостный ток 1С (который опережает напряжение системы) прямо противофазен реактивному току нагрузки IL, две составляющие, протекающие по одному пути, будут компенсировать друг друга. При этом, если блок конденсаторов достаточно большой и Ic = IL, не будет реактивного тока в системе перед конденсаторами.
Выбор уровня компенсации и расчет номинальных параметров блока конденсаторов зависит от конкретной нагрузки. Например, для двигателя потребляющего 100 кВт при коэффициенте мощности cos ф =0,75 (т.е., tg ф = 0,88). Для повышения коэффициента мощности до cos ф =0,93 (т.е., tg ф = 0,4), реактивная мощность блока конденсаторов должна составлять: Qc = 100 (0,88 - 0,4) = 48 кВАр.
8
6
0
Очевидно (4, рис.2), что cosy уменьшается, когда потребление реактивной мощности нагрузкой увеличивается.
Например для трехфазного электродвигателя с КПД ^ = 0,91, и измеренному в сети cos ф = 0,86, обеспечивающего мощность на валу Рп = 51 кВт :
-потребляемая активная мощность Р = Рп /ц = 51 /0,91 = 56 кВт;
-полная мощность S = Р /cos ф = 56 /0,86 = 65 кВА;
-реактивная мощность Q = Р • tgy = 56 • 0,59 = 33 кВАр, где tgq = 0,59 соответствует сдвигу фаз cos ^=0,86, или Q = VS2 — Р2 =
V652 - 562 = 33 кВАр.
Необходимо стремиться к повышению cosy, т.к. низкий cosy 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.
Например (рис.4), в ситуации, когда активная мощность равна Р =100 кВт, и реактивная Q =100 квар, полная мощность
S = V-P2 + Q2 = V1002 + 1002 = 142 кВА.
Следовательно: коэффициент мощности равен cos ф= 100/142 = 0,70 означает, что только 70% тока, поставляемого энергетической компанией, используется для совершения полезной работы.
После компенсации номинальной реактивной мощности путем конденсаторной установки Q = 67 кВАр, реактивная составляющая снижается до Q = 33 квар и потребляемая из сети полная мощность снижается до
S = VP2 + Q2 = V1002 + 332 = 105 кВА
Коэффициент мощности cos ф при этом увеличивается cos ф 100/105 = 0,95, что соответствует оптимальному использованию электроэнергии.
Рисунок 4 - Компенсация реактивной мощности
Из всего вышеприведенного понятно, что компенсация реактивной мощности необходима.
Компании, эксплуатирующие генерирующие и передающие мощности (это может быть как внешний поставщик, так и предприятие, производящее электроэнергию для собственных нужд) сталкиваются с необходимостью дополнительных затрат на оборудование и дополнительными потерями энергии. Поэтому
внешние поставщики взимают с потребителей дополнительную плату в том случае, если доля реактивной мощности превышает определенное пороговое значение. Как правило, в качестве порогового уровня выбирается величина cosф в диапазоне между 1,0 и 0,9, при которой негативные эффекты, связанные с реактивной мощностью, могут считаться несущественными.
Один из наиболее эффективных путей компенсации - применение компенсирующего
устройства, как правило, конденсаторов. При этом большое значение имеет правильный выбор места установки. Общее правило: реактивную мощность надо компенсировать в месте ее потребления. Если источником реактивной мощности является двигатель насоса или компрессора, то целесообразно ставить компенсирующие конденсаторы непосредственно в шкаф управления этими устройствами. Если потребление реактивной мощности происходит на стороне низкого напряжения (НН), то компенсировать ее надо также на стороне НН, не допуская прохождения реактивной мощности через трансформатор. При этом следует отметить, что срок службы значительной доли силовых трансформаторов, эксплуатируемых на российских предприятиях, перешагнул 15-летний рубеж. Для продления оставшегося срока службы необходимо разгрузить трансформаторы по току, что уменьшит температуру перегрева обмоток и, следовательно, уменьшит скорость старения изоляции. Известно, что уменьшение температуры перегрева обмоток на 10 °С позволяет в среднем удвоить оставшийся срок службы. Учитывая значительную стоимость силовых трансформаторов, этот аспект, наряду с уменьшением платы за реактивную энергию, позволяет существенно улучшить экономические показатели предприятия.
Компенсация реактивной мощности производится путем подключения конденсаторов. Установка конденсаторной батареи уменьшает реактивную мощность Q, поэтому уменьшаются и просадки напряжения. При этом уменьшается потребление реактивной мощности и повышается соэф.
Это хорошо видно из формулы:
дил = я% + х$/и,
' и л и л
(8)
где: Аил - просадка линейного напряжения; К -активное сопротивление линии; X - реактивное сопротивление линии (Я << X).
Однако, в случае, если при неправильном расчете установленной конденсаторной батареи реактивная часть вышеприведенного уравнения станет отрицательной, то вместо уменьшения просадки напряжения произойдет увеличение напряжения в конце линии (эффект Ферранти), которое может иметь опасные последствия для подключенных внешних потребителей, поскольку при сояф = 0,97 и выше в сети будет генерироваться реактивная энергия. Для того, чтобы избежать платежей за потребление реактивной мощности, снизить нагрузку на кабели и трансформаторы и в тоже время застраховаться от перекомпенсации следует
поддерживать соБф в диапазоне 0,9 - 0,95. Более того, из приведенных зависимостей следует, что при повышении сояф от 0,9 до 0,99 полный ток уменьшается всего на 3%, а мощность конденсаторной установки, необходимой для этого, увеличивается в 2 раза, ее стоимость - в 1,5 раза, что экономически нецелесообразно.
Таким образом, способ достижения высокой энергоэффективности и энергосбережения состоит в повышении коэффициента мощности (компенсации реактивной мощности) в соответствии с требованиями местного поставщика электроэнергии при помощи методов, подобных перечисленным в табл. 3, с учетом условий их применимости [7].
Таблица 3 - Методы компенсации коэффициента мощности с целью повышения энергоэффективности
Перед тем, как реализовать проект компенсации, следует учесть ряд мер предосторожности. В частности, следует избегать увеличения номинальных значений мощности двигателей, также как и работы двигателей в режиме холостого хода. В последнем случае получаемая реактивная энергия, потребляемая двигателем, приводит к крайне низкому коэффициенту мощности, что вызвано крайне малой активной мощностью, потребляемой двигателем (в ненагруженном состоянии).
Поставщик электроэнергии поставляет реактивную энергию бесплатно до точки, при которой ее потребление составляет менее 40% от потребления активной энергии (Ьд ф = 0,4) в течение максимального периода 16 час в день (с 06-00 ч до 22-00 ч) в период наибольшей нагрузки (часто зимой). Без ограничения в те-
Метод Применимость
Установка конденсаторов в цепях переменного тока для компенсации коэффициента мощности Во всех случаях. Малозатратное мероприятие с долгосрочным эффектом, однако его осуществление требует соответствующей квалификации
Минимизация работы двигателей на холостом ходу или со значительной недогрузкой Во всех случаях
Эксплуатация оборудования при напряжении, не превышающем номинального Во всех случаях
При замене электродвигателей - использование энергоэффективных двигателей При замене оборудования
чение периодов низкой нагрузки зимой, весной и летом. В течение периодов ограничения счет за реактивную энергию, потребленную свыше 40% активной энергии (tg ф > 0,4), выставляются ежемесячно по текущим ставкам. Таким образом, количество реактивной энергии Р, кВт*ч, оплачиваемой потребителем в такие периоды, составляет:
Q = Р (tg ф - 0,4), кВАр Хч, (9) где Р, кВтХч - активная энергия, потребленная в течение периодов ограничения, Р • tg ф - общая реактивная энергия за период ограничения и 0,4Р, кВтХч - количество реактивной энергии, поставленной бесплатно за период ограничения. Здесь tg ф = 0,4 соответствует коэффициенту мощности сояф =0,93. Таким образом, если принимаются меры по обеспечению того, что в течение периодов ограничения коэффициент мощности никогда не упадет ниже 0,93, потребитель ничего не будет платить за потребленную реактивную мощность.
Однако, получая такие преимущества пониженных затрат на электроэнергию, потребитель должен учитывать стоимость приобретения, установки и обслуживания конденсаторов для повышения коэффициента мощности и регулирования распределительных устройств, автоматических устройств (в случае ступенчатой компенсации с применением КТН) вместе с дополнительными кВтХч, потребляемыми диэлектриками.
Учитывая такие затраты на конденсаторы и т.д., может оказаться более экономически выгодным обеспечивать только частичную компенсацию, т.е., оплата некоторой потребляемой реактивной энергии может обходиться дешевле, чем 100% компенсация.
Компенсация реактивной мощности может быть общей (централизованной) и индивидуальной (рис.5).
Индивидуальная компенсация - компенсация реактивной мощности каждой нагрузки отдельно (например, на клеммах двигателя). Конденсатор подбирается по мощности и сояф двигателя, поэтому реактивная мощность двигателя компенсируется постоянно в течение всего дня, сos ф достаточно высок. Дополнительное преимущество индивидуальной компенсации реактивной мощности заключается в том, что затраты на нее - самые низкие вследствие простоты технического решения.
Однако индивидуальная компенсация становится очень дорогим решением при большом количестве оборудования и, соответственно, большом числе устанавливаемых конденсаторов, потому, что большинство этих конденса-
торов не будут задействованы во время простоя части оборудования.
0
р о
ота
с н
е
8
1 Т
1
1
(М ^
т
р о
ота
с н
е
8
Конденсаторная установка
а) б)
Рисунок 5 - Компенсация реактивной мощности конденсаторной установкой: а) - индивидуальная; б) - общая
Наибольшая эффективность индивидуальной компенсации достигается для условий, когда большая часть реактивной мощности генерируется небольшим числом нагрузок, потребляющих наибольшую мощность достаточно длительный период времени.
Общая (централизованная) компенсация - компенсация реактивной мощности с помощью одной конденсаторной установки, устанавливаемой на контакторы (КТН) или в составе главного распределительного щита (ГРЩ). Централизованная компенсация применяется там, где нагрузка флюктуирует (перемещается) между разными потребителями в течение дня. При этом потребление реактивной мощности в течение дня меняется, поэтому здесь предпочтительнее использовать автоматические конденсаторные, по сравнению с нерегулируемыми.
Основным фактором, влияющим на выбор наиболее подходящей схемы компенсации реактивной мощности является дневной тренд (характер изменения нагрузки).
Подводя итог, можно назвать следующие технико-экономические преимущества установки конденсаторной батареи:
• уменьшение потерь в электрическом сети и в трансформаторах, вследствие уменьшения потребляемого тока;
• уменьшение просадок напряжения в электрических линиях;
• уменьшение расчетной мощности системы.
В связи с применением устройств управления электромеханическими преобразователями, использующих в своей схеме тиристоры (UPS полупроводники, используемые в выпрямительных цепях, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска и др.), в электрических сетях появилось достаточно большое количество нелинейных возмущений, связанных с генерацией подобными устройствами дополнительных гармоник, частота которых, как правило, кратна частоте питающего напряжения / = 50Гц. Эти возмущения приводят к систематическому недопроизводству, а иногда и сбоям производственного оборудования. Поэтому необходимо использовать фильтры гармоник для предотвращения роста уровня нелинейных искажений в сети, поглощения (тепловыделения) гармоник, а также для рационального использования электроэнергии.
Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети [9]. Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжаю-щие сети, а также перегружать силовые конденсаторы, служащие для компенсации реактивной мощности.
При увеличении частоты снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него. Общий ток через конденсатор, таким образом, будет равен сумме тока основной частоты и гармонических токов.
l=li+l2 + .: + lt+... + ln . (10)
Гармониками называют совокупность определенного количества частот, которые могут быть добавлены к синусоиде 50 Гц для получения существующей формы тока или напряжения. Соответственно, при изменении их амплитуды, фазы и частоты изменяется кривая тока или напряжения как результат синтеза гармоник. Искаженная кривая тока или напряжения может быть разложена на фундаментальную синусоиду (50 Гц) и сумму определенного количества частот кратных 50 Гц. Например (рис.6), 250 Гц - 5-я гармоника и 350 Гц - 7 -я гармоника.
Нелинейные искажения проявляются как изменение синусоидальности кривой тока
или напряжения. Частоты выше фундаментальной (50 Гц) называются гармониками, частоты ниже фундаментальной называются субгармониками.
К проблемам, создаваемым гармониками, относятся:
- дополнительная вибрация в двигателях переменного тока, снижающая ресурс их эксплуатации;
- повышенные потери на перегрев двигателя и возможное повреждение изоляционных материалов;
- повышенные потери в обмотках и маг-нитопроводе трансформатора, приводящие к выходу последнего из строя;
- появление постоянной составляющей тока или напряжения может вызвать насыщение обмоток и увеличение тока намагничивания;
- перегрев конденсаторов и увеличение тока через них, что снижает срок службы.
0.01
0.02
Рисунок 6 - Искаженная кривая тока
(1) [результат действия на основную частоту /= 50 Гц (2) 5-ой гармоники /=250 Гц (3) и 7-ой гармоники /=350 Гц (4)]
Для предотвращения перечисленных проблеме необходимо перед внедрением установок компенсации реактивной мощности провести полный и всесторонний анализ электросети предприятия на предмет гармоник, так как при установке конденсаторов в сети может появиться резонанс в случае если индуктивное сопротивление силового трансформатора сравнится с емкостном сопротивлению конденсаторов, т.е:
ь = ус . (11)
Резонансы подразделяются на два основных типа: последовательный и параллель-
ный. Электрическая эквивалентная схема представлена на рисунке 7.
<х>
^М)
а)
Нелинейная нагрузка
'НС
©
С
б)
Рисунок 7 - Нелинейная нагрузка: а) -установка конденсатора; б) - эквивалентная схема
Гармоника, на которой может произойти резонанс в сети, определяется формулой:
(12)
N =
м
5 • 100
Q • ик.3.%
м
630•100
300 • 6
= 6.
ным решением для этого случая будет использование расстроенных дросселей (рис.8) включенных последовательно с конденсаторами и сдвигающими частоту резонанса системы ниже самой низкой из частот присутствующих в сети гармоник.
Резонансная частота без расстроенного дросселя определяется как:
¡2 • п • /Ьгг • С
и •
Резонансная частота
дросселем определяется как:
€ = 1/ ¡Р
(13)
с расстроенным
(14)
Обычно резонансная частота между конденсатором и последовательно включенным расстроенным дросселем ниже 250 Гц и находится в интервале 135 - 210 Гц. Установка расстроенного дросселя последовательно с конденсаторной установкой определяет частоту последовательного резонанса.
Л =
'2 •п
/ТС'
(15)
<2>
где: N - номер гармоники, на которой вероятно возникновение резонансных явлений; Ркз -мощность короткого замыкания в сети, мВА; Q
- мощность конденсаторной установки, кВАр; Б
- номинальная мощность силового трансформатора, кВА; Ук.з. - напряжение короткого замыкания, % (указано на шильдике трансформатора, либо заявляется производителем).
При параллельном резонансе в сети, напряжение и ток в цепи "силовой трансформатор - конденсаторная установка" резко возрастают при воздействии резонансной гармоники.
Например, при мощности силового трансформатора ТМ-630/6/0,4 - 5 = 630 кВА; напряжение короткого замыкания трансформатора - икз = 6 %; мощность конденсаторной установки КРМ(УКМ58)-0,4-300 - ^ = 300 кВАр. Тогда получим
Г
Т
Фильтр а)
ж
Нелинейная нагрузка
V (
^ о
б)
Таким образом, мы видим, что система силовой трансформатор - конденсаторная установка имеет частоту параллельного резонанса 300 Гц = 50 Гц X 6. Поэтому оптималь-
Рисунок 8 - Нелинейная нагрузка:
а) -установка конденсатора и расстроенного дроселя; б) - эквивалентная схема
Если в сети присутствует гармоника тока с частотой, равной частоте последовательного резонанса, то она полностью поглощается системой конденсатор - расстроенный дроссель. На этом принципе основана реализация настроенных фильтров. Такое применение необходимо, когда мы хотим снизить общее
I
I
Н
I
Н
I
сс
I
С
Н
гармоническое искажение тока ТНИ8 (табл. 4) в системе, которое определяется по формуле:
ТН0 = М+1з+^ + ^у Х1оо<% (16)
где: - ток основной частоты 50 Гц; ¡2,3...п -токи гармоник.
Таблица 4 - Предельные значения ТНБ1 (в %
в зависимости от тока короткого замыкания /кз и максимального потребляемого тока 1п,тах )
4з / ^п,тах * <11** 11<h <17 17< h <23 23< h <35 35< h THD
<20*** 4,0 2,0 1,5 0,6 0,3 ,0
20<50 7,0 3,5 2,5 1,0 0,5 ,0
50<100 10,0 4,5 4,0 1,5 0,7 2,0
100<1000 12,0 5,5 5,0 2,0 1,0 5,0
>1000 15,0 7,0 6,0 2,5 1,4 0,0
Примечания: * - максимальное искажение по току в % /п,тах (первой гармоники [= 50 Гц); ** - порядок гармоники (нечетные); *** - все энергогенерирую-щее оборудование ограничивается значениями
Гармоники, генерируемые источниками, не остаются в системе, а проявляются в соседних связанных электросетях и могут приводить к катастрофическим последствиям в других системах, такие как:
- перегрев и выход из строя трансформаторов;
- увеличение тока или перегрузка током конденсаторов и шум;
- сбои в работе систем контроля;
- изменение напряжения;
- перегрузка вращающихся устройств;
- ошибки срабатывания автоматических выключателей;
- ошибки в коммуникационном оборудовании;
- большой ток в нейтрали и низкое напряжение между фазой и РЕ.
Для снижения и устранения гармоник применяют специальные фильтры, подавляющие и потребляющие гармоники, генерируемые различным оборудованием. Фильтр, обычно, состоит из резистора, катушки индуктивности
8 ТИБ - коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (см. ГОСТ 13109-97)) широко применяется при определении уровня содержания гармоник в знакопеременных сигналах. ТИБ выражается в процентах.
(реактора) и конденсатора. Типовой фильтр гармоник состоит из одиночных шунтирующих фильтров для гармоник низкого порядка (3-я -15-я). Для гармоник более высокой частоты устанавливаются дополнительные фильтры.
I
fn
К
Рисунок 3.56 - Подавление гармоник: а) -установка фильтра гармоник; б) - эквивалентная схема
Эффективность фильтров гармоник оценивается следующими факторами:
- улучшением cos ф в сети (уменьшаются перетоки реактивной мощности, улучшается эффективность использования электроэнергии и, как следствие, снижаются затраты);
- подавлением гармоник сети;
- решением проблемы резонанса между индуктивностями и емкостями в системе;
- увеличением производительности и срока службы оборудования на производстве вследствие контроля за качеством напряжения.
В целом, повышение эффективности систем электроснабжения при эксплуатации энергопотребляющих установок заключается в оптимизации эффективности системы их электроснабжения при помощи методов, перечисленных в табл. 5, в соответствии с условиями их применимости [7].
Таблица 5 - Методы оптимизации системы электроснабжения с целью повышения энергоэффективности
Поскольку в качестве энергопотребляющих установок широко применяются электродвигатели, то замена существующих двигателей на энергоэффективные и двигатели с переменной скоростью представляет собой один из наиболее очевидных способов повышения энергоэффективности энергопотребляющих установок [3]. Однако эти мероприятия должны осуществляться в контексте оптимизации всей системы, в состав которой входят двигатели. В противном случае существует риск:
- неиспользования потенциала оптимизации характеристик системы в целом, включая ее производительность, что позволило бы оптимизировать требования к мощности двигателей;
- потерь энергии в случае применения
приводов с переменной скоростью в неподходящих условиях.
Таблица 6 - Методы повышения энергоэффективности электродвигателей
Метод Применимость
Обеспечение достаточного диаметра кабелей, соответствующего мощности с целью снижения активных потерь Когда энергопотребляющее оборудование не используется, например, во время остановов, установки или перемещения оборудования
Эксплуатация трансформаторов при достаточной нагрузке (превышающей 40-50% номинальной мощности) для существующих предприятий: при нагрузке ниже 40% номинальной мощности и одновременной работе нескольких трансформаторов; • при замене оборудования: установка трансформатора с пониженным уровнем потерь и ожидаемым уровнем нагрузки 40-75% номинальной мощности;
Использование трансформаторов с повышенным КПД/пониженным уровнем потерь При замене оборудования или если оправдано с точки зрения затрат за время жизненного цикла
Размещение оборудования, требующего большой силы тока, как можно ближе к источникам питания (например, трансформаторам) При размещении или перемещении оборудования
Компенсация реактивной мощности и подавление гармоник в сети По мере необходимости. Когда энергопотребляющее оборудование не используется, например, во время остановов, установки или перемещения оборудования
Метод повышения энергоэффективности Применимость
Установка или модернизация системы
Использование энергоэффективных двигателей С учетом затрат за время жизненного цикла
Выбор оптимальной номинальной мощности двигателя С учетом затрат за время жизненного цикла
Установка приводов с переменной скоростью (ППС) Использование ППС может быть ограничено вследствие соображений безопасности. В соответствии с нагрузкой. При наличии нескольких двигателей в системе, от которой требуется переменная производительность, (например , в системе сжатого воздуха) оптимальным может быть использование только одного привода с переменной скоростью
Установка передачи/редукторов с высоким КПД С учетом затрат за время жизненного цикла
Использование: • жесткого соединения там, где это возможно; • синхронных или зубчатых ременных передач вместо обычных клиновидных; • косозубой цилиндрической передачи вместо червячной Все системы
Ремонт двигателя с обеспечением энергоэффективности или замена на ЭЭД При проведении ремонта
Перемотка: отказ от перемотки и замена на ЭЭД, или обращение к сертифицированной организации, осуществляющей ремонт с обеспечением энергоэффективности При проведении ремонта
Контроль качества электроснабжения С учетом затрат за время жизненного цикла
Эксплуатация и ТО системы
Смазка, регулировка, настройка Все системы
Осуществление мероприятий по оптимизации систем с электроприводом необходимо производить в два этапа. На первом этапе провести оптимизацию всей системы, использующей электродвигатели, как целого (например, системы охлаждения, утилизации тепловой энергии, отопления и др.). На втором этапе - оптимизация самих электродвигателей, входящих в состав системы, на основе вновь определенных требований к мощности с использованием одного или нескольких методов, перечисленных в табл.6, в соответствии с условиями применимости.
Литература
1. ФЗ от 23 ноября 2009 г. № 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергоэффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты РФ».
2. Госпрограмма РФ «Энергоэффективность и развитие энергетики», (утв. распоряжением Правительства РФ от 3 апреля 2013 г. № 512-р).
3. Лепеш, Г.В. Энергосбережение в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений /Г.В. Лепеш. - СПб.: Изд-во СПбГЭУ, 2014. - 437 с.
4. ГОСТ 13109-97. «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
5. ГОСТ 32144-2013. «Электрическая энергия. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения». Энергетическая стратегия России до 2030 г. (утв. Распоряжением Правительства РФ от 13 ноября 2009 года N 1715-р).
6. РД 34.09.101 -94. Типовая инструкция по учету электроэнергии при ее производстве, передаче и распределении. М: СПО ОРГРЭС, 1995.
7. Справочный документ по наилучшим доступным технологиям обеспечения энергоэффективности. - 2009/ [Электронный ресурс]. http://www.mnr.gov.ru /upload/ iblock/60d/energo_1303.pdf
8. Лепеш, Г.В. Оперативный контроль и диагностика оборудования/Г.В. Лепеш, В.Н.Куртов, Н.Г.Мотылев и др.// Технико-технологические проблемы сервиса. -2009. -№3(9). С.8 - 16.
9. Воротницкий В.Э., Калинкина М.А.. Расчет, нормирование и снижение потерь электроэнергии в электрических сетях. / Учебно-методическое пособие. - М.: ИПК госслужбы, 2000
