Компенсация реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ

Причины необходимости компенсации реактивной мощности у потребителя электроэнергии. Некоторые аспекты применения коэффициентов мощности cos φ и реактивной мощности tg φ. Особенности компенсации реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ.

Выработка, передача и потребление электроэнергии переменного тока сопряжено с решением ряда проблем и ключевой из них можно смело считать проблему компенсации реактивной мощности. В сетях переменного тока de facto потребителями реактивной мощности являются, как звенья самой сети (линии электропередачи, трансформаторы подстанций, шунтирующие реакторы и т.д.), так и все без исключения приемники электроэнергии, причем львиную долю реактивной мощности (порядка 60%) потребляют асинхронные двигатели сетей среднего и низкого напряжения, около четверти всей реактивной мощности приходится на трансформаторы разного назначения, в том числе трансформаторы понижающих подстанций и одну десятую часть делят между собой приемники, использующие для запуска и работы переменное магнитное поле (индукционные печи, выпрямители и т.д.).

Генераторы электростанций в нормальном режиме работы вырабатывают активную мощность, в режиме перевозбуждения — реактивную мощность в объемах от 20% до 70% от средней потребности в реактивной мощности распределительных сетей, понижающих подстанций и приемников электроэнергии у потребителей. Также незначительная доля потребности в реактивной мощности компенсируется емкостью воздушных и кабельных линий, но все это в совокупности не решает и даже отчасти усугубляет проблему дефицита реактивной мощности и вызываемых этим негативных последствий, поскольку транспорт реактивной мощности от генераторов электростанций:

• снижает объемы передаваемой активной мощности, около 10% которой и так теряется в различных звеньях сетей разного напряжения;
• значительно повышает риски перегрева линий электропередач; перегружает трансформаторы подстанций более высокого уровня;
• уменьшает число оптимальных для подключения к сети потребителей;
• приводит к падению сетевого напряжения и ухудшению качества передаваемой электроэнергии.

По этим причинам в РД 34.20.185-94 «Инструкция по проектированию городских электрических сетей» (п. 5.2.9), «Методических указаниях по проектированию развития энергосистем» Минпромэнерго (п. 5.36.3), «Правилах технической эксплуатации электрических станций и сетей Российской Федерации» Минэнерго РФ (п. 6.3.16) и ряде других нормативно-правовых актов определена необходимость использования устройств компенсации реактивной мощности у потребителей, что снижает объемы перетоков мощности и в целом увеличивает пропускную способность сетей различного напряжения.

Некоторые аспекты применения коэффициентов мощности cos φ и реактивной мощности tg φ.

В «Приложении к Порядку расчета значений соотношения потребления активной и реактивной мощности для отдельных энергопринимающих устройств (групп энергопринимающих устройств) потребителей электрической энергии, применяемых для определения обязательств сторон в договорах об оказании услуг по передаче электрической энергии (договоры энергоснабжения)» (Приказ №49 Минпромэнерго России от 22 февраля 2007 года) определены предельные значения коэффициентов мощности cos φ и реактивной мощности tg φ в зависимости от точки присоединения потребителя к распределительной сети.

Положение точки присоединения потребителя к электрической сети	tgφ	cosɸ
Напряжением 110 кВ (154 кВ)	0.5	0.9
Напряжением 35 кВ (60 кВ)	0.4	0.93
Напряжением 6-20 кВ	0.4	0.93
Напряжением 0,4 кВ	0.35	0.94

При аудите электрической распределительной сети или сегмента электрической сети, находящегося в балансовой принадлежности потребителя может использоваться, как коэффициент мощности cos φ, определяемый отношением активной мощности к полной мощности, так и коэффициент реактивной мощности tg φ, численно равный отношению реактивной к активной мощности. Вместе с тем таблица ниже демонстрирует недостаточность коэффициента мощности cos φ для точной оценки потребности в потреблении реактивной мощности.

Таблица. Значение реактивной мощности (РМ) в процентах от активной мощности при разных значениях коэффициентов мощности cos φ

cos φ	1.0	0.99	0.97	0.95	0.94	0.92	0.9	0.87	0.85	0.8	0.7	0.5	0.316
tg φ	0.0	0.14	0.25	0.33	0.36	0.43	0.484	0.55	0.60	0.75	1.02	1.73	3.016
РМ,%	0.0	14	25	33	36	43	48.4	55	60	75	102	173	301.6

Из данных таблицы видно, что даже при высоких значениях коэффициента мощности cos φ = 0.95 электроприемниками/звеньями электрической сети потребляется реактивная мощность величиной в 33% от активной мощности, а уже при значении коэффициента мощности cos φ = 0.7 объемы потребляемой активной и реактивной мощности сравниваются. Поэтому более целесообразно выполнять оценку распределительной сети/сегмента сети в балансовой принадлежности потребителя по коэффициенту реактивной мощности tg φ, показывающему реальный баланс активной и реактивной мощности.

Особенности компенсации реактивной мощности в сетях напряжением 6.3-10.5/0,4 кВ

Целесообразность компенсации реактивной мощности для потребителя можно рассматривать, как в техническом, так и экономическом аспектах. В случае подключения потребителя к распределительной сети 6,3 (10,5) кВ конденсаторные установки могут интегрироваться на подстанции в балансовой принадлежности электросетевой компании и тогда потребитель будет иметь чисто техническую выгоду от качества получаемой электроэнергии. При установке КРМ 6,3 (10,5) кВ (или УКРМ 6,3 (10,5) кВ) на шинах РУ 6,3 (10,5) кВ предприятия, или на шинах РУ цеховых ТП 6-10/0,4 кВ, шинах первичных цеховых РП 0,4 кВ, а также непосредственно у электроприемников, потребитель будет иметь, как техническую, так и экономическую выгоду за счет возможности использования активной мощности в более полном объеме и соответственно снижения затрат на «балластную» реактивную мощность.

3.2 Выбор числа и мощности трансформаторов цтп с учетом компенсации реактивной мощности

В целях уменьшения потерь активной мощности и электроэнергии в трансформаторах реактивная нагрузка на напряжения до 1000 В, создаваемая асинхронными двигателями, компенсируется с помощью статических конденсаторов на стороне низкого напряжения. Учитывая компенсацию реактивной мощности на напряжение до 1000 В, производится окончательный выбор мощности трансформаторов цеховых ТП. Ниже приводится пример расчета для ТП.

Необходимая мощность компенсирующих устройств со стороны низшего напряжения определяется по формуле

,(3.1)

где — соответствует средневзвешенномуcos

;

— соответствует нормативному значению cos, равному 0,95.

Тангенс фи естественный определяем по формуле

(3.2)

Подставляя данные в формулы (3.2), (3.1) получаем

квар.

Выбираем в качестве компенсирующего устройства батареи статических конденсаторов типа ККУ-0,38-432, две установки общей мощностью 2432 = 864 квар [5]. Тогда реактивная мощность, передаваемая из сети по стороне низшего напряжения трансформатора Q_с, квар, составит

. (3.3)

Подставляя значения в формулу (3.3), получаем для тп10 значение реактивной мощности, равное

квар.

Так как потери активной мощности в компенсирующих устройствах незначительны, мы их не учитываем.

Полная расчетная мощность с учетом компенсации определяется

. (3.4)

Подставляя расчетные величины в формулу (3.4), получаем

кВА.

Выбираем к установке в ТП1 два трансформатора по 1000 кВА каждый. Загрузка трансформаторов в нормальном и послеаварийном режимах по формулам (3.1), (3.2) составляет

К_з=1237(21000) = 0,62, К_з=12371000 = 1,24.

Расчет трансформаторов остальных цеховых ТП с учетом компенсации реактивной мощности на стороне низшего напряжения трансформаторов проводится аналогично, а результаты выбора и расчета рекомендуется привести в таблице 3.2.

Из таблицы 3.2 видно, что при установке в цехе №1 пяти подстанций с двумя трансформаторами мощностью по 1600кВ·А, коэффициенты загрузки получаются в пределах, рекомендуемых инструкцией. Проверим установку в данном цехе четырех подстанций с двумя трансформаторами мощностью по 1600кВ·А. В этом случае, расчетные нагрузки цеха делим на четыре подстанции и тогда нагрузки каждой подстанции равны:

— активная Р_р = 7822/4 = 1955,5 кВт;

— реактивная Q_р = 6728/4 = 1682 квар.

Таблица 3.2 – Расчет мощности компенсирующих устройств со стороны низшего напряжения трансформаторов и окончательный выбор числа и мощности трансформаторов цеховых ТП

Номер ТП	Расчетные нагрузки		tgφ	Потребная мощность компенс. устр. Qку, квар	Количество и мощность компенс. устр. Qку.ном, квар	Реактивная мощность,пере-даваемая из сети Qс, квар
	Рр, кВт	Qр, квар
ТП1	1175	1250	1,06	858	2×432 = 864	386
ТП2	1313	1437	1,09	998	2×450+2×75=1050	387
ТП3	1313	1437	1,09	998	2×450+2×75=1050	387
ТП4	1877	1543	0,82	920	2×450 = 900	643
ТП5	1564,4	1345,6	0,86	829	2×432 = 864	482
ТП6	1564,4	1345,6	0,86	829	2×432 = 864	482
ТП7	1564,4	1345,6	0,86	829	2×432 = 864	482
ТП8	1564,4	1345,6	0,86	829	2×432 = 864	482
ТП9	1564,4	1345,6	0,86	829	2×432 = 864	482

Продолжение таблицы 3.2

Номер ТП	Полная расчетная нагрузка			Количество трансфор- маторов в ТП	Sт.ном, кВ·А	Кз	Кз.ав
	Рр, кВт	Qр, квар	Sр, кВ·А
ТП1	1175	386	1237	2	1000	0,62	1,24
ТП2	1313	387	1369	2	1000	0,68	1,36
ТП3	1313	387	1369	2	1000	0,68	1,36
ТП4	1877	643	1984	2	1600	0,62	1,24
ТП5	1564,4	482	1637	2	1600	0,51	1,02
ТП6	1564,4	482	1637	2	1600	0,51	1,02
ТП7	1564,4	482	1637	2	1600	0,51	1,02
ТП8	1564,4	482	1637	2	1600	0,51	1,02
ТП9	1564,4	482	1637	2	1600	0,51	1,02

Расчет мощности компенсирующих устройств со стороны низшего напряжения трансформаторов и выбор числа и мощности трансформаторов для данного варианта приведен в таблице 3.3.

Таким образом, в цехе №1 устанавливаем четыре подстанции с двумя трансформаторами мощностью по 1600 кВ·А каждая.

Анализируя величины и размещение электрических нагрузок цехов по территории завода и учитывая категории потребителей по степени бесперебойности питания, рекомендуется выбрать схему для системы внутризаводского электроснабжения. В соответствии с [3] схемы могут быть радиальными, магистральными и смешанными. В данном примере принимается радиально-магистральная схема с резервированием питания.

Таблица 3.3 – Выбор числа и мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций в цехе №1

Номер ТП	Расчетные нагрузки		tgφ	Потребная мощность компенс. устр. Qку, квар	Количество и мощность компенс. устр. Qку.ном, квар	Реактивная мощность,пере-даваемая из сети Qс, квар
	Рр, кВт	Qр, квар
ТП5	1955,5	1682	0,86	1036	2×450+2×75=1050	632
ТП6	1955,5	1682	0,86	1036	2×450+2×75=1050	632
ТП7	1955,5	1682	0,86	1036	2×450+2×75=1050	632
ТП8	1955,5	1682	0,86	1036	2×450+2×75=1050	632

Продолжение таблицы 3.3

Номер ТП	Полная расчетная нагрузка			Кол. транс. в ТП	Sт.ном, кВ·А	Кз	Кз.ав
	Рр, кВт	Qр, квар	Sр, кВ·А
ТП5	1955,5	632	2055	2	1600	0,64	1,28
ТП6	1955,5	632	2055	2	1600	0,64	1,28
ТП7	1955,5	632	2055	2	1600	0,64	1,28
ТП8	1955,5	632	2055	2	1600	0,64	1,28

Распределительная сеть напряжением выше 1 кВ по территории комплекса выполняется кабельными линиями, проложенными в траншеях (марки ААБ), а также на конструкциях внутри помещений (марки ААБГ).

Для системы внутризаводского электроснабжения в соответствии с НТП ЭПП-94 распределительную сеть (от пункта приема электроэнергии до распределительных и трансформаторных подстанций) рекомендуется выполнять на напряжении 10 кВ. Применение напряжения 6 кВ в качестве распределительного следует ограничивать. Использование напряжения 6 кВ рационально для предприятий, где устанавливается значительное количество двигателей 6 кВ небольшой мощности (до 500 кВт), суммарной мощностью равной или более 50% общей мощности предприятия, а также в случае реконструкции или расширения действующего производства, ранее запроектированного на напряжение 6 кВ.

Учитывая это, в рассматриваемом примере принимается вариант, в котором электроэнергия распределяется внутри завода на напряжении 10 кВ с установкой дополнительной трансформаторной подстанции с трансформаторами, обеспечивающими питание потребителей электроэнергии напряжением 6 кВ цехов №1 и №5 (рисунок 3.1).

Выбираем мощность трансформаторов дополнительной подстанции ТП9, для которой расчетная активная мощность определяемая потребителями напряжением 6 кВ, равна

Р_р‘ = Р_р‘₂ + Р_р‘₅ =3728 + 2142 = 5870 кВт;

— расчетная реактивная мощность равна

Q_р‘ = Q_р‘ ₂ + Q_р‘₅ = 3281 – 1350 = 1931квар.

Естественный коэффициент реактивной мощности на шинах РУ-6 кВ данной ТП9 равен

tgφ_ест = Q_р‘ / Р_р‘ = 1931 / 5870 = 0,33,

поэтому устанавливать компенсирующие устройства не надо;

— полная расчетная нагрузка подстанции равна

кВ·А

По расчетной нагрузке подстанции выбираем два трансформатора в соответствии со справочной литературой [5] мощностью по 6300 кВ·А каждый с коэффициентами загрузки

К_з = 6179(26300) = 0,49,

К_з.ав = 61796300 = 0,98.

КОЭФФИЦИЕНТ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ ТАНГЕНС ФИ — Коэффициент мощности (cos φ, косинус фи ), Полная (кажущаяся), активная и реактивная мощность электродвигателя

В разделе Техника на вопрос для чего нужен тангенс фи в электроэнергетики? При tgф<0 потребитель выдает реактивную мощность (емкостной характер) , при tgф>1 потребитель потребляет реактивную мощность (индуктивный характер).

Рассмотрев треугольник сопротивлений, можно понять смысл термина «тангенс фи». Это отношение между реактивной и активной составляющими нагрузки. Тангенс угла потерь также используется в электроэнергетике, но более привычным является показатель cos(φ).

Часть электрической мощности, пришедшая к потребителю, используется для совершения полезной работы и тепловое рассеяние на нагрузке у потребителя. Почему фазовый сдвиг приводит к потерям электроэнергии? Если активное сопротивление проводника просто рассеивает электроэнергию, переводя ее в тепловую, то фазовый сдвиг между током и напряжением приводит к повышенному расходу энергии на электростанции. Отношение активной мощности, потребляемой в нагрузке, и полной мощности, подаваемой на нагрузку по линии электропередач, численно равно cos(φ), где φ – угол фазового сдвига между током и напряжением. С другой стороны, 0% — крайне нежелательный вариант, когда φ=π/2, cos(φ)=0, при этом вся подаваемая мощность переменного тока отражается от реактивной нагрузки и рассеивается в подводящих проводах.

Р — мощность активная,Q — мощность реактивная. Главный инженер ЭнергосбытаА.

Мне тут в акте о разграничении балансовой ответственности МКС прописал Базовый коэффициент реактивной мощности тангенс Фи, который равен 0,2. Это как понимать?

Активный и реактивный токи, протекающие в проводе, складываются в один общий ток, который замеряется амперметром. Отношение активной мощности к полной называется коэффициентом мощности. Для удобства технических расчетов коэффициент мощности выражают через косинус условного угла «фи» (cosφ).

Коэффициент мощности (cos φ) это параметр, характеризующий искажения формы тока, потребляемого от электросети переменного тока. Важный показатель потребителя электроэнергии. Для оценки и расчетов цепей переменного тока используются действующие значения тока и напряжения. Вольтметры и амперметры переменного тока показывают именно действующие значения. Полная мощность в цепях переменного тока равна квадратному корню из суммы квадратов активной и реактивной мощностей. Фазового сдвига нет, cos φ = 1, вся энергия из сети переходит в активную мощность на нагрузке.

Косинус фи (cos φ) — это косинус угла между фазой напряжения и фазой тока. При активной нагрузке фаза напряжения совпадает с фазой тока, φ (между фазами) равен 0 (нулю). Попытаемся вычислить мощность для простоты возьмем максимальное значение напряжения равное 1(100%) в этот момент ток равен 0(нулю) соответственно их произведение, то есть мощность равны 0(нулю). И наоборот когда ток максимальный напряжение равно нулю. Получается что полезная, активная мощность равна 0(нулю). Счетчики активной мощности фиксируют соответственно только активную мощность.

Попробуем популярно объяснить причину такого уважения электриков к тригонометрической функции cos φ. «Косинус-фи» в электроэнергетике еще называют коэффициентом мощности. Численно коэффициент мощности равен косинусу этого фазового сдвига. Источниками реактивной мощности в сети переменного тока являются катушки индуктивности и конденсаторы. Большинство потребителей электрической энергии имеют обмотки на магнитопроводах, т.е. представляют собой индуктивность. Тогда в однофазной цепи cos φ = P / (U х I), где Р, U, I — показания ваттметра, вольтметра и амперметра, соответственно.

В тренде:

• Как Путин обошел Обаму в списке «Форбс»?Если это действительно так, то Путин с легкостью попадает в первую десятку богатейших людей мира по версии журнала Forbes. Этот журнал ежегодно проводит публикацию рейтинга самых богатых […]
• Когда можно съесть банан, а когда нельзяЛучше всего их кушать утром, когда ваш организм так жаден к питательным веществам. Возможно, банан – именно то, чего в этот момент так не хватает организму. Съеденный банан перед сном […]
• Типичные ошибки при приготовлении пломбираЕго разводят в молоке, а после заваривают до густоты. Если в пломбир добавляют ароматизаторы или ягоды и фрукты, то делать это нужно на заключительном этапе приготовления, уже пред тем как […]

Значения коэффициентов реактивной мощности

Технически необходимая степень КРМ в каждой точке сети определяется параметрами линий, соединяющих эту точку с источниками питания. Эти параметры индивидуальны для каждой точки и, следовательно, для каждого потребителя. Однако тарифы на электроэнергию не устанавливаются индивидуально для каждого потребителя, а дифференцируются только по четырем уровням напряжения питания: 110 кВ и выше, 35 кВ, 6-20 кВ и 0,4 кВ.

Дифференциация условий потребления (генерации) реактивной мощности для потребителей, присоединенных к сетям 110 кВ и ниже, в новом документе также осуществлена по четырем группам напряжений сетей, что представляется правильным. Так как затраты на производство и передачу реактивной энергии гораздо меньше аналогичных затрат, обусловленных активной энергией, способы выражения тарифов на реактивную энергию не могут быть «изощреннее» тарифов на активную энергию.

Значение коэффициента реактивной мощности в часы больших суточных нагрузок электрической сети (tg φ) установлены в зависимости от номинального напряжения сети, к которой подключен потребитель:

Напряжение сети, кВ……….   110(154)       35(60)        6-20         0,4

tg φ………………………………….        0,5             0,4               0,4          0,35

Данные значения указывают в договорах с потребителями электрической энергии, присоединенная мощность энергопринимающих устройств которых более 150 кВт (за исключением граждан-потребителей, использующих электрическую энергию для бытового потребления, и приравненных к ним в соответствии с нормативными правовыми актами в области государственного регулирования тарифов групп (категорий) потребителей (покупателей), в том числе многоквартирных домов, садоводческих, огороднических, дачных и прочих некоммерческих объединений граждан).

Значение коэффициента реактивной мощности, генерируемой в часы малых суточных нагрузок электрической сети, устанавливается равным нулю для всех случаев.

Сумма часов, составляющих периоды больших и малых суточных нагрузок, должна быть равна 24 часам и относиться ко всем суткам месяца, за исключением периодов привлечения потребителя к регулированию реактивной мощности. При определении в договоре временных интервалов больших и малых нагрузок необходимо руководствоваться фактическими параметрами режима электрической сети в конкретном энергоузле. Если иное не определено договором, часами больших нагрузок считается период с 7 ч 00 мин до 23 ч 00 мин, а часами малых нагрузок — с 23 ч 00 мин до 7 ч 00 мин местного времени. Временные интервалы, в течение которых потребитель привлекается к регулированию реактивной мощности в часы больших и малых нагрузок, могут быть меньше соответствующих периодов больших и малых суточных нагрузок и относиться только к установленным в договоре суткам месяца.

В случае участия потребителя по соглашению с сетевой организацией в регулировании реактивной мощности в часы больших и/или малых нагрузок электрической сети, в договоре энергоснабжения определяются также диапазоны значений коэффициентов реактивной мощности, устанавливаемые отдельно для часов больших (tg φб) и/или малых (tg φм) нагрузок электрической сети и применяемые в периоды участия потребителя в регулировании реактивной мощности.

При решении задачи установки КУ в сети потребителя суммарная мощность КУ является известной (равной разности между фактическим и заданным потреблением). Необходимо определить наилучший вариант размещения КУ в узлах внутренней сети предприятия с учетом специфики технологического процесса, возможностей установки КУ и желаемых режимов напряжения в узлах. При решении аналогичной задачи для сетевой организации кроме указанных факторов необходимо осуществить экспертную оценку возможных действий потребителя. Если предполагается, что потребитель (или группа потребителей, питающихся от узла) в течение длительного времени не произведет установку КУ в своих сетях, то установка КУ в узле сетевой организации экономически выгодна. В противном случае установленные КУ могут оказаться неиспользуемыми. В обеих задачах необходимо учитывать прогноз изменения реактивных нагрузок.

Для потребителей, присоединенных к сетям напряжением 220 кВ и выше, а также к сетям 110 кВ (154 кВ) в случаях, когда они оказывают существенное влияние на электроэнергетические режимы работы энергосистем, предельное значение коэффициента реактивной мощности определяют на основе расчетов режима работы электрической сети, выполняемых как для нормальной, так и для ремонтной схем сети.

Индивидуальный характер влияния на режим сети крупных потребителей и малая вероятность компенсации изменений их нагрузки другими потребителями приводят к необходимости установления предельно допустимых значений в виде почасового суточного графика, а не в виде средних значений для часов больших и малых нагрузок как для потребителей, присоединенных к сетям 0,4-110 кВ. Это могут быть не обязательно 24 разных значения; в конкретном случае могут быть выделены несколько интервалов в течение суток.

Предельное значение реактивной нагрузки конкретного потребителя может быть определено при последовательном ее увеличении до значения, при котором параметры режима в каком-либо узле сети или в какой-либо линии электропередачи выходят на предельно допустимый уровень. Очевидно, что получение этого значения связано с теми или иными допущениями в отношении нагрузок других потребителей.

Можно рассматривать два предельных порядка утяжеления режимов:

увеличение реактивной мощности только в рассматриваемом узле сети;

одновременное увеличение реактивной мощности, потребляемой во всех узлах сети.

Первый порядок предполагает определение максимальной реактивной мощности, потребляемой в рассматриваемом узле сети, при условии, что потребители во всех остальных узлах не увеличивают своего потребления. Такой расчет приведет к достаточно высоким значениям допускаемого коэффициента реактивной мощности, так как не предполагает одновременного нарушения условий несколькими потребителями. Второй порядок предполагает ситуацию, при которой потребители во всех узлах могут одновременно увеличить потребление. Очевидно, что при первом подходе требования к потребителям окажутся наиболее мягкими, а при втором -наиболее жесткими. Вместе с тем обе описанные ситуации можно считать маловероятными. Необходимо рассчитывать на ситуацию, при которой в ряде узлов нагрузки могут увеличиться одновременно, однако число таких узлов при расчете максимально допустимого потребления реактивной мощности конкретным потребителем должно быть ограничено разумным пределом.

Каждый из узлов сети имеет разную степень влияния на уровень напряжения в других узлах и разный размер «зоны влияния». Поэтому представляется логичным выделение сравнительно небольшой группы «критериальных» узлов, нагрузки которых следует рассматривать как увеличивающиеся с большой вероятностью одновременно с нагрузкой рассматриваемого узла. В остальных узлах реактивные нагрузки следует принимать на уровне их фактических значений, но не более соответствующих tg φ = 0,5.

Каждая сеть имеет свои специфические особенности режимов, поэтому получить строгие математические выражения для установления необходимого числа «критериальных» узлов и тем более их конкретного перечня невозможно. Можно использовать обычно принимаемый в инженерных расчетах критерий практической достоверности, который предполагает возможный выход за обычные условия пяти процентов случайных ситуаций. В этом случае число «критериальных» узлов необходимо ограничить пятью процентами общего числа узлов в сети. Например, для схемы в 300 узлов это составит 15 узлов. Выбор конкретных узлов является прерогативой энергоснабжающей организации.

Превышение установленных в договоре предельных значений коэффициента реактивной мощности оплачивается потребителем в соответствии с повышающим коэффициентом к тарифу. Выход технических параметров режима сети за предельно допустимые значения по определению является недопустимой ситуацией и не может компенсироваться оплатой. Поэтому допустимые значения коэффициента реактивной мощности, включаемые в договор с потребителем, должны рассчитываться из условия сохранения определенного запаса по напряжению и нагрузкам линий электропередачи. При превышении этих значений потребитель выводит режим сети в зону риска, хотя расчетные значения параметров режима еще не достигают предельно допустимых значений. В этой зоне допустимо стимулировать потребителя к нормализации нагрузки экономическими способами.

Предельное значение коэффициента реактивной мощности, потребляемой конкретным потребителем в рассматриваемый час суток, определяют из условия недопущения снижения напряжения ни в одном из узлов электрической сети ниже номинального значения и повышения нагрузки ни одной из линий электропередачи сверх значения, допустимого по условиям устойчивости работы электрической сети.

Предельное значение коэффициента реактивной мощности, генерируемой конкретным потребителем в рассматриваемый час суток, определяют из условия недопущения повышения напряжения ни в одном из узлов электрической сети выше значения, предельно допустимого для электрооборудования, и повышения нагрузки ни одной из линий электропередачи сверх значения, допустимого по условиям устойчивости работы электрической сети.

Для обеспечения указанных условий расчетные значения напряжений в узлах и нагрузок линий электропередачи должны приниматься с учетом коэффициентов запаса. Исходя из экспертных оценок они могут быть установлены на уровнях:

0,3 — для повышения напряжения в узлах от номинального напряжения сети до допустимого для электрооборудования;

0,1 — для нагрузок линий электропередачи по отношению к предельно допустимому значению по условиям устойчивости работы электрической сети.

Предельно допустимые (максимальные) напряжения электрооборудования установлены ГОСТ 721 «Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В» (прил. 8). Значения допустимых напряжений с учетом коэффициента запаса приведены в табл. 7.2.

Таблица 7.2

Предельно допустимое минимальное напряжение в узле сети может быть получено из условия обеспечения допустимых отклонений напряжения в сетях, присоединенных к шинам низкого напряжения трансформаторов. Расчеты показывают, что допустимые отклонения напряжения на этих шинах с учетом стандартных диапазонов РН устройствами РПН обеспечиваются при любом значении напряжения на шинах высокого напряжения в диапазоне от 0 до +10 % от номинального напряжения сети (см. п. 8.4.2). Поэтому предельно допустимое минимальное напряжение в узле сети может быть принято равным номинальному напряжению.

Как следует из изложенного, к потребителям, присоединенным к сетям напряжением 110 кВ (154 кВ), могут предъявляться разные требования в зависимости от того, оказывают они существенное влияние на режимы работы энергосистем или нет. Несмотря на то что однозначно определить понятие существенности влияния трудно, очевидно, что в нормативном документе должен быть указан его количественный критерий. На основе экспертной оценки принято, что потребителя относят к существенно влияющим на режимы сети, если при изменении его реактивной мощности от нуля до значения, соответствующего tg φ = 0,5, изменение напряжения в точке его присоединения превышает   5 %.

 

Косинус фи, тангенс фи — Основы

Передача электрической энергии неизбежно сопровождается потерями. Часть мощности рассеивается при прохождении тока по линии электропередач, проводам и кабелям: любой провод имеет ненулевое активное сопротивление. Часть электрической мощности, пришедшая к потребителю, используется для совершения полезной работы и тепловое рассеяние на нагрузке у потребителя. Но не вся дошедшая до потребителя мощность к нему попадает.  В чем причина, и куда девается остальная электроэнергия?

Причина нерационального использования электроэнергии – характер сопротивления нагрузки. Электрические цепи характеризуются сопротивлением переменному току, и это сопротивление имеет активную и реактивную составляющую. На активном сопротивлении электрическая мощность рассеивается, реактивное сопротивление не рассеивает мощность, но создает фазовый сдвиг между переменным напряжением и током.

В идеале фазовый такой сдвиг должен быть нулевым, тогда использование энергии потребителем максимальное. Но на практике ток несколько отстает от напряжения или опережает его, в зависимости от того, носит ли сопротивление нагрузки емкостной или индуктивный характер.

Почему фазовый сдвиг приводит к потерям электроэнергии?

Если активное сопротивление проводника просто рассеивает электроэнергию, переводя ее в тепловую, то фазовый сдвиг между током и напряжением приводит к повышенному расходу энергии на электростанции.

Процесс, происходящий при подаче переменного тока на нагрузку с реактивной составляющей, можно представить, как частичное отражение электрической волны от нагрузки, возвращение ее в электросеть. Такая отраженная мощность в итоге рассеивается на активном сопротивлении проводов.

Эффективность энергопотребления зависит от соотношения между активной и реактивной составляющими полного сопротивления нагрузки.

Треугольник сопротивлений и электрические потери

Соотношения между активным, реактивным и полным сопротивлениями нагрузки можно наглядно представить в виде треугольника сопротивлений.

 

Мерой реактивного сопротивления является косинус φ, то есть косинус угловой меры фазового сдвига между напряжением и током. Чем больше реактивная составляющая, тем активнее нагрузка «сопротивляется» подаче переменного тока.

Коэффициент мощности и cos(φ)

Отношение активной мощности, потребляемой в нагрузке, и полной мощности, подаваемой на нагрузку по линии электропередач, численно равно cos(φ), где φ – угол фазового сдвига между током и напряжением. Это отношение называется коэффициентом мощности, используется также термин косинус фи.

Коэффициент мощности, теоретически, может меняться от нуля до 1. Это соответствует использованию в нагрузке от 0% поступающей электроэнергии до 100%. При этом стопроцентное потребление мощности соответствует чисто активной нагрузке, φ=0,  cos(φ)=1. С другой стороны, 0% — крайне нежелательный вариант, когда φ=π/2, cos(φ)=0, при этом вся подаваемая мощность переменного тока отражается от реактивной нагрузки и рассеивается в подводящих проводах. На практике коэффициент мощности имеет промежуточное значение; например, φ= π/2, cos(φ)=0,701.

Какой косинус лучше?

Качество электрической нагрузки можно повысить, если скомпенсировать реактивность. Значения косинуса φ оцениваются следующим образом:

• 0.9…1 – отлично
• 0.7…0.9 – хорошо
• 0.5…0,7 – допустимо
• Менее 0,5 – плохо

Тангенс фи – характеристика потерь

Рассмотрев треугольник сопротивлений, можно понять смысл термина «тангенс фи». Это отношение между реактивной и активной составляющими нагрузки. При возрастании доли реактивной составляющей тангенс возрастает, в пределе стремясь к бесконечности. Тангенс угла потерь также используется в электроэнергетике, но более привычным является показатель cos(φ).

Тангенс фи в энергетике: определить коэффициент

Подставляя расчетные величины в формулу (3.4), получаем

кВА.

Выбираем к установке в ТП1 два трансформатора по 1000 кВА каждый. Загрузка трансформаторов в нормальном и послеаварийном режимах по формулам (3.1), (3.2) составляет

Кз=1237(21000) = 0,62, Кз=12371000 = 1,24.

Расчет трансформаторов остальных цеховых ТП с учетом компенсации реактивной мощности на стороне низшего напряжения трансформаторов проводится аналогично, а результаты выбора и расчета рекомендуется привести в таблице 3.2.

Из таблицы 3.2 видно, что при установке в цехе №1 пяти подстанций с двумя трансформаторами мощностью по 1600кВ·А, коэффициенты загрузки получаются в пределах, рекомендуемых инструкцией. Проверим установку в данном цехе четырех подстанций с двумя трансформаторами мощностью по 1600кВ·А. В этом случае, расчетные нагрузки цеха делим на четыре подстанции и тогда нагрузки каждой подстанции равны:

— активная Рр = 7822/4 = 1955,5 кВт;

— реактивная Qр = 6728/4 = 1682 квар.

Таблица 3.2 – Расчет мощности компенсирующих устройств со стороны низшего напряжения трансформаторов и окончательный выбор числа и мощности трансформаторов цеховых ТП

Номер ТП	Расчетные нагрузки		tgφ	Потребная мощность компенс. устр. Qку, квар	Количество и мощность компенс. устр. Qку.ном, квар	Реактивная мощность,пере-даваемая из сети Qс, квар
	Рр, кВт	Qр, квар
ТП1			1,06		2×432 = 864
ТП2			1,09		2×450+2×75=1050
ТП3			1,09		2×450+2×75=1050
ТП4			0,82		2×450 = 900
ТП5	1564,4	1345,6	0,86		2×432 = 864
ТП6	1564,4	1345,6	0,86		2×432 = 864
ТП7	1564,4	1345,6	0,86		2×432 = 864
ТП8	1564,4	1345,6	0,86		2×432 = 864
ТП9	1564,4	1345,6	0,86		2×432 = 864

Продолжение таблицы 3.2

Номер ТП	Полная расчетная нагрузка			Количество трансфор- маторов в ТП	Sт.ном, кВ·А	Кз	Кз.ав
	Рр, кВт	Qр, квар	Sр, кВ·А
ТП1						0,62	1,24
ТП2						0,68	1,36
ТП3						0,68	1,36
ТП4						0,62	1,24
ТП5	1564,4					0,51	1,02
ТП6	1564,4					0,51	1,02
ТП7	1564,4					0,51	1,02
ТП8	1564,4					0,51	1,02
ТП9	1564,4					0,51	1,02

Расчет мощности компенсирующих устройств со стороны низшего напряжения трансформаторов и выбор числа и мощности трансформаторов для данного варианта приведен в таблице 3.3.

Таким образом, в цехе №1 устанавливаем четыре подстанции с двумя трансформаторами мощностью по 1600 кВ·А каждая.

Анализируя величины и размещение электрических нагрузок цехов по территории завода и учитывая категории потребителей по степени бесперебойности питания, рекомендуется выбрать схему для системы внутризаводского электроснабжения. В соответствии с схемы могут быть радиальными, магистральными и смешанными. В данном примере принимается радиально-магистральная схема с резервированием питания.

Таблица 3.3 – Выбор числа и мощности трансформаторов цеховых трансформаторных подстанций в цехе №1

Номер ТП	Расчетные нагрузки		tgφ	Потребная мощность компенс. устр. Qку, квар	Количество и мощность компенс. устр. Qку.ном, квар	Реактивная мощность,пере-даваемая из сети Qс, квар
	Рр, кВт	Qр, квар
ТП5	1955,5		0,86		2×450+2×75=1050
ТП6	1955,5		0,86		2×450+2×75=1050
ТП7	1955,5		0,86		2×450+2×75=1050
ТП8	1955,5		0,86		2×450+2×75=1050

Продолжение таблицы 3.3

Номер ТП	Полная расчетная нагрузка			Кол. транс. в ТП	Sт.ном, кВ·А	Кз	Кз.ав
	Рр, кВт	Qр, квар	Sр, кВ·А
ТП5	1955,5					0,64	1,28
ТП6	1955,5					0,64	1,28
ТП7	1955,5					0,64	1,28
ТП8	1955,5					0,64	1,28

Распределительная сеть напряжением выше 1 кВ по территории комплекса выполняется кабельными линиями, проложенными в траншеях (марки ААБ), а также на конструкциях внутри помещений (марки ААБГ).

Для системы внутризаводского электроснабжения в соответствии с НТП ЭПП-94 распределительную сеть (от пункта приема электроэнергии до распределительных и трансформаторных подстанций) рекомендуется выполнять на напряжении 10 кВ. Применение напряжения 6 кВ в качестве распределительного следует ограничивать. Использование напряжения 6 кВ рационально для предприятий, где устанавливается значительное количество двигателей 6 кВ небольшой мощности (до 500 кВт), суммарной мощностью равной или более 50% общей мощности предприятия, а также в случае реконструкции или расширения действующего производства, ранее запроектированного на напряжение 6 кВ.

Учитывая это, в рассматриваемом примере принимается вариант, в котором электроэнергия распределяется внутри завода на напряжении 10 кВ с установкой дополнительной трансформаторной подстанции с трансформаторами, обеспечивающими питание потребителей электроэнергии напряжением 6 кВ цехов №1 и №5 (рисунок 3.1).

Выбираем мощность трансформаторов дополнительной подстанции ТП9, для которой расчетная активная мощность определяемая потребителями напряжением 6 кВ, равна

Рр’ = Рр’2 + Рр’5 =3728 + 2142 = 5870 кВт;

— расчетная реактивная мощность равна

Qр’ = Qр’ 2 + Qр’5 = 3281 – 1350 = 1931квар.

Естественный коэффициент реактивной мощности на шинах РУ-6 кВ данной ТП9 равен

Таблица определения реактивной мощности конденсаторной установки

Текущий (действующий)		Требуемый (достижимый) cos (φ)
tan (φ)	cos (φ)	0.80	0.82	0.85	0.88	0.90	0.92	0.94	0.96	0.98	1.00
		Коэффициент K
3.18	0.30	2.43	2.48	2.56	2.64	2.70	2.75	2.82	2.89	2.98	3.18
2.96	0.32	2.21	2.26	2.34	2.42	2.48	2.53	2.60	2.67	2.76	2.96
2.77	0.34	2.02	2.07	2.15	2.23	2.28	2.34	2.41	2.48	2.56	2.77
2.59	0.36	1.84	1.89	1.97	2.05	2.10	2.17	2.23	2.30	2.39	2.59
2.43	0.38	1.68	1.73	1.81	1.89	1.95	2.01	2.07	2.14	2.23	2.43
2.29	0.40	1.54	1.59	1.67	1.75	1.81	1.87	1.93	2.00	2.09	2.29
2.16	0.42	1.41	1.46	1.54	1.62	1.68	1.73	1.80	1.87	1.96	2.16
2.04	0.44	1.29	1.34	1.42	1.50	1.56	1.61	1.68	1.75	1.84	2.04
1.93	0.46	1.18	1.23	1.31	1.39	1.45	1.50	1.57	1.64	1.73	1.93
1.83	0.48	1.08	1.13	1.21	1.29	1.34	1.40	1.47	1.54	1.62	1.83
1.73	0.50	0.98	1.03	1.11	1.19	1.25	1.31	1.37	1.45	1.63	1.73
1.64	0.52	0.89	0.94	1.02	1.10	1.16	1.22	1.28	1.35	1.44	1.64
1.56	0.54	0.81	0.86	0.94	1.02	1.07	1.13	1.20	1.27	1.36	1.56
1.48	0.56	0.73	0.78	0.86	0.94	1.00	1.05	1.12	1.19	1.28	1.48
1.40	0.58	0.65	0.70	0.78	0.86	0.92	0.98	1.04	1.11	1.20	1.40
1.33	0.60	0.58	0.63	0.71	0.79	0.85	0.91	0.97	1.04	1.13	1.33
1.30	0.61	0.55	0.60	0.68	0.76	0.81	0.87	0.94	1.01	1.10	1.30
1.27	0.62	0.52	0.57	0.65	0.73	0.78	0.84	0.91	0.99	1.06	1.27
1.23	0.63	0.48	0.53	0.61	0.69	0.75	0.81	0.87	0.94	1.03	1.23
1.20	0.64	0.45	0.50	0.58	0.66	0.72	0.77	0.84	0.91	1.00	1.20
1.17	0.65	0.42	0.47	0.55	0.63	0.68	0.74	0.81	0.88	0.97	1.17
1.14	0.66	0.39	0.44	0.52	0.60	0.65	0.71	0.78	0.85	0.94	1.14
1.11	0.67	0.36	0.41	0.49	0.57	0.63	0.68	0.75	0.82	0.90	1.11
1.08	0.68	0.33	0.38	0.46	0.54	0.59	0.65	0.72	0.79	0.88	1.08
1.05	0.69	0.30	0.35	0.43	0.51	0.56	0.62	0.69	0.76	0.85	1.05
1.02	0.70	0.27	0.32	0.40	0.48	0.54	0.59	0.66	0.73	0.82	1.02
0.99	0.71	0.24	0.29	0.37	0.45	0.51	0.57	0.63	0.70	0.79	0.99
0.96	0.72	0.21	0.26	0.34	0.42	0.48	0.54	0.60	0.67	0.76	0.96
0.94	0.73	0.19	0.24	0.32	0.40	0.45	0.51	0.58	0.65	0.73	0.94
0.91	0.74	0.16	0.21	0.29	0.37	0.42	0.48	0.55	0.62	0.71	0.91
0.88	0.75	0.13	0.18	0.26	0.34	0.40	0.46	0.52	0.59	0.68	0.88
0.86	0.76	0.11	0.16	0.24	0.32	0.37	0.43	0.50	0.57	0.65	0.86
0.83	0.77	0.08	0.13	0.21	0.29	0.34	0.40	0.47	0.54	0.63	0.83
0.80	0.78	0.05	0.10	0.18	0.26	0.32	0.38	0.44	0.51	0.60	0.80
0.78	0.79	0.03	0.08	0.16	0.24	0.29	0.35	0.42	0.49	0.57	0.78
0.75	0.80		0.05	0.13	0.21	0.27	0.32	0.39	0.46	0.55	0.75
0.72	0.81			0.10	0.18	0.24	0.30	0.36	0.43	0.52	0.72
0.70	0.82			0.08	0.16	0.21	0.27	0.34	0.41	0.49	0.70
0.67	0.83			0.05	0.13	0.19	0.25	0.31	0.38	0.47	0.67
0.65	0.84			0.03	0.11	0.16	0.22	0.29	0.36	0.44	0.65
0.62	0.85				0.08	0.14	0.19	0.26	0.33	0.42	0.62
0.59	0.86				0.05	0.11	0.17	0.23	0.30	0.39	0.59
0.57	0.87					0.08	0.14	0.21	0.28	0.36	0.57
0.54	0.88					0.06	0.11	0.18	0.25	0.34	0.54
0.51	0.89					0.03	0.09	0.15	0.22	0.31	0.51
0.48	0.90						0.06	0.12	0.19	0.28	0.48
0.46	0.91						0.03	0.10	0.17	0.25	0.46
0.43	0.92							0.07	0.14	0.22	0.43
0.40	0.93							0.04	0.11	0.19	0.40
0.36	0.94								0.07	0.16	0.36
0.33	0.95									0.13	0.33

КРМ (кВАр) = Pa х (tg(φ1)-tg(φ2))
КРМ (кВАр) = Pa х K =Активная мощность [кВт] х коэффициент K
Pa = S х cos(φ) = Полная мощность х cos (φ)
tg(φ1+φ2) согласуются со значениями cos (φ) в таблице.

ПРИМЕР:
Активная мощность двигателя: P=100 кВт
Действующий cos (φ) 0.60
Требуемый cos (φ) 0.90
Коэффициент K из таблицы 0.85
Необходимая реактивная мощность КРМ (кВАр) = 100 х 0.85=85 кВАр

СОБСТВЕННОЕ ПРОИЗВОДСТВО