Доброго времени суток, уважаемый читатель. Без электрической энергии сейчас трудно представить себе жизнь современного человека. Думаю, что ты со мной согласишься. А раз мы пользуемся электроэнергией, значит, мы за неё должны платить.
Для контроля и определения количества потреблённой электроэнергии в быту мы пользуемся электросчётчиками. Поэтому единица измерения потреблённой электроэнергии — киловатт-час уже давно принимается нами как единственно верная.
Однако, проходя рядом с трансформаторными подстанциями, можно увидеть, что мощность на них обозначена — кВА или МВА. Возникает резонный вопрос — почему не кВт? Чем это обусловлено? Вот об этом и пойдёт речь в статье.
Понятие электрической мощности
Величина, показывающая насколько быстро генерируется, передаётся и потребляется электроэнергия за определённое время, называется электрической мощностью.
Отсюда следует вывод — чем большей мощностью обладает электроустановка, тем больше работы она сможет совершить за определённый промежуток времени.
Мгновенная мощность — это произведение мгновенного значения напряжения на мгновенное значение силы тока на любом участке электрической цепи.
Если рассматривать постоянный ток, то в такой цепи, мощность мгновенная совпадает с мощностью средней. В случае переменного тока, такое совпадение также возможно, но если нагрузка является активной. Например, при работе ламп накаливания. Характерной особенностью такой нагрузки является отсутствие сдвига фаз по току и напряжению.
Однако если подключить к цепи переменного тока, например, трансформатор, то характер нагрузки станет индуктивным. А если подключить электронный прибор, то характер нагрузки будем ёмкостным. Значит, ток, будет по фазе опережать напряжение или отставать от него. Из-за того, что ток и напряжение не совпадают по фазе, потребитель получает только часть мощности.
Мощность, которая была передана потребителю за определённое время называется активной мощностью. Её величина зависит от косинуса угла сдвига фаз.
Соответственно, величина мощности, которая за промежуток времени не попала к потребителю, называется реактивной мощностью. Реактивная мощность не расходуется на выполнение работы и зависит от синуса угла сдвига фаз.
Она увеличивает потери на нагрев, так как постоянно циркулируя между источником и приёмником тока, расходуется на создание магнитных полей. Для измерения применяется единица Вар (вольт-ампер реактивный).
Для характеристики приёмника электрического тока применяется коэффициент мощности — косинус фи (cos ϕ). Чем ближе его значение к единице, тем эффективнее работает электрический прибор.
Для наглядности можно привести пример с кружкой пива. Допустим, что само пиво — это активная мощность, а пивная пена — реактивная мощность. ;-)
Как уменьшить реактивную мощность?
Для электрических сетей реактивная мощность является нежелательной, так как она понижает пропускную способность, что приводит к увеличению потерь и изменению уровня напряжения. Это приводит к значительному снижению срока эксплуатации оборудования электросетей и электроприборов потребителей.
Есть два пути решения этой проблемы. Первый, заключается в проведении реконструкции электросетей. Для этого требуется замена проводов на провода с большим сечением и установка оборудования повышенной мощности, что требует значительных инвестиций.
Второй путь заключается в установке специальных устройств для компенсации реактивной мощности. Тут следует рассказать, что реактивная мощность может появляться как при токе, отстающем от напряжения, так и при токе, опережающем напряжение.
Получается, что мы имеем два вида реактивной мощности, причём противоположных по направлению. Соответственно, они способны компенсировать друг друга. Как правило, индуктивная составляющая, является отстающей и преобладает над ёмкостной, опережающей составляющей реактивной мощности в общей нагрузке энергосистем.
Увеличивая ток возбуждения генератора, можно повышать выработку реактивной мощности, а уменьшая ток — снижать выработку. Поэтому на электрических станциях генераторы имеют запас по мощности. Это позволяет им оперативно вырабатывать реактивную мощность в соответствии с характером нагрузки электросетей.
Также для выработки реактивной мощности в энергосистемах применяются батареи статических конденсаторов, синхронные компенсаторы и управляемые шунтирующие реакторы.
Статические конденсаторы
Передача электроэнергии сопряжена с появлением потерь в электрических сетях. Экономически наиболее выгодно компенсировать реактивную мощность вблизи электроустановок потребителей, что позволяет увеличить уровень напряжения и повысить пропускную способность линий электропередачи.
Поэтому батареи статических конденсаторов в основном широко применяются на крупных промышленных предприятиях и питающих их подстанциях.
Это обусловлено следующими преимуществами:
- Отсутствуют вращающиеся части.
- Небольшая масса.
- Простота установки и технического обслуживания.
- При необходимости возможно увеличить или снизить мощность установки.
- Установка возможна как у отдельных приёмников электроэнергии, так и в составе крупных батарей.
- Выход из строя одного конденсатора не сказывается на работе всей батареи.
Синхронные компенсаторы
Также для компенсации реактивной мощности применяются ненагруженные синхронные двигатели, позволяющие регулировать ток возбуждения в широком диапазоне. Такие установки применяются на подстанциях, к которым подключены линии электропередач имеющие большую протяжённость и сверхвысокое напряжение.
Применение синхронных компенсаторов позволяет снизить потери и увеличить пропускную способность, за счёт компенсации потоков реактивной мощности на линиях электропередач, а также при возникновении коротких замыканий в линиях, позволяют поддерживать электродинамическую стойкость оборудования электростанций.
Синхронный компенсатор может выполнять в электрической сети, при необходимости, роль ёмкости или индуктивности, выступая как источник или как потребитель реактивной энергии. Это возможно при работе в режимах недовозбуждения или перевозбуждения.
Шунтирующие реакторы
Для управления режимами работы электрических сетей, обладающих значительной зарядной мощностью и поддержания уровня напряжения в нужном диапазоне как при малых, так и при значительных нагрузках применяются управляемые шунтирующие реакторы (УШР).
Также УШР устанавливаются на электрических подстанциях вместе с батареями статических конденсаторов, что позволяет значительно повысить эффективность использования.
Конструктивно управляемый реактор представляет собой двухобмоточный трансформатор, имеющим расщеплённый магнитопровод. Одна обмотка является сетевой и подключается к сети питания, а вторая обмотка служит для управления и подключена к источнику постоянного тока. Обмотки подключены параллельно и навстречу. Между ними нет прямой электромагнитной связи.
Сетевая обмотка образует переменный магнитный поток, имеющий промышленную частоту. Управляющая обмотка образует регулируемый постоянный магнитный поток, который может смещать переменный магнитный поток в область насыщения стали. Таким образом, изменяется индуктивное сопротивление реактора и величина тока в сетевой обмотке.
Заключение
Привычная нам величина для определения мощности бытовых электрических приборов — Ватт, отражает только её активную составляющую. Полное значение мощности включает в себя как активную, так и реактивную составляющую. Поэтому мощность силовых трансформаторов на подстанциях измеряется в вольт-амперах (ВА).
Реактивная мощность приводит к понижению уровня напряжения у потребителей и увеличению потерь электроэнергии. Постоянно циркулируя между источником переменного тока и потребителем, она увеличивает нагрев проводников и снижает срок службы электроприборов.
Для компенсации реактивной мощности применяются статические конденсаторы, синхронные компенсаторы и управляемые шунтирующие реакторы. Применение таких электроустановок позволяет повысить пропускную способность электрических сетей без необходимости замены проводов.