Типовая ситуация состоит в том, что при организации новой или при техническом перевооружении старой электроустановки ее тупо комплектуют устройствами компенсации реактивной мощности (УКРМ) по проекту. Они вроде работают, но как часто отмечают энергетики: «что они есть, что их нет». И это хороший случай. Потому как не раз, не два наблюдал я в этих шкафах вздувшиеся до неприличия банки конденсаторов. А это уже просто опасно.
Реактивная мощность
Мощность, мощность… но на практике куда важнее электрический ток, который этой мощностью создается. Так вот потребляемый приемниками переменный ток имеет в своем составе активную (создается соответственно активной мощностью) и реактивную составляющие (за него отвечает реактивная мощность).
Конечно, следовало бы напомнить, что такое электрический ток вообще. А то, помню, что на какой-то лекции для повышения квалификации энергетиков, в ответ на вопрос что это такое, получил напряженное молчание. Но я не буду. Посмотрите уж сами, как эти мелкие проказники электроны издеваются над приютившими их проводниками.
Активная составляющая электрического переменного тока характеризуется тем, что ее фаза совпадает по фазе с напряжением. И это удивительным образом делает ее полезной для процессов преобразования электрической энергии в энергию других видов (механическую, тепловую, химическую, световую). Думаю, если внимательно присмотритесь к картинке, да вспомните пару простейших формул из курса физики, то все станет на свои места… или не встанет, тут как повезет.
Реактивная составляющая же сдвинута на прямой угол по фазе относительно напряжения. Она отвечает за всякие электромагнитные процессы: появление потока энергии в сердечнике трансформатора или, например, в воздушном зазоре двигателя. А потом просто возвращается от нагрузки к источнику энергии.
Отсюда вывод: необходимо генерировать и передавать активную и реактивную мощности, без этого никак. И разговоры про то, что реактивная мощность бесполезная (ну как на картинке из заголовка) не соответствует действительности. Всякая мощность важна, всякая мощность нужна. Впрочем, пить пиво без пены такое себе удовольствие.
Компенсация реактивной мощности
Но когда пены реактивной мощности слишком много, то в этом тоже нет ничего хорошего. Для насыщения требуется больше бокалов полной мощности генератора. А шныряющие туда-сюда реактивные токи негативно сказываются на требованиях к средствам канализации электроэнергии, то бишь толщине проводника… и это только верхушка айсберга. Потому как есть еще потери, которые пропорциональны именно полной мощности.
Для описания физических процессов в цепях переменного тока на самом деле используют специальный математический аппарат (векторное исчисление, функцию комплексной переменной, символьный метод и т. д.), который очень не любят студенты, изучающие электротехнику в различных ее ипостасях. Помню эти бесконечные строки формул при расчетах цепей, где нет-нет, а обязательно накосячишь.
К счастью для решения практических инженерных задач в рамках электроснабжения объектов все упрощено по самое не могу. Что с одной стороны прекрасно, а с другой — инженер теряет понятийную связь между формулой и физической природой явления. Хотя мне могут возразить, что математическое описание вообще абстрактно, само по себе не позволяет понять и простить осознать суть происходящего. Не в курсе электроны про схемы замещения, вектора, углы сдвига фаз между напряжением и током и прочее подобное. Может и так.
Упрощенные формулы представлены выше.
Параметр cos φ (sin φ) или коэффициент мощности (справедливо для линейных цепей) характеризует соотношение активной (реактивной) составляющей переменного тока и значения полного тока. Угол φ — это угол сдвига между напряжением и током. То есть зная коэффициент мощности можно легко узнать, какая на электроприемник уходит часть тока (или мощности) эффективная активная, а какая не очень. Коэффициент мощности производители указывают (по крайней мере должны) для всех устройств, имеющих в своем составе индуктивные и/или емкостные элементы. И только у обычного нагревателя (лампы накаливания, тэна и т. д.) cos φ по умолчанию равен единице (φ = 0).
А вот уже упрощенный (на коленке) расчет нагрузок для проектируемой ТП, который обычно делает проектировщик. Вообще, строго говоря, расчет выполняется должен выполняться по РТМ 36.18.32.4 — 92, а про саму процедуру вычислений, думаю, надо поговорить как-нибудь отдельно (не переключайтесь!). Потому как весь ее цимес в том, чтобы привести теоретические расчетные значения к фактическим с учетом различных коэффициентов, учитывающих совместную работу большого количества электроприемников. Ну а о каком учете данного фактора можно говорить, когда вместо всего электрического многообразия в качестве исходных данных поступает скромный перечень электрошкафов с номинальной мощностью, которая была получена совершенно непонятным образом (как правило, простым суммированием нагрузок, да еще включая запас на всякий пожарный случай).
Иных данных часто и нет. А формальности вроде как должны быть соблюдены. И тогда проектировщик придумывает ищет недостающие сведения в учебной и справочной литературе. Да, да в той самой, где cos φ электродвигателя равен 0,8. Прикол заключается в том, что это не всегда так. Автор в начале своей карьеры лично и болезненно убедился, когда проектировал электроснабжение вентиляторных градирен. После какое-то время требовал полный набор всех исходных данных, его не получал — расстраивался, а потом познал дзен: проблему лучше делегировать подчиненным следует разделять ответственность согласно ролям в проекте, не держа в себе суть и возможные последствия.
Эксперты, конечно, любят «Справочные данные по расчетным коэффициентам электрических нагрузок (шифр М788-1069)» за авторством «ВНИПИ Тяжпромэлектропроекта». Работа проведена колоссальная, сейчас такую никто не повторит, думаю. На основе статистики для разных отраслей промышленности и применяемого оборудования приводятся коэффициенты использования и мощности. Проблема только одна — актуальность 1990 г. Но об этом чуть позже.
У иностранцев коэффициент мощности называют PF (Power Factor), и они его тоже очень не любят указывать в исходных данных. Зато любят выдавать также завышенную величину мощности для комплектного оборудования, которую получают бездумным сложением номинальной мощности всех своих единичных «моторов». На эту тему у меня случалось с ними огромное количество дискуссий, которые в общем-то сводились к следующему: да, фактическое потребление будет меньше, но официально мы об этом не говорили и не скажем.
Вот и получается, что проектируется электроснабжение завода на 10МВт, героически добываются технические условия под такую мощность, затем заказчик вкладывает в энергетику очень много-много денег. А запущенное производство потребляет максимум 4МВт… да и то в январе.
То есть вы теперь понимаете какова актуальность проектных расчетов? Чем выше уровень распределения, тем более условны цифры.
Строго говоря, когда упоминают о компенсации реактивной мощности, то это не совсем точно. Правильнее сказать о коррекции коэффициента мощности — то есть повышении cos φ в определенных участках электроустановки, что достигается в общем-то разными мероприятиями:
- правильным выбором асинхронных двигателей по мощности и типу;
- заменой слабозагруженных асинхронных двигателей на двигатели меньшей мощности;
- заменой незагруженных силовых трансформаторов на трансформаторы меньшей мощности;
- своевременным и качественным ремонтом электрооборудования;
- установкой преобразователей частоты в схемы питания электродвигателей;
- настройкой режимов работы технологического оборудования;
- установкой специальных «компенсирующих» устройств (конденсаторные установки, синхронные двигатели и т. д.).
Смысл в том, чтобы избегать лишней реактивной мощности в принципе, в том числе понимая принцип совместной работы электрооборудования. Но как обычно бывает большинство мероприятий требует высокой квалификации эксплуатирующего персонала, поэтому речь идет в основном об установке специальных «компенсирующих» устройств, то есть УКРМ. Так легче, так проще.
Электроприемник все равно будет потреблять свой реактивный ток (ему надо), но если где-то рядом получить в цепи тоже реактивный ток (с помощью так называемого генератора реактивной мощности), но противоположного знака, то на ближайшем узле эти реактивные токи будут суммироваться и от источника электропитания его, таким образом, потребуется куда меньше. То есть ток от него до этого узла практически не будет отставать от напряжения, а передаваемая от него мощность будет практически полностью полезной активной.
Зачем компенсировать реактивную мощность Потребителю
На бытовом уровне компенсировать реактивную мощность смешно. Но для промышленного Потребителя такой вариант напрашивается.
Однако, если вы разобрались в теории, смотрите сейчас на верхнюю картинку, а еще представляете как устроена схема электроснабжения предприятия, то можете задаться вполне логическим вопросом. Вот поставлю я себе на подстанцию или подстанции УКРМ (а к электроприемникам, если только они не огромные, их не ставят), так в промышленной сети 0,4кВ, где у меня вся медь и зарыта, никакого полезного эффекта у меня не случится. Потери в трансах может уменьшатся, может и нет. А на уровне 10кВ токи вообще маленькие. Установки же надо купить и обслуживать. И вообще, они могут из строя выйти, технически мне все равно нужно везде запас иметь в рамках системы, чтобы работать без них.
Раньше (сейчас не скажу) потребитель даже реактивную мощность не оплачивал, если иное у него конкретно в договоре с энергоснабжающей организацией не прописывалось.
В чем выгода-то?
А выгода, она где-то там. То есть на уровнях электросетевой и следующих организаций.
Я проектировал электроснабжение очень крупного предприятия, потребляющего значительное количество электрической энергии. Предприятие строилось в глубоких дремучих лесах и мимо проходила одна старенькая ЛЭП-110кВ. Так вот за возможность к ней подключиться случились жестокие баталии, длившиеся по совокупности несколько лет. Сначала сетевая компания вообще отказывалась кого-либо присоединять, ссылаясь на отсутствие технической возможности. Но тут подключили административный ресурс, и техническая возможность «как бы» появилась. Сетевая компания предлагала в месте подключения поставить (на уровне 110кВ, однако) пункт компенсации реактивной мощности (ПКРМ). По логике сетевиков с учетом изношенности инфраструктуры и небольшого сечения питающей линии только так можно было обеспечить пропуск требуемой предприятию мощности, но не всей. А еще таким образом обеспечивался приемлемый уровень напряжения потребителям, которые запитывались от ЛЭП дальше (к вопросу о потерях). Сразу скажу, что стоимость ПКРМ такова, что ну его на фиг. Началась позиционная война — различные именитые организации анализировали проблему, выполняли расчеты и доказывали, что все не так плохо. Достаточно немного поднять напряжение на трансформаторах, так сразу появятся резервы передачи мощности в несколько МВт. Сетевая организация такие аргументы не принимала. А все потому, как говорили в кулуарах технические специалисты, может в теории все и так, но поди тронь на подстанциях эти старые регуляторы напряжения, так вообще все посыпаться может, теоретики хреновы. А в курилках добавляли: да на самом деле никому заморачиваться не хочется, просто смиритесь с этим.
В общем энергетикам нужно, чтобы у Потребителя была компенсация и на законодательном уровне для этого все в наличии. Во-первых, есть ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения» и прописано, что за качество отвечает в том числе Потребитель, а во-вторых, в любых новых Технических условиях на электроснабжение об этом будет совершенно недвусмысленно написано. Без акта о выполнении ТУ ввести в эксплуатацию электроустановку не получится.
Как компенсировать реактивную мощность
Чуть ранее я указал, что рабочий проект максимум дает только очень условное представление о величине реактивной мощности, а предусмотренные им УКРМ скорее всего либо завышены, либо занижены, либо вообще подобраны неправильно.
В расчетах мощности с учетом древних справочников присутствует еще один нюанс, они не учитывают всюду устанавливаемые преобразователи частоты.
Один из наших Заказчиков, которому поставляли ТП, как-то вообще словил БИНГО. Ему проектант подобрал УКРМы мало-того не той мощности, так и без учета их особенностей работы. Дело в том, что конденсаторы очень плохо работают в сетях с различной нелинейной нагрузкой (тиристорная техника, в том числе преобразователи частоты или ПЧ, источников бесперебойного питания или ИБП и т. д.). Это тот случай, когда cos φ с физической точки зрения перестает быть равным коэффициентом мощности, а в сети появляются гармоники.
От гармоник конденсаторы начинают плохо себя чувствовать: нагреваются, вздуваются и, наконец, горят. И проблема в том, что на этапе проектирования вы фактическую картину не увидите. Но, конечно, можете частично предохраниться от последствий путем установки УКРМ с фильтрами гармоник (УКРМФ). Стоят они, правда, в сравнении весьма прилично.
Какой выход? Ну я советую своим Заказчикам уже апробированную методику подхода к проблеме, но ни в коем случае не настаиваю. В конце концов у кого из нас мост не падал не горела подстанция.
На этапе проектирования предусмотреть возможность установки УКРМ (УКРМФ) путем устройства автоматического выключателя и обвязки, а потом, когда подадите напряжение и подключите нагрузку, то проведите анализ качества электроэнергии в сети. Возможно, что там ждет сюрприз, автоматчики также накосячили, а просто поставить УКРМФ будет и недостаточно — нужно еще ставить разные активные фильтры по месту.
Схемы включения УКРМ
Сначала о том, что все ли помнят, что тупо посчитать ток по мощности УКРМ будет неправильным? Действующее значение тока будет выше. Именно поэтому на сайтах производителей и в документации на установки часто указывают минимальное сечение кабеля, чтобы не было искушения ошибиться.
Наиболее часто встречающаяся схема включения УКРМ для ТП. Установка включается на сборные шины секции ТП (по возможности ближе к источнику), а внешний трансформатор тока устанавливается на линии ввода той же секции.
Однако если ТП двухсекционная и необходимо работать длительное время с замкнутым секционным выключателем (этот факт должен быть зафиксирован в ТЗ), то схема должна это учитывать. УКРМ включают в каждую секцию, а внешние трансформаторы включаются на ввод и в межсекционной связи. Для согласования применяются суммирующие трансформаторы тока. Все коэффициенты трансформации внешних трансформаторов должны быть одинаковыми.
PS На что еще надо обратить внимание при заказе УКРМ можно почитать тут.
А на этом на сегодня все.
Источники, дополнительная информация:
1. Шеховцев В. П. Расчет и проектирование схем электроснабжения. Методическое пособие для курсового проектирования. — М.: ФОРУМ: ИНФА-М, 2005. — 214 с., ил
2. РТМ 36.18.32.4 — 92 Указания по расчету электрических нагрузок. Инструктивные и информационные материалы по проектированию электроустановок. Утверждены ВНИПИ Тяжпромэлектропроект им. Ф.Б. Якубовского
3. Справочные данные по расчетным коэффициентам электрических нагрузок, шифр М788-1069/ ВНИПИ Тяжпромэлектропроект, 1990 г.
4. Жохов Б. Д. Анализ причин завышения расчетных нагрузок и возможность их коррекции// Промышленная энергетика. 1998
5. Величина tg при расчете выбрана на основании Приказа от 22 февраля 2007 г. N 49 "О ПОРЯДКЕ 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 (ДОГОВОРАХ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ)
Ознакомиться с содержанием журнала.
Уважаемые коллеги, желаю хорошего дня. Подписывайтесь, чтобы иметь возможность обсудить со мной вашу задачу в комментариях. Буду рад лайку, альтернативному мнению или истории по теме статьи.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №1: Оценки, суждения и предложения по рассматриваемым вопросам являются личным мнением автора.
ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ №2: Техническая информация, представленная на сайте, не является официальной и предоставлена только в целях ознакомления. Владелец сайта не несет никакой ответственности за риски, связанные с использованием информации, полученной из данного источника.
Все изображения, если не указано иное, либо выполнены автором, либо взяты из открытых источников.