Большинство электроприемников (двигатели, электромагнитные устройства, осветительное оборудование и др.), а также средства преобразования электроэнергии (трансформаторы, различные типы преобразователей), в силу своих физических свойств требуют для работы кроме активной энергии, однонаправлено поступающей из сети в электроприемник, некоторой реактивной мощности (РМ), которая в течение половины периода основной частоты сети направлена в сторону электроприемника, а в другую половину периода - в обратную сторону. Несмотря на то, что на выработку РМ, активная мощность, а следовательно, и топливо непосредственно не расходуется, ее передача по сети вызывает затраты активной энергии, которые покрываются активной энергией генераторов (за счет дополнительного расхода топлива). Кроме того, передача РМ дополнительно загружает электрические сети и установленное в них оборудование (в первую очередь силовые трансформаторы), отнимая некоторую часть их пропускной способности. Например, если предприятие потребляет 4 единицы активной энергии и генерирует 3 единицы реактивной энергии, сеть оказывается загруженной на 5 единиц полной мощности, а потери в ней возрастают с величины пропорциональной 42 = 16 единицам, до величины, пропорциональной 42+ 32 = 25 единицам. В результате сеть загружается на 25% больше, а потери в ней становятся на 56% больше по сравнению с режимом передачи только активной энергии. В то же время, реактивная энергия может производиться непосредственно на месте потребления. Подобная практика широко распространена во всем мире и известна под термином "компенсация реактивной мощности" (КРМ) - одного из наиболее эффективных средств обеспечения рационального использования электроэнергии. Так, по данным VDEW (Association of German Power Supply Companies), в распределительных электросетях Германии, благодаря КРМ (до средневзвешенного значения cosφ=0,9), в 1999 году было сэкономлено порядка 9 млрд.кВт·ч активной энергии, что составило более 20% от суммарного (36,4 млрд.кВт·ч) объема транзитных потерь.
Таким образом, уменьшение потерь активной энергии, обусловленных перетоками РМ, является одним из основных энергосберегающих мероприятий для системы электроснабжения, существенно влияющим на уровень технологических транспортных потерь распределительных сетей.
В общем случае, в энергосистемах для КРМ применяются синхронные компенсаторы и электродвигатели, а так же конденсаторные установки (КУ).
Синхронные компенсаторы могут работать в режиме генерирования (режим возбуждения) и в ограниченном диапазоне потребления РМ (недовозбуждение). Большие единичные мощности (МВ·А) и худшие по сравнению с КУ технико-экономические показатели, особенно в диапазоне небольших (до 10 МВ·А) мощностей компенсации, практически исключают использование в сетях подавляющего числа предприятий синхронных компенсаторов.
Синхронные электродвигатели (СД) в режиме перевозбуждения также способны генерировать РМ, величина которой, определяется загрузкой СД по активной мощности. Как показывают исследования, учет зависимости стоимости годовых потерь электроэнергии, обусловленной генерацией РМ и влияние на компенсационную мощность загрузки СД, делает использование для КРМ низковольтных СД любой мощности, а также высоковольтных СД мощностью до 1600 кВт не экономичным.
В тоже время, поскольку системы КРМ для снижения потерь, вызываемых перетоком РМ, необходимо располагать как можно ближе к нагрузке, КУ являются наиболее распространенным средством КРМ именно в промышленных системах электроснабжения. На сегодняшний день в сетях отечественных потребителей для КРМ установлено порядка 30 млн.квар конденсаторов, из которых 18-20 млн.квар включаются и отключаются вручную. При этом доля низковольтных (до 1 кВ) конденсаторов составляет 75-80% от общего объема.
Такое широкое применение КУ, как для индивидуальной, так и для групповой компенсации, объясняется их преимуществами по сравнению с другими существующими способами КРМ: небольшие, практически постоянные в зоне номинальной температуры окружающей среды, удельные потери активной мощности конденсаторов, не превышающие 0,5 Вт на 1 квар компенсационной мощности, т.е. не более 0,5% (для сравнения: в синхронных компенсаторах это значение достигает 10% номинальной мощности компенсатора, а в СД, работающих в режиме перевозбуждения - до 7%). Как отмечено, использование в качестве компенсирующих устройств СД может привести к отрицательному эффекту - затраты активной энергии на компенсацию могут превысить экономию от снижения затрат на реактивную энергию ; отсутствие вращающихся частей; простота монтажа и эксплуатации; относительно невысокие капиталовложения; большой диапазон подбора требуемой мощности; возможность установки в любых точках электросети, бесшумность работы и т.д. Кроме того, в отличие от компенсаторов и синхронных двигателей, КРМ с помощью конденсаторов позволяет расширить функциональные возможности устройств компенсации. Так фильтрокомпенсирующие КУ (ФКУ) одновременно осуществляют КРМ и частичное подавление присутствующих в компенсируемой сети гармоник, искажающих синусоидальность напряжения, а симметрирующие установки на базе конденсаторных батарей с различными по емкости плечами, при соответствующем конструктивном исполнении, позволяют производить одновременно КРМ и симметрирование нагрузки сети.
В общем случае снижение суммарных затрат на оплату электроэнергии зависит от уровня КРМ и величины тарифа.
С помощью КУ возможны следующие виды компенсации:
Индивидуальная (нерегулируемая) - КУ размещаются непосредственно у электроприемников и коммутируются одновременно с ними. Предпочтительна при компенсации единичных, постоянно присоединенных в течение длительного времени мощностей более 20 кВт. Недостатки данного вида КРМ - зависимость времени подключения КУ от времени включения электроприемников и необходимость согласования величины емкости КУ с индуктивностью компенсируемого электроприемника для предотвращения возникновения резонансных перенапряжений или применения специальных схем подключения (переключения со "звезды" на "треугольник", подразумевающее параллельное подключение к обмоткам двигателя трех однофазных конденсаторов).
Групповая (также нерегулируемая). Применяется при КРМ нескольких индуктивных нагрузок, присоединенных к одному распределительному устройству с общей КУ. Увеличение коэффициента одновременности включения нагрузки снижает мощность и повышает эффективность работы КУ, которая может устанавливаться на стороне 0,4 кВ или 20-6 кВ. Недостатки - раздельная коммутация КУ и неполная разгрузка распределительных сетей предприятия от РМ.
Централизованная (как правило, регулируемая). Для узлов нагрузки с широким диапазоном изменения потребления РМ. Регулирование мощности КУ может осуществляться в функции реактивного тока нагрузки, но для этого КУ должна быть оборудована специальным автоматическим регулятором, а ее полная компенсационная мощность (равная РМ установленных конденсаторов) разделена на отдельно коммутируемые ступени. Такие комплектные КУ называются автоматизированными (АКУ). АКУ производят КРМ в соответствии с ее фактическим потреблением. Современные автоматические микропроцессорные регуляторы РМ западноевропейских производителей (в первую очередь Германии, Италии, Чехии, Финляндии, Франции) по надежности работы аналогичны широко известным потребителям маркам телевизоров "Sony" и фотоаппаратов "Kodak". Кроме управления ступенями КУ, автоматические регуляторы РМ позволяют производить измерение параметров качества электроэнергии компенсируемой сети с выводом результатов на жидкокристаллический дисплей регулятора (у большинства типов автоматических регуляторов, например "Prophi", BR6000, предусмотрена также опция передачи через интерфейс результатов измерения в память компьютера).
Комплектные КУ изготавливаются из отдельных, расположенных в металлических шкафах, силовых компенсационных модулей, конструкция которых обеспечивает взаимозаменяемость идентичных элементов установки. Сборка комплектных КУ производится на предприятии-изготовителе, а на месте их размещения - только монтаж и подключение шкафов. КУ небольшой единичной мощности выпускаются в настенном исполнении. Размещать КУ лучше всего вблизи распределительного щита, т.к. в этом случае упрощается их присоединение. При соблюдении требований ПУЭ комплектные КУ можно устанавливать непосредственно в производственных помещениях.
Отметим, что исполнение конденсаторов (в русскоязычной терминологии конденсаторы для КРМ называются косинусными) во многом определяет надежность работы КУ, поскольку именно они являются элементом, обеспечивающим КРМ. Поэтому при заказе КУ следует в первую очередь обращать внимание на тип и марку изготовителя применяемых косинусных конденсаторов (КК). Современные низковольтные КК имеют преимущественно металлопленочную структуру обкладок - напыление слоя металлизации (однородного, чистотой до 99%, алюминия), толщиной около десяти нанометров, на одну из сторон полимерной (полипропиленовой) пленки (тип МКР) или двойное - двухсторонняя металлизация конденсаторной бумаги, с последующей пропиткой минеральным маслом и прокладкой из полимерной пленки (тип MKV). Подобное исполнение диэлектрической системы, позволяет добиться эффекта самовосстанавления работостособности конденсатора при локальных пробоях диэлектрика. Кроме того, конструкция современных КК предусматривает "сухое" (инертный газ) или нетоксичное кампаудное заполнение объема корпуса и наличие встроенного предохранителя от превышения избыточного внутреннего давления (разрыва корпуса). При этом надежность работы КК будет полностью определяться, как качеством исходного материала (например, в конденсаторах применяются специальные конденсаторные полимерные пленки имеющие повышенные, относительно обычных пленок, допуски на отклонение толщины), так и технологией их изготовления. Например, крупный производитель низковольтных КК - компания Epcos AG одна из немногих мировых производителей применяющих концентрическую (требующую поддержки высокой точности натяжения пленки) намотку секций трехфазных КК на центральный стержень, а также запатентованную Epcos AG технологию МКК, одновременно предусматривающую характерную для МКР-технологии упрочнение выводов и равномерное смещение витков при намотке секций, с расширением контактной поверхности выводов за счет сочетания ровного и волнового среза кромок пленки. Поэтому большинство типов КК производства Epcos AG [8] имеют повышенное, (относительно регламентируемого стандартом IEC 60831 (ГОСТом 1282-88), как 30% от Iном. КК), значение максимально допустимой токовой перегрузки - Iмакс.доп.. Например, для КК серии "PhiCap" и "PhaseCap" Iмакс.доп. = 1,5×Iном., а для серии MKV - Iмакс.доп. = 1,8×Iном. Этим обеспечивает увеличение допустимой тепловой нагрузки КК (более подробную информацию о технических параметрах данных серий КК можно получить в разделе "Косинусные (фазные) конденсаторы.
Учитывая происходящее в настоящее время изменение характера электропотребления, особенно в электросетях низкого (до 1 кВ) напряжения, обусловленное резким ростом мощности нелинейной (различного вида преобразователи, регулируемые выпрямители, блоки питания компьютеров и офисного оборудования), а также однофазной нагрузки, перед заказом КУ следует произвести комплексное измерение параметров качества электроэнергии в узлах предполагаемого подключения установок с помощью специального анализатора качества электроэнергии, например переносного прибора MRG 503(F) производства Janitza, автоматически фиксирующего измеряемые параметры сети, регламентируемые ГОСТ 13109-97 "Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения".
Если в результате измерения будет зафиксирован повышенный (практически достигающий половины допустимого значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения - ku, одного из показателей качества электроэнергии согласно ГОСТ 13109-97), уровень гармонических искажений, для КРМ нужно применять ФКУ, которые позволят в первую очередь избежать выхода из строя КК, вследствии протекания через них высокочастотных гармоник, а также оптимизировать загрузку силовых трансформаторов, за счет частичного снижения уровня присутствующих в сети гармоник. Согласно рекомендации VDEW, ФКУ целесообразно использовать при доле нелинейных электроприемников (включая преобразователи частоты) в присоединенной мощности нагрузки более 15-20% [7]. До этого значения КРМ осуществляется обычными КУ, а свыше 50% необходимо устанавливать сетевые фильтры настроенные на фиксированные частоты гармоник (как правило, 5-ой, 7-ой, 11-ой, 13-ой).
ООО «Электроконтроль» по предварительному заказу, выпускает ФКУ, в том числе и автоматизированные (оснащенные автоматическим регулятором РМ). Причем в этих установках предусмотрен контроль температуры внутри шкафа, т.к. выделение тепла от фильтрующих дросселей на порядок выше, чем у конденсаторов, эквивалентной РМ и, при принудительная вентиляция внутреннего пространства шкафа. Это позволяет устанавливать ФКУ в производственных помещениях, температура в которых достигает значения +40°C. Как было указано выше, в ФКУ предпочтительно устанавливать КК с повышенным значением токовой перегрузки.
ООО "ЭЛЕКТРОКОНТРОЛЬ" продолжительное время занимается производством низковольтных КУ для КРМ. С образцами нашей продукции можно ознакомиться на специализированных выставках электротехнического оборудования, в том числе региональных, постоянным участником которых является ООО "ЭЛЕКТРОКОНТРОЛЬ".