ГЛАВА ПЯТАЯ
ВЫБОР МОЩНОСТЕЙ КОНДЕНСАТОРНЫХ УСТАНОВОК И ИХ РАЗМЕЩЕНИЕ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
- 1. ЭФФЕКТ ОТ ПОВЫШЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА МОЩНОСТИ
Общее описание процессов в электрической системе при повышении коэффициента мощности
Рис. 5-1. Схема и векторная диаграмма цепи, в которой коэффициент мощности повышен посредством конденсаторов от 0,6 до 0,9.
Применение конденсаторов для повышения коэффициента мощности основано на явлениях в цепи переменного тока при параллельном соединении индуктивного и емкостного элементов (рис. 5-1). Как известно, в цепи с индуктивностью ток отстает от напряжения на зажимах (разность фаз φ>0), а в цепи с емкостью ток опережает напряжение (φ<0). При параллельном соединении индуктивности и емкости ток I2 в не разветвленной части цепи представляет собой геометрическую сумму токов 11 и 1с в обеих ветвях. При правильном выборе емкости ток 12 будет меньше тока Ц, а коэффициент мощности cos φ2 в не разветвленной части цепи будет выше, чем коэффициент мощности cos φ2 в ветви с индуктивностью. Таким образом, присоединение правильно выбранной емкости параллельно индуктивности уменьшает ток в не разветвленной части цепи, т. е. от источника до точки присоединения емкости, и повышает коэффициент мощности в ней.
Явления при повышении коэффициента мощности посредством конденсаторов можно представить также несколько иначе, пользуясь понятием реактивной мощности. Как известно, элементы электрических систем, в которых ток отстает от приложенного напряжения на зажимах, принято считать приемниками (потребителями) реактивной мощности и энергии, а элементы, в которых ток опережает приложенное напряжение, — источниками (генераторами) реактивной мощности и энергии (Л. 5-2). К первым принадлежат, например, асинхронные машины (двигатели и генераторы) и трансформаторы. Ко вторым относятся перевозбужденные синхронные машины всех видов и конденсаторы.
Из двух существующих терминов: «источник реактивной мощности» и «источник реактивной энергии» в дальнейшем изложении применяется только первый как более распространенный. B то же время необходимо отметить, что второй термин более точен, так как в электроустановках вырабатывается не мощность, а энергия, мощность же характеризует интенсивность этого процесса (Л. 5-2). Кроме того, второй термин аналогичен общепринятому термину «источник электрической энергии». Подобные же соображения относятся к термину «приемник реактивной энергии».
Исходя из понятий об источниках и приемниках реактивной мощности, можно рассматривать повышение коэффициента мощности посредством конденсаторов как присоединение источника реактивной мощности параллельно ее приемнику. После присоединения конденсаторов приемник получает реактивную мощность полностью или частично от них, а не от генераторов электростанции, питающей активной мощностью данную точку сети. Потребление реактивной мощности электроустановкой от электростанции уменьшается и, следовательно, уменьшаются реактивные нагрузки на участке сети от точки присоединения конденсаторов до электростанции. Отсюда происходит термин «компенсация реактивных нагрузок».
Пользуясь теми же понятиями, можно вообще рассматривать повышение коэффициента мощности, кроме повышения естественного коэффициента мощности электроприемников, как выбор (наиболее рационального способа питания установок реактивной мощностью от различных ее источников. Краткое сравнение различных источников реактивной мощности, применяемых в современных электрических системах, приведено в § 5-2.
Установка силовых конденсаторов, строго говоря, несколько изменяет и активные нагрузки элементов сети, так как в результате ее, с одной стороны, уменьшаются потери активной мощности в элементах сети вследствие уменьшения их реактивных нагрузок и, с другой стороны, добавляются потери активной мощности в самих конденсаторах (§ 2-7). Однако при расчете эффекта в элементах сети от повышения коэффициента мощности можно пренебречь изменением активных нагрузок элементов и считать, что установка конденсаторов изменяет только реактивные нагрузки. Как видно из приведенных ниже выкладок, это допущение существенно упрощает расчет эффекта от повышения коэффициента мощности.
Как известно, линейный ток I в трехфазной цепи при симметрии системы напряжений и системы токов равен: 
где Р — передаваемая активная мощность, квт·,
U — линейное напряжение, кВ.
Из этой формулы видно, что при постоянстве активной мощности Р и напряжения U ток в цепи обратно пропорционален коэффициенту мощности. Поскольку потери мощности в цепи пропорциональны квадрату тока, повышение коэффициента мощности уменьшает потери мощности и энергии в элементах электрической системы (в линиях, трансформаторах и др.) обратно пропорционально квадрату коэффициента мощности.
Другим следствием повышения коэффициента мощности является уменьшение потерь напряжения в тех же элементах электрической системы и, следовательно, повышение уровня напряжения в сети.
Наконец, повышение коэффициента мощности позволяет повысить активную нагрузку Р линий, трансформаторов и генераторов без повышения их полной (кажущейся) нагрузки S. Если до этого линия или трансформатор работали уже на пределе допустимой нагрузки, то возможность дальнейшего повышения активной нагрузки без замены линии или трансформатора бывает иногда особенно ценной при эксплуатации электроустановок. Повышение активной нагрузки генератора при повышении коэффициента мощности возможно только при том условии, что может быть допущено увеличение нагрузки первичного двигателя, например паровой или гидравлической турбины.
Ниже приведены выражения для расчета перечисленных здесь трех видов эффекта от повышения коэффициента мощности. Они действительны независимо от того, осуществляется ли повышение коэффициента мощности путем установки конденсаторов или другими способами, лишь бы только можно было считать, что изменение реактивных нагрузок элементов системы не сопровождается изменением их активных нагрузок.
