В современных электрических системах источниками реактивной мощности служат перевозбужденные синхронные машины (генераторы, двигатели и компенсаторы), конденсаторные установки и (при определенных условиях) электрические линии. Эти виды источников реактивной мощности, кроме линий, можно подразделить на следующие две группы:
- совмещенные источники реактивной мощности, основным назначением которых является или выработка активной энергии (синхронные генераторы), или привод механизмов (синхронные двигатели); к этой же группе можно отнести синхронизированные асинхронные двигатели, работающие с опережающим (емкостным) углом сдвига фаз;
- компенсирующие устройства или отдельные источники реактивной мощности (синхронные компенсаторы и силовые конденсаторы), единственным назначением которых является выработка реактивной энергии, а для синхронных компенсаторов — и потребление ее в периоды работы в недовозбужденном режиме.
Воздушные электрические линии характеризуются в числе прочих параметров индуктивностью проводов и емкостью между проводами и между ними и землей. То же относится и к кабельным линиям, где роль проводов играют жилы кабеля. Индуктивный элемент является приемником реактивной мощности, а емкостный — источником ее, и потому одна и та же линия в зависимости от нагрузки может быть в конечном счете то приемником, то источником реактивной мощности. При холостом режиме любая линия является источником реактивной мощности. Воздушные линии 110 кВ генерируют в этом режиме около 30 кВАр на 1 км линии, а линии 220 кВ — около 120 кВАр на 1 км.
Так как реактивная мощность линий не регулируется, а включение и отключение их производится независимо от потребности в вырабатываемой ими реактивной энергии, то электрические линии в дальнейшем не рассматриваются как источники реактивной мощности.
При исчислении стоимости реактивной энергии, вырабатываемой отдельными источниками ее, приходится учитывать все капиталовложения в установку и все расходы по ее эксплуатации, в то время как в случае совмещенных источников эта стоимость определяется только дополнительными капиталовложениями и дополнительными расходами, вызванными увеличением полной (кажущейся) мощности установки сравнительно с мощностью при cos φ= 1.
Эти обстоятельства являются причиной более высокой экономичности совмещенных источников реактивной мощности сравнительно с синхронными компенсаторами. Что касается силовых конденсаторов, то по стоимости вырабатываемой ими реактивной энергии они находятся примерно на одном уровне с совмещенными источниками реактивной мощности.
Преобладающая часть всей реактивной энергии, потребляемой в современных электрических системах, вырабатывается синхронными генераторами районных электростанций. Номинальный коэффициент мощности их по большей части бывает выше естественного коэффициента мощности нагрузок на шинах электростанций. Поэтому располагаемая реактивная мощность синхронных генераторов, как правило, бывает недостаточной для покрытия всех реактивных нагрузок абонентов и потерь реактивной мощности в сетях, что делает необходимой установку дополнительных источников реактивной мощности.
Несмотря на низкую стоимость выработки реактивной энергии синхронными генераторами, стоимость передачи ее по электрической системе может настолько повысить стоимость ее у мест потребления, что установка новых источников реактивной мощности вблизи мест потребления может оказаться экономически целесообразной даже при наличии свободной реактивной мощности синхронных генераторов. Дальность передачи реактивной энергии синхронных генераторов по системе может ограничиваться и не экономическими, а техническими соображениями, например требованиями в отношении регулирования напряжения в системе.
Синхронные двигатели устанавливаются обычно вблизи приемников реактивной мощности, и в этом заключается одно из их преимуществ как источников реактивной мощности сравнительно с другими видами синхронных машин. Однако возможность применения синхронных двигателей определяется, с одной стороны, требованиями, предъявляемыми к двигателю механизмом, и, с другой стороны, техническими данными синхронных двигателей, выпускаемых заводами.
В связи с этим в некоторых отраслях промышленности, например в химической, металлургической и цементной, установленная мощность синхронных двигателей значительна и роль их как источников реактивной мощности существенна. В ряде других отраслей промышленности, например в машиностроительной и в большинстве отраслей легкой промышленности, возможности применения синхронных двигателей весьма ограничены.
Установка синхронных двигателей повышенной номинальной мощности сравнительно с мощностью, требуемой механизмом, позволяет повысить их располагаемую реактивную мощность. Однако такое решение обыкновенно бывает менее экономичным сравнительно с установкой силовых конденсаторов вследствие увеличения в синхронном двигателе потерь активной мощности на 1 кВАр сравнительно с потерями при номинальном коэффициенте мощности.
Синхронизированные асинхронные двигатели имеют коэффициент мощности, близкий к единице (индуктивный или даже емкостный), но по другим показателям уступают синхронным двигателям. Кроме того, синхронизация асинхронных двигателей осуществима только для небольшой части установленных двигателей, и потому она только в редких случаях может существенно повысить коэффициент мощности электроустановки.
Таким образом, возможности в отношении отдачи реактивной мощности совмещенными источниками ее всегда более или менее ограничены, и неограниченные возможности в отношении повышения коэффициента мощности представляются только установкой компенсирующих устройств, т. е. силовых конденсаторов и синхронных компенсаторов. Первые имеют следующие преимущества сравнительно со вторыми:
- меньшие удельные потери активной мощности сравнительно с синхронными компенсаторами той же номинальной мощности; так, например, удельные потери в синхронных компенсаторах 6 300 В согласно ГОСТ 609-54 составляют 32 вт/кВАр при номинальной мощности компенсатора 5 000 ква и 20 вт/кВАр при мощности 15 000 ква, в то время как потери в конденсаторных установках того же напряжения не превышают 3 вт/кВАр независимо от мощности установки (§ 2-7);
- постоянство удельных потерь при регулировании мощности батареи; в синхронных компенсаторах, напротив, удельные потери при регулировании увеличиваются по мере уменьшения отдаваемой реактивной мощности, что делает еще более значительной разницу между удельными потерями в конденсаторных установках и в компенсаторах;
- возможность «дробления» и децентрализации конденсаторных установок без значительного ухудшения их удельных технико-экономических показателей, т. е. возможность почти неограниченного приближения выработки реактивной энергии к местам ее потребления;
- возможность постепенного увеличения мощности конденсаторных батарей по мере роста реактивных нагрузок, т. е. возможность более полного использования установленной мощности;
- сравнительно малый вес, отсутствие, движущихся частей и необходимости в массивных фундаментах;
- быстрота монтажа и перемещения из одной точки сети в другую;
- простота эксплуатации.
При технико-экономическом сравнении силовых конденсаторов с синхронными компенсаторами особенно важны первые три фактора, делающие в случае конденсаторов меньшими расходы как по выработке реактивной энергии, так и по передаче ее к местам потребления.
Недостатками силовых конденсаторов сравнительно с синхронными компенсаторами являются:
- возможность только ступенчатого, но не плавного регулирования мощности конденсаторных батарей и сравнительная сложность регулирования;
- невозможность использования конденсаторов при регулировании напряжения в качестве не источников, а потребителей реактивной мощности;
- невыгодная зависимость мощности конденсаторов от напряжения на зажимах: при эксплуатационных колебаниях напряжения мощность конденсатора изменяется пропорционально квадрату напряжения, в то время как было бы желательным увеличение мощности при понижении напряжения; существующая невыгодная зависимость может приводить к нарушению устойчивости электрической системы даже при небольших снижениях напряжения в ней, если только батарея не снабжена форсировкой мощности (§ 8-4) [Л. 5-7 и Л. 18].
Однако эти недостатки не имеют решающего значения и не препятствуют широкому распространению силовых конденсаторов. Технические и экономические преимущества современных конденсаторных установок делают выгодным применение их как источников реактивной мощности не только на промышленных предприятиях, но и в районных сетях взамен синхронных компенсаторов. Преимущества конденсаторных установок отражены в «Руководящих указаниях по повышению коэффициента мощности», допускающих установку синхронных компенсаторов у потребителей электроэнергии только в тех случаях, когда необходимая мощность компенсирующего устройства превышает 10 000 кВАр [Л. 26].
Таким образом, вопрос о применении синхронных компенсаторов может рассматриваться только для крупных районных или промышленных подстанций при наличии технических соображений, говорящих в пользу установки синхронных машин, например требований в отношении регулирования напряжения, устойчивости параллельной работы и т. п. Необходимо, однако, иметь в виду, что регулирование напряжения при помощи компенсирующего устройства, т. е. путем изменения реактивных нагрузок системы, экономично лишь при том условии, что оно осуществляется в сторону повышения коэффициента мощности, т. е. уменьшения реактивных нагрузок. Работа синхронных компенсаторов в недовозбужденном режиме, напротив, неэкономична, если она ведет к увеличению реактивных нагрузок системы и, следовательно, к увеличению потерь энергии.
Поэтому наиболее экономичным методом уменьшения потерь и регулирования напряжения в системе является одновременное применение регулируемых конденсаторных батарей и трансформаторов с регулированием напряжения под нагрузкой. Первые позволяют сводить к минимуму потери энергии в системе и притом с минимальными потерями в самом компенсирующем устройстве, а вторые поддерживают постоянным напряжение у потребителей.
В некоторых странах применяется установка на одной и той же районной подстанции регулируемой конденсаторной батареи и реактора, присоединенного параллельно батарее и реактивным нагрузкам (шунтирующего реактора). В зависимости от потребности электрической системы в реактивной мощности работает то конденсаторная батарея, отдавая реактивную энергию в сеть, то шунтирующий реактор, потребляя реактивную энергию. Такая комбинированная установка заменяет синхронный компенсатор, работающий то в перевозбужденном режиме, то в недовозбужденном режиме. В отношении удобства регулирования реактивной мощности она уступает синхронному компенсатору.
На одной зарубежной подстанции, с переменной реактивной нагрузкой была применена интересная схема параллельной работы конденсаторной батареи и синхронного компенсатора. К сборным шинам 24 кВ подстанции были присоединены конденсаторная батарея того же напряжения мощностью 10 000 кВАр и через трансформатор 24/13,8 кВ — синхронный компенсатор 13,8 кВ, 15 000 ква. Основная, постоянная часть реактивной нагрузки покрывалась нерегулируемой конденсаторной батареей, а переменная часть—синхронным компенсатором, работавшим с автоматическим регулированием его реактивной мощности.
