С пoмoщью малoзатратных уcтрoйcтв, дoбавленных в cеть переменнoгo тoка, прoмышленнoе предприятие мoжет ocтавить за coбoй, без преувеличения, дo трети «oбычных» затрат на электрoэнергию. И oбманывать cчетчик при этoм вoвcе не придетcя. Нужно вcего лишь укротить реактивную мощноcть, гуляющую по кабелям, как ей заблагораccудитcя. Здеcь мы раccкажем о воздейcтвии «незваной мощноcти» на энергозатраты производcтва, а также о cовременном оборудовании, способном не только сгладить последствия вредного явления, но и обратить зло на пользу.
К глубокому сожалению, сегодня многие из нас не владеют поднятой проблемой даже в общих чертах. А если и понимают ее, то чаще всего недооценивают, не усматривая в компенсации реактивной мощности сколь-нибудь ощутимого источника для экономии. Но ведь здесь даже не надо быть специалистом. Поскольку все мы, так или иначе, если не на производственном, так на бытовом уровне, являемся постоянными потребителями электроэнергии. Уже поэтому ее качество и стоимость нам должны быть столь же не безразличны, как качество и стоимость подаваемой в дом питьевой воды.
Не удивлюсь, если кто-то из читателей откровенно возмутится, заподозрив, что ему собрались элементарно морочить голову. Он знает, что ток в розетке либо есть, либо его по каким-то причинам нет. Последнее неприятно, нужно срочно звонить диспетчеру, чтобы тот принял меры. Но о каком качестве самой энергии здесь идет речь? Как его определять - на вкус, на цвет, на запах? Можете ерничать по этому благодатному поводу и дальше, но имейте в виду - тут ведь как в политике, если мы не займемся качеством энергии, оно само нами займется.
Цена миллисекундных отключений
Буквально под самый миллениум правительства в США и Канаде, оценив последствия от провалов напряжения (вспомните заголовки в наших изданиях - «Нью-Йорк во мраке», «Вашингтон окунулся во тьму»), организовали общенациональные энергетические обследования большинства промышленных предприятий. Целью такой профилактики (просто-таки тянет сказать «медицинской», уж очень похоже) ставилась выработка новой концепции защиты промышленного оборудования от нарушений электроснабжения. Вам интересна цена вопроса? Так вот стоимость ущерба от плохого качества электрической энергии в экономике двух крупнейших американских стран эксперты определили суммой, которая превышает 150 млрд. долл. в год.
У нас в России, как водится, официальной статистики по сему поводу не существует. Хотя, если основательно пошарить по информационным сусекам, можно обнаружить некоторые измерения местного масштаба, тоже дающие почву для размышления. Например, в Северо-Западном федеральном округе один крупный поставщик электроэнергии, которому почему-то не спалось на лаврах постоянного дохода, взял да и подсчитал, сколько перепадов напряжения случилось конкретно на 12 участках мощностью от 5 до 30 МВА и каковы оказались последствия.
Измеряли ровно 10 месяцев, на большее по каким-то причинам не хватило. За это время отметили 858 перепадов, 42 из которых повлекли ощутимые сбои в сети и финансовые потери. Что примечательно, на всех этих 12 участках основными потребителями энергии были предприятия с несложной технологией. Тем не менее, финансовые потери были оценены в сумму 600 тыс. евро, а максимальный убыток, пришедшийся на отдельно взятый участок, составил 165 тыс. евро. Особо подчеркнем, что штрафных санкций никто никому предъявлять не собирался, замеряли так, для общего интереса, а потому о «подтасовке» речи быть не может. Тогда откуда взялись те самые перепады количеством в сотни и многотысячные потери в инвалюте?
Столь пристальное внимание северо-западной статистике мы уделили не только потому, что другой нет. Тем исследователям спасибо сказать надо уже за то, что они подчеркнули назревшую, как опухоль, проблему. К сожалению, регламентируемая сегодня система защиты предприятия основана на старой, как детекторный приемник, норме проектирования, которая допускает от 2 до 3 аварийных отключений электроэнергии в год, хотя в разных регионах в настоящее время они происходят с частотой до 40 раз в год.
За последние годы характер потребления электроэнергии претерпел существенные изменения. В технологических процессах большинства предприятий, будь то завод или современная медицинская клиника, становится все больше низковольтных приводных электродвигателей, микропроцессорной техники, систем телекоммуникации. И разве вы сами не замечали, как тот же любимый всеми Интернет часто буквально обрывается короткими по продолжительности (несколько мСек) провалами и перегрузками питающего напряжения. Но если для пользователя сети такое прерывание досадно, но не страшно, то сложному автоматизированному производству провал напряжения в десятые доли секунды может грозить частичной или полной остановкой. Прямой и косвенный ущерб тогда надоест считать.
Напрашивается сакраментальный вывод, что нужно просто как следует прижать тех же энергетиков, чтобы они тщательнее следили за качеством электроэнергии в своих сетях (думается, теперь и несведущий понял, о чем мы говорим). Но дело в том, что энергосистемы, не располагая порой полной информацией о режимах работы потребительских электроустановок, никак не могут влиять на них и не имеют возможности добиться полного контроля над процессом управления, поскольку виной всему реактивная мощность.
«Незваная мощность»
Теория точна, но суха. Согласно ей, реактивная мощность (РМ) - это величина, характеризующая нагрузки, создаваемые в электротехнических устройствах колебаниями энергии электромагнитного поля в цепи синусоидального переменного тока. А синусоидальность потому и возникает, что потребляющие электроэнергию устройства, в которых создается магнитное поле (моторы, дроссели, трансформаторы, индукционные нагреватели, сварочные генераторы), вызывают отставание тока от напряжения (сдвиг фаз), обусловленное наличием индуктивности.
Основу любого электродвигателя или трансформатора составляют витки медного провода, намотанного на магнитную основу. Поэтому в процессе работы они уже в силу законов физики за счет высокой магнитной проницаемости и самоиндукции генерируют реактивную мощность. А та, совершая колебательные движения от нагрузки к источнику (генератору) и обратно, распространяется по сети.
Казалось бы, «незваной мощности» надо только радоваться, поскольку она ниоткуда взялась. Да вот незадача: согласно теории, РМ характеризуется задержкой (ток отстает) между синусоидами фаз напряжения и тока сети. В моменты, когда синусоиды напряжения и тока имеют противоположные знаки, мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора. И мотается эта «добавочка» на вашем же счетчике, причем не в обратную сторону.
Впрочем, генерация РМ порождает и другие отрицательные явлениями. Среди них:
- повышение активных потерь (т. к. увеличивается полная мощность);
- снижение нагрузочной способности (т. к. возрастает токовая нагрузка на питающий кабель и распределительный трансформатор);
- большее падение напряжения (из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).
Таким образом, отрицательное воздействие РМ на электрическую сеть несоизмеримо больше, чем положительное. Недаром в конце 80-х годов, т.е. во времена заката СССР, на всех промышленных предприятиях были директивно смонтированы конденсаторные батареи. К сожалению, в дальнейшие 90-е годы многие предприятия-потребители электроэнергии отключали имевшиеся у них компенсирующие устройства, не беспокоясь о поддержании их работоспособности по причине недостаточного финансирования, а некоторые - и вовсе демонтировали КРМ.
Желанный косинус
Уровень РМ двигателей, генераторов и сети предприятия в целом характеризуется коэффициентом мощности cosw - это численное отношение активной мощности к полной мощности. Например, cosw асинхронных двигателей составляет примерно 0,7; сварочных трансформаторов - примерно 0,4; cosw станков - не превышает 0,5 и т. д. Поэтому полное использование мощности сети возможно только при компенсации ее реактивной составляющей.
Компенсация реактивной мощности может быть индивидуальной (местной) и централизованной (общей). В первом случае параллельно нагрузке подключают один или несколько (батарею) косинусных конденсаторов, во втором – некоторое количество конденсаторов (батарей) подключается к главному распределительному щиту.
Индивидуальная компенсация - самый простой и наиболее дешевый способ компенсации реактивной мощности. Число конденсаторов (конденсаторных батарей) соответствует числу нагрузок, и каждый конденсатор расположен непосредственно у соответствующей нагрузки (рядом с двигателем и т. п.). Такая компенсация хороша только для постоянных нагрузок (например, один или несколько асинхронных двигателей с постоянной скоростью вращения вала), то есть там, где реактивная мощность каждой из нагрузок (во включенном состоянии нагрузок) с течением времени меняется незначительно и для ее компенсации не требуется изменения номиналов подключенных конденсаторных батарей. Поэтому индивидуальная компенсация ввиду неизменного уровня реактивной мощности нагрузки и соответствующей реактивной мощности компенсаторов называется также нерегулируемой.
Централизованная компенсация - компенсация реактивной мощности с помощью одной регулируемой установки КРМ, подключенной к главному распределительному щиту. Применяется в системах с большим количеством потребителей (нагрузок), имеющих большой разброс коэффициента мощности в течение суток, то есть для переменной нагрузки (например, несколько двигателей, размещенных на одном предприятии и подключаемых попеременно). В таких системах индивидуальная компенсация неприемлема, так как, во-первых, становится слишком дорогостоящей (при большом количестве оборудования устанавливается большое количество конденсаторов), и, во-вторых, возникает вероятность перекомпенсации (появление в сети перенапряжения).
В случае централизованной компенсации конденсаторная установка оснащается специализированным контроллером (автоматическим регулятором реактивной мощности) и коммутационно-защитной аппаратурой (контакторами и предохранителями). При отклонении значения cosw от заданного значения контроллер подключает или отключает определенные конденсаторные батареи (компенсация осуществляется ступенчато). Таким образом, контроль осуществляется автоматически, а мощность подключенных конденсаторов соответствует потребляемой в данный конкретный момент времени реактивной мощности, что исключает генерацию реактивной мощности в сеть и появление в сети перенапряжения.
Конкретное предложение
Оборудование для борьбы с РМ выпускают сейчас многие компании и у нас, и за рубежом. Для наглядности рассмотрим предлагаемое ими разнообразие на примере отечественной «Матик-электро». Оборудование для компенсации реактивной мощности с помощью низковольтных КРМ-0,4 кВ (аналог УКМ 58, АКУ, УККРМ), производимое этой компанией и оснащенное автоматическими регуляторами европейского уровня, способно почти на треть сократить расходы любого производства на электроэнергию. Конденсаторные установки существенным образом снижают нагрузку на трансформаторы и кабели и тем самым повышают надежность сетей.
Компенсация реактивной мощности осуществляется на базе высоковольтных конденсаторных установок, применяется в электросетях 6,3 / 10,5 / 35 кВ с высоковольтной нагрузкой. Конденсаторные установки компенсации реактивной мощности высоковольтные КРМ (аналог УКЛ 56, УКЛ 57) - 6,3 / 10,5 / 35 кВ производятся на реактивные мощности от 150 до 50 000 кВАр. Компенсация реактивной мощности происходит в ручном режиме, путем подключения необходимого числа батарей косинусных конденсаторов. Высоковольтные установки компенсации реактивной мощности производятся на базе компенсационных конденсаторов ведущих мировых производителей, в корпусах порошковой окраски, имеют срок службы 150 тыс. часов.
Регулируемая установка компенсации реактивной мощности в автоматическом режиме, под управлением микропроцессорного регулятора улучшает cosw путем подключения/отключения необходимого числа батарей конденсаторов. Они выпускаются с шагом от 20 до 450 кВАр и суммарной мощностью до 100 МВАр. Производятся также установки, в которых компенсация реактивной мощности осуществляется одновременно с фильтрацией гармоник в сети.
Тиристорные КУ
Такие конденсаторные установки - лучшее, а иногда и единственное решение, когда необходимо осуществлять компенсацию реактивной мощности нагрузки в короткий период времени. Конденсаторные установки с тиристорными ключами применяются в цехах с резкопеременной нагрузкой. К таким относятся цеха с большим количеством подъемно-транспортных механизмов, штамповочных установок и прессов, сварочных аппаратов.
В отличие от установок с контакторами, тиристорные КУ обладают быстродействием на 2 порядка выше, т.к. не требуется задержка срабатывания на время разряда конденсатора. В тиристорных установках после подачи сигнала на коммутацию тиристор «сам выбирает» время подключения в момент, когда напряжение в сети и на конденсаторе равны. Задержка включения составляет не более 20 мс.
При этом следует отметить, что конденсаторы подключаются без пусковых токов. Это продлевает срок службы конденсаторов. В связи с отсутствием движущихся механических контактов тиристорные конденсаторные установки имеют больший ресурс. Для защиты тиристоров применяются специальные быстродействующие предохранители.
Другие решения
Косинусные, фазовые конденсаторы для компенсации реактивной мощности используются для местной компенсации (подключение параллельно двигателям и т.п.). Большой гарантированный срок их эксплуатации (более 100 000 часов) обеспечивается передовыми разработками в области пленочных технологий для конденсаторов, в том числе - вакуумной обработкой диэлектрика. Конденсаторы для компенсации реактивной мощности производятся на напряжения от 0,4 до 10,5 кВ и мощности до 700 кВАр.
Контакторы для компенсации реактивной мощности - новое поколение электрических аппаратов на токи от 10 до 130 А с широкими функциональными возможностями и современным дизайном. Все аппараты имеют европейский и российский сертификаты и применяются в установках компенсации реактивной мощности на напряжения 0,4 - 0,69 кВ. Контакторы для установок компенсации реактивной мощности производятся на номиналы 5 - 75 кВАр и имеют контакты предвключения для ограничения тока через компенсирующий конденсатор в момент включения. Данные контакторы сглаживают пусковой ток и продлевают срок службы конденсаторов в установках компенсации реактивной мощности.
Выключатели нагрузки для установок компенсации реактивной мощности Federal и ВНК производятся с предохранителями или без них (исполнение - выключатель нагрузки) в соответствии со стандартами IEC/EN 60947-3 и ГОСТ. Они были разработаны для обеспечения мгновенного выключения цепей установок компенсации реактивной мощности с различными токами. Выключатели нагрузки незаменимы в установках компенсации реактивной мощности на большие токи - мощность свыше 200 кВАр.
Трансформаторы тока разборные TA.R (аналог Т-0.66, ТНШЛ, ТШ), на ток от 250 до 5000 А, для быстрого монтажа, предназначены для облегчения установки их на шину (от 20х30 мм до 160х80 мм) и кабель (диаметр от 20 до 80 мм). Данные трансформаторы удобны как внешний датчик тока для установок компенсации реактивной мощности.
Владимир Баранов
