help div

8.1. Реактивная мощность в электрической сети

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприемниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и ее электроприемниках происходит процесс обмена энергией между электрическими и магнитными полями. Устройства, которые целенаправленно участвуют в этом процессе, называют источниками реактивной мощности (ИРМ). Такими устройствами могут быть не только генераторы электрических станций, но и синхронные компенсаторы, реакторы, конденсаторы, реактивной мощностью которых управляют по определенному закону регулирования с помощью специальных средств.

Мощность электрооборудования электроэнергетической системы (генераторы, линии электропередач, трансформаторы, электроприемники и т. п.) определяется его полной мощностью. Полная мощность S при синусоидальной форме напряжения и тока связана с активной Р и реактивной Q мощностями квадратичной зависимостью S2 = Р2 + Q2. При этом полная мощность S = UI, активная Р = UI cosj и реактивная Q = UI sinj, где U и I — действующие значения синусоидального напряжения и тока; j — угол между векторами напряжения и тока.

В конденсаторах, кабелях и других видах электрооборудования, которое характеризуется емкостным сопротивлением ХC, реактивной мощностью Q = U2/ХC, определяемой приложенным напряжением U, создаются электрические поля.

В индуктивных элементах системы, например в реакторах, трансформаторах, электродвигателях, создаются магнитные поля. В этом случае реактивная мощность Q = I2ХL определяется током I и индуктивным сопротивлением элемента ХL.

Емкостной ток в идеальном конденсаторе опережает приложенное к нему напряжение на 90 эл. град. Тогда мощность этого конденсатора QC = UI sin(–j) = –UI имеет отрицательный знак. В этом случае говорят, что конденсатор генерирует реактивную мощность.

Индуктивный ток в идеальном реакторе отстает от приложенного к нему напряжения на 90 эл. град. Мощность реактора QL = UI sinj имеет положительный знак. В этом случае говорят, что реактор потребляет реактивную мощность.

Очевидно, что в понятиях «генерирование» и «потребление» реактивной мощности заложена определенная условность, но тем самым подчеркивается, что взаимодействие емкостных и индуктивных элементов в электрической сети имеет компенсирующий эффект QS = QLQC. Это свойство элементов широко используется на практике для компенсации реактивной мощности, тем самым снижая падение напряжения в сети, потери электроэнергии.

Приведенные выше величины S, P, Q применяются при расчетах режимов в электроэнергетических системах, проектировании и выборе электрооборудования. Значения этих величин принимаются как независимые от времени, что позволяет существенно упростить расчеты.

Фактически же по цепи протекает переменный ток, мгновенное значение которого определяется выражением i = Im sin(wtj). Под действием этого тока на элементах цепи устанавливается напряжение uа = Um cosj sin(wtj) — активная составляющая и uр = Um sinj sin(wtj ± p/2) — реактивная составляющая. Здесь Um и Im — амплитуды синусоидальных напряжения и тока. При этом мощность, потребляемая активными элементами электрической цепи, определяется как функция времени выражением ра = iuа = UI cosj [1 – cos(2wtj)], а реактивная мощность, потребляемая (генерируемая) реактивными элементами, –qр = iuр = ± UI sinj sin2(wtj). Линейные диаграммы, отображающие мгновенные значения напряжения и тока в активно-индуктивной цепи, а также соответствующие им мощности приведены на рис. 8.1.

Амплитуды активной и реактивной мощностей, изменяющихся по синусоидальному закону с двойной частотой (2w), соответственно составляют Р = UI cosj и Q = UI sinj, т.е. те самые значения мощностей, которыми пользуются при расчетах режимов и выборе оборудования. При этом мгновенные значения «потребляемой» в индуктивных элементах и «генерируемой» в емкостных элементах реактивной мощности в каждый момент времени имеют противоположный знак, в чем, как было отмечено выше, и проявляется их взаимокомпенсирующее действие.