Что такое реактивная энергия в электросети. Реактивная энергия в электросети: что это такое и как она влияет на электроснабжение

Что такое реактивная энергия в электрической сети. Как она возникает и почему важно ее учитывать. Каково влияние реактивной энергии на работу электросети. Как можно компенсировать реактивную мощность.

Что такое реактивная энергия в электросети

Реактивная энергия — это энергия, которая циркулирует между источником и потребителем электроэнергии, не совершая полезной работы. Она возникает из-за наличия в электрической сети элементов с реактивным сопротивлением — катушек индуктивности и конденсаторов.

Основные характеристики реактивной энергии:

• Измеряется в вольт-амперах реактивных (ВАр) или киловар-часах (кВАр*ч)
• Не преобразуется в другие виды энергии, а лишь перемещается по сети
• Создает дополнительную нагрузку на линии электропередачи
• Вызывает падение напряжения в сети
• Увеличивает потери активной энергии

Как возникает реактивная энергия в электросети

Появление реактивной составляющей в электрической сети обусловлено наличием потребителей с реактивным сопротивлением:

• Асинхронные электродвигатели
• Трансформаторы
• Электромагниты
• Газоразрядные лампы
• Сварочное оборудование

В таких устройствах ток по фазе отстает от напряжения или опережает его. Это приводит к возникновению электромагнитных колебаний между нагрузкой и источником питания.

Почему важно учитывать реактивную энергию

Наличие реактивной составляющей в электросети приводит к ряду негативных последствий:

1. Увеличение нагрузки на линии электропередач и трансформаторы
2. Рост потерь активной энергии в проводниках
3. Снижение пропускной способности сети
4. Падение напряжения в линиях
5. Увеличение расходов на электроэнергию

Поэтому важно контролировать и по возможности снижать потребление реактивной энергии.

Как измеряется реактивная энергия

Для учета реактивной энергии используются специальные счетчики реактивной энергии. Они измеряют реактивную составляющую и показывают ее значение в кВАр*ч.

Современные многотарифные счетчики позволяют измерять как активную, так и реактивную энергию одновременно. Это дает возможность комплексно оценивать энергопотребление.

Какие параметры важны при измерении реактивной энергии?

• Коэффициент мощности (cos φ)
• Соотношение активной и реактивной энергии
• Направление потока реактивной энергии (потребление или генерация)

Влияние реактивной энергии на работу электросети

Циркуляция реактивной энергии в электросети оказывает существенное влияние на ее работу:

• Увеличивает нагрузку на линии электропередачи и трансформаторы
• Снижает пропускную способность сети
• Вызывает дополнительные потери активной энергии
• Приводит к колебаниям и провалам напряжения
• Ухудшает качество электроэнергии

Чем больше в сети потребителей с низким коэффициентом мощности, тем сильнее проявляется негативное влияние реактивной составляющей.

Способы компенсации реактивной мощности

Для снижения негативного влияния реактивной энергии применяются различные методы ее компенсации:

1. Установка компенсирующих устройств (конденсаторных батарей)
2. Использование синхронных компенсаторов
3. Применение активных фильтров
4. Оптимизация режимов работы оборудования
5. Замена устаревшего оборудования на энергоэффективное

Правильно подобранные средства компенсации позволяют существенно снизить потребление реактивной энергии из сети.

Экономические аспекты учета реактивной энергии

Потребление реактивной энергии напрямую влияет на экономические показатели:

• Увеличивает расходы на оплату электроэнергии
• Приводит к необходимости платить штрафы за превышение лимитов
• Вызывает дополнительные затраты на модернизацию сетей
• Снижает срок службы электрооборудования

Поэтому внедрение мероприятий по компенсации реактивной мощности экономически целесообразно для большинства промышленных предприятий.

Как рассчитываются тарифы на реактивную энергию?

Тарифы на реактивную энергию обычно устанавливаются энергоснабжающими организациями. При расчетах учитываются следующие факторы:

• Объем потребленной реактивной энергии
• Соотношение активной и реактивной энергии
• Время потребления (пиковые/непиковые часы)
• Уровень напряжения в точке учета

Перспективы развития систем учета реактивной энергии

Современные тенденции в области учета реактивной энергии включают:

1. Внедрение интеллектуальных систем учета
2. Развитие технологий компенсации в режиме реального времени
3. Интеграция систем учета в общую систему управления энергопотреблением
4. Совершенствование нормативной базы в сфере качества электроэнергии
5. Разработка новых алгоритмов оптимизации энергопотребления

Это позволит более эффективно контролировать и снижать потребление реактивной энергии в электросетях.

Описание параметра «Тип учитываемой электроэнергии (A/R)»

В электрический цепях, содержащих комбинированную нагрузку, полная мощность, потребляемая от сети, складывается из активной мощности, совершающей полезную работу, и реактивной мощности, расходуемой на создание магнитных полей и создающей дополнительную на грузку на силовые линии питания.  Соотношение между полной и активной мощностью, выраженное через косинус угла между их векторами (cosφ), называется коэффициентом мощности.

В электрических сетях, содержащих только активную нагрузку (лампы накаливания, электронагреватели и др.) ток и напряжение изменяются синфазно, и из сети потребляется только полезная активная мощность.

Но в реальной жизни это бывает достаточно редко. Основной нагрузкой в промышленных электросетях являются асинхронные электродвигатели и распределительные трансформаторы. Эта индуктивная нагрузка в процессе работы является источником реактивной электроэнергии (реактивной мощности), которая совершает колебательные движения между нагрузкой и источником (генератором).

Реактивная мощность характеризуется задержкой (в индуктивных элементах ток по фазе отстает от напряжения) между синусоидами фаз напряжения и тока сети.

Отставание тока по фазе от напряжения в индуктивных элементах обуславливает интервалы времени, когда напряжение и ток имеют противоположные знаки: напряжение положительно, а ток отрицателен и наоборот. В эти моменты мощность не потребляется нагрузкой, а подается обратно по сети в сторону генератора. При этом электроэнергия, запасаемая в каждом индуктивном элементе, распространяется по сети, не рассеиваясь в активных элементах, а совершает колебательные движения (от нагрузки к генератору и обратно).

Показателем потребления реактивной мощности является коэффициент мощности (КМ), численно равный косинусу угла (φ) между током и напряжением. КМ потребителя определяется как отношение потребляемой активной мощности к полной, действительно взятой из сети, т.е. cos(φ)=P/S.

Появление реактивной составляющей в сети можно отобразить на векторных диаграммах следующим образом:

Этим коэффициентом принято характеризовать уровень реактивной мощности двигателей, генераторов и сети предприятия в целом.

Чем ближе значение cos(φ) к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности

Для большинства промышленных потребителей наличие в сетях реактивной энергии означает следующее: по сетям между источником электроэнергии и потребителем кроме совершающей полезную работу активной энергии протекает и реактивная энергия, не совершающая полезной работы и направленная только на создание магнитных полей в индуктивной нагрузке.  Протекая по кабелям и обмоткам трансформаторов, реактивный ток снижает в пределах их пропускной способности долю протекаемого по ним активного тока, вызывая при этом значительные дополнительные потери в проводниках на нагрев — т.е. активные потери. Из этого следует, что согласно современным правилам расчета за электроэнергию, потребитель вынужден как минимум дважды платить за одни и те же непроизводительные затраты. Один раз — непосредственно за потребленную из сети реактивную энергию (по счетчику реактивной энергии) и второй раз — за нее же, но косвенно, оплачивая активные потери от протекания реактивной энергии, учитываемые счетчиком активной энергии.

            Таким образом, наличие реактивной мощности является паразитирующим фактором, неблагоприятным для сети в целом. В результате этого: 

• увеличиваются расходы на электроэнергию;
• приходится платить штрафы за снижение качества электроэнергии пониженным коэффициентом мощности
• возникают дополнительные потери в проводниках вследствие увеличения тока;
• увеличивается нагрузка на трансформаторы и коммутационную аппаратуру, таким образом, снижается срок их службы
• увеличивается нагрузка на провода, кабели — приходится использовать большего сечения;
• отклоняется напряжение сети от номинала (падение напряжения из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети).
• увеличивается уровень высших гармоник в сети

Что такое реактивная мощность?

В настоящее время взаимоотношения энергоснабжающих организаций и потребителей электроэнергии рассматриваются широким кругом лиц неэнергетического образования (коммерческие менеджеры, юристы и другие специалисты). Использование понятия реактивная мощность (реактивная энергия) в практике денежных расчетов между поставщиками и потребителями электроэнергии и наличие отдельных счетчиков активной и реактивной энергии вызывает у многих представление о поставке потребителям двух видов продукции. Это не так. По электрической сети не передаются электроны разного цвета — красные активной энергии и голубые реактивной. Так что же такое реактивная мощность и реактивная энергия?

Рассмотрим в самом простом виде свойства переменного тока. Переменный ток называют так не в том смысле, что его значение изменяется в процессе потребления энергии. Оно может оставаться и постоянным. Под переменным током в узком смысле понимают периодический ток, мгновенные значения которого в течение каждого небольшого периода (для переменного тока частоты 50 Гц это 1/50 доля секунды) проходят цикл изменения от минимального до максимального значения, и наоборот. Графически этот цикл отображается синусоидой. Переменным в этом смысле является и напряжение. В целом же для цепей, в которых и напряжение, и ток циклически изменяются, используется термин «цепи переменного тока».

В цепях переменного тока существует много элементов, которые разделены воздушными промежутками — обмотки высокого и низкого напряжения трансформаторов или статор и ротор вращающейся машины (двигателя и генератора) не имеют электрической связи между собой. Тем не менее электрическая энергия передается через это воздушное пространство, являющееся фактически непроводящим ток диэлектриком. Это происходит в связи с возникновением под действием переменного тока переменного магнитного поля в индуктивности, а под действием переменного напряжения — переменного электрического поля в емкости (в комбинации — электромагнитного поля). Полям, как известно, воздух не преграда. Переменное магнитное поле, образуемое одной из разделенных обмоток, постоянно пересекает своими магнитными линиями витки другой обмотки, наводя в ней электродвижущую силу. Ее величина такова, что вся мощность первичной обмотки переходит на вторичную обмотку. В конденсаторе те же самые функции осуществляет электрическое поле.

Магнитное и электрическое поля существуют вокруг любого проводника, который находится под напряжением и по которому идет ток. Теоретически можно передать мощность по воздуху с одной из параллельно проложенных линий на другую. Правда, чтобы передать существенную мощность, линии должны быть длиной в сотни тысяч километров. Для переброски через воздушные промежутки большой мощности в устройстве приемлемого размера нужно сильное магнитное поле, сконцентрированное в небольшом пространстве. Это достигается обматыванием вокруг металлического сердечника (ярма) многочисленных витков, расположенных близко друг к другу, и применением для изготовления сердечников специальной стали, обеспечивающей большую взаимоиндукцию.

Электромагнитная энергия непосредственно преобразуется в тепловую, механическую, химическую и другие виды полезной работы в элементах, обладающих активным сопротивлением, обозначаемым R. В элементах, представляющих собой индуктивность L и емкость С, электромагнитная энергия на половине периода запасается, а на второй половине периода возвращается в источник. При этом синусоида тока, создающего магнитное поле, всегда на четверть периода (90 эл. градусов) отстает от синусоиды напряжения, а синусоида тока, создающего электрическое поле, опережает.

Сопротивления таких элементов связаны с индуктивностью и емкостью и частотой f соотношениями: X_L = 2πfL и X_С = 1/2πfС. Из этих соотношений видно, что эти сопротивления существуют только в цепях переменного тока, а в цепях постоянного тока (f = 0) X_L превращается в 0 (короткое замыкание), а X_С — в бесконечность (разрыв цепи). В связи с возвратным характером их действия эти сопротивления называют реактивными, а ток, обусловленный обменной электромагнитной энергией, — реактивным током. Так как реактивный ток сдвинут относительно активного на 90°, то естественно, что полный ток определяется как корень квадратный из суммы квадратов активного и реактивного тока.

Прохождение через сеть «сдвинутого» тока можно сравнить с продвижением людей через проход, пропускная способность которого составляет, например, 10 человек одновременно. При этом в восьми рядах люди все время идут в одном направлении, а в двух рядах одни и те же люди то идут, то возвращаются. В результате число людей, перешедших на другую сторону, следует считать исходя из пропускной способности восемь человек, а проход все время загружен десятью рядами. Аналогична ситуация и с пропускной способностью электрической сети. Разница лишь в том, что активная и реактивная составляющие тока складываются не арифметически, а в квадрате, поэтому реактивная составляющая в меньшей степени занимает сечение. Для полноты сравнения можно считать, что два ряда людей ходят боком и потому занимают меньше места.

Полупериоды запасания и возврата электромагнитной энергии индуктивностью и емкостью сдвинуты на 180° (у первой ток сдвинут на -90°, а у второй на +90°), то есть они находятся в противофазе. Поэтому при наличии рядом сопротивлений X_L = X_С обменная часть электромагнитной энергии не возвращается в источник, а эти элементы постоянно обмениваются ею между собой. Уже должна возникнуть мысль, а не поставить ли у потребителя электроэнергии, в сетях которого полно индуктивностей, емкость? И пусть они обмениваются между собой этой частью электромагнитной энергии, разгрузив от нее сеть и предоставив ей возможность передавать только ту часть электромагнитной энергии, которая преобразуется в полезную работу? Эта операция и называется компенсацией реактивной мощности (КРМ).

Реактивная энергия не выполняет никакой работы в том смысле, что она не может, как активная энергия, превращаться в тепловую или механическую энергию. Так как в физике понятия энергии и работы тождественны, то, строго говоря, словосочетание «реактивная энергия» физически бессмысленно. Тем не менее, применение на практике этого условного понятия удобно. Раз уж возникает дополнительный ток, названный реактивным, то его произведение на напряжение вроде бы по-другому как мощностью не назовешь, а интегрирование мощности по времени формально называется энергией. Более того, сдвинув на 90° обмотку электрического счетчика, можно заставить его считать произведение на напряжение только тока, сдвинутого на 90°, — появляется наглядное подтверждение существования реактивной энергии (счетчик ведь показывает!).

Реактивный ток не только отнимает у активного тока часть пропускной способности сети, но и на его прохождение по проводам затрачивается определенная часть активной энергии, так как потери мощности ΔР = 3I²R, где I — полный ток. Счетчик активной энергии (по большому счету только ее и можно назвать энергией, поэтому он называется просто счетчик электроэнергии) покажет одно и то же значение и при наличии, и при отсутствии реактивной составляющей тока. Поэтому только по его показаниям нельзя правильно оценить режимы линий передачи электроэнергии (в приведенном выше примере счетчик будет показывать движение восьми рядов, полностью игнорируя два двигающихся туда и обратно). Для оценки же режима сети необходимо знать обе составляющие. Активная и реактивная составляющие полного тока по-разному влияют на напряжение в точках потребления энергии. Потери напряжения от передачи активной составляющей тока в подавляющей степени определяются сопротивлением R, а реактивной — сопротивлением X_L. В элементах линий электропередачи обычно X_L >> R, поэтому прохождение по сети реактивного тока приводит к гораздо большему снижению напряжения, чем активного тока той же величины.

Итак, в сети переменного тока нет ничего, кроме циклически изменяющихся мгновенных значений тока и напряжения, циклы которых сдвинуты относительно друг друга на некоторую часть периода. При графическом изображении их в виде векторов говорят, что они сдвинуты на некоторый угол φ. Поэтому анекдотический ответ студента на экзамене, что три провода нужны потому, что по первому передается напряжение, по второму ток, а по третьему cos φ, можно считать более близким к истине, чем представление о поставке потребителям двух видов продукции.

Источник: Ю. С. Железко. Потери электроэнергии. Реактивная мощность. Качество электроэнергии.

Видео о реактивной мощности:

Помощь студентам

Формулы, правила, законы, теоремы, уравнения, решение примеров
• ТОЭ
• Электрические машины
• Теоретическая механика
• Высшая математика

Поделитесь с друзьями:

Как рассчитать энергию, добавленную в сеть, используя активную и реактивную мощность?

спросил 1 год, 8 месяцев назад

Изменено 1 год, 8 месяцев назад

Просмотрено 88 раз

\$\начало группы\$

Недавно я установил солнечную систему, которая добавляет энергию в сеть. Моя коммунальная компания установила у меня двунаправленный счетчик для учета потребляемой энергии, а также энергии, добавляемой в сеть.

Потребляемая энергия записывается в счетчиках как кВтч, что довольно обычно, однако энергия, добавляемая в сеть, указывается в кварч, я полагаю, они называют это реактивной энергией. Счетчик обеспечивает положительную активную энергию и положительные показания реактивной энергии.

Можно ли как-то подсчитать, сколько юнитов я добавил в сетку?

• энергоснабжение
• солнечная энергия
• сбор энергии
• электросеть
• счетчик

\$\конечная группа\$

1

\$\начало группы\$

Сначала меня сбило с толку ваше заявление о том, что энергии, добавляемой в сеть, дается в кВАр-ч , потому что все известные мне ГТИ не имеют реактивной энергии, подаваемой в сеть, потому что по своей конструкции они активны, pf скорректирован на 1. Поэтому проверьте, пожалуйста, и предоставить более подробную информацию.

Однако некоторые мощные GTI более низкого качества имеют гармонические искажения и, как известно, индуцируют циркулирующие токи в хороших GTI с низким импедансом на этих гармониках и повышают токи в соседних солнечных фермах достаточно, чтобы поднять токи на 20% и перегорают предохранители на 80 А с генерируемая синусоидальная мощность уходит и поглощаются входящие гармоники. Но это может иметь значение, а может и не иметь.

====

ВАр – это реактивная мощность, но одного только наблюдения за ней недостаточно, чтобы увидеть реальную передачу энергии.

В зависимости от поставщика услуг должны быть доступны веб-функции и функции считывания показаний счетчиков для отслеживания фактических значений. Я знаю, что преобразователи Huawei имеют отличную веб-статистику с подключением к сети Ethernet.

\$\конечная группа\$

2

Зарегистрируйтесь или войдите в систему

Зарегистрируйтесь с помощью Google

Зарегистрироваться через Facebook

Зарегистрируйтесь, используя электронную почту и пароль

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но никогда не отображается

Опубликовать как гость

Электронная почта

Требуется, но не отображается

Нажимая «Опубликовать свой ответ», вы соглашаетесь с нашими условиями обслуживания, политикой конфиденциальности и политикой использования файлов cookie

.

Почему инжекция реактивной мощности снижает падение напряжения в сети?

спросил 1 год, 3 месяца назад

Изменено 1 год, 3 месяца назад

Просмотрено 231 раз

\$\начало группы\$

Я понимаю, что инжекция реактивной мощности может использоваться генераторами для поддержания напряжения сети при просадке, но никогда не понимала, почему это работает. Я думал, что это может быть зарядка емкости линии передачи или что-то в этом роде, но я не могу понять это, когда пытаюсь выполнить эту отправную точку.

Я видел здесь похожие вопросы с отличными ответами. В Почему желательно подавать реактивную мощность в систему передачи? ответ объясняет, как емкостная компенсация на линии передачи может уменьшить потребление реактивной мощности от генератора для питания частично реактивной нагрузки, что в конечном итоге объясняет, почему реактивная мощность важна в энергосистеме.

В Почему реактивная мощность влияет на напряжение? ответ от Olin объясняет, как реактивная нагрузка может потреблять дополнительный ток от генератора и приводить к реальной потере мощности и падению напряжения на линии передачи. Я предполагаю, что из этих ответов достаточно информации, чтобы я мог прийти к ответу на этот вопрос, но я думаю, что мне нужно немного кормления с ложки.

В моем вопросе предполагается, что подача реактивной мощности от генератора поддерживает напряжение сети. Это вообще правда? Если да, может ли кто-нибудь помочь мне понять, как можно использовать инжекцию реактивной мощности для повышения провисающего напряжения в сети или напряжения на местной шине? Есть ли правда или предположения о нагрузках и линиях сетки при этом?

• мощность
• электросеть
• реактивная мощность

\$\конечная группа\$

5

\$\начало группы\$

Основное предположение о сети состоит в том, что большой процент энергии нагрузки используется асинхронными двигателями. Асинхронные двигатели имеют отстающий коэффициент мощности и, следовательно, требуют реактивных вольт-ампер, также известных как реактивная мощность. Реактивная ВА представляет собой меру энергии, накопленной в течение одного полупериода и высвобожденной в течение следующего полупериода формы волны тока.

Если генератор должен обеспечивать реактивную мощность ВА, ток от генератора к нагрузкам асинхронного двигателя выше, чем необходимо для подачи энергии, потребляемой двигателем и преобразуемой в механическую энергию. Если реактивную ВА можно подать от конденсаторов, расположенных ближе к двигателю, падение напряжения и потери энергии между генератором и двигателем уменьшаются.

Размещение конденсаторов или «подача реактивной мощности» рядом с нагрузками, имеющими отстающий коэффициент мощности, имеет важное значение. Выполнение этого на генераторе помогает с потерями и падением напряжения внутри генератора, но никак не помогает с потерями компонентов системы передачи. Реактивную мощность можно «вводить» в любом месте между генератором и реактивной нагрузкой, но польза возрастает по мере приближения точки впрыска к нагрузке.