В промышленных условиях производства и гражданских системах электроснабжения реактивная мощность, генерируемая сопротивлением оборудования при передаче электроэнергии, часто приводит к увеличению потерь мощности, значительным колебаниям напряжения и низкому коэффициенту использования оборудования для преобразования и распределения электроэнергии. Низковольтные конденсаторы, являясь основным компонентом компенсации реактивной мощности, стали ключом к решению этих проблем благодаря своим преимуществам: гибкой адаптации и контролируемой стоимости. В данной статье подробно объясняется, как добиться повышения эффективности электроснабжения и максимальной экономической выгоды за счет научного применения низковольтных конденсаторов, включая функции, методы компенсации, ключевые технические моменты и расчет емкости низковольтных конденсаторов для компенсации реактивной мощности, а также предоставлены практические рекомендации для предприятий и энергосистем.
I. Основное значение компенсации реактивной мощности низковольтного конденсатора: четыре функции для решения проблем
Компенсируя реактивную мощность при передаче электроэнергии, низковольтные конденсаторы значительно улучшают систему электроснабжения по четырем параметрам: коэффициент использования оборудования, энергопотребление, стабильность напряжения и коэффициент мощности сети, что делает их «экономически эффективным выбором» для оптимизации энергопотребления.
1. Улучшить использование оборудования для преобразования и распределения электроэнергии, сократить инвестиционные затраты
Нагрузки с низким коэффициентом мощности занимают большую часть мощности оборудования для преобразования и распределения электроэнергии (например, трансформаторов и распределительных шкафов), что приводит к «перегрузке» или «потерям мощности» оборудования. Параллельное включение низковольтных конденсаторов для компенсации реактивной мощности может снизить требуемую мощность оборудования, тем самым напрямую снижая инвестиции, эксплуатационные расходы и расходы на техническое обслуживание.
- Основная формула : Приведенную мощность (ΔS) оборудования для преобразования и распределения электроэнергии можно рассчитать по формуле:
ΔS = P/COSφ₁ - P/COSφ₂ = P×(COSφ₂ - COSφ₁)/(COSφ₂×COSφ₁)
(Где P — активная мощность нагрузки, COSφ₁ — коэффициент мощности до компенсации, а COSφ₂ — коэффициент мощности после компенсации)
- Пример эффекта : Возьмём в качестве примера нагрузку 1000 кВт. Коэффициент мощности увеличивается с 0,7 (до компенсации) до 0,95 (после компенсации). Согласно формуле, мощность оборудования может быть снижена на 376 кВА. Для новых проектов это означает возможность выбора трансформаторов и распределительных шкафов меньшей мощности, что снижает затраты на закупку оборудования. Для существующих проектов это может снизить базовые расходы на электроэнергию (в некоторых регионах плата за электроэнергию взимается в зависимости от мощности оборудования), что позволит сэкономить более 10 000 юаней в год.
2. Сокращение потерь при передаче электроэнергии, повышение эффективности использования
При передаче электроэнергии на большие расстояния реактивный ток увеличивает потери в линии (потери пропорциональны квадрату тока). Низковольтные конденсаторы уменьшают общий ток в линии, компенсируя реактивную мощность, что существенно снижает потери.
- Сценарий применения : Энергосберегающий эффект низковольтных конденсаторов особенно важен в системах электроснабжения на большие расстояния, таких как промышленные парки и системы орошения сельских территорий. Например, линия напряжением 10 кВ обеспечивает электроснабжение завода, расположенного в 2 км. До компенсации потери в линии составляют 8%; после установки низковольтных конденсаторов потери снижаются до менее 5%. При годовой выработке электроэнергии в 1 млн кВт·ч приблизительная годовая экономия электроэнергии составляет 30 000 кВт·ч, что эквивалентно экономии на оплате электроэнергии более 20 000 юаней.
3. Стабилизация напряжения, обеспечение нормальной работы оборудования
В периоды пикового потребления недостаточная реактивная мощность легко приводит к падению напряжения на клеммах (например, двигатели в мастерских не запускаются из-за низкого напряжения, а бытовые приборы часто отключаются). Низковольтные конденсаторы способны компенсировать реактивную мощность в режиме реального времени, регулировать амплитуду колебаний напряжения и поддерживать напряжение в диапазоне, допустимом национальными стандартами (220 В ±7%).
- Практический пример : В период пикового летнего потребления электроэнергии на предприятии пищевой промышленности напряжение в цехе часто опускалось до 190 В, что приводило к отключению морозильного оборудования. После установки двух комплектов низковольтных конденсаторов мощностью по 100 кВАр напряжение стабилизировалось на уровне 210–220 В, частота отказов оборудования снизилась на 40%, а непрерывность производства значительно улучшилась.
4. Оптимизируйте коэффициент мощности сети, избегайте штрафов
Правила ведения бизнеса в сфере электроснабжения Китая чётко устанавливают, что коэффициент мощности промышленных потребителей должен быть не менее 0,9; в противном случае будут налагаться штрафы за реактивную мощность (например, штраф в размере 5% от общей стоимости электроэнергии при коэффициенте мощности 0,7). Низковольтные конденсаторы могут точно повышать коэффициент мощности до допустимого уровня, даже превышая норматив (например, более 0,95), помогая предприятиям избегать штрафов. В некоторых регионах предприятия могут даже воспользоваться льготами по снижению тарифов на электроэнергию.
II. Два основных метода компенсации реактивной мощности низковольтных конденсаторов: выбор адаптивных решений по запросу
В зависимости от диапазона напряжения питания и характеристик распределения нагрузки компенсация реактивной мощности низковольтных конденсаторов подразделяется на два основных метода: «централизованная компенсация» и «локальная компенсация». Для максимального эффекта компенсации предприятиям необходимо выбирать метод, исходя из собственных условий.
1. Централизованная компенсация: подходит для крупномасштабных сценариев
- Способ установки : сконфигурировать несколько комплектов низковольтных конденсаторов (обычно это батареи конденсаторов шкафного типа с мощностью одного комплекта 50–300 квар) на распределительной шине низковольтной распределительной станции для централизованной компенсации реактивной мощности во всем диапазоне электроснабжения;
- Основные преимущества : Удобное управление, автоматическое переключение может быть реализовано через единый контроллер (например, ПЛК), адаптируясь к сценариям, где несколько нагрузок работают одновременно (например, промышленные парки, крупные торговые центры);
- Применимые сценарии : районы с относительно концентрированной нагрузкой и короткими линиями (≤500 метров). Например, на распределительной станции промышленного парка установлено 4 комплекта низковольтных конденсаторов мощностью 200 квар, что позволяет обеспечить компенсацию реактивной мощности 10 малых и средних предприятий, а общий коэффициент мощности превышает 0,92.
2. Компенсация на месте: подходит для сценариев с большой единичной нагрузкой и перевозкой на большие расстояния.
- Способ установки : установите низковольтные конденсаторы непосредственно возле электрооборудования (например, рядом с двигателями, внутри шкафов управления насосной станции), подключите их параллельно нагрузке для электропитания и компенсируйте реактивную мощность, генерируемую оборудованием на месте;
- Основные преимущества : предотвращает передачу реактивного тока в линии, снижает локальные потери в линии и особенно подходит для электроснабжения на большие расстояния или для одного мощного оборудования (например, двигателей мощностью более 10 кВт, насосов для орошения сельской местности);
- Применимые сценарии : сельские ирригационные станции (длина линии 1–3 км), крупные заводские электродвигатели (например, компрессоры мощностью 50 кВт). Например, после установки низковольтного конденсатора 50 кВАр для насоса сельской ирригационной системы потери в линии снизились на 35%, эффективность орошения увеличилась на 20%, и не требовалось ждать наступления пикового потребления электроэнергии для запуска оборудования.
III. Технические аспекты компенсации реактивной мощности низковольтных конденсаторов: избежание рисков, обеспечение стабильной работы
При применении низковольтных конденсаторов необходимо уделять особое внимание трем ключевым вопросам: «предотвращение пусковых токов, предотвращение усиления гармоник и предотвращение самовозбуждения», чтобы избежать повреждения оборудования или отказов системы и обеспечить безопасную и надежную работу системы компенсации.
1. Предотвращение пускового тока: избегайте воздействия тока при включении
При подключении низковольтных конденсаторов к электросети существует вероятность мгновенного возникновения пускового тока с пиковым значением в 5–10 раз превышающим номинальный ток, что может привести к пробою изоляционного слоя конденсатора или сгоранию контактора.
- Решения :
- Выбирайте низковольтные конденсаторы с токоограничивающими резисторами или последовательно включайте во входную цепь токоограничивающие реакторы для снижения пикового значения пускового тока;
- Использовать технологию отложенного переключения, чтобы избежать одновременного переключения нескольких наборов конденсаторов (интервал времени ≥30 секунд);
- Ссылка на расчёт пускового тока : пусковой ток (Is) можно рассчитать путём приблизительного расчёта по формуле: Is = In×√(S/Q) (где In — номинальный ток конденсатора, S — мощность короткого замыкания в месте установки, а Q — ёмкость конденсатора). При проектировании необходимо обеспечить, чтобы пиковое значение пускового тока было ≤5 номинальных значений.
2. Предотвращение усиления гармоник: избегайте резонанса
Низковольтные конденсаторы и линейные катушки индуктивности образуют LC-контур. При наличии в электросети 3-й, 5-й, 7-й или других гармоник вероятно возникновение резонанса, приводящего к усилению гармоник, перегреву конденсаторов и аномальному повышению напряжения.
- Решения :
- Подключать реакторы с определенным значением реактивного сопротивления (обычно 6% или 7% реактивного сопротивления) последовательно в цепь низковольтного конденсатора , чтобы изменить резонансную частоту LC-контура и избежать гармонических частот;
- Установите детекторы гармоник для мониторинга гармонического состава электросети в режиме реального времени. Если уровень гармоник превышает норму (например, коэффициент гармонических искажений >5%), необходимо использовать активные сетевые фильтры в сочетании с другими фильтрами.
3. Предотвращение самовозбуждения: контроль емкости
Если емкость низковольтных конденсаторов слишком большая, это приведет к тому, что при остановке двигателя возникнет напряжение самовозбуждения, что приведет к переходу двигателя в режим генерации электроэнергии и повреждению изоляции оборудования.
- Решения :
- Компенсирующая мощность должна быть меньше мощности холостого хода двигателя, обычно составляя 0,9 от мощности холостого хода двигателя. Формула расчета: Qc = 0,9×3UI₀ (где U — напряжение сети, I₀ — ток холостого хода двигателя);
- Например, двигатель мощностью 10 кВт имеет ток холостого хода 5 А и напряжение сети 380 В. Согласно формуле, ёмкость низковольтного конденсатора, которую можно выбрать, составляет 0,9×3×380×5≈5130 вар (т.е. примерно 5 квар), что позволяет избежать самовозбуждения, вызванного избыточной ёмкостью.
IV. Расчет емкости и выбор управления низковольтным конденсатором для компенсации реактивной мощности: точное соответствие требованиям
Научное определение ёмкости низковольтных конденсаторов и выбор подходящего метода управления переключением являются ключом к обеспечению эффекта компенсации. Строгие расчёты, основанные на параметрах нагрузки, необходимы для предотвращения «перекомпенсации» или «недокомпенсации».
1. Расчет компенсационной мощности: точный расчет на основе целевого
- Основная формула : Требуемая емкость низковольтного конденсатора (Qc) рассчитывается на основе изменения коэффициента мощности: Qc = P×(tgφ₁ - tgφ₂) (где P — активная мощность нагрузки, tgφ₁ — значение тангенса, соответствующее коэффициенту мощности до компенсации, а tgφ₂ — значение тангенса, соответствующее целевому коэффициенту мощности после компенсации);
- Пример расчёта : Активная мощность нагрузки цеха P = 800 кВт, коэффициент мощности до компенсации COSφ₁ = 0,7 (tgφ₁ ≈ 1,02), а целевой коэффициент мощности после компенсации COSφ₂ = 0,95 (tgφ₂ ≈ 0,33). Тогда Qc = 800 × (1,02 - 0,33) = 552 квар. На практике можно выбрать 6 комплектов низковольтных конденсаторов мощностью по 100 квар (общая ёмкость 600 квар) с небольшим запасом для компенсации колебаний нагрузки.
2. Метод управления переключением: выбор на основе стабильности
- Ручное переключение : подходит для сценариев со стабильной нагрузкой и низкой частотой использования (например, для небольших двигателей в мастерских). Низковольтные конденсаторы переключаются вручную с помощью переключателей, что экономит затраты.
- Автоматическое переключение : подходит для ситуаций с большими колебаниями нагрузки и непрерывной работой (например, торговые центры, химические заводы). ПЛК или специализированные контроллеры используются для автоматического переключения конденсаторных батарей в зависимости от коэффициента мощности (например, включение при коэффициенте мощности ниже 0,9, выключение при коэффициенте мощности выше 0,95), чтобы избежать чрезмерной компенсации.
- Задержка переключения : Независимо от ручного или автоматического переключения необходимо установить задержку (≥30 секунд), чтобы предотвратить воздействие пускового тока, вызванного частым переключением конденсаторов, и продлить срок службы оборудования.
V. Заключение: Компенсация реактивной мощности с помощью низковольтных конденсаторов — предпочтительное решение для снижения затрат и повышения
В условиях растущего спроса на электроэнергию и ужесточения требований к энергосбережению компенсация реактивной мощности низковольтными конденсаторами стала основным средством оптимизации энергосистем предприятий, обеспечивая тройное преимущество: повышение эффективности, снижение потерь и экономию затрат. Будь то промышленное производство, коммерческая деятельность или сельскохозяйственное орошение, ценность низковольтных конденсаторов может быть в полной мере раскрыта благодаря научному выбору методов компенсации, точному расчету мощности и избежанию технических рисков, что позволяет достичь двойной цели: стабильной работы системы электроснабжения и повышения экономической эффективности.
Если ваше предприятие столкнулось с такими проблемами, как неудовлетворительный коэффициент мощности, высокая плата за электроэнергию или трудности с запуском оборудования, пожалуйста, оставьте нам сообщение с указанием типа нагрузки (например, мощности двигателя, длины линии электропередачи), текущего коэффициента мощности и других параметров. Компания Hengrong Electric Co., Ltd. предоставит вам индивидуальное решение для компенсации реактивной мощности с помощью низковольтных конденсаторов, которое поможет вашему предприятию снизить затраты и повысить эффективност.