Реактивная мощность в электрической сети

Электрическая энергия, вырабатываемая генераторами электростанций, характеризуется их активной и реактивной мощностью. Активная мощность потребляется электроприёмниками, преобразуясь в тепловую, механическую и другие виды энергии. Реактивная мощность характеризует электроэнергию, преобразуемую в энергию электрических и магнитных полей. В электрической сети и её электроприёмниках 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 определённому закону регулирования с помощью специальных средств.

Мощность электрооборудования электроэнергетическойсистемы (генераторы, линии электропередач, трансформаторы, электроприёмники 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 cos и реактивная Q = UI sin , где U и I - действующие значения синусоидального напряжения и тока; - угол между векторами напряжения и тока. В конденсаторах, кабелях и других видах электрооборудования, которое характеризуется ёмкостным сопротивлением Х_C, реактивной мощностью Q = U²/Х_C, 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 = I²Х_L определяется током I и индуктивным сопротивлением элемента Х_L.

Ёмкостной ток в идеальном конденсаторе опережает приложенное к нему напряжение на 90 эл. град. Тогда мощность этого конденсатора Q_C = UI sin (– ) (–UI имеет отрицательный знак). В этом случае говорят, что конденсатор генерирует реактивную мощность. Индуктивный ток в идеальном реакторе отстаёт от приложенного к нему напряжения на 90 эл. град. Мощность реактора Q_L = UI sin имеет положительный знак. В этом случае говорят, что реактор потребляет реактивную мощность. Очевидно, что в понятиях «генерирование» и «потребление» реактивной мощности заложена определённая условность, но тем самым подчёркивается, что взаимодействие ёмкостных и индуктивных элементов в электрической сети имеет компенсирующий эффект Q_S = Q_L – Q_C. Это свойство элементов широко используется на практике для компенсации реактивной мощности, тем самым снижая падение напряжения в сети, потери электроэнергии.

Приведённые выше величины S, P, Q применяются при расчётах режимов в электроэнергетических системах, проектировании и выборе электрооборудования. Значения этих величин принимаются как независимые от времени, что позволяет существенно упростить расчёты. Фактически же по цепи протекает переменный ток, мгновенное значение которого определяется выражением i = I_m sin ( t – ). Под действием этого тока на элементах цепи устанавливается напряжение u_а = U_m cos sin (t – ) - активная составляющая и u_р = U_m sin sin( t – ± /2) — реактивная составляющая. Здесь U_m и I_m — амплитуды синусоидальных напряжения и тока. При этом мощность, потребляемая активными элементами электрической цепи, определяется как функция времени выражением р_а = iu_а = UI cos [1 – cos(2 t – )], а реактивная мощность, потребляемая (генерируемая) реактивными элементами, – q_р = iu_р = ± UI sin sin2( t – ). Линейные диаграммы, отображающие мгновенные значения напряжения и тока в активно-индуктивной цепи, а также соответствующие им мощности приведены на рисунке 7.1. Амплитуды активной и реактивной мощностей, изменяющихся по синусоидальному закону с двойной частотой (2 ), соответственно составляют Р = UI cos и Q = UI sin , 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 ёмкостных элементах реактивной мощности в каждый момент времени имеют противоположный знак, в чем, как было отмечено выше, и проявляется их взаимокомпенсирующее действие.

Рис. 7.1. Изменение мгновенных значений полной s, активной и реактивной мощности в цепи с активно-реактивной нагрузкой

(0 /2)