Реактивная мощность: что это такое и что такое коэффициент мощности

Реактивная мощность: это часть мощности переменного тока, которая не превращается в работу или тепло, а циркулирует между источником и нагрузкой, обладающей индуктивностью или ёмкостью. Она нужна, чтобы создавать магнитные поля в двигателях и трансформаторах, но при этом загружает кабели, трансформаторы и сеть дополнительным током и увеличивает потери. Измеряется в киловольт-амперах реактивных (квар). Долю реактивной составляющей характеризует коэффициент мощности, cos φ: отношение активной мощности к полной. Чем он ближе к единице, тем меньше реактивной мощности потребляет установка.

Активная, реактивная и полная мощность

В цепи переменного тока различают три мощности. Их удобно представлять как стороны прямоугольного треугольника: активная и реактивная мощности служат катетами, полная мощность гипотенузой, а угол между активной и полной мощностью обозначают φ.

Коэффициент мощности равен P, делённой на S. Если на вводе активная мощность 400 кВт, а полная 500 кВА, cos φ составляет 0,8, и реактивная мощность в этом случае равна 300 квар. Сеть при этом несёт ток, рассчитанный на 500 кВА, хотя полезная нагрузка меньше. Иногда вместо cos φ используют tg φ, отношение реактивной мощности к активной: его удобнее сравнивать с договорными значениями.

Откуда берётся реактивная мощность

Основные потребители реактивной мощности на предприятии имеют индуктивный характер.

• Асинхронные двигатели. Насосы, вентиляторы, компрессоры, станки. Особенно много реактивной мощности потребляет двигатель, работающий с недогрузкой или на холостом ходу.
• Силовые трансформаторы. Ток намагничивания нужен всегда, даже без нагрузки.
• Сварочное оборудование, индукционные печи, дроссели светильников.

Ёмкостный характер имеют длинные кабельные линии и конденсаторы. Отдельная тема: частотные преобразователи и импульсные блоки питания. Они могут давать неплохой cos φ по основной частоте, но создают высшие гармоники, из-⁠за которых полный коэффициент мощности оказывается ниже ожидаемого.

Почему реактивная мощность важна для потребителя

Реактивный ток проходит по тем же проводам, что и активный. Отсюда несколько последствий.

• Растут потери электроэнергии в кабелях и трансформаторах, они пропорциональны квадрату тока.
• Снижается запас по пропускной способности: трансформатор и кабель загружены током, который не делает полезной работы.
• Растёт падение напряжения на длинных линиях.

Поэтому для крупных потребителей сетевая организация может установить в договоре или технических условиях допустимое соотношение потребления активной и реактивной мощности. Если предприятие выходит за эти значения, договор может предусматривать повышенную плату за услуги по передаче или требование установить компенсирующие устройства. Конкретные условия зависят от договора, уровня напряжения и присоединённой мощности, их проверяют по документам предприятия.

Компенсация реактивной мощности

Компенсация реактивной мощности означает, что реактивная мощность вырабатывается на месте, рядом с нагрузкой, и не тянется из сети. Чаще всего для этого ставят конденсаторные установки.

• Нерегулируемые установки подключают к отдельным крупным двигателям, которые работают с постоянной нагрузкой.
• Автоматические установки ставят на шинах распределительного щита. Регулятор подключает ступени конденсаторов по текущему cos φ.
• Установки с фильтрами применяют там, где много гармоник: обычные конденсаторы в такой сети перегреваются и могут войти в резонанс.

Перед выбором установки нужно измерить, как реактивная мощность меняется в течение суток и недели. Если поставить установку по паспортным данным оборудования, легко получить перекомпенсацию в ночные часы или недостаток мощности в пиковые. Здесь пригодится обследование качества электроэнергии: оно показывает и реактивную мощность, и гармонический состав тока.

Как измеряют реактивную мощность

Для учёта реактивной энергии нужны счётчики электроэнергии, которые измеряют её отдельно от активной. Многие современные счётчики считают активную и реактивную энергию в обоих направлениях и хранят профиль нагрузки по каждой из них. На вводах с большими токами счётчик подключают через трансформаторы тока, и от правильности их подключения зависит, верно ли посчитан угол между током и напряжением.

Разовый замер даёт только снимок. Чтобы видеть картину по часам и сменам, счётчики объединяют в АСКУЭ: система собирает почасовые значения активной и реактивной энергии по каждому вводу и цеху. В платформе МБорд по вводу видны активная и реактивная мощность, cos φ и их история на графике. Проект, монтаж и наладку такой системы мы выполняем в рамках услуги АСКУЭ и АИИС КУЭ.

Вопросы и ответы

Что такое cos φ простыми словами?

Это доля полезной мощности в полной. При cos φ, равном единице, вся мощность идёт в работу. При cos φ 0,7 сеть передаёт заметно больший ток, чем нужен для той же полезной нагрузки.

Какой коэффициент мощности считается нормальным?

Предельные значения задаёт приказ Минэнерго России № 380 через tg φ в часы больших нагрузок сети: 0,35 при присоединении ниже 1 кВ, 0,4 при присоединении от 1 до 35 кВ, 0,5 на 110 кВ. Это соответствует cos φ примерно 0,94, 0,93 и 0,89. Конкретное значение для предприятия указывают в договоре, а компенсацию на практике обычно настраивают на cos φ от 0,93 до 0,97.

Платят ли за реактивную мощность?

Отдельного тарифа для большинства потребителей нет, но договор может устанавливать допустимое соотношение реактивной и активной мощности и последствия его нарушения. Для бытовых потребителей такие условия не применяются, небольшим предприятиям их наличие стоит проверить по своему договору.

Можно ли снизить реактивную мощность без конденсаторов?

Частично. Помогает замена недогруженных двигателей на двигатели подходящей мощности, отключение трансформаторов, работающих на холостом ходу, и ограничение холостого хода оборудования.