Как счетчик учитывает реактивную энергию

29

Учёт реактивной мощности в стандартных договорах на поставку электроэнергии

Так как влияние реактивной мощности на потери в системе и на пропускную способность линий и трансформаторов являются значительными, то необходимо определять цену на реактивную мощность, устанавливая измерительные приборы. Существуют различные методы тарификации, основанные на количестве реактивной энергии, на количестве кажущейся энергии и на различных значениях для дневного и ночного тарифа.

Средний коэффициент мощности cosφ, меньший единицы, является причиной дополнительных издержек поставщиков электроэнергии, которые возмещаются потребителями в соответствии с условиями специальных договоров. Это относится к крупным потребителям, таким как коммерческие, торговые или промышленные предприятия с низким средним коэффициентом мощности в течение месяца или расчётного периода. При этом реактивная энергия должна измеряться с помощью отдельного счётчика квар∙ч.

Для минимизации стоимости реактивной энергии необходимо обратить внимание на положения индивидуального договора между компанией, поставляющей электроэнергию, и потребителем. Договор является основой экономической базы и содержит все технические, экономические и правовые условия, которым должен следовать потребитель, в том числе и договорные цены за кВт∙ч и квар∙ч.

Новые компании на рынке поставки электроэнергии, в частности, в государствах-членах Европейского Союза (ЕС) привели к изменениям в условиях продаж многих поставщиков. В договорах компаний, заключающихся по всему миру, могут иметься различия. Это связано с тем, что необходимо принимать во внимание соответствующие нормы и правила, касающиеся электроэнергетики, действующие в каждой стране. Во многих случаях стандартные договоры поставки могут быть составлены с учётом положений, приведённых ниже.

Учёт реактивной энергии в типовых договорах поставки

Чёткая дифференциация между общими клиентами (например, домохозяйствами или мелкими торговыми предприятиями) и потребителями со специальными договорами невозможна из-за наличия многочисленных технических и экономических факторов, которые должны приниматься во внимание: заявленная мощность, потребление электроэнергии, период использования, вид нагрузки.

Компании, поставляющие или распределяющие электроэнергию, обычно включают в специальные договоры положения, относящиеся к учёту и оплате реактивной энергии. Это означает, что поставщик взимает с особого потребителя оплату за реактивную энергию по договорной цене. Существует дополнительный компонент ценообразования распределительных электросетевых компаний, который относится к использованию сети потребителем. Величина платы за использование энергосистемы зависит от ожидаемой максимальной нагрузки, так называемой необходимой электрической мощности, которая должна быть заявлена потребителем. Эти данные составляют основу для расчёта цены сетевой распределительной компанией. К цене реактивной энергии поставщиком может быть в расчёт добавлен другой компонент, относящийся к качеству электроэнергии.

Любая реактивная энергия, поставляемая потребителю, является причиной повышения стоимости. Измеренная реактивная энергия будет учитываться в договорах с поставщиками. Плата за неё будет взиматься с потребителей с большой мощностью (например, с P> 30 кВт, при установке измерителя квар). Так как договоры не одинаковы, рекомендуется получить всю необходимую информацию в местной энергоснабжающей или распределяющей компании. Энергоснабжающие компании предлагают два вида тарификации, относящиеся к реактивной энергии:

• тарификация в зависимости от потребляемой реактивной энергии;
• тарификация в зависимости от потребляемой кажущейся энергии.

Для учёта экономического аспекта эксплуатации установок потребителей необходимо получить от поставщика информацию о преимуществах вида тарификации и условиях договора. Далее рассмотрим учёт повышенной реактивной энергии в различных видах специальных договоров на поставку.

Тарификация в зависимости от потребляемой реактивной энергии (квар∙ч)

Большинство поставщиков выдвигают условие поддержания среднего коэффициента мощности cosφ в течение месяца или расчётного периода выше 0,9. Если потребление реактивной энергии становится больше 50% потребления активной энергии, то дополнительная реактивная энергия будет тарифицироваться. Как говорилось выше, реактивная энергия будет измеряться отдельным счётчиком квар·ч. Обычно дополнительная реактивная энергия (квар·ч) оценивается в диапазоне от 10 до 15% стоимости активной энергии (кВт·ч). Оценка реактивной энергии также может быть предметом переговоров с местным поставщиком. Также нужно обратить внимание, оценивает ли энергоснабжающая компания дополнительную реактивную энергию по периоду высокого тарифа (дневного) или по периоду низкого тарифа (ночному).

В случае системы с распределённой генерацией, которая может отдавать активную энергию обратно в сеть, должны приниматься во внимание специальные технические соображения, так как значения коэффициента мощности cosφ могут оказаться во всех четырёх квадрантах при генерации в перевозбуждённом и недовозбуждённом режимах и для нагрузок с опережающим и отстающим коэффициентами мощности).

На рисунке показан в графическом виде метод определения дополнительного потребления реактивной энергии при коэффициенте мощности, задаваемом энергоснабжающей компанией, например, при cosφ ≈ 0,9. Иногда поставщик может задавать разные коэффициенты мощности в дневной и ночной период, потому что ночью может оказаться удовлетворительным более низкое значение, чтобы избежать опережающего (емкостного) коэффициента мощности в системе электроснабжения. Такие условия могут быть предложены прежде всего в городской местности с большими кабельными сетями в периоды низкой нагрузки. Некоторые изготовители реле коэффициента мощности предлагают в качестве функции возможность автоматического переключения между двумя заданными значениями коэффициента мощности cosφ.

Как определить среднемесячный коэффициент мощности?

Рассмотрим пример: месячное потребление промышленной установки составляет 40 000 кВт·ч активной энергии и 50 000 квар·ч реактивной энергии.

Среднемесячный коэффициент мощности определяется следующим образом:

tgφ = реактивная энергия/активная энергия = 50000 квар·ч/40000 кВт = 1,25.

Следовательно, cosφ = 0,624.

Энергоснабжающая компания в соответствии с договором оценивает дополнительную реактивную энергию, потребляемую вследствие того, что средний коэффициент мощности ниже 0,9, в 15% от средней стоимости активной энергии, составляющей 12 центов за кВт·ч, то есть в 1,8 цента за квар·ч.

Так как нетарифицируемая часть реактивной энергии составляет 50% от потреблённой активной энергии, 50% от 40 000 кВт·ч = 20000 квар·ч не оплачиваются.

Из общего количества реактивной энергии 50 000 квар·ч, потребляемой за месяц, 30 000 квар·ч будут тарифицироваться по 1,8 цента за квар·ч, что составит общую стоимость за месяц €540.

Стоимость за год может составить €6480, если потребитель не повысит средний коэффициент мощности путём компенсации реактивной мощности. Также появляются дополнительные затраты (не отражаемые в счёте в явном виде) из-за увеличения потерь (I2R) в системе передачи и распределения (линии и трансформаторы), оцениваемые по 12 центов за кВт·ч всё время, когда коэффициент мощности cosφ меньше единицы. Этот факт принимается во внимание очень редко.

Тарификация в зависимости от потребляемой кажущейся энергии (квар∙ч)

В этом методе рассматривается максимальная активная мощность, которая может возникнуть в течение расчётного периода. Данные потреблённой активной и реактивной энергии определяют средний cosφm. По этим данным можно вычислить максимальную кажущуюся мощность. Значение cosφ сильно влияет на начисления, когда он меньше единицы. Если принять, что активная мощность постоянна, измеренная тарифицируемая кажущаяся энергия определяется подлежащей оплате реактивной энергией в соответствии со следующей формулой:

S = Pmax/cosφm , где

• S – кажущаяся мощность (кВА),
• Pmax – максимальная активная мощность (кВт),
• сosφm – коэффициент мощности.

Такой метод оценки побуждает пользователя максимально приближать к единице коэффициент мощности сosφm. Это означает, что необходимо применение компенсации реактивной мощности. При этом дополнительным преимуществом окажется уменьшение потерь, о которых говорилось выше (в линиях и трансформаторах). В результате быстро амортизируются высокие инвестиции для компенсации реактивной мощности.

Важность учёта реактивной мощности при определении расходов на подключение

Должна быть сделана правильная оценка потребления мощности предприятия. Необходимо заявить поставщику требуемую (заказываемую) мощность, а также коэффициент спроса, который включает в себя коэффициент нагрузки и коэффициент разновременности. Эти данные являются основой для проектирования системы энергоснабжения. Кроме того, они помогают оптимизировать договор, предлагаемый потребителю. Он приводит к отношению максимальной нагрузки (мощности) к требуемой нагрузке (мощности) поставщика. Многие энергоснабжающие и распределительные компании используют эти данные для расчёта стоимости подключения и сетевых затрат.

• Стоимость подключения относится к стоимости установки электрического соединения между потребителем и системой электроснабжения. Поставщик взимает эту стоимость с потребителя полностью или частично.
• Сетевые расходы являются общими расходами и относятся к расходам на построение системы распределения электроэнергии.

Как было сказано выше, заявленная мощность должна даваться поставщику как кажущаяся мощность (кВА). Также должны учитываться такие данные, как коэффициент спроса и средний коэффициент мощности cosφа.

При проектировании новых установок нужно принимать во внимание средний коэффициент мощности cosφа аналогичных установок или проводить расчёты на основе предполагаемых технических характеристик оборудования потребителей.

«Специальные потребители» могут уменьшить затраты посредством классической компенсации реактивной мощности, при этом дополнительно улучшая качество энергии с помощью фильтров. Экономия проявляет себя в различных областях, особенно при уменьшении затрат, относящихся к реактивной энергии, а также к активной энергии в результате уменьшения потерь активной мощности в системе, пиков активной мощности, стоимости инвестиций и стоимости подключения.

Что такое активная и реактивная электроэнергия на счетчике

С одной стороны, работу тока можно легко посчитать, зная силу тока, напряжение и сопротивление нагрузки. До боли знакомые формулы из курса школьной физики выглядят так.

И здесь нет ни слова про реактивную составляющую.

С другой стороны, ряд физических процессов на самом деле накладывают свои особенности на эти расчёты. Речь идёт о реактивной энергии. Проблемы с пониманием реактивных процессов приходят вместе со счетами за электроэнергию в крупных предприятиях, ведь в бытовых сетях мы платим только за активную энергию (размеры потребления реактивной энергии настолько малы, что ими просто пренебрегают).

Чтобы понять суть физических процессов начнём с определений.

Активная электроэнергия – это полностью преобразуемая энергия, поступающая в цепь от источника питания. Преобразование может происходить в тепло или в другой вид энергии, но суть остаётся одна – принятая энергия не возвращается обратно в источник.

Пример работы активной энергии: ток, проходя через элемент сопротивления, часть энергии преобразует в нагрев. Эта совершённая работа тока и является активной.

Реактивная электроэнергия – это энергия, возвращаемая обратно источнику тока. То есть ранее полученный и учтённый счётчиком ток, не совершив работы, возвращается. Помимо прочего ток совершает скачок (на короткое время нагрузка сильно возрастает).

Тут без примеров сложно понять процесс.

Самый наглядный – работа конденсатора. Сам по себе конденсатор не преобразует электроэнергию в полезную работу, он её накапливает и отдаёт. Конечно, если часть энергии всё-таки уходит на нагрев элемента, то её можно считать активной. Реактивная же выглядит так:

1. При питании ёмкости переменным напряжением, вместе с увеличением U растёт и заряд конденсатора.

2. В момент начала падения напряжения (второй четвертьпериод на синусоиде) напряжение на конденсаторе оказывается выше, чем у источника. И поэтому конденсатор начинает разряжаться, отдавая энергию обратно в цепь питания (ток течёт в обратном направлении).

3. В следующих двух четвертьпериодах ситуация полностью повторяется, то только напряжение меняется на противоположное.

Ввиду того, что сам конденсатор работы не совершает, принимаемое напряжение достигает своего максимального амплитудного значения (то есть в √2=1,414 раза больше действующего 220В, или 220·1,414=311В).

При работе с индуктивными элементами (катушки, трансформаторы, электродвигатели и т.п.) ситуация аналогична. График показателей можно увидеть на изображении ниже.

Рис. 2. Графики показателей

Ввиду того, что современные бытовые приборы состоят из множества разных элементов с "реактивным" эффектом питания и без него, то реактивный ток, протекая в обратном направлении, совершает вполне реальную работу по нагреву активных элементов. Таким образом, реактивная мощность цепи – по сути выражается в побочных потерях и скачках напряжения.

Очень сложно отделить один показатель мощности от другого при расчётах. А система качественного и эффективного учёта стоит дорого, что, собственно, и привело к отказу от измерения объёма потребления реактивных токов в быту.

В крупных коммерческих объектах наоборот, объем потребления реактивной энергии намного больше (из-за обилия силовой техники, снабжаемой мощными электродвигателями, трансформаторами и другими элементами, порождающими реактивный ток), поэтому для них вводится раздельный учёт.

Как считается активная и реактивная электроэнергия

Большинство производителей счётчиков электроэнергии для предприятий реализуют простой алгоритм.

Здесь из полной мощности S отнимается активная мощность P (в облегчённом для понимания виде).

Таким образом, производителю не обязательно организовывать полностью раздельный учёт.

Что такое cosϕ (косинус фи)

Ввиду того, что большой объем фактически паразитных реактивных токов нагружает сети поставщика электроэнергии, последние стимулируют потребителей снижать реактивную мощность.

Для числового выражения соотношения активной и реактивной мощностей применяется специальный коэффициент – косинус фи.

Вычисляется он по формуле.

Где полная мощность – это сумма активной и реактивной.

Чем ближе показатель к единице, тем меньше паразитной нагрузки на сеть.

Такой же коэффициент указывается на шильдиках электроинструмента, оснащённого двигателями. В этом случае cosϕ используется для оценки пиковой потребляемой мощности. Например, номинальная мощность прибора составляет 600 Вт, а cosϕ = 0,7 (средний показатель для подавляющего большинства электроинструмента), тогда пиковая мощность, необходимая для старта электродвигателя будет считаться как Pномин / cosϕ, = 600 Вт / 0,7 = 857 ВА (реактивная мощность выражается в вольт-амперах).

Применение компенсаторов реактивной мощности

Чтобы стимулировать потребителей эксплуатировать электросеть без реактивной нагрузки, поставщики электроэнергии вводят дополнительный оплачиваемый тариф на реактивную мощность, но оплату взимают только если среднемесячное потребление превысит определённый коэффициент, например, при соотношении полной и активной мощностей составит свыше 0,9, счёт на оплату реактивной мощности не выставляется.

Для того, чтобы снизить расходы, предприятия ставят специальное оборудование – компенсаторы. Они могут быть двух видов (в соответствии с принципом работы):

• Ёмкостные;
• Индуктивные.

Мнения читателей

Нет комментариев. Ваш комментарий будет первый.

Вы можете оставить свой комментарий, мнение или вопрос по приведенному выше материалу:

Учет реактивной электроэнергии

Для измерения реактивной энергии трехфазного тока применяются следующие схемы учета:

1) с одним, двумя или тремя однофазными счетчиками;

2) с трехфазным двухэлементным реактивным счетчиком с нормальным 90-градусным сдвигом фаз магнитных потоков и подразделенными последовательными обмотками;

3) с трехфазным двухэлементным реактивным счетчиком 60-градусным сдвигом фаз магнитных потоков;

4) с трехфазным двухэлементным счетчиком активной энергии.

Для симметричной трехфазной трехпроводной сети для учета реактивной энергии можно использовать один однофазный счетчик.

Частота вращения диска счетчика пропорциональна мощности

,

где — линейное напряжение, приложенное к параллельной обмотке счетчика; — ток последовательной обмотки счетчика; — угол сдвига между линейным напряжением и током .

Расход реактивной энергии за определенное время t в трехфазной сети равен

.

Используя схему рис. 3, а можно помимо учета активной энергии определить расход реактивной энергии в этой сети, если вычесть показания однофазного счетчика из показаний другого ( только в случае возрастаний показаний обоих счетчиков). Полученная разность показаний и увеличенная в ф раз определяет расход реактивной электрической энергии в этой сети.

Схема с использованием 3-однофазных счетчиков (рис. 6) может быть использована в трехфазных трехпроводных и четырехпроводных сетях низкого напряжения при простой асимметрии.

Частота вращения дисков однофазных счетчиков пропорциональна мощностям где

Сумма показаний трех счетчиков будет пропорциональна сумме мощностей

где фазные реактивной мощности фаз А, В, С.

Из последнего выражения следует — реактивная энергия в трехфазной сети равна сумме показаний 3-х однофазных счетчиков деленной на .Учет реактивной энергии с помощью трехфазного двухэлементного реактивного счетчика с 90-градусным сдвигом фаз магнитных потоков можно осуществить в симметричной или с простой асимметрией трехфазной сети напряжением свыше 1 кВ. Электрическая схема представлена на рис. 7.

Отсчет реактивной энергии в этой схеме производится непосредственно по счетному механизму с учетом коэффициента трансформации трансформаторов тока и напряжения.

Наибольшее распространение для 3-фазных трехпроводных сетей (симметричных и с простой асимметрией) получим схему учета реактивной энергии со счетчиком с 60-градусным сдвигом фаз магнитных потоков (рис.8). Для обеспечения 60-градусного сдвига между и в параллельную цепь каждого элемента счетчика включено добавочное активное сопротивление Rд.

Результирующая скорость вращения диска счетчика пропорциональна сумме реактивных мощностей 3-х фаз, т.е. и, следовательно, показания счетчика учитывают расход реактивной энергии в трёхфазной системе без введения каких-либо поправочных коэффициентов.

2. Описание лабораторной установки

Лабораторная работа выполняется на установке, включающей лабораторный стенд № 8 и установленный рядом с ним фазорегулятор (ФР). На стенде № 8 смонтированы измерительные приборы, трансформаторы тока, коммутационно-защитные аппараты, блок сопротивлений, а также изображена электрическая схема лабораторной установки (рис.9).*

Подача напряжения 380 В на установку осуществляется автоматом (QF1), расположенным слева в верхней части панели стенда. Здесь же находятся кнопки «П» и «С». Подача питания на схему осуществляется с помощью кнопки «Пуск», а также снятие питания кнопкой «Стоп». В левой части этой панели размещены сопротивления R1, R2, R3 и однополюсный автомат QF2, позволяющие в схеме создавать активную симметричную или не симметричную нагрузки. В правой части панели стенда смонтированы однофазный счётчик активной энергии СО-И446 и трёхфазный САЗ-И670М счётчик активной энергии. Здесь же изображены электрические схемы перечисленных счётчиков с выведенными клеммами их последовательных и параллельных обмоток для монтажа схем. Изображённая ниже схема лабораторной установки позволяет с помощью соединительных проводов монтировать любой вариант схемы учёта электрической энергии.

* ВНИМАНИЕ! На стенде при сборке схемы установка перемычек между клеммами тока и напряжения запрещена.

Расположенные на вертикальной панели вольтметр М42300 и три амперметра М42300 фиксируют наличие напряжения и тока в трёхфазной сети, а фазометр М42300 – вид нагрузки.

С помощью автоматических выключателей QF1 и QF2 можно создать следующие виды нагрузки:

Активную равномерную (включен QF1 и ручкой управления фазорегулятором по фазометру установлено значение cos φ = 1. Кроме этого отключен QF2).

Активная неравномерная (QF2 включён, cos φ = 1).

Активно-индуктивная равномерная (действия перечислены в пункте 1, но фазорегулятором обеспечивается значение cos φ 1).

Активно-индуктивная неравномерная (QF2 включён, значение cos φ 1).

Счётчик реактивной энергии

Многие слышали о реактивной электрической энергии. Учитывая сложность понимания этого термина, сначала необходимо детально разобрать отличия между активной и реактивной энергиями. Приступить необходимо с осознания того факта, что реактивная энергия проявляет себя только в сетях переменного тока. В цепях, где течёт постоянный ток, реактивной энергии не существует. Это обусловлено самой природой её появления.

Переменный ток поступает к потребителю от генерирующих мощностей через ряд понижающих трансформаторов, конструкция которых предусматривает разделение обмоток высокого и низкого напряжения. То есть, в трансформаторе нет прямого физического контакта между обмотками, а ток, тем не менее, течёт. Объяснение этому довольно простое. Электрическая энергия передаётся через воздух, являющийся хорошим диэлектриком, с помощью электромагнитного поля. Его составляющая — переменное магнитное поле, появляющееся в одной из обмоток трансформатора, постоянно пересекает другую обмотку, не имеющей с первой прямого электрического контакта, наводя в её витках электродвижущую силу.

КПД современных трансформаторов очень велик, поэтому потери электроэнергии составляют незначительную величину и вся мощность переменного тока, протекающего в первичной обмотке, переходит в цепь вторичной обмотки. Такая же картина повторяется в конденсаторе. Только за счёт электрического поля. И индуктивность, и емкость порождают реактивную энергию, периодически возвращая источнику переменного тока часть энергии. Запасание и возврат энергии (реактивной её части) мешают течению активной энергии, которая и выполняет всю полезную работу в сетях — она преобразуется в механическую, тепловую и иные виды работы.

Для компенсации противодействия реактивной энергии потребители, у которых много индуктивной нагрузки применяют специально устанавливаемые емкости (конденсаторы). Это позволяет минимизировать негативное влияние появляющейся реактивной энергии. Как уже отмечено, реактивная мощность оказывает существенное влияние на величину потерь электрической энергии в сети. Помимо этого, большой объём реактивной энергии может снизить уровень электромагнитной совместимости оборудования. Из-за этого величину этой негативной энергии необходимо постоянно контролировать и лучший способ для этого – организация её учёта.

Промышленные предприятия (где, в основном, озабочены проблемой реактивной энергии) часто ставят отдельные приборы учёта для реактивной и активной энергии. Счётчики реактивной энергии ведут её учёт в трёхфазных сетях по двум составляющим (индуктивной и емкостной) в вольт-амперах реактивных часов. Как правило, счётчик реактивной энергии — это аналого-цифровое устройство, преобразующее мощность в аналоговый сигнал, который потом превращается в частоту следования электрических импульсов, сложение которых позволяет судить о величине потребляемой энергии. Конструкция счётчика предусматривает пластмассовый корпус, в котором установлены три трансформатора тока и печатная плата с блоком учёта. На внешней стороне прибора размещены светодиоды и (или) жидкокристаллический экран.

Учитывая растущую конкуренцию, промышленные предприятия всё чаще устанавливают универсальные приборы учёта электрической энергии, способные измерять количество активной и реактивной энергии. Кроме того, что приборы совмещают в себе функции двух и более устройств, потребитель снижает затраты на обслуживание системы учёта (вместо двух счётчиков содержится один) и может сэкономить на цене покупки. Эти устройства на базе микропроцессоров способны измерять мгновенные значения напряжений и токов и вычислять реактивную и активную мощности. Прибор фиксирует уровень потребления энергии и отражает информацию на дисплее тремя сменяющимися кадрами (объём активной энергии, индуктивная составляющая реактивной энергии и её ёмкостная составляющая). Новые модели могут учитывать энергию в двух направлениях, предавать полученные данные по инфракрасному цифровому каналу, лучше защищены от воздействия магнитных полей и от хищений энергии. Высокая точность измерений и малое энергопотребление также выгодно отличают их от предшественников.

none Опубликована: 2011 г. 0 0
Вознаградить Я собрал 0 0