Odbiorniki energii elektrycznej pobierają z sieci energię czynną, która zamieniana jest na pracę i ciepło strat. Poza tym o ile nie charakteryzują się czystą rezystancją, a mają także – jak to jest najczęściej w praktyce – charakter indukcyjny lub pojemnościowy pobierają także energię bierną. Dotyczy to m.in. silników, transformatorów, dławików i innych urządzeń o charakterze indukcyjnym oraz kondensatorów i prowadzonych równolegle do siebie kabli będących odbiornikami o charakterze pojemnościowym.

kompensacja mocy biernej

Energia bierna – nieodłącznie związana z działaniem niemal wszystkich odbiorników nie wykonuje żadnej pracy. Jej przepływ nie jest jednak obojętny dla systemu elektroenergetycznego. Gdy moc, a w ślad za nią energia bierna jest pobierana w nadmiarze, obniża istotnie parametry sieci przesyłowych.

Moc bierna pod kontrolą

Z tego też tytułu operatorzy sieci przesyłowych wprowadzają opłaty za ponadnormatywny pobór mocy biernej, niejako zmuszając odbiorców energii do racjonalnego gospodarowania mocą bierną w systemie. Nieskompensowana moc bierna wiąże się z niepotrzebnymi wydatkami, a skuteczne jej wyeliminowanie pozwala nie tylko zaoszczędzić pieniądze, ale przyczynia się również do racjonalnej eksploatacji urządzeń elektrycznych. Podobnie sprawa wygląda w przypadku odbiorników pobierających moc bierną pojemnościową, z tym że moc bierna pojemnościowa i indukcyjna mają – jako wielkości wektorowe – przeciwne znaki. Zatem jednym ze sposobów ograniczania mocy biernej indukcyjnej może być stosowanie dodatkowych odbiorników o charakterze pojemnościowym i odwrotnie. Oba rodzaje mocy biernej, zarówno indukcyjna jak i pojemnościowa, wpływają na zwiększenie strat cieplnych i ograniczają sprawność transformatorów oraz linii kablowych. Wprowadzenie kompensacji skutecznie ograniczającej moc bierną w sieci wpływa na zmniejszenie współczynnika mocy, wydłuża żywotność kabli, transformatora i pozostałych elementów sieci zasilającej. Jeśli uwzględni się zasadę kompensacji polegającą na tym, aby niezbędną ilość mocy biernej wytwarzać w pobliżu odbiornika, a nie przesyłać jej przez system energetyczny, to uzyska się następujące korzyści kompensacji: zmniejszenie natężenia prądu w sieci i wiążące się z tym zmniejszenie spadku napięcia i strat mocy w liniach przesyłowych. Ponadto zmniejszenie natężenia prądu pozwoli na zmniejszenie przekroju przewodów linii, a wzrost współczynnika mocy wpłynie korzystnie na pracę innych odbiorników podłączonych do sieci. Podstawowymi źródłami mocy biernej wytwarzanej w systemie elektroenergetycznym są generatory synchroniczne. Szacuje się że wytwarzają one około 50% całej mocy biernej systemu.

kompensacja mocy biernej2

Kolejne znaczące źródła mocy biernej to: słabo obciążone linie wysokiego napięcia, kondensatory lub baterie kondensatorów, synchroniczne kompensatory mocy biernej pracujące w sieci, silniki synchroniczne oraz kompensatory statyczne – tyrystorowe. Oprócz źródeł mocy biernej w sieci energetycznej znajdują się także jej odbiorniki. Urządzenia te do prawidłowej pracy (jak już wspomniano powyżej) muszą wytwarzać pole elektromagnetyczne i należą do nich m.in.: transformatory, dławiki, silniki synchroniczne, lampy wyładowcze czy przekształtniki tyrystorowe. Moc bierna dostarczana do odbiorników wpływa na zwiększenie wartości prądów roboczych w sieci energetycznej, wymuszając w ten sposób konieczność instalowania urządzeń wytwórczych o większych mocach i prądach znamionowych. Poza tym zwiększa spadki napięć w liniach zasilających i transformatorach, powoduje większe straty energii czynnej w transformatorach, liniach energetycznych oraz obwodach odbiorczych. Z tego powodu dąży się to tego, aby jak najwięcej mocy biernej kompensować w miejscu jej zapotrzebowania – czyli przy odbiorniku. W całym systemie energetycznym dąży się natomiast do tego, aby mocy biernej nie przesyłać na duże odległości.

kompensacja mocy biernej3

Co dopuszczają przepisy

Dopuszczalny pobór mocy biernej z systemu elektroenergetycznego został określony w Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz.U. nr 93/2007 poz. 623, z późniejszymi zmianami). Według powyższego rozporządzenia dopuszczalny pobór mocy biernej określono przez podanie współczynnika tg φ , którego wartość nie może być mniejsza niż 0,4. Przekroczenie dopuszczalnej wartości tegoż współczynnika skutkuje naliczeniem kar (opłat) za pobór ponadnormatywnej mocy biernej. Poprawę współczynnika mocy można uzyskać poprzez unikanie nadmiernego poboru mocy biernej lub w sposób sztuczny poprzez instalowanie dodatkowych źródeł mocy biernej – pojemnościowej lub indykcyjnej – przy odbiornikach. Wybór urządzenia kompensującego powinien zależeć od warunków technicznych, jak i tych zdecydowanie ważniejszych dla inwestora, czyli ekonomicznych. Spośród takich kompensatorów jak: kompensatory synchroniczne, kompensatory energoelektroniczne czy kondensatory, najczęściej stosowane są baterie kondensatorów często wyposażane w urządzenia do automatycznego włączania członów kondensatorowych. Moc kondensatorów potrzebną do kompensacji można obliczyć na podstawie stosunkowo prostych zależności. Należy pamiętać, aby dobrana moc baterii nie spowodowała przekompensowania, bowiem w takich wypadkach odbiornik zmienia charakter z indukcyjnego na pojemnościowy, a zatem do sieci będzie generowana moc bierna pojemnościowa, a to też może być szkodliwe, a nawet niebezpieczne.

kompensacja mocy biernej4

Baterie kondensatorów

Baterie kondensatorów z punktu widzenia wykonania dzieli się na jedno- lub trójfazowe. Natomiast pod kątem napięcia znamionowego można wyróżnić baterie niskich napięć (do 1 kV), średnich napięć (do 30 kV), wysokich napięć (do 110 kV) oraz najwyższych napięć (>110 kV). Inny podział kondensatorów uwzględnia miejsce ich zainstalowania i tutaj baterie kondensatorów mogą być w wykonaniu wnętrzowym, napowietrznym lub wnętrzowo- -napowietrznym. Poza tym klasyfikacja ta uwzględnia także wykonania do specjalnych warunków środowiskowych, takich jak: kopalnie czy pomieszczenia zapylone. Rozwiązania napowietrzno-wnętrzowe najczęściej można spotkać w rozdzielniach zakładów przemysłowych, w których ze względu na brak miejsca człony kondensatorowe montuje się na powietrzu, a pola regulacyjne wewnątrz rozdzielni. Jeśli w sieci energetycznej nie występują wyższe harmoniczne prądu i napięcia oraz nie ma możliwości wystąpienia zjawisk rezonansowych w obwodzie baterii kondensatorów oraz indukcyjności układu zasilania, to baterie kondensatorów nie wymagają dodatkowych dławików rezonansowych. W przeciwnym przypadku należy dołączyć szeregowe dławiki rezonansowe – wtedy powstaje tzw. filtr odstrojny (bateria z dławikami rezonansowymi chroniącymi przed zjawiskami rezonansowymi) lub pasywny filtr wyższych harmonicznych.

Bateria kondensatorów z indukcyjnością dławika szeregowego tworzy filtr o pewnej częstotliwości własnej. Dla wszystkich częstotliwości mniejszych od częstotliwości własnej filtru (również dla częstotliwości 50 Hz) filtr ma charakter pojemnościowy czyli kompensuje moc bierną indukcyjną. Natomiast dla częstotliwości większych od częstotliwości własnej obwód bateria kondensatorów – szeregowy dławik, stanowi charakter indukcyjny, uniemożliwiając dla tych częstotliwości wystąpienia rezonansu w obwodzie bateria kondensatorów – sieć zasilająca. Najczęstszymi źródłami wyższych harmonicznych są odbiorniki nieliniowe oraz przekształtniki tyrystorowe. Jednak ich występowanie w sieci nie oznacza, że automatycznie należy stosować dławiki rezonansowe podpięte do baterii kondensatorów, bowiem o ich zastosowaniu decyduje analiza możliwości wystąpienia zjawisk rezonansowych. Podstawowym kryterium możliwości pracy baterii kondensatorów w obecności wyższych harmonicznych prądu jest sumaryczny prąd obciążenia baterii, który nie może przekroczyć 1,3ICN prądu znamionowego kondensatorów. Analizę należy przeprowadzić dla wszystkich możliwych stopni regulacji baterii kondensatorów.

Ze sterownikiem

Nowoczesne baterie kondensatorów mają mikroprocesorowe sterowniki do regulacji ich pracy. Sterowniki te pełnią wiele funkcji m.in. są to funkcje pomiarowe czy alarmowe oraz współpracują z łącznikami stykowymi lub bezstykowymi. Wybierając konkretny sterownik do baterii kondensatorów, należy przede wszystkim zwrócić uwagę na dynamikę zmian obciążenia. Pod tym względem urządzenia kompensacyjne można podzielić na:

1.Urządzenia do obciążeń wolnozmiennych (z czasem reakcji 1 minuta dla baterii niskonapięciowych oraz 5 minut dla baterii średniego i wysokiego napięcia),

2.Urządzenia do obciążeń o średniej dynamice zmian obciążenia (1-3 sekundy),

3.Urządzenia do obciążeń szybkozmiennych, gdzie czas reakcji kompensatorów jest poniżej 40 ms.

Sztuka doboru

Podstawą prawidłowego doboru układu kompensującego jest prawidłowe oszacowanie zapotrzebowania na moc bierną pojemnościową. Dokonując takiego szacunku, można oprzeć się na jednym z dwóch kryteriów: 

1.Likwidacji lub zminimalizowania opłat za energię bierną,

2.Minimalizacji obciążeniowych strat energii i spadków napięć. O wyborze kryterium i poziomie skompensowania mocy biernej indukcyjnej winien decydować rachunek ekonomiczny. Analizując koszty kompensacji mocy biernej po stronie efektów, należy uwzględnić takie elementy jak: likwidacja lub ograniczenie opłat za energię bierną, ograniczenie strat energii czynnej, możliwość zainstalowania dodatkowych odbiorów bez wymiany kabli, transformatorów czy innych elementów w układzie zasilająco-rozdzielczym, efekty ekonomiczne wynikające z obniżenia zawartości wyższych harmonicznych,inne aspekty jak choćby umożliwienie pracy odbiorników energii elektrycznej w warunkach znamionowych.

 

W skład kosztów inwestycyjnych dotyczących kompensacji mocy biernej wchodzą następujące koszty: wykonanie dokumentacji, zakup urządzeń kompensacyjnych, montaż urządzeń kompensacyjnych i pomiary odbiorcze wraz z uruchomieniem, koszty atestów i dopuszczeń, koszty eksploatacji oraz koszty utrzymania w ruchu i serwisowania. Baterię kondensatorów powinno dobierać się w oparciu o pomiary sieci. Podstawowe korzyści, jakie daje metoda doboru kondensatorów na podstawie pomiarów parametrów sieci, to: dokładny dobór mocy baterii kondensatorów, co redukuje jej koszt i pozwala na optymalne jej wykorzystanie, koszt pomiarów zwraca się w cenie baterii; dobór optymalnego stopniowania członów baterii na podstawie pomiarów zmian mocy biernej, co gwarantuje właściwą kompensację przez cały czas pracy i przy różnym poborze mocy; możliwość oceny czy będzie występował rezonans, co wiąże się z eliminacją ryzyka szybkiego uszkodzenia baterii; gwarancja doboru właściwej metody kompensacji; możliwość zdecydowania, czy korzystniejsza będzie kompensacja grupowa czy indywidualna (lokalna). Czas trwania pomiarów parametrów sieci powinien być zależny od specyfiki odbiorcy. Dla dużych odbiorców o zmiennym cyklu produkcji należy tak dobrać czas pomiarów, aby obejmowały on wszystkie rodzaje produkcji (zazwyczaj jest to od 1-4 dni). Jeśli odbiorcy mają stały cykl produkcji i zaliczają się do grupy odbiorców dużych bądź średnich, to pomiar powinien trwać tak, aby minimalnie objął jeden pełen cykl produkcyjny (zazwyczaj jest to czas od kilku godzin do jednej doby). Przyjmuje się, że dla budynków biurowych i komunalnych pomiar parametrów sieci powinien trwać co najmniej kilka godzin, a w przypadku mocy biernej pojemnościowej – dobę. Mali odbiorcy o mocy do 40 kW mają czas pomiaru określany w zależności od rodzaju obiektu, liczby odbiorników i cyklu produkcji i może on trwać od kilku godzin do jednej doby.

kompensacja mocy biernej5

Dokonując pomiarów, należy zwrócić uwagę nie tylko na moc bierną i czynną, ale także na to, czy w sieci występują odkształcenia prądu i napięcia. Jest to istotne z punktu widzenia wyposażenia baterii w dławiki odstrajające. Prawidłowo dobrana i wykonana bateria kondensatorów powinna pracować kilkanaście lat, tracąc niewiele ze swojej pojemności. Jeżeli bateria przestaje działać po kilku miesiącach lub kilku latach, oznacza to, że została źle dobrana. Zazwyczaj uszkodzenie baterii jest całkowite, a wymiana uszkodzonych kondensatorów nie ma sensu, gdyż one również szybko ulegną awarii. Inną metodą doboru baterii kondensatorów jest metoda na „podstawie faktury”. Jednak może ona tylko w przybliżeniu określać moc baterii. Niestety pozostałych jej parametrów, takich jak typ i rodzaj regulatora z danych zawartych na fakturze wywnioskować nie można. W takiej sytuacji nie pomoże również wiedza na temat rodzaju użytkowanych przez odbiorcę urządzeń. Kupując baterię dobraną w taki sposób, ryzykujemy, że nie spełni swojej roli lub szybko ulegnie uszkodzeniu.

Podstawowe zasady

Dokonując zakupu baterii kondensatorów, warto kierować się kilkoma podstawowymi zasadami takimi jak:  bateria musi być dobrana indywidualnie dla konkretnego odbiorcy – baterii na pewno nie wolno dobierać na zasadzie „podobieństwa” odbiorców; nie zawsze bateria kondensatorów jest najlepszym lub najtańszym rozwiązaniem – w przypadku niewielkiej liczby odbiorników (głównie 1-fazowych o niewielkiej mocy) bardziej skuteczna i opłacalna może być kompensacja indywidualna; najpierw zlecamy dobór baterii kondensatorów, a dopiero później pytamy o konkretne oferty – jeśli zapytamy o dobór i dostawę baterii jednocześnie to oferenci, chcąc wygrać, będą dbali o to, aby oferowane przez nich urządzenie było najtańsze, a nie dopasowane do warunków, w jakich będzie musiało ono pracować; pomiary powinny być przeprowadzone odpowiednio do profilu odbiorcy – czyli powinny być odpowiednio długie i prawidłowo przeprowadzone; cena baterii jest ściśle uzależniona od jej mocy – dlatego zawsze należy kupować baterię kondensatorów o mocy dobranej do rzeczywistego zapotrzebowania. Kupowanie baterii na wyrost nie ma ekonomicznego uzasadnienia; należy tak dobrać stopniowanie baterii, aby zapewnić optymalne jej działanie – liczbę stopni kondensatorowych jak i ich moc decydują o tym, jak będzie działać bateria i jaki będzie jej koszt. Źle dobrane stopniowanie (w postaci zbyt dużych członów) będzie powodować problem z kompensacją mocy biernej indukcyjnej przy małym obciążeniu. Natomiast duża liczba drobnych stopni, w przypadku odbiorców o stałym profilu z niewielkimi zmianami w czasie, niepotrzebnie zwiększy koszt urządzenia. Baterie kondensatorów to urządzenia bezobsługowe. Ze względu na automatyzację ich pracy nie jest wymagana żadna dodatkowa ich obsługa. Jedyną czynnością związaną z eksploatacją tych urządzeń jest okresowa wymiana filtrów w nawiewach szafy.

Tytułem podsumowania

W szerokiej gamie urządzeń kompensacyjnych możliwych do stosowania w praktyce, największe znaczenie odgrywają kompensatory oparte na kondensatorach energetycznych. Wynika to z ich zalet, z których podstawową jest stosunkowo niska cena, małe straty własne mocy czynnej, prosta obsługa eksploatacyjna. Skuteczna kompensacja mocy biernej jest jedynym skutecznym sposobem zmniejszenia rachunków za energię elektryczną. Skuteczna kompensacja oznacza dobrze dobrane i prawidłowo działające urządzenie kompensujące, jakim jest bateria kondensatorów. Jak wspomniano powyżej, w doborze baterii kondensatorów należy posługiwać się metoda opartą na pomiarze parametrów sieci, gdyż tylko ta metoda daje pełen obraz sieci, jej obciążenia, poboru mocy biernej i jej zmienności w czasie, odkształceń napięcia i prądu itp., dzięki czemu można optymalnie dobrać wielkość i rodzaj baterii, a zatem w sposób maksymalny zoptymalizować koszty inwestycji oraz ograniczyć koszty energii elektrycznej, pomniejszając je o wartość opłat związanych z poborem energii biernej.

Robert Gabrysiak

Więcej na temat: