Существует несколько электрических сокращений, и одним из таких сокращений является MVA. Однако немногие знают точное значение этого сокращения до того, как прочитают табличку трансформатора; мегавольт-ампер (MVA), который является “кажущейся мощностью”, относится к общей мощности или размеру электрической цепи или системы независимо от её способности выполнять полезную работу (т.е. реальная мощность обозначается как MW). В общем, существует два типа мощности, определяемых по мощности трансформатора: реальная мощность и так называемая “кажущаяся” мощность, которая описывается в MVA. Использование сокращения MVA относится к измерению развития мощности трансформатора с точки зрения электрической нагрузки, требующей MW, в то время как MVA также может использоваться для измерения мощности трансформатора. Эта статья поможет разобраться в значении MVA и как отличить его от kVA, MW и kW, рассчитать этот показатель, узнать, какие значения MVA могут применяться на практике трансформаторов.
Термин ‘MVA’ обозначает единицу измерения кажущейся мощности, при этом один MVA равен одному миллиону вольт-ампер (V*A) или одному миллиону вольт, делённому на тысячу киловольт-ампер (kVA). Кажущаяся мощность, обозначаемая буквой ‘S’ или термином произведения вольт/ампер (V*A), является произведением напряжения и тока в цепи. Кажущаяся мощность для однофазных и трёхфазных цепей определяется следующим образом: для однофазной цепи ‘S’=V*I, а для трёхфазных цепей ‘S’=√3(V)(I) (линейное напряжение (V) и линейный ток (I)). Кажущаяся мощность в цепи включает как полезную, так и неполезную мощность в цепи. Для вычисления полезной (активной) мощности (MW) кажущуюся мощность необходимо умножить на коэффициент мощности (PF), где коэффициент мощности выражается в десятичных дробях или процентах, показывая долю фактически вырабатываемой цепью мощности.
Что означает MVA
Сокращения легко расшифровываются. Заглавная буква M представляет международный стандартный символ мега, что означает миллион. VA — это сокращение от вольт-ампер, что относится к единице кажущейся мощности, получаемой произведением напряжения в вольтах и тока в амперах. Таким образом, один MVA означает 1 000 000 вольт-ампер, что означает, что если цепь работает при 1000 амперах и 1000 вольтах, её мощность равна 1 MVA.
Название единицы пишется так же, как kW и MW, что имеет свои преимущества, но также может вызывать путаницу. Хотя машины, о которых идет речь, маркируются как 10 MVA для трансформатора и 10 MW для генератора, это не одинаковые устройства; первое указывает на кажущуюся мощность, а второе — на реальную мощность. Единственная ситуация, когда оба числа будут указывать на одно и то же устройство, — это когда коэффициент мощности равен 1, что практически не происходит.
MVA в основном используется в устройствах с высокой мощностью. Например, бытовые и небольшие коммерческие устройства обычно измеряются в kVA или амперах; промышленные и коммунальные устройства измеряются в MVA, так как значения достаточно велики, чтобы использование kVA было непрактичным. Также нет нижнего предела для этой единицы, при этом 0,5 MVA является типичным размером для трансформатора среднего размера, что делает это значение вполне допустимым. Но принято использовать MVA только для крупного оборудования.
Почему существует понятие кажущейся мощности
Причина, по которой электротехника требует измерения, отличного от ватт, заключается в том, что устройства имеют ограничения, не связанные с полезной работой.
Мощность трансформатора определяется двумя физическими ограничениями. Изоляция его обмоток способна выдерживать определённое напряжение до отказа; таким образом, определяется ограничение по напряжению. Его обмотки и сердечник могут рассеивать определённое количество тепла до того, как температура изоляции превысит предел материалов; следовательно, установлено ограничение по току. Ни одно из этих ограничений не учитывает, находится ли ток в фазе с напряжением. Трансформатор, пропускающий 1000 А при 400 В, генерирует одинаковое количество тепла в обмотках, независимо от того, является ли нагрузка резистивным нагревателем с коэффициентом мощности 1 или мотором без нагрузки с коэффициентом мощности 0,3.
Именно поэтому мощность этих устройств выражается как произведение напряжения и тока — кажущаяся мощность — а не как активная мощность. Если бы трансформаторы измерялись в MW, устройству пришлось бы указывать разные номиналы для каждого коэффициента мощности; следовательно, табличка с характеристиками была бы бесполезна без знания нагрузки. Измерение трансформаторов в MVA или kVA делает это значение свойством устройства.
Этот подход также применим к кабелям, коммутационному оборудованию, генераторам и ИБП. Все эти устройства ограничены тепловыми пределами и напряжением изоляции; поэтому все они выражаются в VA или его кратных. Когда покупатель заказывает трансформатор с мощностью 2 MVA, это означает, что его кажущаяся мощность — это мощность, которую устройство сможет непрерывно обеспечивать в пределах температурных ограничений при номинальном напряжении.
Эта единица также служит общим языком для разных уровней напряжения, поэтому она используется в расчетах повреждений и координации защиты. Как на практике разделяются классы напряжения и почему оборудование с номиналом в MVA на одном уровне не похоже на эквивалент на другом, рассмотрено в различии между высоковольтными и низковольтными установками.
Сравнение MVA, kVA, MW, kW и MVAR
Пять различных единиц представляют электрическую мощность, и “различия” между ними отражают различия между тремя компонентами треугольника мощности, упомянутыми здесь.
| Единица | Величина | Обозначение | Формула | Что описывает |
|---|---|---|---|---|
| МВА / кВА / ВА | Кажущаяся мощность | S | √3 × VL × IL (трёхфазная) | Общая нагрузка в вольт-амперах; определяет номинал оборудования |
| МВт / кВт / Вт | Активная мощность | P | S × cosφ | Мощность, выполняющая полезную работу и учитываемая в счёте |
| МВАР / кВАР / ВАР | Реактивная мощность | Q | S × sinφ | Мощность, циркулирующая в магнитных и электрических полях |
| Коэффициент мощности | Отношение | PF или cosφ | П / С | Насколько полезна кажущаяся мощность; от 0 до 1 |
Взаимосвязь между тремя физическими величинами определяется их геометрическими соотношениями; таким образом, они образуют прямоугольный треугольник, где кажущаяся мощность представлена гипотенузой геометрической фигуры, поэтому можно установить соотношение S2 = P2 + Q2. Эта формула проясняет большинство сомнений относительно интерпретации этих единиц: MVA — это гипотенуза, а MW и MVAR образуют катеты треугольника; угол между ними известен как коэффициент мощности.
| Тип нагрузки | Типичный коэффициент мощности | 1 MVA обеспечивает | Примечания |
|---|---|---|---|
| Резистивный нагрев | 1.00 | 00 MW | Теоретический максимум; редко достигается на практике |
| Современные двигатели с коррекцией | 0.90-0.95 | 90-0.95 MW | Типичная хорошая промышленная практика |
| Некорректированные асинхронные двигатели | 0.75-0.85 | 75-0.85 MW | Реактивная мощность — это потерянная мощность с точки зрения оператора |
| Моторы и сварочные аппараты с небольшой нагрузкой | 0.30-0.60 | 0,30-0,60 МВт | Плохое использование номинальной мощности оборудования |
| Выпрямители и приводы без фильтрации | 0.60-0.80 | 0,60-0,80 МВт | Также может присутствовать гармонические искажения |
Следствием того, что существует постоянная взаимосвязь между этими величинами, является то, что коэффициент мощности представляет собой вопрос мощности, а не вопрос оплаты. Таким образом, если коэффициент мощности чего-либо изменяется с 0,75 до 0,95, реальная мощность, передаваемая через тот же МВА оборудования, увеличится примерно на 25 процентов, что иногда означает, что не потребуется инвестировать в дополнительное оборудование.
Читатели, работающие преимущественно с меньшими установками, как правило, сталкиваются с теми же соотношениями, выраженными в ваттах и амперах, а не в МВА, и арифметика идентична — та же зависимость напряжения, тока и мощности, но в уменьшенном масштабе, как в расчёте мощности на цепи с током 15 ампер.
Как рассчитать МВА
Существует четыре вычисления, которые охватывают большинство практических ситуаций.
- Во-первых, по напряжению и току (трёхфазная цепь). S = √3 × VL × IL, где напряжение и ток — линейные значения. Для трёхфазной цепи 400 В с нагрузочным током 500 А, S = 1,732 × 400 × 500 = 346 410 ВА или около 0,346 МВА.
- Во-вторых, по напряжению и току (однофазная цепь). S = V × I. Для однофазной цепи 230 В с нагрузочным током 100 А, S = 23 000 ВА или 0,023 МВА.
- В-третьих, по активной мощности и коэффициенту мощности. S = P ÷ cosφ. Для электростанции с выходной мощностью 4 МВт и коэффициентом мощности 0,8, S = 4 ÷ 0,8 = 5 МВА. Однако, если коэффициент мощности скорректирован до 0,95, тогда S составляет всего 4,21 МВА, так как эта незначительная разница обычно решает, сможет ли один трансформатор принять новую нагрузку или его нужно заменить.
- Наконец, по кВА. МВА = кВА ÷ 1 000. Такое преобразование встречается довольно часто при сравнении трансформатора номиналом 750 кВА с его более крупным аналогом 1,5 МВА.
В реальных расчетах есть два важных уточнения. Во-первых, кажущаяся мощность нагрузки значительно больше простой суммы повседневных элементов, поскольку моторы потребляют большой намагничивающий ток при запуске, и кроме того, нагрузки никогда полностью не соответствуют своим коэффициентам разнообразия. Во-вторых, имейте в виду, что номиналы трансформаторов рассчитаны для определённых классов охлаждения и температуры окружающей среды: трансформатор 20 МВА с одной системой охлаждения может иметь номинал 30 МВА при принудительном охлаждении.
Диапазоны МВА для трансформаторов
Номиналы трансформаторов можно сгруппировать в отдельные категории, и знание того, к какой категории относится проект, даёт много информации о сроках поставки, методах закупки и ценообразовании до предоставления коммерческого предложения.
| Класс | Типичный диапазон МВА | Типичное напряжение | Применение |
|---|---|---|---|
| Малое распределение | 0,025-0,5 МВА | 11-33 кВ / 400 В | Опоры и установки на площадках, обслуживающие несколько зданий |
| Распределение | 0,5-5 МВА | 11-33 кВ / 400-690 В | Коммерческое и лёгкое промышленное снабжение, крупные здания |
| Средняя мощность | 5-30 МВА | 33-132 кВ | Промышленные предприятия, подстанции, малые генераторы |
| Большая мощность | 30-100 МВА | 132-275 кВ | Трансформаторные подстанции, крупные подключения генерации |
| Сетевая мощность | 100-1,000+ МВА | 275-765 кВ | Магистральная передача, блоки повышения напряжения генераторов |
Поскольку MVA измеряет кажущуюся мощность, следует, что фактическая выходная мощность трансформатора меньше номинала MVA. Выход трансформатора с номиналом 5 MVA, работающего при коэффициенте мощности 0,85, будет равен 4,25 MW, при этом оставшиеся 0,75 MVAR просто циркулируют без выполнения работы. Таким образом, при подборе трансформатора для заданной потребности в активной мощности проектировщики делят это значение на предполагаемый коэффициент мощности, добавляя некоторый запас для возможного увеличения нагрузки в будущем, и число MVA не рассматривается как выходной номинал.
Коэффициент подбора сочетается с импедансом, коэффициентом напряжения, классом охлаждения и диапазоном отводов при рассмотрении параметров, важных при покупке трансформатора, но то, как эти параметры взаимодействуют, особенно в части влияния процентного импеданса на мощность и регулирование напряжения, относится к категории технических характеристик, а не паспортных данных. Крупномасштабные установки часто рассматриваются как полная архитектура распределения, а не как набор отдельных машин, и проектные соображения изложены в планировании распределительных систем для крупномасштабных операций.
MVA и уровень короткого замыкания
Еще одним важным применением MVA в электроэнергетике является расчет уровня короткого замыкания, или мощности, которую система может обеспечить при коротком замыкании. Формула следующая.
Уровень короткого замыкания MVA = √3 × VL (в кВ) × Isc (в кА)
Например, сеть 400 В с потенциальным током короткого замыкания 25 кА имеет уровень короткого замыкания 1,732 × 0,4 × 25 = 17,3 MVA. Если применить ту же логику для 11 кВ и 20 кА, получим 381 MVA. Это не просто теория, поскольку каждое коммутационное и защитное оборудование, устанавливаемое в сети, должно иметь номинал отключающей способности, по крайней мере равный уровню короткого замыкания в точке подключения. В противном случае устройство, не способное прервать ток короткого замыкания, может выйти из строя, а не работать должным образом. Это одна из причин, почему отключающая способность указана на паспортной табличке каждого автоматического выключателя.
Стоит отметить, что уровень короткого замыкания увеличивается с расширением сети. Чем больше трансформаторов подключается параллельно, чем больше источников генерации подключено, тем выше увеличивается емкость короткого замыкания питания. Все эти факторы делают возможным повышение тока короткого замыкания в сети, даже если электрическое оборудование остается неизменным со временем.
Там, где устройство должно прерывать очень большие токи короткого замыкания при низком напряжении, решением является специализированный выключатель, а не увеличенная версия устройства в литом корпусе, и конструктивные различия видны в оборудовании — HUW9 690 V 6300 A air circuit breaker is an example of how frame size, arc control and current-carrying capacity scale together when the duty is measured in hundreds of thousands of amperes of prospective fault current.
MVA in Generation and Transmission
Generators are also rated in MVA because of the same reason. The limits of the generator are set due to winding current and insulation voltage. The nameplate of the generator usually gives both the figures; for instance, it can state 150 MVA at a power factor of 0.8, producing 120 M. The MVA figure will determine the size of the unit and connection equipment while the MW figure will show what the plant can actually sell.
This rating system gives rise to a common misunderstanding. The generation capacity of “100MW” will result in the necessity of much more than 100 MVA of transformers and switchgears’ capacity because all the units, the generator itself, step-up transformer, generator circuit breaker, and connecting wires are calculated using apparent power methods.320MW will have a few constraints in terms of MVA as at 0.8 power factor it will require 125 MVA which results in a situation when designing according to MW values while applying MVA figures leads to very expensive and time-consuming adjustments in project implementation.
Transmission system utilizes MVA for determining the capacity of the transmission system; while grid connection agreements state capacity in both MVA and MW as well as power factor that should be established throughout generation. Exceeding MVA limits and working outside agreed interval of power factor values can lead to additional penalties thus making manufacturers and big consumers to monitor both values.
Using MVA in Procurement
There are four actionable steps that turn the definition into workable specification.
- Use apparent power instead of real power. The transformer is to be rated according to the apparent power needed by the load; this means dividing the expected real power by the expected power factor and allowing the margin. The method of calculating on the basis of kW alone will lead to constant under-rating of the equipment.
- Define the power factor used in the calculation. Different quotations for the same “5 MVA” transformer may involve different load power factors leading to varied real power. This assumption should be mentioned in the specification.
- State effective power rating basis. The transformer that is rated for 20 MVA when used in natural cooling with the same unit rated differently when forced cooling is applied. Identify the cooling class and ambient temperature.
- Check the fault level at the connection point. The interrupting capacity of all equipment used in service must be of the equivalent value or more than the fault MVA based on the utility’s short circuit liability. Devices that carry the appropriate rating do so under a recognised certification scheme, and the basis on which a breaker is approved is set out in the requirements behind UL 489 certification.
Часто задаваемые вопросы
What is MVA electrical?
MVA, or megavolt-ampere, is a measurement of apparent power described in terms of 1 million volt-amperes, or 1000 kVA. The calculation for this value is based on voltage and current, or the formula used for MVA is √3 x line voltage x line current in case of three-phase circuits. The indication of MVA is given for transformers, generators, cable, and switchgears since the maximum capacity of these devices is determined by value of insulation voltage and heating of windings which depend on current without taking into consideration the phase of current and voltage. MVA is used for short-circuit fault level as well.
What is a 2.5 MVA transformer?
It is a transformer which has a power of 2.5 megavolt-amperes of apparent power. This is the type of equipment that is usually used for industrial and commercial purposes, transforming a high voltage of 11 kV or 33 kV to a low one of about 400 V or 690 V. The transformer has a real power value that is lower than the value given in MVA — at a power factor equal to 0.85, this transformer can supply 2.1 MW of power with the rest of the power being reactive one. Its dimensions, mass and cooling system follow from its power. Thus, a 2.5 MVA transformer is quite a device that has its lead time and installation cost high.
What is kVA and MVA?
Both are the units of apparent power, and they differ only by a factor of a thousand; that is 1 MVA = 1,000 kVA. According to a general practice, kVA is used in case of smaller devices like distribution transformers, generators under a megawatt, uninterruptible power supply, and some time contracted capacity of an individual supply, where MVA is used as the amount grows large in case of substation transformers, generator step-up units and fault levels. The conversion is only a matter of moving the decimal, which suggests direct comparison once the scale is known.
What’s the difference between MW and MVA?
MW indicates the actual power, which makes contribution to useful work, which is calculated and charged to the customer. MVA determines the apparent power or the total volt-ampere loading of the circuit. The two are connected through the power factor MW=power factor*MVA. For instance, if a transformer of 10MVA of power factor 0.9 is used, it would provide 9MW. However, in the same scenario with the power factor 0.7 the transformer would provide only 7MW of the load. This means that enhancing the power factor will enable providing more real power by the same equipment making power factor correction a capacity improvement and a cost-saving factor.
Ссылки
- International Electrotechnical Commission — IEC 60076 Power Transformers and IEC 60027 Letter Symbols
- IEEE — Standard Definitions for Power System Quantities and Power Factor
- NFPA — National Electrical Code, Article 450 Transformers and Article 110 Short-Circuit Current Ratings
- ANSI — ANSI C57 Series Transformers, Regulators and Reactors
- U.S. Department of Energy — Power Factor and Distribution System Efficiency Guidance
Заключение
A megavolt-ampere (abbreviated MVA) is implicated in electrical power systems as a unit of measurement for power. MVA denotes the product of voltage and current denoting electrical power to a given electrical technology or equipment. The special status enjoyed by this unit in the industry is stimulated by the constraining connection between its value and the electrical devices being based on insulation temperature and insulation voltage because they remain unaffected by the angle of lagging between the current and the voltage. That is why all energy equipment in a power system is usually rated in MVA and also kVA, and the energy output in the system is presented in terms of MW or kW. MVA is applied in three major ways: for the calculation of transformer size (delivery transformers being rated at not more than 0.025 MVA, while utility transformers can exceed 1,000 MVA), as part of the formula for calculating the fault in the system (calculation of fault in a given network is the Square Root of 3 times kV times kA), that is why application of MVA is important in order to understand capacity of the devices influencing the network.
