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 — Воздушный автоматический выключатель HUW9 690 В 6300 А является примером того, как размер корпуса, управление дугой и токовая нагрузочная способность масштабируются вместе, когда нагрузка измеряется в сотнях тысяч ампер потенциального тока короткого замыкания.
МВА в генерации и передаче
Генераторы также оцениваются в МВА по той же причине. Ограничения генератора устанавливаются из-за тока обмотки и напряжения изоляции. На табличке генератора обычно указываются оба показателя; например, может быть указано 150 МВА при коэффициенте мощности 0,8, что соответствует 120 МВт. Значение МВА определяет размер установки и подключающего оборудования, в то время как значение МВт показывает, что электростанция может фактически продавать.
Эта система оценки приводит к распространённому недопониманию. Генерационная мощность “100 МВт” приведёт к необходимости значительно большей мощности трансформаторов и коммутационного оборудования, чем 100 МВА, поскольку все элементы — сам генератор, повышающий трансформатор, автоматический выключатель генератора и соединительные провода — рассчитываются с использованием методов кажущейся мощности. Для 320 МВт существуют некоторые ограничения по МВА, так как при коэффициенте мощности 0,8 потребуется 125 МВА, что приводит к ситуации, когда проектирование по значениям МВт с применением показателей МВА ведёт к очень дорогим и трудоёмким корректировкам при реализации проекта.
Система передачи использует МВА для определения пропускной способности; в то время как соглашения о подключении к сети указывают мощность как в МВА, так и в МВт, а также коэффициент мощности, который должен поддерживаться в процессе генерации. Превышение пределов МВА и работа вне согласованного интервала значений коэффициента мощности могут привести к дополнительным штрафам, что заставляет производителей и крупных потребителей контролировать оба показателя.
Использование МВА в закупках
Существует четыре практических шага, которые превращают определение в рабочую спецификацию.
- Используйте кажущуюся мощность вместо активной. Трансформатор должен быть рассчитан согласно кажущейся мощности, необходимой нагрузке; это означает деление ожидаемой активной мощности на ожидаемый коэффициент мощности с учётом запаса. Метод расчёта только на основе кВт приведёт к постоянному недооцениванию оборудования.
- Определите коэффициент мощности, используемый в расчёте. Разные предложения на один и тот же трансформатор “5 МВА” могут предполагать разные коэффициенты мощности нагрузки, что приводит к различной активной мощности. Это предположение должно быть указано в спецификации.
- Укажите основу для расчёта эффективной мощности. Трансформатор, рассчитанный на 20 МВА, при естественном охлаждении будет иметь одну номинальную мощность, а при принудительном охлаждении — другую. Укажите класс охлаждения и температуру окружающей среды.
- Проверьте уровень короткого замыкания в точке подключения. Прерывающая способность всего оборудования, используемого в эксплуатации, должна быть равна или превышать МВА короткого замыкания на основе ответственности энергоснабжающей организации. Устройства, имеющие соответствующий рейтинг, сертифицированы по признанной схеме, а основание для одобрения выключателя изложено в требования, лежащие в основе сертификации UL 489.
Часто задаваемые вопросы
Что такое электрический MVA?
MVA, или мегавольт-ампер, — это измерение кажущейся мощности, выражаемое в 1 миллионе вольт-ампер или 1000 кВА. Расчет этого значения основан на напряжении и токе, формула для MVA в трехфазных цепях: √3 × линейное напряжение × линейный ток. Показатель MVA указывается для трансформаторов, генераторов, кабелей и коммутационного оборудования, поскольку максимальная мощность этих устройств определяется значением изоляционного напряжения и нагревом обмоток, которые зависят от тока без учета фазового сдвига между током и напряжением. MVA также используется для оценки уровня короткого замыкания.
Что такое трансформатор 2,5 MVA?
Это трансформатор с мощностью 2,5 мегавольт-ампер кажущейся мощности. Этот тип оборудования обычно используется для промышленных и коммерческих целей, преобразуя высокое напряжение 11 кВ или 33 кВ в низкое около 400 В или 690 В. Реальная мощность трансформатора ниже значения, указанного в MVA — при коэффициенте мощности 0,85 этот трансформатор может обеспечить 2,1 МВт, остальная мощность является реактивной. Его размеры, масса и система охлаждения зависят от мощности. Таким образом, трансформатор 2,5 MVA — это достаточно крупное устройство с длительным сроком поставки и высокой стоимостью установки.
Что такое kVA и MVA?
Оба являются единицами кажущейся мощности и отличаются только в тысячу раз; то есть 1 MVA = 1000 kVA. По общепринятой практике kVA используется для меньших устройств, таких как распределительные трансформаторы, генераторы мощностью менее мегаватта, источники бесперебойного питания и иногда для контрактной мощности индивидуального потребления, тогда как MVA применяется при больших значениях, например, для трансформаторов подстанций, повышающих генераторов и уровней короткого замыкания. Конвертация — это просто сдвиг десятичной точки, что позволяет проводить прямое сравнение при известном масштабе.
В чем разница между MW и MVA?
MW указывает на реальную мощность, которая выполняет полезную работу и за которую взимается плата с потребителя. MVA определяет кажущуюся мощность или полную нагрузку в вольт-амперах цепи. Связь между ними осуществляется через коэффициент мощности: MW = коэффициент мощности × MVA. Например, трансформатор мощностью 10 MVA с коэффициентом мощности 0,9 обеспечит 9 MW. Однако при коэффициенте мощности 0,7 тот же трансформатор обеспечит только 7 MW нагрузки. Это означает, что повышение коэффициента мощности позволяет обеспечить большую реальную мощность тем же оборудованием, делая коррекцию коэффициента мощности фактором повышения мощности и экономии затрат.
Ссылки
- Международная электротехническая комиссия — IEC 60076 Трансформаторы силовые и IEC 60027 Буквенные обозначения
- IEEE — Стандартные определения величин электрических систем и коэффициента мощности
- NFPA — Национальный электрический кодекс, статья 450 Трансформаторы и статья 110 Рейтинги тока короткого замыкания
- ANSI — Серия ANSI C57 Трансформаторы, регуляторы и реакторы
- Министерство энергетики США — Руководство по коэффициенту мощности и эффективности распределительной системы
Заключение
Мегавольт-ампер (сокращенно MVA) используется в электрических энергосистемах как единица измерения мощности. MVA обозначает произведение напряжения и тока, указывающее электрическую мощность для конкретной электротехнической технологии или оборудования. Особый статус этой единицы в отрасли обусловлен тесной связью между её значением и электрическими устройствами, основанной на температуре изоляции и напряжении изоляции, поскольку они не зависят от угла запаздывания между током и напряжением. Именно поэтому всё энергетическое оборудование в энергосистеме обычно оценивается в MVA и также в kVA, а выходная энергия в системе представлена в терминах MW или kW. MVA применяется в трёх основных направлениях: для расчёта размера трансформатора (трансформаторы подачи оцениваются не более чем в 0,025 MVA, тогда как трансформаторы коммунальных служб могут превышать 1000 MVA), как часть формулы для расчёта короткого замыкания в системе (расчёт короткого замыкания в заданной сети — это квадратный корень из 3, умноженный на kV и kA), поэтому применение MVA важно для понимания ёмкости устройств, влияющих на сеть.
