Современные технологии компенсации реактивной мощности

30 августа 2012 в 10:00

Для рационального использования электроэнергии требуется обеспечить экономичные способы ее генерации, передачи и распределения с минимальными потерями. Для этого необходимо исключить из электрических сетей все факторы, приводящие к возникновению потерь. Одним из них является запаздывание фазы протекающего тока от напряжения при наличии индуктивной нагрузки, поскольку нагрузки в промышленных и бытовых электросетях носят обычно активно-индуктивный характер.

Назначение систем компенсации реактивной мощности состоит в компенсации суммарного фазового сдвига путем внесения опережения по фазе. Это приводит к уменьшению протекающего по сетям тока и соответственно к снижению паразитных активных потерь в проводниках и распределительной сети. Необходимое опережение создается за счет подключения параллельно питающей сети конденсаторов. Для максимальной эффективности цепи коррекции она должна подключаться как можно ближе к индуктивной нагрузке.

Системы коррекции коэффициента мощности уменьшают реактивную составляющую тока, протекающего по сетям питания. При изменении характера нагрузки необходимо соответствующим образом перенастроить и цепи коррекции. Для этого обычно используются системы автоматической коррекции, которые осуществляют ступенчатое подключение или отключение отдельных корректирующих конденсаторов. Изображение,схематически показывающее приницип появления реактивной стоставляющей в сетях.

Преимущества компенсации коэффициента мощности:

• Период окупаемости от 8 до 24 месяцев за счет снижения стоимости электроэнергии. Коррекция уменьшают реактивную мощность в системе. Уменьшается потребление электроэнергии и пропорционально снижается ее стоимость.
• Эффективное использование сетей. Высокий коэффициент мощности означает более эффективное использование распределительных сетей (большая полезная мощность протекает при той же суммарной мощности).
• Стабилизация напряжения.
• Меньшее падение напряжения.
• За счет снижения протекающего тока может быть уменьшено поперечное сечение кабеля. Либо в существующих системах по кабелю неизменного сечения может быть передана дополнительная мощность.
• Снижение потерь при передаче электроэнергии. Передающие и коммутирующие приборы работают с меньшим значением тока. Соответственно снижаются и омические потери.

Ключевые компоненты систем компенсации реактивной мощности

Конденсаторы коррекции коэффициента мощности создают необходимое опережение по фазе протекающего тока, которое компенсирует отставание по фазе в цепях с индуктивной нагрузкой. Конденсаторы для цепей коррекции коэффициента мощности должны выдерживать большие пусковые токи (> 100·IR), возникающие при коммутации конденсаторов. При параллельном подключении конденсаторов в батарее пусковые токи становятся еще выше (> 150·IR), поскольку пусковой ток протекает не только от цепей питания, но и от подключенных параллельно конденсаторов.

Компания EPCOS AG выпускает конденсаторы напряжением от 230 до 800В мощностью от 0,25 до 100кВАр. В зависимости от условий эксплуатации они предлагают сухие или маслонаполненные конденсаторы.

Основными отличиями конденсаторов данного производителя являются:

• широкий диапазон рабочих -40...+55ºС (-40...+70 ºС для конденсаторов MKV серии);
• выдерживают пусковые токи до 200*Iном от номинального (до 300*Iном для серии PhaseCap compact и до 500*Iном для MKV серии);
• сроки службы конденсаторов от 100 000ч до 300 000ч (при температурном классе -40/D по IEC 60831-1);
• для серии PhaseCap compact и MKV допустимое количество коммутаций 10 000 в год и 20 000 соответственно;
• размыкатель от избыточного давления срабатывает по всем 3м фазам исключая полностью возможность попадания потенциала на корпус конденсатора;
• допускается эксплуатация до уровня 4000м над уровнем моря.
• естественно технология самовосстановления, волновой обрезки и т.д. присутствуют

Контроллеры

Современные контроллеры коррекции коэффициента мощности строятся на основе микропроцессоров. Микропроцессор анализирует сигнал от трансформатора тока и подает команды на управление батареями конденсаторов, подключая или отключая отдельные конденсаторы или целые батареи. Интеллектуальное управление корректирующими конденсаторами позволяет не только обеспечить максимально полную загрузку батарей конденсаторов, но и минимизировать количество операций по коммутации и таким образом оптимизировать срок службы батареи конденсаторов.

В линейке продуктов компании EPCOS AG имеются контроллеры 4х, 6ти (7ми), 12ти(13ти) ступенчатые для управления как электромеханическими так и тиристорными контакторами. Имеются и комбинированные версии, способные коммутировать оба типа контакторов одновременно. По требованию заказчика контроллеры оборудуются интерфейсом для подключения к компьютеру или системе АСКУЭ.

Основными отличиями контроллеров данного производителя являются:

• русскоязычное текстово-цифровое меню;
• жидкокристаллический дисплей прекрасно работающий при низких температурах;
• есть подсветка дисплея;
• фиксирование и хранение основных параметров, которые влияют на срок службы конденсаторов (перенапряжения, повышения температур, гармоники тока и напряжения по 19ю включительно, количество включений и время работы каждой ступени)
• имеет функции защиты и отключения системы компенсации при превышении параметров, которые влияют на срок службы конденсаторов и многое другое

Имеются так же более упрощенные и более дешевые модели для применения в простых системах.

Коммутирующие устройства

Электромеханическое или тиристорные контакторы используется для коммутации конденсаторов в стандартных системах коррекции или конденсаторов и дросселей в расстроенных системах. Коммутация в силовых цепях осуществляется либо при помощи механических контактов либо за счет использования полупроводниковых приборов. Электронная коммутация предпочтительнее, особенно при необходимости осуществления быстрой коммутации в системах динамической коррекции. Например, если основная нагрузка в электросети - это сварочные аппараты.

Электромеханические контактора производства EPCOS AG выпускаются на мощности до 100 кВАр. Тиристорные же контакторы имеют самую широкую линейку на сегодняшний день: 10 кВАр, 25 кВАр, 50 кВАр, 100 кВАр, 200 кВАр на напряжение 400в и 50 кВАр и 200кВАр для работы в сетях 690В.

Дроссели

В сетях распределения электроэнергии часто присутствуют гармонические искажения, вызванные использованием современных электронных приборов, создающих нелинейную нагрузку. Такими приборами могут быть, например, управляемые электроприводы, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты и т. д. Гармоники могут быть опасны для конденсаторов в цепях коррекции, особенно если конденсаторы работают на резонансной частоте. Включение дросселя последовательно с корректирующим конденсатором позволяет несколько отстроить частоту резонанса в системе и избежать её возможного повреждения.

Особенно критичными являются 5я и 7я гармоники (250 и 350 Гц в сети 50 Гц). Расстроенные ступени конденсаторов позволяют снизить гармонические искажения в цепях электропитания.

Ряд дросселей от EPCOS AG имеет мощности от 10 до 200 кВАр.

Аксессуары

В линейке продуктов EPCOS AG имеются так же аксессуары для построения систем коррекции реактивной мощности по специальным требованиям:

• защитные колпаки и корпуса для увеличения степени защиты конденсаторов вплоть до IP64;
• разрядные дроссели позволяющие сделать быстродействие системы коррекции реактивной мощности порядка 1 секунды не уменьшая при этом срок службы конденсаторов и специальные разрядные резисторы, и дроссели для систем с тиристорными контакторами;
• устройства, позволяющие в отличие от суммирующего трансформатора управлять сразу системой из 4х систем коррекции;
• адаптеры для подключения контроллера к линейному напряжению

Основные 13 факторов построения корректора

На это стоит обратить внимание при проектировании или правильном выборе установки для себя:

1. Определите необходимую эффективную мощность (кВАр) конденсатора для коррекции коэффициента мощности.
2. Разработайте батарею конденсаторов таким образом, чтобы обеспечить ступенчатость переключения емкости в 15...20% от необходимой мощности. Нет необходимости обеспечивать коммутацию конденсаторов ступенями по 5% или 10%, поскольку это приведет только к большой частоте коммутаций, но не скажется заметно на величине коэффициента мощности.
3. Попробуйте разработать батарею конденсаторов со стандартными значениями дискретности, желательно кратными 25 кВАр.
4. Не забудьте соблюсти минимальные допустимые расстояния между конденсаторами (20мм) и защитить их экранами или достаточным расстоянием от нагрева со стороны других элементов системы.
5. Температура в районе установки конденсаторов не должна превышать 35ºС. Иначе их срок службы сократится.
   Помните, длительный нагрев конденсатора всего на 7ºС выше нормы сокращает его срок службы в 2 раза!
6. Измерьте существующие в питающем кабеле токи гармоник при отсутствии конденсатора коррекции и при различных нагрузках. Определите частоту и максимальную амплитуду каждой из присутствующих гармоник. Вычислите суммарный коэффициент гармоник тока: THD-I=100·SQR·[(I3)2 + (I5)2 + ... +(IR)2]/I1
7. Вычислите отдельные коэффициенты каждой из гармоник: THD-IR = 100·IR/I1
8. Измерьте наличие гармоник напряжения питания снаружи системы. Если возможно, то измерьте их на высоковольтной стороне. Вычислите суммарный коэффициент гармоник напряжения: THD-V = 100 · SQR · [(V3)2 + (V5)2 + ... + (VN)2]/V1
9. Уровень гармоник (измеренный без конденсатора) выше или ниже THD-I > 10% или THD-V > 3%.
   Если ДА, то используйте корректор с расстроенным фильтром и перейдите к шагу 7.
   Если НЕТ, то используйте стандартный корректор и пропустите шаги 10, 11 и 12.
10. Уровень 3й гармоники тока I3 >0.2·I5?
    Если ДА, то используйте фильтр с p = 14% и пропустите шаг 8.
    Если НЕТ, то используйте фильтр с p = 7% или 5.67% и перейдите к шагу 8.
11. Если THD-V=3...7% - нужен фильтр с p = 7%
    > 7% - нужен фильтр с p = 5.67%
    > 10% - требуется специальная конструкция фильтра. Обращайтесь в представительство компании EPCOS AG в России и странах СНГ.
    Не экономьте на дросселях при наличии гармоник в электросети! Как показывает практика данная «экономия» приведет к выходу из строя конденсаторов в течении 6-10 месяцев! Замена конденсаторов с учетом стоимости монтажа обойдется в те же деньги, которые пойдут на изначальную установку дросселей!
12. Подберите подходящие компоненты, используя разработанные EPCOS таблицы (или помощь специалистов представительства компании) для корректоров с расстроенным фильтром и стандартные значения эффективной мощности, сетевого напряжения, частоты и определенного ранее коэффициента p.
    Пользуйтесь всегда только подлинными компонентами EPCOS, предназначенными для построения корректоров коэффициента мощности с расстроенным фильтром. Пожалуйста, отметьте, что дроссели специфицируются по их эффективной мощности для выбранного значения напряжения и частоты питающей сети. Эта мощность представляет собой эффективную мощность LC-цепи на основной частоте колебаний.
    Номинальное напряжение конденсаторов расстроенного фильтра должно быть выше напряжения питания, поскольку последовательное включение индуктивности приведет к возникновению перенапряжения. Контакторы конденсаторов разрабатываются специально для надежной работы с емкостной нагрузкой и должны обеспечивать пониженный пусковой ток.
13. В качестве устройств защиты от короткого замыкания могут использоваться плавкие или автоматические электромагнитные предохранители. Плавкие предохранители не защищают конденсаторы от перегрузки. Они служат только для защиты от короткого замыкания. Ток срабатывания плавкого предохранителя должен превышать номинальный ток конденсатора в 1.6...1.8 раза.