Конденсаторные батареи. 
Электроэнергетические системы и сети. 
Энергосбережение

Конденсаторные батареи (КБ) являются простым и надежным статическим устройством. КБ собирают из отдельных конденсаторов, которые выпускаются на различные мощности и номинальные напряжения.

Конденсатор — устройство, которое состоит из двух проводников, разделенных диэлектриком. Конденсатор, если к нему приложено напряжение, способен накапливать электрический заряд (заряжаться) и отдавать его (разряжаться). В пространстве между проводниками, которые могут иметь любую форму, при заряде конденсатора образуется электрическое поле. Заряд конденсатора тем больше, чем больше его емкость и приложенное к его проводникам напряжение. Емкость конденсатора, в свою очередь, тем больше, чем больше внутренняя поверхность проводников, образующих конденсатор, и чем меньше расстояние между этими проводниками.

Пространство между проводниками заполнено диэлектриком, т. е. материалом, обладающим высокими изоляционными свойствами или, можно сказать, очень низкой электропроводностью. К таким материалам относятся, например, воздух, конденсаторная бумага, керамика, синтетическая пленка. Диэлектрик, применяемый в конденсаторах, должен обладать высокой электрической прочностью, т. e. сохранять свои изолирующие свойства при высоком напряжении и небольшой толщине (10−15 мкм). Качество диэлектрика для конденсаторов тем выше, чем выше его диэлектрическая проницаемость, т. с. способность аккумулировать электрический заряд. Например, относительная диэлектрическая проницаемость конденсаторной бумаги, пропитанной маслом, составляет 3,54, а полистирольной пленки — 2,5−2,7.

Число и емкость конденсаторов определяют в зависимости от величины реактивной мощности, необходимой для компенсации. Мощность однофазного конденсатора определяют по формуле.

где  — угловая частота, Гц; f — частота тока, Гц; U — линейное напряжение, кВ; С — емкость, мкФ.

Реактивная мощность батареи конденсаторов:

1) при соединении звездой

где Сф — емкость одной фазы, мкФ;

2) при соединении треугольником.

Емкость одной фазы конденсаторной батареи:

1) при соединении звездой.

2) при соединении треугольником.

Из приведенных выражений видно, что емкость конденсатора обратно пропорциональна величине напряжения, поэтому применение их на стороне высокого напряжения значительно снижает их число.

При соединении батареи в треугольник требуется в три раза меньше конденсаторов, чем при соединении звездой.

После определения суммарной емкости батареи выбирают тип конденсатора и определяют их способ соединения в батарею, при этом следует учитывать, что в батареи следует применять конденсаторы одного типа. Число конденсаторов определяют из выражений:

• 1) для последовательного соединения
• 2) для параллельного соединения

где С_экв — суммарная емкость конденсаторов; С — емкость одного конденсатора; n — число конденсаторов.

Конденсатор, как и любой элемент электроэнергетической системы, характеризуется потерями активной мощности, которые приводят к его нагреву. Эти потери тем больше, чем выше приложенное напряжение, его частота и емкость конденсатора. Потери в конденсаторе зависят и от свойств диэлектрика, определяемых тангенсом угла диэлектрических потерь (tg?) и характеризующих удельные потери (Вт/кВАр) в конденсаторе. В зависимости от типа и назначения конденсатора потери в них могут составлять от 0,5 до 4 Вт/кВАр.

В электроэнергетике для компенсации реактивной мощности применяют так называемые косинусные конденсаторы, предназначенные для работы при частоте напряжения 50 Гц. Их мощность составляет от 10 до 100 кВАр.

Конструктивно конденсатор представляет собой металлический (стальной или алюминиевый) корпус, в котором размещаются секции (пакеты), намотанные из нескольких слоев алюминиевой фольги, проложенные конденсаторной бумагой или синтетической пленкой толщиной 10−15 мкм (0,010−0,015 мм). Соединенные между собой секции имеют выводы, расположенные снаружи корпуса, в его верхней части. Трехфазные конденсаторы имеют три фарфоровых вывода, однофазные — один.

Шкала номинальных напряжений конденсаторов — от 230 В до 10,5 кВ, что позволяет собирать из них установки для сетей напряжением от 380 В и выше. Конденсаторы обладают хорошей перегрузочной способностью по току (до 30% от номинального) и по напряжению (до 10% от номинального). Группу конденсаторов, соединенных между собой параллельно или последовательно, или параллельно-последовательно, называют конденсаторной батареей.

Конденсаторная батарея, оборудованная коммутационной аппаратурой, средствами защиты и управления, образует конденсаторную установку (КУ).

Поэтому нерегулируемые КБ обладают отрицательным регулирующим эффектом, что, в отличие от синхронных компенсаторов, является их недостатком. Это значит, что мощность КБ снижается со снижением приложенного напряжения, тогда как по условиям режима эту мощность необходимо увеличивать.

Рис. 6.5. Статические характеристики КУ: а) состоящей из одной секции; б) состоящей из трех секций.

Регулирующий эффект КУ по реактивной мощности показан на рис. 6.5, а, а КУ, состоящий из нескольких секций, на рис. 6.5, б. Как видно из рис. 6.5, а, при снижении напряжения от U_ном до U_mi_n реактивная мощность снижается пропорционально квадрату напряжения от Qном до Qmіn •.

Преодоление этого недостатка находят в формировании КБ из нескольких секций, каждая из которых, управляемая регулятором напряжения и/или мощности, подключается к сети через свой выключатель, наращивая таким образом емкость батареи в целом. Это и позволяет увеличивать суммарную мощность КБ при снижении напряжения. Так, мощность КУ при снижении напряжения возрастает ступенями Q1_, Q1 + Q2, Q1 + Q2 + + Q3, как показано на рис. 6.5, б для КУ, состоящей из трех секций КБ.

Ступенчатое регулирование требует введения в регулятор напряжения КУ зоны нечувствительности ?U. В пределах этой зоны при снижении напряжения подключение очередной секции недопустимо. Невыполнение этого условия привело бы к неустойчивой работе КУ. Ширина зоны нечувствительности должна быть больше, чем приращение напряжения, вызванное подключением очередной секции КУ. В противном случае напряжение на КУ достигнет напряжения уставки срабатывания на отключение этой секции сразу после се включения. Вероятность такого эффекта тем больше, чем больше мощность подключаемой секции и чем меньше зона нечувствительности регулятора КУ.

Конденсаторная установка состоит, как правило, из нескольких секций, имеющих общую систему управления. Низковольтные КУ напряжением 380 В собираются из трехфазных конденсаторов, включенных параллельно. Для защиты таких КУ от коротких замыканий и перегрузки применяют предохранители (рис. 6.6, б). Высоковольтные конденсаторные установки собираются из однофазных конденсаторов, включенных последовательно-параллельно (рис. 6.6, а).

Включение КУ сопровождается бросками тока, а отключение — перенапряжением, что отрицательно сказывается на сроке службы конденсаторов и коммутационной аппаратуры. Поэтому КУ не рекомендуется включать-выключать более 2−4-х раз за сутки. Для ограничения бросков тока конденсаторы перед включением обязательно должны быть разряжены с помощью разрядных сопротивлений R или трансформаторов напряжения TV (рис. 6.6).

Обычно эти устройства постоянно подключены к конденсаторам, а резисторы могут быть встроены внутри конденсатора.

Величина разрядного сопротивления определяется выражением

где Uф — фазное напряжение, кВ; О_к — мощность батареи конденсаторов, кВАр.

Рис. 6.6. Принципиальная схема одной трехфазной секции КУ: а) для сети 6-Ю кВ; б) для сети 380−660 В.

При непосредственном соединении батареи с трансформатором или двигателем специальные разрядные сопротивления не нужны.

Пример 6.9. Полная мощность на шинах подстанции промышленного предприятия 5000 кВ А. Выбрать компенсирующее устройство для повышения коэффициента мощности от cos ?1 =0,75 до cos?2=0,92 при напряжении 6 кВ.

Определяем активную нагрузку на шинах подстанции:

Необходимая реактивная мощность статических конденсаторов.

Определяем емкость фазы при соединении конденсаторов в треугольник:

Выбираем конденсаторы КМ-6,3−26. Число конденсаторов на фазу для параллельного способа соединения.

где С_к = 2,08 мкФ — емкость конденсатора. Всего конденсаторов в батарее т = 24−3 = 72.

Реактивная мощность батареи.

где Q_c = 26 кВАр — реактивная мощность конденсатора.

Величина разрядного сопротивления.

где

Конденсаторы в силу их параметрических свойств очень чувствительны к искажениям синусоидальной формы кривой напряжения, т. е. к высшим гармоникам тока. Сопротивление конденсатора тем меньше, чем выше частота nw гармоники в несинусоидальной кривой приложенного напряжения. В результате за счет высших гармоник, проникающих в конденсатор, резко возрастают и потери мощности АР в конденсаторах, что приводит к их дополнительному нагреву:

где U (_n) — напряжение гармоники; n — порядок гармоники; С — емкость конденсатора; tg? — характеристика диэлектрика конденсатора.

Чувствительность КБ к высшим гармоникам всегда должна учитываться при применении конденсаторов в электрических сетях. Применение КБ сопряжено с возможностью резонансных явлений благодаря образованию индуктивными и емкостными элементами сети последовательных и параллельных цепей. Резонансные явления сопровождаются усилением напряжений (резонанс напряжений) или токов (резонанс токов) на частотах выше номинальной (50 Гц), обусловленных наличием в сети источников высших гармоник тока. На резонансной частоте индуктивное Хl (_n) и емкостное Хс (_n) сопротивления равны, т. е. nwL = 1/(пwС), где Хl (_n) = nwL — входное сопротивление сети в точке подключения КБ, сопротивление которой Хс (_n)=1/(пwС). Поэтому всегда при выборе мощности КБ и, следовательно, се сопротивления, а также места подключения КБ необходимо убедиться в том, что резонансные явления исключены. Это требование относится и к КБ, входящим в состав ФКУ.

Статические тиристорные компенсаторы на базе КБ

Применение КУ в задачах, где требуется быстродействующее регулирование реактивной мощности, частое переключение секций КБ практически невозможно из-за систематических бросков тока и перенапряжений, возникающих при коммутациях КБ обычными выключателями. Для ограничения этих явлений, практически их устранения, в 60-х годах XX в. в МЭИ были предложены способы, позволившие снизить броски тока при включении КБ и перенапряжения при их отключении. Это позволило снять ограничения по частоте коммутаций КБ и придать устройствам такие свойства, при которых их стало возможно применять в задачах компенсации реактивной мощности с целью улучшения статической и динамической устойчивости электропередач, компенсации колебаний напряжения, вызванных работой резкопеременной нагрузки.

Указанный эффект был достигнут за счет применения вместо обычных выключателей тиристорных ключей, обеспечивающих коммутацию КБ в определенный момент времени.

Тиристорный ключ состоит из двух тиристоров, включенных встречно-параллельно, как показано на рис. 6.7, а. Их применяют для регулирования конденсаторных батарей и реакторов. В силу специфики коммутационных свойств конденсаторов и реакторов управление их мощностью с помощью тиристоров принципиально различно.

Так, для ограничения бросков тока тиристор следует открывать в тот момент времени, когда мгновенное значение напряжения сети и на КБ равны (идеальный случай) или близки. А для ограничения перенапряжений при отключении КБ тиристор следует закрывать при переходе тока в нем через нулевое значение.

Следуя этому принципу, можно практически исключить броски тока и перенапряжения, сняв, таким образом, ограничение на частоту переключения КБ. Однофазная схема КБ, коммутируемой тиристорами, приведена на рис. 6.7, а. Как видно из рис. 6.7, б, работа устройства в установившемся режиме, который наступает после открытия тиристора через 0,01−0,02 с, не сопровождается ни бросками тока, ни перенапряжениями.

Рис. 6.7. Тиристорный выключатель для коммутации КБ: а) принципиальная схема одной фазы:

6) ток и напряжение на КБ в установившемся режиме

На рис. 6.8 показан статический тиристорный компенсатор (СТК) в однофазном исполнении, состоящий из трех секций КБ, каждая из которых коммутируется своим тиристорным ключом.

Рис. 6.8. Принципиальная схема СТК, состоящего из трех секций КБ, коммутируемых тиристорами.

Статические характеристики таких устройств аналогичны приведенным на рис. 6.7. Сохраняются и требования, предъявляемые к регулятору по зоне нечувствительности. Однако число включений и отключений секций КБ здесь не ограничено и они могут осуществляться поочередно через каждые 0,02 с, т. е. через один период промышленной частоты.