CC BY
47Компоненты и технологии, № 8'2004 Компоненты
Использование косинусных конденсаторов
в схемах низковольтных фильтрокомпенсирующих устройств
Высокая эксплуатационная надежность низковольтных МКК-конденсаторов допускает их эффективное использование в цепях фильтрокомпенсирующих устройств и многофазных схем преобразования.
Сергей Шишкин, к. т. н.
shishkin53@mtu-net.ru
Рост мощностей нелинейных нагрузок низковольтных сетей электроснабжения и вызываемое ими ухудшение показателей качества электроэнергии увеличивает потребность в установке фильтрокомпенсирующих устройств (ФКУ) — комбинации резонансных конденсаторно-реакторных звеньев, настроенных на частоты гармоник. В то же время электродинамические и тепловые нагрузки, обусловленные повышенными амплитудами гармоник, препятствуют применению в ФКУ косинусных конденсаторов (КК), наиболее распространенной группы силовых конденсаторов, изначально предназначенных для коррекции коэффициента мощности.
Нагрев КК определяется корреляцией внутренних потерь — ДР и тепловой мощности рассеивания — Р(Ь. Конструкция цилиндрических алюминиевых КК (табл. 1) предполагает рассеивание тепла путем конвективного теплообмена между обкладками, корпусом и окружающей средой. Относительно среднесуточной температуры окружающей среды Р4. можно считать постоянной, а ДР пропорциональными Resr — эквивалентному последовательному сопротивлению (Equivalent Series Resistance) конденсатора и
1
Таблица 1. Основные технические данные цилиндрических косинусных конденсаторов различного технологического исполнения
МКР-технология, тип МКК-технология, тип MKV-технология, тип
Наименование параметра Phi Cap** CSADP1*** серия 275.ххх Констр. L/M* Phase Cap** Phase Cap HD** Wind Cap** MKV Cap** CLADV11*** серия 274.ххх Констр. L/M*
Соответствие стандартам IEC 6083l-l,2/96 IEC 60831-1,2/96; EN 60831-1,2/96; GOST 1282/96 IEC 831-1,2; VDE 0560-46/47 IEC 831-1/96; IEC 831-2/95; EN 60831-1,2/96; VDE-560-46,47 3/95 IEC 831-1,2/88; EN 60831-1,2/93; VDE-560-46,47 3/95 IEC 831-1,2/ 96; EN 60831-1,2/ 96; EN ?SN 60831-1/93, 2/97 IEC 60831/96; VDE 0560-46/47
Номинальная мощность, квар 0,4-25 1,0-50 0,83-50 2,5-28,15 28-50 5-28 7,5-15 3,0-27 5-20
Номинальное напряжение, ин, В 220-525 400-525 230-800 230-740 400-525 690-800 400-690 440-525 400-690
Наибольшее допустимое напряжение l,lU до 8 ч., 1,15-Uh до 30 мин за 24 ч; 1.2-Uh макс. 5 мин; 1.3-Uh макс. l мин 1/MJh до 8 ч., 1/15-UH до 30 мин; 1,3-Uh в течение 1 мин 1/b-Uн до 8 ч., 1,15-UH до 30 мин за 24 ч; 1,2 Uh макс. 5 мин; 1,3'-Uн макс. 1 мин 1,1-Uh до 8 ч за 24 ч; 1,3-Uh в течение 1 мин 1/b-UH до 8 ч., 1/15-Uн до 30 мин за 24 ч; 1,2‘Uн макс. 5 мин; 1,33н макс. 1 мин
Длительно допустимая токовая перегрузка 1,3xIh 1,3xIh 1,6xIh 1,5xIh 1,8x!h (мин) 1,5xIh 2,0xIh
Максимальный пусковой ток 100xIh 200xIh 130xIh 200xIh 300xIh 200xIh 300xIh
Допустимое отклонение емкости, % -5/ + 10 -5...+15; ±5 ±5 -5/+10 -5/+15
Срок службы, ч 100 000 100 000-130 000 1 15 000 130 000 150 000 130 000 175 000
Потери, Вт/квар >0,5 0,25 0,25.0,4 >0,25 >0,2 >0,25 >0,2
Рабочая температура, °С -25/+55 -45/+55 -40/+25 -40/+55 -25/+55 -40/+55 -25/+70 -45/+55 -25/+70
Примечание: производство — *Electronicon, **EPCOS AG, ***ZEZ SILKO.
30 -----------------------------------------------------
Компоненты и технологии, № 8'2004
— среднеквадратичному значению протекающих через КК гармонических составляющих тока:
Компоненты
ЛР — Т * R
LAr ~ JRMSA'n-ESR.
(1)
1
2я/„С'
(2)
/RMS — -Jli + /з +15 +Ij +1]
(3)
Таблица 2. Степень фильтрации спектра гармонических составляющих IrMS LC-ступенью фильтрокомпенсационных установок Redimat 2 производства Schneider Electric [1]
В свою очередь ИЕЖ обратно пропорционально частоте п-гармоники (^) и емкости (С) — сотни мкФ для номинальных значений мощностей КК (табл. 1):
Предельно Степень фильрации ступени, %
Номер гармоники допустимое значение Ku(n) пред [3]*, % Собственная частота расстройки LC-цепи 135 Гц Собственная частота расстройки LC-цепи 190 Гц Собственная частота расстройки LC-цепи 215 Гц
l3 7,0 6 3 2
I5 9,0 17 44 69
і7 7,5 6 13 19
Ill 5,25 2 5 6
Примечание: — коэффициент п-ой гармонической составляющей трехфазной четырехпроводной сети
с номинальным напряжением 0,38 кВ. Соотношение между предельно допустимой и допустимой величиной Ки^:
K
Поскольку КК является элементом, абсорбирующим сетевые гармоники, при расчете эквивалентной (входной) проводимости резонансного реактивного звена ФКУ именно КЕЖ, а следовательно, 1КМ5 и ДР конденсаторного модуля (1, 2) будут определяющими. Например, с учетом одновременной фильтрации 3, 5, 7 и 11-й гармоник, 1КМ5 ступени фильтрационных установок компенсации реактивной мощности (последовательного соединения индуктивности реактора Ь и емкости КК) можно записать как [1, 2]:
U(n) пред
,5хКиы [3]. Значения Куу [3] полностью соответствуют рекомендации CIGRE — Международной
В зависимости от частотной расстройки — смещения собственной частоты LC-цепи (fr) по отношению к частоте основной (fn = 50 Гц) гармоники, полоса пропускания (степень фильтрации) гармонических составляющих IRMS ступени будет различной (табл. 2). Поэтому увеличение ДР конденсаторного модуля в режиме фильтрации (1) при постоянном номинальном напряжении сети иНОМ будет обусловлено превышением IRMS (3) над I1 — током первой (основной) гармоники. Считая Resr (2) соразмерным коэффициенту частотной расстройки n= fr/f1 [1], для ступеней ФКУ (табл. 2) предельное повышение IRMS и ДР составит: 13,2% и 35,7% (fr = 135 Гц); 11,8% и 44,8% (fr = 190 Гц); 10,85% и 46,7% (fr = 215 Гц). С учетом предельно допустимого 10-процентного установившегося отклонения иНОМ [3], длительная токовая нагрузка КК (IRMS/I1) достигнет значений: 114,6% (fr= 135 Гц); 113% (fr = 190 Гц); 112% (fr = 215 Гц), а рост ДР: 39%о (fr = 135 Гц); 49% (fr = 190 Гц); 51% (fr = 215 Гц). При этом, в зависимости от fr, номинальное напряжение КК иН (табл. 1) должно быть увеличено на 10-20% [2].
Современные низковольтные КК (стандарты IEC 831-1,2; EN 60831-1,2) изготавливаются с различным технологическим исполнением рабочей части, оказывающей непосредственное влияние на возможность их использования в качестве реактивного элемента ФКУ, которая определяется адекватностью технических параметров конденсатора (табл. 1) режиму фильтрации в низковольтных системах электроснабжения общего назначения (стандарты IEC 1000-2-2; DIN ENV VV61000-2-2).
Известно, что КК, выполненные по МКР-технологии (концентрически намотанная на изолированный металлический стержень односторонне металлизированная алюминиево-цинковым сплавом полимерная пленка, выполняющая функцию диэлектрической
конференции по большим электрическим системам.
обкладки активной части конденсатора, с последующим заполнением объема корпуса инертным газом или нетоксичным компаундом [4]), плохо адаптированы к наличию в спектре напряжения гармонических составляющих [2]. Согласно [3], в точках общего присоединения низковольтных (UH0M = 0,38 кВ) электрических сетей нормально допустимое значение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения — Ки составляет 8%. Характерным повреждением данных КК при длительном превышении 5-процентного уровня Ки является деформация и показанное на рисунке последующее разрушение края металлизированной пленки в месте напыления кромки контактного слоя проводящих обкладок секций [2]. Кроме того, из-за поверхностных изломов пленки уменьшается толщина и диэлектрическая прочность периферийной части обмоток, а вследствие краевого эффекта (pinch effect), увеличивается концентрация зарядов на торцах проводящих обкладок. Непрерывное воздействие гармоник протекающего тока приводит к постоянному пробою диэлектрика и последующим многочисленным процессам «самовосстановления», предотвращающим замыкание проводящих обкладок [4]. В результате давление внутри корпуса увеличивается, происходит срабатывание встроенного устройства аварийного отключения, и КК выходит из строя [4].
Более приспособлены к гармоническим искажениям питающего напряжения КК, использующие MKV-технологию конструктивного построения [2]. Двухсторонне металлизированная конденсаторная бумага с цинковым контактным слоем на краях секций, изолированная пропиленовой пленкой и пропитанная минеральным маслом, повышает импульсную прочность диэлектрической системы, так как низкие собственные потери и хорошая теплопроводность позволяют увеличить ее допустимый нагрев (табл. 1). Наличие бумаги способствует равномерности концентрации непроводящей области, образующейся на месте пробоя металлизированного покрытия.
Во многом идентичные технические характеристики и электродинамические свойства (табл. 1) имеют «сухие» металлопленочные КК на основе МКК-технологии [2]. Расширение площади контактной поверхности за счет сочетания ровного и «волнового» среза (wavy cut) кромок пленки диэлектрика [2] и специального утолщения цинкового напы-
ления торцевых сторон проводящих обкладок, уложенных с небольшим смещением витков, обеспечивает прохождение через КК без повреждения обмоток коммутационных импульсов, до 200-300 раз превосходящих номинальный ток конденсатора — IH (табл. 1). Изменяющаяся поперечная толщина и сегментная композиция слоя металлизации локализует зоны пробоя проводящей обкладки между участками с максимальным и минимальным сопротивлением [5]. Снижение удельного объема и массы конденсаторов Phase Cap при равенстве номинальной мощности и иН соответственно составит 50% и 95-135% (относительно КК с MKV-технологией производства EPCOS AG) [2]; 15-35% и 15-145% (Electronicon*); 15-25% и 65-110% (ZEZ SILKO*). Следует также отметить меньший диапазон мощностей выпускаемых MKV-конденсаторов.
Отмеченные особенности конструктивного построения позволяют использовать МКК-конденсаторы в схемах ФКУ силовых промышленных преобразователей. Например, КК серии Phase Cap HD (табл. 1) установлены в многозвенных входных фильтрах, рассчитанных на подавление 5, 7 и 11-й гармоник, источников непрерывного электроснабжения (UPS) серии S мощностью до 300 кВ-А, серийно выпускаемых компанией Masterguard GmbH. Кроме того, в сглаживающем фильтре на выходе блока преобразователя частоты (IGBT-инвертора) также установлены конденсаторы Phase Cap, несмотря на присутствие в схеме импульсов напряжения широтно-импульсной модуляции (PWM) с большой крутизной фронта, являющихся крайне неблагоприятным фактором режима работы КК. Аналогично, в статических преобразователях частоты (SFC) асинхронных генераторов ветроэнергетических установок применяются КК серии Wind Cap [2], имеющие повышенные
Компоненты и технологии, № 8'2004
значения ин и максимального пускового тока (табл. 1).
Таким образом, высокая эксплуатационная надежность низковольтных МКК-конденса-торов допускает их эффективное использование в цепях ФКУ и многофазных схем преобразования, существенно расширяя функциональные возможности применения КК, что, в свою очередь, способствует обеспечению электромагнитной совместимости нелинейных нагрузок потребителей электрической энергии с питающей сетью.
Компоненты
Литература
1. Guide for the design and production of LV compensation cubicles. Schneider Electric Industries SAS. France. 2002.
2. Power Factor Correction. Product Profile. Catalog EPCOS AG. Ordering No EPC: 260047600. Germany. 2001.
3. ГОСТ 13109-97. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Минск: ИПК Издательство стандартов. 1998.
4. Шишкин С. А. Косинусные конденсаторы для установок автоматической компенсации реактивной мощности // Электрика. № 10. 2003.
5. EP 1060488 H01G4/015, 4/008. Metal-plating for self-healing foil capacitors. Vetter, Harold (DE). Priority: 17.02.1998 DE 4328615.
*В статье использованы материалы сайтов:
www.epcos.com;
www.zez-silko.cz;
www.electronicon.com;
www.dialelectrolux.ru.
