Конденсаторы Electronicon для компенсации реактивной мощности Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Конденсаторы Electronicon

для компенсации реактивной мощности

Алексей ЮШКОВ

yushkov_alexei@argussoft.ru

Данная статья посвящена вопросам компенсации реактивной мощности с помощью металлоплёночных конденсаторов компании Electronicon.

Введение

При нормальных рабочих условиях все электрические потребители, режим которых сопровождается постоянным возникновением и исчезновением магнитных полей (например, индукционные двигатели, оборудование для сварки), забирают от сети не только активную, но и индуктивную реактивную мощность. Эта реактивная мощность необходима для безупречной работы оборудования и, в то же время, может быть рассмотрена как нежелательная дополнительная нагрузка сети. Коэффициент мощности потребителя cosф определяется как соотношение потребляемой активной мощности к полной мощности, действительно взятой из сети. Чем ближе значение cosф к единице, тем меньше доля взятой из сети реактивной мощности.

Потребители электроэнергии

Все потребители электроэнергии делятся на линейные и нелинейные. Линейные потребители берут из сети при приложенном синусоидальном напряжении синусоидальный ток, который может быть сдвинут относительно напряжения по фазе. Линейными потребителями являются:

• электродвигатели трехфазного тока;

• конденсаторы;

• лампы накаливания;

• резистивные нагревательные элементы. Нелинейные потребители берут из сети

при приложенном синусоидальном напряжении несинусоидальный ток. Нелинейными потребителями являются:

• вентильные электроприводы;

• преобразователи частоты;

• агрегаты и блоки резервного питания;

• диммеры, телевизионные аппараты;

• элементы с насыщенным магнитопрово-дом;

• светильники с газоразрядными лампами;

• дуговые печи, сварочные аппараты;

• силовые полупроводниковые приборы.

Основы компенсации реактивной мощности

Мощность Р, забираемая от электрической сети, есть произведение напряжения сети на потребляемый ток:

Р = Пх!.

(1)

Это выражение действительно для синусоидальных периодических величин только тогда, когда они находятся в одной фазе (рис. 1).

Прохождение током точки «0» сдвинуто относительно напряжения на фазовый угол ф. Так как ток свое значение изменяет во времени после напряжения, то говорится об отставании тока от напряжения по фазе (рис. 3).

Для создания магнитного поля необходим реактивный ток, поэтому электрические производственные мощности (линии электропередач, генераторы, трансформаторы и т. д.) должны быть рассчитаны на эту дополнительную часть тока, то есть на геометрическую сумму активной и реактивной составляющих (рис. 3).

р

СОБ Ч> = "§■ 8ІПф=-^ 1апф = -3-

Это соответствует случаю активного потребления электроэнергии, такому как лампа накаливания или электродвигатель. При таком преобразовании мощности можно говорить об активной нагрузке.

Условием для работы электродвигателей и трансформаторов является наличие электромагнитного поля. Для таких устройств используется другая часть потребляемой электроэнергии, она называется реактивной энергией Q.

За счет индуктивного сопротивления катушек индуктивности происходит сдвиг тока относительно напряжения (рис. 2).

Рис. 3. Сумма активной и реактивной составляющих полной мощности

При передаче тока ненужная реактивная часть должна быть по возможности малой. С другой стороны, реактивную мощность использует потребитель, поэтому ее нужно пытаться подвести не через сеть общего электроснабжения, а другим путем. В этом помогают конденсаторы (емкостные потребители), имеющие опережающий реактивный ток (рис. 4).

Если емкостное сопротивление равно по величине индуктивному, то действия их

Рис. 2. Индуктивная нагрузка

Подводимая Подводимая

мощность мощность

Рис. 5. Баланс мощности

токов взаимно уничтожаются. Таким образом, потребляемая от энергосетей (оплачиваемая) реактивная мощность может быть снижена или вообще удалена (рис. 5).

Процесс уравнивания количества энергии электрического поля (конденсатора) и магнитного поля (индуктивности) называется компенсацией реактивной мощности.

Соотношение активной мощности P и полной мощности S показывает со8ф:

cos9 = P/S. (2)

Для компенсируемой реактивной мощности получаем:

Q = VS2-Р2. (3)

Конденсатор равной мощности Qc полностью компенсирует реактивную мощность и повысит коэффициент мощности до единицы (cos9 =1).

На практике коэффициент мощности после компенсации в большинстве случаев находится в пределах от 0,9 до 0,99 (рис. 5).

Необходимая мощность конденсаторов определяется следующим образом:

Qc = P(tan9i-tan92). (4)

Виды компенсации реактивной мощности

Индуктивной реактивной нагрузке, необходимой электрическим потребителям, можно противодействовать с помощью емкостной нагрузки, подключая точно рассчитанный конденсатор. Это позволяет снизить реактивную мощность, забираемую из сети, и называется корректировкой коэффициента мощности или компенсацией реактивной мощности. В зависимости от подключения и формы применения конденсаторов различают несколько видов компенсации:

• Индивидуальная или постоянная компенсация, при которой индуктивная реактивная мощность компенсируется непосредственно в месте ее возникновения, что ве-

Таблица 1. Нормативный показатель мощности конденсаторов в зависимости от напряжения

Номинальная 5-10 кВ 15- >0 кВ 25-3 0 кВ

трансформатора, кВА Холостой ход, кВАр Полная нагрузка, кВАр Холостой ход, кВАр Полная нагрузка, кВАр Холостой ход, кВАр Полная нагрузка, кВАр

0,75 1 0,8 1,1 1 1,3

10 1,2 1,7 1,5 2 1,7 2,2

20 2 3 2,5 3,5 3 4

25 2,5 3,5 3 4 4 5

50 3,5 6 5 7,5 6 9

75 5 8 6 9 7 11

100 6 10 8 11 10 13

160 10 12 12,5 15 15 18

200 11 17 14 19 18 22

250 15 20 18 22 22 25

315 18 25 20 28 24 32

400 20 30 22 36 28 40

500 22 40 25 45 30 50

630 28 46 32 52 40 62

1000 45 80 50 85 55 95

1250 50 85 55 90 60 100

1600 70 100 60 110 70 120

2000 80 160 85 170 90 180

5000 150 300 170 200 200 250

дет к разгрузке подводящих проводов (типично для отдельных, в продолжительном режиме работающих потребителей с постоянной или относительно большой мощностью — асинхронные двигатели, трансформаторы, сварочные инструменты, разрядные лампы и т. д.).

• Групповая компенсация, в которой аналогично локальной компенсации для нескольких одновременно работающих индуктивных потребителей подключается совместный постоянный конденсатор (лежащие вблизи друг от друга электродвигатели, группы разрядных ламп). Здесь также разгружается подводящая линия, правда, только до распределителя на отдельные потребители.

• Централизованная компенсация, при которой определенное число конденсаторов подключается к главному или групповому распределительному шкафам. Такую компенсацию применяют обычно в больших электрических системах с переменной нагрузкой. Конденсаторы управляются электронным регулятором, который постоянно анализирует потребность реактивной мощности в сети. Такие регуляторы включают или отключают конденсаторы, с помощью которых компенсируется мгновенная реактивная мощность общей нагрузки и, таким образом, уменьшается суммарная потребность сети.

Компенсационная установка состоит из определенного числа конденсаторных ветвей, которые в своем построении и ступенях подгоняются к особенностям отдельной конкретной сети и к потребностям ее в реактивной мощности. Очень распространены ветви в 12,5, 25 и 50 кВАр. Более крупные ступени включения, например, в 100 кВАр или еще выше, достигаются включением нескольких малых ветвей. Таким образом, снижается нагрузка сети токами включения и, следовательно,

уменьшаются вытекающие из этого помехи (например, импульсы тока). Если в сети содержится большая доля высших гармоник, то конденсаторы обычно защищают дросселями (реакторами фильтрующего контура).

Потребность в реактивной мощности

Единичная компенсация трансформаторов

Покрываться должна только реактивная мощность холостого хода трансформатора. Для трехфазных трансформаторов, в зависимости от их мощности, компенсируемая мощность составляет от 3 до 10% от номинальной мощности (табл. 1).

Единичная компенсация сварочных аппаратов Мощность конденсаторов ограничивается мощностью сварочного трансформатора и составляет от 40 до 50% его полной мощности. В сварочных полупроводниковых выпрямителях постоянного тока мощность составляет 10% от их полной мощности. Для сварочных преобразователей выбор производится так же, как и для электродвигателей переменного тока.

Единичная компенсация электродвигателей Реактивная мощность конденсаторов не должна превышать реактивную мощность холостого хода электродвигателя. Надежность увеличивается, если конденсатор подключается отдельным контактором (табл. 2). Единичная компенсация асинхронных генераторов

Мощность конденсаторов должна составлять от 35 до 50% от номинальной мощности генератора. Поскольку рабочая мощность генератора подвержена большим колебаниям, мощность подключаемых конденсаторов должна регулироваться автоматически.

Таблица 2. Нормативный показатель потребления реактивной мощности

Номинальная 3000 об/мин 1500 об/мин 1000 об/мин 750 об/мин 500 об/мин

мощность электродвигателя, кВт Холостой ход, кВАр Полная нагрузка, кВАр Холостой ход, кВАр Полная нагрузка, кВАр Холостой ход, кВАр Полная нагрузка, кВАр Холостой ход, кВАр Полная нагрузка, кВАр Холостой ход, кВАр Полная нагрузка, кВАр

0,18 0,1 0,2 0,2 0,3 0,4 0,5 0,4 0,5 0,5 0,6

0,37 0,3 0,4 0,4 0,5 0,5 0,6 0,5 0,6 0,7 0,9

0,55 0,4 0,5 0,4 0,5 0,5 0,6 0,6 0,7 0,7 0,9

0,75 0,5 0,6 0,5 0,7 0,6 0,8 0,7 0,9 0,8 1

1,1 0,7 0,9 0,7 0,9 1,2 1,3 1,1 1,4

1,5 0,8 1,2 1,1 1,4 1,2 1,6 1,3 1,8

2,2 1,1 1,4 1,2 1,5 1,4 1,8 1,7 2,2 2 2,4

1,5 1,8 1,6 1,8 2,4 2,3 3 2,5 3,2

1,8 2,3 2,6 2,2 2,9 2,7 3,5 2,9 3,8

5,5 2,2 2,9 2,4 3,3 2,7 3,6 3,2 4,3 4 5,2

7,5 3,4 4,4 3,6 4,8 4,1 5,4 4,6 6,1 5,5 7,2

11 8,5 5,5 7,2 9 7,5 10

15 6,5 8,5 9,5 10 12 10 13

18,5 11 12 10 13 11 15 12 16

22 10 12,5 11 13,5 12 15 13 16 15 18

30 14 18 15 20 17 22 20 25 22 28

37 18 24 20 27 22 30 26 34 29 39

45 19 28 21 31 24 34 28 38 31 43

55 22 34 25 37 28 41 32 46 36 52

75 28 45 32 49 37 54 41 60 45 68

90 34 54 39 59 44 65 49 72 54 83

110 40 64 46 70 52 76 58 85 63 98

132 45 72 53 80 60 87 67 97 75 110

160 54 86 64 96 72 103 81 116 91 132

200 66 103 77 115 85 125 97 140 110 160

250 75 115 85 125 95 137 105 150 120 175

Таблица 3. Нормативные показатели для усредненного еовф в зависимости от приемников электроэнергии

Тип электроприемников Усредненный СО$ф

Оборудование для сушки древесины 0,8-0,9

Холодильные установки 0,6-0,7

Сварочные аппараты 0,4-0,65

Станки малой, средней мощности 0,4-0,8

Станки большой мощности 0,65-0,7

Краны и грузоподъемные установки 0,5-0,6

Вентиляционные установки 0,7-0,8

Водяные насосы 0,8-0,85

Компрессорные установки 0,7-0,8

Таблица 4. Нормативные показатели для усредненного еовф в зависимости от оборудования

Вид оборудования Усредненный СО$ф

Хлебопекарное производство 0,6-0,7

Мясоперерабатывающее производство 0,6-0,7

Мебельное производство 0,6-0,7

Деревообрабатывающее производство 0,55-0,65

Молочные заводы 0,6-0,8

Механообрабатывающие заводы 0,5-0,6

Авторемонтные предприятия 0,7-0,8

Сравнение конденсаторной техники

Ранее при расчете установок компенсации реактивной мощности можно было исходить из минимального срока службы конденсаторов 10 лет. Сегодня наблюдаются более частые случаи выхода конденсаторов из строя при меньшем сроке их службы.

Используя свой многолетний опыт, компания Екйгошсоп выделяет три группы причин:

1. Повышение температуры в производственных зданиях за счет уплотнения произ-

Таблица 5. Нормативные показатели для усредненного еовф в зависимости от нагрузки

Нагрузка на электродвигатель 100% 75% 50% 25%

Маломощные электродвигатели 0,84 0,81 0,70 0,54

Мощные электродвигатели 0,90 0,88 0,84 0,70

Таблица 6. Снижение величины тока и тепловых потерь при встраивании конденсаторов

со$фі без компен- сации СО$92 с компенсацией Процентное снижение величины тока и полной мощности, % Процентное снижение величины тепловых потерь, %

0,5 0,9 44 69

0,5 1 50 75

0,6 0,9 33 55

0,6 1 40 64

0,7 0,9 22 39

0,7 1 30 51

0,8 1 20 36

водственных мощностей и более жаркого лета в последние годы.

2. Значительное увеличение нагрузки за счет влияния высших гармоник, повышения колебаний напряжения сети иувеличения частоты включения.

3. Увеличение количества применяемых дешевых конденсаторов с предельно рассчитанными параметрами по сравнению с предыдущими годами.

Одним из важнейших факторов, влияющих на срок службы конденсаторов, является температура окружающей среды. Ее повышение, например, на 7 °С снижает ожидаемый срок службы почти вдвое.

Немаловажными факторами также являются импульсная токовая нагрузка, нагрузка высшими гармониками и потери мощности в конденсаторе.

МКР (металлопленочные) конденсаторы производства компании Е!ес1гоп1соп

Конструкция

Конденсаторы выполнены из металлизированной А1-2п полипропиленовой пленки с самовосстанавливающимся диэлектриком, наполненные РИИ-смолой. Монтируются данные конденсаторы в алюминиевом корпусе с защитой от избыточного давления (рис. 1, 2).

Обе торцевые стороны секции металлизируются методом напыления и гарантируют высокую токовую нагрузку и низкоиндуктивный контакт между выводами и секцией. Для корпуса конденсатора с крепежным болтом используется прессованный алюминий.

Секция сушится под вакуумом. После монтажа корпус конденсатора наполняется полиуретановой смолой. Этим достигается увеличение срока службы конденсатора, стабильность его емкости и улучшение защиты от влияний внешней среды.

Преимущества конденсаторов МКР За счет непосредственной металлизации пленки при одинаковых размерах пленки и одинаковой напряженности поля они имеют меньшие габаритные размеры, чем используемые ранее конденсаторы МРР. При идентичных с МРР размерах можно достичь большего нагрузочного напряжения (при соответствующей толщине диэлектрика). Из-за отсутствия бумажной прокладки нет необходимости в дорогостоящем процессе сушки в вакууме.

Однофазные и трехфазные конденсаторы имеют диаметр 75-136 мм, корпус из прессованного алюминия с крепежным винтом и алюминиевой крышкой.

Дополнительные преимущества конденсаторов МКР:

• особенно благоприятны для окружающей среды;

• независимость рабочих свойств конденсаторов от способа монтажа;

• герметичность и надежность;

• значительное уменьшение веса по сравнению с МРР.

МКРд — новое поколение сухих конденсаторов производства компании Е'|есггошсоп

Применение пропиточных материалов и наполнителей необходимо для защиты конденсаторных электродов от влияний кислот, влажности и других помех внешней среды. Без такой изоляции произойдет коррозия металлических обкладок и возрастание числа отдельных частичных разрядов. Последствием этого было бы возрастание электрических потерь и сокращение срока службы. Уже многие годы специалисты компании ЕкСтотсоп исследуют разные пути для достижения надежного консервирования конденсатора. Хотя до последнего времени с применяемыми для

Al-Zn напыление

Полипропиленовая пленка

секция

Al-Zn напыление

Однофазные и трехфазные конденсаторы с диаметром 35—75 мм, трехфазные конденсаторы с диаметром 50—75 мм

Корпус — прессованный алюминий с крепежным болтом

Крышка пластиковая, корпус с резиновым уплотнением

неметаллизированная зона

слои контактирования

полипропиленовая

пленка

металлизированная с одной стороны

Рис. 6. Устройство металлопленочного конденсатора, изготовленного по технологии MKP/MKPg

Таблица 7. Сравнительные характеристики конденсаторов, изготовленных по MKP- и MKPg-технологиям

MKP MKPg

Номинальная мощность, кВАр 5-12,5 1-50

Номинальное напряжение, В 400-810 230-800

Частота, Гц 50/60 50/60

Температурный класс, °С -40 -40

Максимальный допустимый ток 2xiN (выше - под заказ) 1,6xiN (выше - под заказ)

Срок службы 200 тыс. ч 130 тыс. ч при темп. классе С 100 тыс. ч при темп. классе D

Знак качества CSA CSA

ИСПОЛНЕНИЕ K/L/M

<

□□d □ □□

-

її її

М12"гтТі D, ' ’

ИСПОЛНЕНИЕ К

< І Iі*

Рис. 7. Примеры конструктивного исполнения конденсаторов Electronicon

этих целей РИИ-смолой и минеральным маслом были достигнуты превосходные успехи, специалисты решили для особенно высоких требований окружающей среды разработать новый тип конденсатора. Этот тип основан

на зарекомендовавшей себя на протяжении многих лет в условиях повышенных перегрузок МРР-технологии.

После многочисленных лабораторных исследований и продолжительных практичес-

ких испытаний компания Е1ес1:гошсоп представляет новое поколение МКР-конденсато-ров с экологически чистым наполнителем (газом) — MKPg. Новая технология гарантирует те же высокие технические качества, ту же испытанную рабочую безопасность и надежность, что и изготавливаемые до настоящего времени МКР-конденсаторы с наполнителем из синтетической смолы.

Эти конденсаторы:

• Особенно благоприятны для окружающей среды — газ, которым заполняется новый конденсатор, полностью нейтральный. Таким образом, при уничтожении старых конденсаторов не возникает проблемы утечки вредных жидкостей или газов.

• Имеют удобный монтаж при высокой степени защиты, который гарантирует оптимальную герметизацию конденсатора, позволяет удобное подключение кабелей с сечением до 25 мм2, позволяет прямой монтаж разрядных дросселей.

• Обладают герметичностью и надежностью. При соблюдении нормального обслуживания конденсаторов утечка газа почти невозможна. Даже если утечка произойдет, это не будет связано с помехами и загрязнениями. Утечка газа в продолжительный период времени может вести к снижению значения емкости. Проведенные исследования показали, что этот процесс растягивается на многие годы, в продолжение которых конденсатор остается функционально действующим. Даже в случае повреждения конденсатора, например, возникшего в результате продолжительных перегрузок или невосстанавливающихся пробоев в диэлектрике, нарастание внутреннего давления в конденсаторе будет происходить с достаточной силой и скоростью, предусматривающей возможность отключения механизмом разрыва цепи. Другими словами, даже в случае потери газа механизм защиты срабатывает безотказно.

• Значительное уменьшение веса. Благодаря использованию инертного газа в качестве наполнителя вес конденсаторов MKPg меньше аналогов в среднем на 15-20%. Это принесет не только преимущества при перевозке и обслуживании, но и больше надежности при любом варианте монтажа конденсаторов.

Однофазные и трехфазные конденсаторы с диаметром 35-75 мм, трехфазные конденсаторы с диаметром 50-75 мм.

Корпус — прессованный алюминий с крепежным болтом.

Крышка пластиковая, корпус с резиновым уплотнением.

Для конденсаторов серий 275.ХХХ и 276.ХХХ в зависимости от требований, предъявляемых в том числе и к характеристикам выводов, используются различные конструктивные исполнения. На рис. 7 показаны наиболее часто применяемые решения.

Разрядные модули

Для конденсаторов с конструктивным исполнением L/M компания Electronicon предлагает шесть различных разрядных модулей (3x68, 82, 100, 120, 180, 300 кОм) для разрядки как одиночных конденсаторов, так и групп последовательно соединенных конденсаторов. Сопротивления смонтированы в защищенном от прикосновений корпусе (IP20). Разрядные модули рассчитаны таким образом, чтобы разряд до 50 В происходил менее чем за 60 с.

Для конденсаторов с конструктивным исполнением A также предлагаются аналогичные разрядные группы (IP00). Разрядные модули рассчитаны так, чтобы разряд до 50 В происходил менее чем за 70 с.

Конденсаторы с конструктивным исполнением K укомплектовываются внутренними разрядными модулями, рассчитанными на разряд до 50 В менее чем за 60 с.

Конкретные значения подключаемых модулей могут быть рассчитаны по следующим формулам:

• Трехфазный конденсатор:

R =

t

Crxln

UBxj2

Однофазный конденсатор: ix 1,5

R =

стоит раздельно. При достижении коэффициента мощности соэф = 0,9 затраты на реактивную энергию не учитываются, так как величина реактивной энергии составляет не более 50% от активной.

Из месячного счета за электроэнергию возьмем величины израсходованной активной и реактивной электроэнергии.

Пример 1

Расход активной энергии: 17 500 кВт-ч.

Расход реактивной энергии: 21 000 кВт-ч.

Эти величины связаны между собой посредством 1апф:

1апф = 21 000/17 500 = 1,2. (5)

Принимаем для 1апф =1,2 соответствующий соэф = 0,64. При работе предприятия в среднем по 170 часов в месяц определяем среднечасовую нагрузку (мощность):

17 500/170 = 103 кВт.

(6)

1 — время разряда, Ст — емкость одной фазы, Соа1 — общая емкость, ив — рабочее напряжение, иЕ—максимально допустимое напряжение за время 1, Я—значение сопротивления. В заключение рассмотрим несколько примеров выбора требуемой конденсаторной мощности на практике.

Расчет мощности компенсации по счетам за электроэнергию

Рабочий тариф

В счете за электроэнергию месячное потребление активной и реактивной энергии

103 х 0,72=74 кВАр.

(8)

Из месячного счета за электроэнергию возьмем величину пика максимума нагрузки и актуальный (действующий).

Пример 2

Пик максимума нагрузки: 175 кВт.

Коэффициент мощности: со8ф1 = 0,7.

Для желаемого со8ф2 = 1 получаем перерасчетный коэффициент £ = 1,02.

175 х 1,02 = 179 кВАр.

(9)

Для того чтобы добиться повышения коэффициента мощности от со8ф = 0,64 до соэф = 0,9, нужно взять перерасчетный коэффициент

f = (1апф1-1апф2) = 0,72. (7)

Для получения необходимой мощности конденсаторов нужно перемножить среднечасовую мощность на перерасчетный коэффициент £

Мощность компенсационной установки с приемлемым резервом принимаем равной 100 кВАр.

Тариф максимальной нагрузки За основу в расчете возьмем максимальную пиковую нагрузку за месяц. Так как энергосберегающая организация учитывает в данном случае не активную, а полную мощность, нужно стремиться к повышению коэффициента мощности до единицы.

Мощность компенсационной установки с приемлемым резервом принимаем равной 200 кВАр.

Выводы

На практике постоянно пытаются скомпенсировать преимущества и недостатки различных технологий изготовления конденсаторов. При тщательном взвешивании технических и экономических сторон вопроса выбора нужно учитывать, что конденсаторы, производимые компанией Electronicon Kondensatoren, выпускаются с резервом по напряжению и при максимальном напряжении нагружены на 80-85% возможного расчетного напряжения. Также стоит принять во внимание свойства самовосстановления используемого диэлектрика.

Обе описанные технологии изготовления конденсаторов имеют свои достоинства и недостатки. Решающими критериями при выборе являются расчет материалов, качество производства и принятие во внимание всех технических условий.

Применение данных конденсаторов дает следующие выгоды:

• С улучшением коэффициента мощности потребитель может снизить общие расходы на электроэнергию.

• Уменьшение реактивной нагрузки позволяет производителю энергии при той же общей мощности снабжать дополнительных потребителей полезной нагрузкой.

• Улучшение коэффициента мощности уменьшает нагрузку компонентов распределительной сети. Это удлиняет срок их службы. ■