Подписка на новости

Опрос

Нужны ли комментарии к статьям? Комментировали бы вы?

Реклама

 

2006 №3

Конденсаторы Electronicon для компенсации реактивной мощности

Юшков Алексей


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 cosφ определяется как соотношение потребляемой активной мощности к полной мощности, действительно взятой из сети. Чем ближе значение cosφ 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 магнитопроводом;
  • светильники с газоразрядными лампами;
  • дуговые печи, сварочные аппараты;
  • силовые полупроводниковые приборы.

Основы компенсации реактивной мощности

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

(1)

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

Рис. 1. Активная нагрузка
Рис. 1. Активная нагрузка

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. 2. Индуктивная нагрузка
Рис. 2. Индуктивная нагрузка

Прохождение током точки «0» сдвинуто относительно напряжения на фазовый угол φ. 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).

Рис. 3. Сумма активной и реактивной составляющих полной мощности
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).

Рис. 4. Емкостная нагрузка
Рис. 4. Емкостная нагрузка

Если емкостное сопротивление равно по величине индуктивному, то действия их токов взаимно уничтожаются. Таким образом, потребляемая от энергосетей (оплачиваемая) реактивная мощность может быть снижена или вообще удалена (рис. 5).

Рис. 5. Баланс мощности
Рис. 5. Баланс мощности

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

Соотношение активной мощности Pиполной мощности S показывает cosφ:

(2)

Для компенсируемой реактивной мощности получаем:

(3)

Конденсатор равной мощности Qc полностью компенсирует реактивную мощность и повысит коэффициент мощности до единицы (cosφ = 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:

(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 ведет 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).

Таблица 1. Нормативный показатель мощности конденсаторов в зависимости от напряжения
Таблица 1. Нормативный показатель мощности конденсаторов в зависимости от напряжения

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).

Таблица 2. Нормативный показатель потребления реактивной мощности
Таблица 2. Нормативный показатель потребления реактивной мощности

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 3. Нормативные показатели для усредненного cosφ в зависимости от приемников электроэнергии
Таблица 3. Нормативные показатели для усредненного cosφ в зависимости от приемников электроэнергии
Таблица 4. Нормативные показатели для усредненного cosφ в зависимости от оборудования
Таблица 4. Нормативные показатели для усредненного cosφ в зависимости от оборудования
Таблица 5. Нормативные показатели для усредненного cosφ в зависимости от нагрузки
Таблица 5. Нормативные показатели для усредненного cosφ в зависимости от нагрузки
Таблица 6. Снижение величины тока и тепловых потерь при встраивании конденсаторов
Таблица 6. Снижение величины тока и тепловых потерь при встраивании конденсаторов

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 Electronicon выделяет три группы причин:

  1. Повышение температуры в производственных зданиях за счет уплотнения производственных мощностей и более жаркого лета в последние годы.
  2. Значительное увеличение нагрузки за счет влияния высших гармоник, повышения колебаний напряжения сети и увеличения 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.

MKP (металлопленочные) конденсаторы производства компании Electronicon

Конструкция

Конденсаторы выполнены из металлизированной Al-Zn полипропиленовой пленки с самовосстанавливающимся диэлектриком, наполненные PUR-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 MPP. При идентичных с MPP 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.

MKPg — новое поколение сухих конденсаторов производства компании Electronicon

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 Electronicon исследуют разные пути для достижения надежного консервирования конденсатора. Хотя до последнего времени с применяемыми для этих целей PUR-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 MPP-технологии.

Рис. 6. Устройство металлопленочного конденсатора, изготовленного по технологии MKP/MKPg
Рис. 6. Устройство металлопленочного конденсатора, изготовленного по технологии MKP/MKPg
Таблица 7. Сравнительные характеристики конденсаторов, изготовленных по MKP- и MKPg-технологиям
Таблица 7. Сравнительные характеристики конденсаторов, изготовленных по MKP- и MKPg-технологиям

После многочисленных лабораторных исследований и продолжительных практических испытаний компания Electronicon представляет новое поколение MKP-конденсаторов 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 MKP-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.

Рис. 7. Примеры конструктивного исполнения конденсаторов Electronicon
Рис. 7. Примеры конструктивного исполнения конденсаторов Electronicon

Разрядные модули

Для конденсаторов с конструктивным исполнением L/M компания Electronicon предлагает шесть различных разрядных модулей (3×68, 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:
  • Однофазный конденсатор:

t — время разряда, CT — емкость одной фазы, Ctotal — общая емкость, UB — рабочее напряжение, UE — максимально допустимое напряжение за время t, R— 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 стоит раздельно. При достижении коэффициента мощности cosφ = 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 tanφ:

(5)

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

(6)

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

(7)

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

(8)

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.

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

Пример 2

Пик максимума нагрузки: 175 кВт.

Коэффициент мощности: cosφ1 = 0,7

Для желаемого cosφ2 =1 получаем перерасчетный коэффициент f = 1,02.

(9)

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.

Скачать статью в формате PDF  Скачать статью Компоненты и технологии PDF

 


Другие статьи по данной теме:

Сообщить об ошибке