Конденсаторы и конденсаторные батареи

Конденсаторы марок КМ, КС, КМА, КСА, (рисунок 4.20 а), КМ2, КС2, КМ2А (рисунок 4.20 б) выпускаются в одно и трёхфазном исполнении по схеме треугольника, на напряжения до кВ, на мощность от 4,5 до 75 кВАр; пропитываются маслом или синтетической жидкостью (буквами «М» и «С» в обозначении, соответственно); предусматривается их исполнение для внутренней и наружной установки. Рабочая температура окружающей среды – от -40 ºС до + 40 ºС.

Таблица 4.1 – Высота изолированных выводов конденсаторов (Н)

Номинальное напражяние, кВ	0,22 0,38 0,5	0,66 1,05	3,15 3,15 /	6,3 6,3 /	10,5 10,5/
Внутренней установки, мм
Наружной установки, мм

Конденсаторы состоят из отдельных секций (единичных конденсаторов), соединённых в пакеты параллельно, последовательно или смешанно. При напряжении 1000 В и ниже в каждой секции включается невосстанавливаемая плавкая вставка, в случае перегорания которой конденсатор в целом может работать, но с пониженной ёмкостью.

Конденсаторы могут быть изготовлены со встроенными разрядными сопротивлениями, которые при отключении снижают напряжение с 660 В и ниже до 50 В за время не более 1 минуты, и с напряжения выше 660 В до 50 В за время не более 5 минут.

Из конденсаторов собираются либо батареи необходимой ёмкости, либо серийные комплексные установки марки УК. В этих устройствах конденсаторы соединяются по параллельной, последовательной или смешанной схемам. Установки оборудуются необходимыми защитами, контрольно-измерительными приборами, разрядными сопротивле-ниями. При автоматическом регулировании установки на её секциях предусматриваются выключатели, предназначенные для коммутации конденсаторов с требуемой частотой. Примеры схем комплектных конденсаторных установок регулируемого (на 0,4 кВ) и нерегулируемого (от 6 до 10 кВ) вида изображены на рисунке 4.21.

Рисунок 4.20 – Габариты конденсаторов: а) КМ, КС, КМА, КСА; б) КМ2, КС2, КМ2А, КС2А.

Трёхфазные конденсаторы с тремя выводами, однофазные – с двумя (средний вывод отсутствует)

Размещение конденсаторных установок производится в соответствии с требованиями, предъявляемыми по этому вопросу к малозаполненным устройствам (трансформаторам, выключателям и др.)

Рисунок 4.21 – Схемы конденсаторных установок: а) на 0,4 кВ; б) на 6-10 кВ

Синхронные электродвигателицелесообразно использовать при их перевозбуждении для компенсации переменной части той реактивной нагрузки, с которой они связаны по возможности коротким участком сети.

Синхронные машины нагружаются в соответствии с диаграммой мощности, которая теоритически в осях P и Q представляет собой окружность, радиус, которой в выбранном масштабе равен полной кажущейся мощности. Интересующий нас режим соответствует первому квадранту и изображён на рисунке 4.22, на котором геометрическое место точек, соответствующих номинальной полной кажущейся мощности электродвигателя, соответствует кривой 1. Реальная полная кажущаяся мощность ограничена номинальным токо возбуждения (кривая 2).

Синхронные компенсаторы –это синхронные электродвигатели без полезного момента на валу, потребляющие активную энергию из сети только для покрытия внутренних потерь электромагнитного, механического и аэродинамического происхождения.

Электромагнитная мощность синхронного компенсатора по характеру реактивная и в зависимости от тока возбуждения может передаваться в сеть при перевозбуждении или потребляться из сети при недовозбуждении.

К достоинствам синхронных компенсаторов относятся:

- увеличение генерируемой реактивной мощности при уменьшении напряжения;

- возможность плавного и автоматического регулирования генерируемой мощности, что повышает устойчивость системы и параметры качества её электроэнергии;

- достаточная электродинамическая и статическая стойкость при КЗ.

Рисунок 4.22 – Диаграмма мощности синхронного двигателя

К недостаткам компенсаторов относится увеличение удельных потерь в кВт/кВАр с уменьшением мощности: с 0,01 до 0,025 при снижении Q от 200 до 20 кВАр. Этому сопутствует ещё и увеличение стоимости компенсаторов.

Поэтому применение синхронных компенсаторов ограничено и их устанавливают обычно на крупных подстанциях.

Статические компенсирующие устройстваиспользуются при резко-переменных нагрузках, создаваемых, например, главными приводами прокатных станов, дуговыми сталеплавильными печами. Эти устройства необходимы также при подключении к сетям тиристорных электроприводов, могущих обладать несимметрией нагрзуки по фазам.

Такие компенсирующие устройства должны обладать:

- высоким быстродействием при генерировании реактивной мощности;

- достаточным диапазоном регулирования;

- возможностью не только генерирования реактивной мощности, но и её потребления;

- минимальным собственным искажением питающего напряжения.

Основными элементами статических компенсирующих устройств являются ёмкости и индуктивности, а также быстродействующие тиристорные подключатели.

На рисунке 4.23 приведены некоторые схемы статических компенсирующих устройств.

Рисунок 4.23 – Однолинейные схемы статических компенсирующих устройств

Их можно разделить на три группы:

- мостовые источники реактивной мощности с индуктивным накопителем на стороне постоянного тока (рисунок 4.23 а);

- реакторы насыщения с нелинейной вольт-амперной характеристикой (рисунок 4.23 б);

- реакторы линейной вольт-амперной характеристикой и последовательно включенными встречно-параллельными управляемыми вентилями (рисунок 4.23 в).

Преимущества этих устройств состоят в быстродействии, простоте и надёжности.

Таким образом, при перетоках РМ в электрических сетях переменного тока имеют место следующие нежелательные последствия:

1) ухудшение режимов напряжения из-за значительных потерь и колебаний напряжения;

2) снижение статической устойчивости узлов электрической нагрузки;

3) необходимость увеличения пропускной способности элементов электрической сети (ЛЭП, трансформаторов и др.);

4) недоиспользование генераторов на электростанциях по АМ из-за их загрузки РМ;

5) необходимость увеличения установленной мощности генераторов на электростанциях для компенсации ∆P_Q в электрических сетях и дополнительного расхода топлива для компенсации ∆P_Q (хотя для генерирования РМ расходовать топливо не требуется).

Установка средств компенсации реактивной мощности требует определённых затрат, поэтому для обоснования необходимой мощности компенсирующих устройств и мест их размещения делают технико-экономический расчёт (ТЭР).

Установка КУ у потребителей – очень эффективное средство. Так, установка 1 кВАр КУ обеспечивает экономию 300 кВт/ч электроэнергии в год, установка батарей конденсаторов мощностью 300 кВАр обеспечивает экономии. 30 т угля в год.

Россия в настоящее время отстаёт от развитых стран по оснащению электрических сетей установками КРМ. Степень компенсации РМ по стране составляет

(4.62)

где – суммарная РМ всех ИРМ; – суммарная АМ всех ИП.

Существуют два способа рационализации режимов РМ:

- мероприятия по правильному выбору параметров элементов системы электроснабжения (при проектировании) и регулирование режима их работы (при эксплуатации);

- применение специальных технических средств для КРМ.

Основные мероприятия по рационализации режимов РМ в системах электроснабжения промышленных предприятий:

1) упорядочение технологического процесса производства, ведущего к улучшению (выравниванию) графика нагрузки;

2) правильный выбор мощности трансформаторов, АД и других ЭП, обеспечивающий их оптимальную загрузку в процессе эксплуатации;

3) преимущественное применение СД во всех случаях, когда это возможно и целесообразно по условиям производства;

4) применение устройств и автоматики, ограничивающих холостой ход ЭП (трансформаторов, ЭД и др.)

5) снижение напряжения на выводах малозагруженных ЭД;

6) повышение качества ремонта электрооборудования;

Если вышеуказанные мероприятия не обеспечивают оптимального режима РМ, то в системах электроснабжения предприятия устанавливают специальные технические средства – компенсирующие установки.

Электрические сети предприятий по функциональным признакам работы электроустановок и применяемым средствам КРМ условно подразделяются на сети общего назначения и сети со специфическими (нелинейными, несимметричными и резкопеременными) нагрузками. В настоящее время в качестве основных КУ в сетях общего назначения применяются БСК поперечной компенсации и СД.

При установке БСК ток во внешней электрической сети уменьшается, а значит, уменьшаются потери, ∆U, ∆P, ∆W.

Достоинства БСК поперечной компенсации:

- простота устройства БСК и схем их включения в электрическую сеть;

- недефицитность материалов, применяемых при изготовлении БСК;

- малые удельные потери P и W на выработку одного кВАра;

- относительно невысокая стоимость КУ.

Недостатки БСК:

- отсутствие плавного регулирования РМ;

- выдаваемая РМ зависит от величины напряжения сети

(4.63)

- пожароопасность и повышенная опасность поражения персонала электрическим током;

- вероятный выход из строя БСК, то есть последовательное их включение в сеть, непосредственно только для КРМ, как правило, не применяется. Схемы продольной компенсации используются для регулирования напряжения в электрических сетях при значительных и частых набросах РМ (электродуговые печи, прокатные станы и т.п.).

СД широко применяется для КРМ благодаря ряду преимуществ по сравнению с БКС:

- СД обеспечивает плавное регулирование РМ;

- в меньшей степени выработка РМ зависит от напряжения сети, так как максимальная РМ, которую может выдать в сеть, СД, определяется по формуле

(4.64)

где , , – номинальные значения соответственно активной мощности, коэффициента РМ и КПД; α_M – коэффициент максимально возможной перегрузки СД по РМ, который зависит от типа СД, загрузки по АМ и напряжения на зажимах СД;

- применение СД повышает статическую устойчивость узла нагрузки.

Минимальная РМ, выдаваемая СД в электрическую сеть, определяется из выражения

(4.64)

где β – коэффициент загрузки СД по активной мощности.

Наряду с этим СД имеют как ИРМ один существенный недостаток – велики (на порядок выше, чем у БКС) удельные потери ∆P и ∆Q на выработку 1 кВАра РМ, особенно у тихоходных СД с явно выраженными полюсами.

Компенсационные преобразователи (КПИ) устанавливаются на тех, предприятиях, где имеются выпрямительные агрегаты. В схеме выпрямительного агрегата в цепь катодов включается уравнительный реактор, к которому подключается БСК. При разряде и заряде БСК создаются условия для опережающего перехода тока на очередную фазу, что воспринимается сетью дополнительная выработка РМ. Компенсирующий эффект от применения таких агрегатов

(4.65)

где – РМ, выработанная КПИ; – мощность БСК.

Обычно К_Э находится в пределах от 2,5 до 3,1.

В электрических сетях со специфическими нагрузками очень велика скорость изменения РМ. Так, например, набросы РМ на станах холодной прокатки – 2000 МВар/с. Ни СД, ни БСК поперечного включения, ни трансформаторы с РПН не могут обеспечить такой скорости и пофазного регулирования РМ и напряжения. Поэтому в сетях со специфическими нагрузками для КРМ применяются: фильтрокомпенсирующие, симметрирующие и фильтросим-метрирующие устройства динамической и статической КРМ и специальные быстродействующие синхронные компенсаторы.

4.7.3 Схемы соединения и включения конденсаторов и конденсаторных установок в электрическую сеть

Конденсаторы соединяются обычно в группы, секции и установки. С точки зрения максимального использования ёмкости конденсаторов лучшее соединение их в батарею по схеме ∆. РМ, вырабатываемая конденсаторами, равна Q=ώ*C*U²*10^-3, и поэтому при одной и той же ёмкости конденсаторов при соединении их ∆ КУ выдают в сеть РМ в три раза большую, чем при схеме соединения в . Конденсаторы напряжением 0,22 кВ; 0,38 кВ; 0,66 кВ изготавливаются в основном в 3-х фазном исполнении, а в однофазном – только по специальному заказу. КУ напряжением до 1000 В соединяются, как правило, по схеме ∆, но могут применяться и схемы,. Конденсаторы 1,05 кВ; 3,15 кВ; 6,3 кВ; 10,5 кВ изготавливаются только однофазными и соединяются по схеме ∆ и с предохранителями как групповой, так и индивидуальной защиты. Для КУ напряжением более 10 кВ применяется схема с параллельно-последовательным соединением конденсаторов в каждой фазе. Схемы включения КУ напряжением до 1000 В в электрическую сеть представлены на рисунке 4.25, а напряжением выше 1000 В – на рисунке 4.26. Обычно схемы а) и б) (рисунок 4.26) применяются для сетей 6 кВ, а схемы в) и г) (рисунок 4.26) – для сетей 10 кВ.

КУ (3–10) кВ можно комплектовать из конденсаторов 0,66 кВ или 1,05 кВ, но они будут дороже на (10–15) %, таких же БСК, скомплектованных, соответственно, из конденсаторов 3,15 кВ; 6,3 кВ; 10,5 кВ.

Коммутационная аппаратура для отключения КУ выбирается по току с запасом на 50 %. В сетях (3–10) кВ для коммутации рабочих токов КУ применят, как правило, вакуумные или элегазовые выключатели, а для отключения ТКЗ можно применять МВ типа ВМП-10 и др.

Разрядные сопротивления служат доя разряда КУ после отключения их по сети и обеспечивают защиту персонала от поражения остаточным напряжением, которое должно быть не выше безопасного, и защиту КУ от повреждений при повторном включении их в сеть. Ориентировочно R_P может быть определено по формуле

(4.66)

При этом потери в разрядном сопротивлении не должны превышать 1 Вт/кВАр, а время разряда конденсатора до безопасного напряжения не должно быть не более одной минуты. Для обеспечения контроля за работой и безопасности персонала на КУ устанавливают приборы контроля, сигнализации и блокировки. Например, при открывании дверец шкафа КУ она должна отключаться от сети, и, наоборот, её нельзя включать под напряжение, пока не будут закрыты дверцы. В шкафу должны быть смонтированы вольтметр и варметр.