Решения за компенсиране на реактивна енергия
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 4, 2009
Технически възможности за решаване на проблемите, произтичащи от реактивната енергия
Преносът на реактивна мощност по електроснабдителната система е свързан с редица негативни последици. Сред тях са повишени загуби на активна мощност, тъй като те зависят от пълната мощност. Също така се наблюдават и по-големи загуби на напрежение, заради импеданса на елементите от електроенергийната система. Реактивната мощност е причина за непълно използване на синхронните генератори, работещи в системата. Известно е, че излишъкът или недостигът на реактивната енергия определя нивото на напрежение в електроенергийната система.
Защо реактивната енергия е вредна?
Нагледна аналогия, поясняваща последните две твърдения, би могла да се получи чрез представяне на генераторните мощности в системата като велосипедисти, които карат колело от тип тандем. Нека консуматорите са представени като пътници, возещи се на този велосипед. Направено е допускането, че пътниците се возят, но не въртят педалите (фиг. 1). Ако всички „пътници” решат едновременно да се наклонят в една посока, това няма да намали скоростта на велосипеда или да го отклони от избраната посока, но ще застраши неговата стабилност (фиг. 2). Генераторите няма да вършат повече работа, но за да запазят стабилността на тандема, ще трябва да компенсират накланянето на „пътниците”. Логично е това да стане, като го наклонят в обратната посока (фиг. 3). Резултатът е, че „велосипедистите” се чувстват по-некомфортно и създават по-голямо челно съпротивление, което води до намален капацитет и повишени загуби в генераторите.
Мероприятия за ограничаване преноса на реактивна енергия
Съществува добре известна съвкупност от мерки, насочени към намаляване потреблението на реактивна енергия. Тя включва:
l замяна на ненатоварени асинхронни двигатели и трансформатори с модели с по-малка мощност;
l понижаване на напрежението на двигатели, системно работещи в режим, близък до празен ход;
l изключване на трансформатори, работещи на празен ход или с малко натоварване (поемане на техния товар от други трансформатори);
l използване на най-целесъобразни схеми и системи за управление на вентилни преобразуватели.
Прилагането на описаните мерки в повечето случаи не може да доведе до пълно решаване на въпроса с консумираната реактивна енергия. Те обаче могат да намалят необходимата мощност на компенсиращите съоръжения, и следователно да минимизират инвестициите и експлоатационните разходи.
Компенсирането - с кондензаторни батерии
Компенсирането на консумираната реактивна енергия (т.е. на индуктивната енергия) се извършва с кондензаторни батерии. Принципът на компенсиране се състои в това необходимата реактивна енергия да се генерира от местни източници (кондензаторни батерии), разположени в близост до товара, а не да се доставя от генераторите (фиг. 4).
Необходимата компенсираща мощност при синусоидални величини се определя от триъгълника на мощностите (фиг. 5). Ако P, Q и S са естествените (в смисъл без компенсиране) активна, реактивна и пълна мощност, те ще определят и естествения ъгъл на дефазиране jе. Нека направим допускането, че желаният ъгъл е jЖ. Следователно, необходимо е от консумираната реактивна енергия да се извади вектор, отговарящ на генерираната от кондензаторните батерии реактивна мощност Qk. От чисто геометрични съображения се извежда изразът за необходимата компенсираща мощност, при известни – активна мощност, естествен и желан ъгъл j: Qk = P[tg(jв) - tg(jж)].
Варианти за разполагане на компенсиращите батерии
Съществуват много и различни варианти за разполагане на компенсиращите батерии в електроснабдителната система на потребителя. Възможно е използване на фиксирани кондензаторни батерии, постоянно включени в определени точки, разположени близо до големи консуматори на реактивна енергия – индивидуално компенсиране. Ако компенсиращите батерии са разположени в главната подстанция, се говори за групово компенсиране. Възможно е кондензаторните батерии да са за ниско напрежение. В този случай те са по-евтини, но работят с по-големи активни загуби от кондензаторните батерии за средно напрежение. Въпросът за оптималното компенсиране на реактивни товари е твърде сложен въпрос и излиза извън основната тема на настоящия материал.
Сред най-предпочитаните варианти през последното десетилетие е групово компенсиране, въпреки че това не е универсално решение. В редица приложения се използва индивидуално компенсиране с автоматични регулатори на фактора на мощността
(АРФМ). Тези устройства следят непрекъснато консумираната активна и реактивна енергия, определят в реално време текущия фактор на мощността, а от там и необходимата компенсираща мощност. На базата на текущите показатели те включват или изключват определени кондензаторни батерии. Най-често превключването на кондензаторните батерии се реализира с контактори. Съществуват и устройства, предназначени за компенсиране на бързопроменливи товари, в които се използват управляеми вентили. Те обаче намират изключително ограничено приложение в България, тъй като заплащането става на база средномесечния фактор на мощността, а не на моментната му стойност. При такава тарифа, свръхбързите устройства предлагат само допълнителни разходи на потребителя, без да му носят сериозна полза. Тяхното използване е оправдано, когато бързопроменливите товари смущават работата на други устройства и системи, свързани на същите захранващи шини.
Изградени са от пет основни елемента
Автоматичните регулатори на фактора на мощността са изградени от пет основни елемента:
l кондензаторни батерии;
l контактори;
l контролер;
l кабели и защитна апаратура;
l шкаф, в който са поместени всички гореизброени елементи.
Приблизителната тежест на отделните елементи при определяне на крайната цена на типичен автоматичен регулатор на фактора на мощността (АРФМ) за ниско напрежение е:
l кондензаторни батерии - 50%;
l контактори - 25%;
l контролер -15%;
l кабели и защитна апаратура - 5%;
l шкаф - 5%.
Добре е да се има предвид, че тези процентни стойности са само ориентировъчни и варират в зависимост от приложението.
Старите кондензаторни батерии
Представляват основен елемент в АРФМ, който заедно с контакторите определя в голяма степен цената на регулатора. На пазара се предлагат кондензаторни батерии с единична мощност Qk = 0.5 kVAr, 0.7 kVAr, 1 kVAr, 1.5 kVAr, 2 kVAr, 2.5 kVAr, 5 kVAr, 7.5 kVAr, 10 kVAr, 12.5 kVAr, 15 kVAr, 20 kVAr, 30 kVAr, 40 kVAr, за номинално напрежение: Uн = 400 V, 450 V, 690 V, 1450 V, 6 KV. Не всички фирми произвеждат цялата гама от изброени стойности. Разбира се, има и кондензаторни батерии, непосочени в поредицата мощности.
В миналото са се използвали кондензатори с хартиен диелектрик, импрегниран с минерално масло, наречено полихлориран бифенил (РСВ). Типични за тези кондензатори са големите габарити, високата температура, която достигат дори при нормална експлоатация, и много добрата издръжливост. Заради големите активни загуби, те са естествено защитени от прекомерно големи пускови токове. Освен това полихлорираният бифенил е изключително стабилен и не се разлага. Това е и най-големият проблем на тези кондензатори, тъй като хлорните бифенили и трифенили са канцерогенни и кондензаторните батерии остават много опасни, дълго след като са извадени от употреба. Бифенилните кондензатори са забранени за използване и отдавна не се произвеждат.
Вече се използват т. нар.филм кондензаторипри които диелектрикът е тънък пластмасов филм (6 mm), при производството на който се вземат специални мерки, за да се гарантира отсъствието на примеси и микропори. За ниско напрежение се използва основно полипропилен (РР). Той има много добри изолационни качества, ниски загуби (малък tgd) и добра устойчивост във времето. Малките загуби, обаче, означават много големи пускови токове, които могат да доведат до прегряване (и дори изпаряване) на диелектрика. При това, както полипропиленът, така и неговите пари са изключително лесно запалими.
Съществуват и по-добри кондензатори, при които диелектрикът е комбинация от хартия и пластмасов филм, с обща дебелина 15 mm. Тези кондензатори са много по-надеждни и се нуждаят от подмяна много по-рядко. За сметка на това, се отличават с по-големи размери и по-висока цена.
Електродите на кондензаторите представляват тънко метално покритие, разпръснато върху пластмасовия филм. Съществуват конструкции с по-дебело алуминиево фолио или с вакуумно нанесено покритие, които са по-надеждни и с по-добра издръжливост на пускови токове и пренапрежения.
Международният стандарт IEC831-1 и 2
изисква кондензаторите да издържат продължително претоварване по ток - до 30% (Imax = 1,3 Iн). Факторите, които могат да доведат до протичане на по-голям от номиналния ток, са:
l наличие на хармоници (на напрежението);
l повишаване на мрежовото напрежение;
l чести пускания;
l пропадания на мрежовото напрежение (по-скоро последващото му възстановяване);
l вибриране на контактите на контактори;
l резонанс.
Използването на добър контролер, който изпълнява и защитни функции, би могло да удължи съществено живота на кондензаторите. Контролерът ефективно ги защитава от повишаване и пропадане на мрежовото напрежение, чести пускания и дори резонанс.
Хармоници на напрежението
Импедансът на кондензаторите се изчислява по добре познатата формула - Xc = 1/wC, и следователно намалява с увеличаване на честотата. По тази причина, наличието на хармоници, т.е. високочестотни съставки в напрежението, води до протичане на твърде големи токове.
Счита се, че при малък коефициент на несинусоидалност на напрежението (под 2,5%) не е необходимо да се вземат специални мерки за ограничаване на претоварването, предизвикано от хармоници. При по-замърсени мрежи, обаче, се прилагат специални кондензаторни батерии или последователно на тях се свързват реактори, които да ограничат високочестотните токове.
Източници на хармоници на напрежението могат да бъдат:
l Импулсни захранвания (например твърде голям брой компютри – има се предвид много голям брой паралелно свързани машини);
l Изправителни преобразуватели;
l Честотни управления за двигатели;
l Заваръчни агрегати, дъгови пещи и др. бързопроменливи товари - захранвани от мрежа с малка мощност.
Пусков ток
При първоначално свързване на кондензатор към захранващото напрежение протича преходен процес до неговото зареждане. В първоначалния момент токът през кондензатора е ограничен само от импеданса на захранващата мрежа. По тази причина той може да достигне изключително големи стойности (фиг. 6).
Този голям пусков ток, от една страна, води до загряване на кондензатора, а от друга - може да доведе до колебание на напрежението и да смути работата на други устройства. Затова той трябва да бъде ограничаван. Обикновено, пусковият ток на кондензаторните батерии не се дава в каталозите, но може да се очаква той да е до 100 пъти по-голям от номиналния ток Iн.
Възможности за ограничаване на пусковия ток
За ограничаване на пусковия ток последователно на кондензаторната батерия се свързват индуктивности или съпротивления.
Използването на индуктивност (реактор) е добро, но скъпо решение, тъй като трябва да се използва дросел с необходимата мощност, навит върху подходяща сърцевина. Елементарното навиване на захранващия проводник дава само няколко микрохенри индуктивност, което в повечето случаи не е достатъчно. Използването на постоянно работещ реактор би довело и до допълнителни загуби в компенсиращото устройство.
Приложението на пускови резистори е най-предпочитаният метод за ограничаване на пусковия ток. Резисторите се шунтират след края на преходния процес, така че не генерират допълнителни загуби.
Най-тежък пусков режим се получава, когато мрежовото напрежение при включване се окаже в противофаза на предварителното напрежение, до което е зареден кондензаторът преди пускане. Режим от този тип е много вероятен при кратковременно прекъсване на захранването или при честа ръчна комутация на кондензаторните батерии. Вградените в тях резистори осигуряват разреждането им за около 15 минути и не могат да се използват за предотвратяване на този опасен режим. Ефективна защита може да осигури управляващият контролер и АРФМ, който да не позволява често включване на кондензатори дори и при ръчно управление.
Максимално напрежение на кондензаторните батерии
Според стандарта IEC831-1 и 2, максималното напрежение, което кондензаторните батерии трябва да издържат, е с 10% по-голямо от номиналното или 1,1 Uн. Освен това 10-процентната граница може да бъде достигана за не повече от 8 часа на денонощие. Стандартът дефинира, че напрежението може да се увеличи с 15% спрямо номиналното за не повече от 30 минути на денонощие, и то не повече от 200 пъти за целия живот на кондензаторната батерия.
Относително малкото повишаване на напрежението води до допълнително загряване на кондензаторната батерия, докато големи пренапрежения, появили се вследствие на комутации или мълнии, водят до пробив в диелектрика на кондензатора. При пробив прескача искра между двата електрода. Изпарява се полипропиленовата изолация, както и алуминиевото покритие, съставящо електродите. Получените при изпарението газове „разчистват” алуминиевите пари от мястото на пробива и след изчезване на пренапрежението, кондензаторът може да работи отново. Описаното свойство се нарича самовъзстановяване. За съжаление, е свързано с деградация, тъй като всеки подобен пробив отнема от площта на електродите, а следователно и от капацитета на кондензаторната батерия.
Не се преоразмеряват по номинално напрежение
При много големи пренапрежения отделените при изпарението на диелектрика газове могат да създадат сериозно вътрешно налягане, вследствие на което кондензаторът да експлоадира. Затова добре проектираните кондензатори разполагат със свободно място в обвивката. Съществуват и кондензаторни батерии с газова защита, която прекъсва един от захранващите изводи при твърде голяма стойност на вътрешното налягане. След сработването й, кондензаторът не може да бъде възстановен.
Преоразмеряване на кондензаторите по отношение на номиналното им напрежение обикновено не се практикува, тъй като не е изгодно. Реактивната мощност на кондензаторната батерия зависи от квадрата на напрежението. Ако се закупи батерия с 10 kVAr на 690 V, а се експлоатира на 400 V, то нейната мощност ще е едва 3,4 kVAr. Следователно, ще са необходими три пъти повече батерии за осигуряване на необходимата компенсираща мощност.
Температура
Според допустимото температурно натоварване кондензаторните батерии се разделят на четири класа, показани в таблица 1.
Специализирани или обикновени контактори
Както вече бе подчертано, за комутиране на кондензаторни батерии се използват специални контактори. Много от водещите производители на комутационни апарати предлагат такива специализирани серии. Старото правило, че може да се използват обикновени контактори, избрани (преоразмерени) с коефициент на запаса 1.4, обикновено е неприложимо в АРФМ. Заради необходимостта от ограничаване на пусковия ток, специализираните контактори се снабдяват с помощна контактна система, която е оразмерена за големия пусков ток (100 Iн). Тя се затваря по-бързо от основната контактна система. Ограничаващите резистори и евентуално индуктори се свързват към тази помощна контактна система и в началния момент, след пускането токът протича през тях. След това те се шунтират от основната контактна система. Правилното оразмеряване на неспециализираните контактори представлява проблем и по друга причина. При избора им трябва да се отчита пусковият ток, който, както вече бе посочено, е сто пъти по-голям от номиналния, а много производители изобщо не дават тази величина в спецификациите на своите апарати.
Контакторите обикновено имат живот от около 100 хил. комутационни цикъла, под товар. За да се използват максимално добре контакторите, управляващият контролер трябва да оперира с алгоритъм, осигуряващ минимален брой превключвания. Освен това е необходимо той да осигурява защитни функции и да изключва контакторите при пропадане на захранващото напрежение.
Изисквания към шкафовете
Необходимо е компонентите на АРФМ да са събрани на едно място, близо един до друг. По този начин се минимизира вероятността от грешки, както и дължината на свързващите проводници. От друга страна, шкафовете трябва да осигуряват достатъчно пространство за апаратурата, позволяваща лесното извършване на дейностите по обслужване и с цел бъдещо разширение. Необходимо е да се отчита и необходимостта от охлаждане. Известно е, че доброто охлаждане удължава живота на кондензаторните батерии и контакторите. При кондензаторните батерии важи 7-градусовото правило на Арениус, според което животът на кондензаторната батерия намалява наполовина за всеки 7 оС повишаване на експлоатационната й температура. У нас този емпиричен закон е по-известен като 8-градусовото правило, когато се отнася за кабели.
Компактният дизайн обикновено е свързан с влошено охлаждане и тогава е необходима принудителна вентилация, както и измерване на температурата. Много от добрите контролери за АРФМ притежават вход за измерване на температура и изход за управление на вентилатор.
Друго изискване към шкафовете е да осигуряват добра механична защита, а при възможност и защита от прах. В този случай е необходимо да се направи компромис с необходимостта от охлаждане. За метални шкафове специално изпълнение е възможно да се осигури и пожарозащитеност (кондензаторните батерии са пожароопасно съоръжение).
Възможности на контролера
Някои от необходимите възможности, които контролерът на АРФМ трябва да притежава, могат да се обобщят в групите:
l програмируеми интервали на превключване на кондензаторните банки с цел настройване на най-големия интервал, който отговаря на динамиката на товара;
l интегрирани защитни функции и подходящи аларми. Сред тях са - пренапрежение, претоварване по ток, прегряване, прекомпенсиране, понижаване на напрежението, както и загуба на сигнал;
l вграден термостат и възможност за управление на вентилатор;
l възможност за ръчно превключване, което да е подсигурено срещу грешки (не се разрешава повторно включване преди разреждането на кондензатора);
l достатъчно голяма памет, в която да се съхранява информация за превключванията, за да се правят проверки или отчети;
l подходящ алгоритъм на превключване, който да осигурява добро компенсиране на променливия товар и минимално износване на комутационната апаратура.
Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 9/2024
