Конденсаторы для электротермии. Тенденции в развитии на примере продукции фирмы ZEZ SILKO s.r.o. ( Чешская Республика)

Опубликовано: 27 октября 2014 г. в 16:03, 156 просмотровКомментировать

Введение

Не так давно, еще десяток лет назад , предприятия, производящие силовые конденсаторы для электротермии имели в каталогах 4-5 основных типов так называемых среднечастотных (СЧ) конденсаторов, которые покрывали потребность изготовителей индукционного оборудования в этих изделиях. Такие конденсаторы представляли собой определённый универсальный ряд ёмкостей, которые при различных значениях напряжений и частот обеспечивали определённую мощность ( от 300 до 650 квар) компенсации для индуктора. Уже тогда эти конденсаторы изготавливались как три-четыре конденсатора в одном корпусе ( или как конденсатор с тремя – четырьмя отводами). Этих возможностей для подстройки контура было в общем достаточно.

Со временем оказалось, что развивающаяся электротермия требует всё более мощных индукторов и таким образом растут требования к мощности конденсаторной батареи. Увеличение мощности конденсаторной батареи некоторое время решалось простым увеличением числа стандартных 500-кварных конденсаторов. Как показала практика, рост мощности конденсаторной батареи обеспеченный простым увеличением числа стандартных СЧ конденсаторов, имеет определённые негативные черты: прежде всего это увеличение массогабаритных показателей — стеллажи с конденсаторами становятся существенной частью всего плавильного комплекса, в связи с этим существенно возрастают денежные и временные затраты связанные с перевозкой, монтажом и наладкой такого оборудования.

О «здравом» смысле

Вместе с тем было бы заманчиво сократить количество элементов в батареи, так как это упростило бы конструкцию конденсаторной батареи, а за счёт увеличения мощности отдельных конденсаторов привело бы к снижению удельной цены каждого отдельного конденсаторного элемента, что позволило снизить общие затраты на создание индуктора и сэкономить не только на монтаже батареи.

Актуальность данного обзора представляется уместной и в связи с существующим в переговорной практике очевидным на первый взгляд утверждением о нецелесообразности создания и применения конденсаторов более высокой мощности. Позиция сторонников такой точки зрения сводится к следующему: если выйдет из строя один 500-кварный конденсатор в батарее на 5000 квар, то его дешевле заменить, чем если выйдет из строя один конденсатор на 5000 квар. Действительно, конденсатор на 500 квар дешевле ,чем конденсатор на 5000 квар. И поэтому с точки зрения здравого смысла это утверждение представляется убедительным. Однако, проверим эту гармонию «алгеброй», точнее теорией вероятности.

Предположим, что вероятность безотказной работы обоих конденсаторов ( на 500 квар и 5000 квар) одинакова и равняется, например, 0,9. Берусь утверждать, что это корректно, так как при расчёте более мощного конденсатора, наличие критических факторов ( токи, рабочая температура, расход охлаждающей жидкости ) в обоих случаях учитываются и обеспечиваются с не большей погрешностью и с не меньшим запасом.

В случае, если необходима мощность компенсации 5000 квар при реализации по «дешёвому» 500кварному варианту нам потребуется 10 конденсаторов. Как при этом выглядит вероятность безотказной работы для обоих случаев?

В случае конденсатора на 5000 квар эта вероятность как уже указывалось выше составит = 0,9.

В случае с батареей из 10 конденсаторов по 500 квар вероятность безотказной работы батареи ( берём для простоты расчёта только вероятность безотказной работы конденсаторов, без учёта влияния других элементов конструкции, например надёжность всей системы охлаждения: трубок, фильтров, температурных датчиков и считаем что все конденсаторы абсолютно идентичны между собой) составит:

P s = P1 x P2 x ...хP10
где Рs. – вероятность безотказной работы всей батареи
Р 1, ...10 - вероятность безотказной работы каждого конденсатора.

Таким образом , вероятность безотказной работы батареи из 10 конденсаторов
P s = 0,9 10 = 0,3099

Таким образом, расчётная величина вероятности безотказной работы такой батареи получается в три раза ниже, чем для комплекта с одним конденсатором равным по мощности этой батарее.

Вывод очевиден: при кажущейся дешевизне замены вышедшего из строя одного из 10 конденсаторов, эксплуатация всей батареи в связи с низкой её надёжностью окажется более дорогим проектом, так как менять конденсаторы в этом комплексе придётся чаще чем в случае с одним конденсатором. Кроме того, на практике бывает сложно обеспечить точное номинальное значение потенциала на каждом конденсаторе в батарее. В результате потерь на соединениях оказывается, например так, что в то время как на первом конденсаторе напряжение 1200В , на десятом – уже 1000В, а это снижает общую мощность и эффективность использования каждого конденсатора. Очевидно, что этот недостаток отсутствует в случае с одним мощным конденсатором.

Конечно, кроме собственной живучести конденсатора, определяемой конструкцией и технологией производства, большое влияние имеет так называемый человеческий фактор ( когда конденсатор просто роняют при монтажных работах или выведут ещё каким-то образом из строя при пуско-наладочных работах). Но при соблюдении элементарной осторожности, правил обращения, указанных производителем в каталоге, мощный конденсатор превосходит своих маломощных предшественников, так как позволяет сэкономить в том числе на транспортных расходах, сокращением рабочего времени на монтаж, ввод в эксплуатацию. Ниже приводится таблица мощных конденсаторов на 5000 квар

Таблица мощностей 1

Type ТИП

CN

UN

fN

IN

Размер H Dimensions H

Weight Масса

Drawing Чертёж

[mF]

[V]

[Hz]

[A]

[mm]

[kg]

FRHJS 60-0,6/663/1

663

600

1250

3 125

500

45

1

FRHJS 60-0,75/566/1

556

750

1 250

3 333

500

45

1

FRHJS 60-1,0/477/1

477

1 000

1 250

3 750

500

45

1

FRHJS 60-1,5/233/1

233

1 500

1 000

2 750

500

45

1

FRHJS 60-0,6/424/2

424

600

2 500

4 000

400

36

1

FRHJS 60-0,75/340/2

340

750

2 500

4 000

400

36

1

FRHJS 60-0,75/265/2

265

750

2 500

3 133

320

28

1

FRHJS 60-1,0/199/2

199

1 000

2 500

3 125

320

28

1

FRHJS 60-1,5/159/2

159

1 500

2 500

3 750

400

36

1

FRHJS 60-0,6/265/3

265

1 500

3 000

3 750

320

28

1

FRHJS 60-0,75/212/3

212

600

3 000

3 733

320

28

1

FRHJS 60-1,0/159/3

159

1 000

3 000

3 750

320

28

1

FRHJS 60-1,5/94/3

94,3

1 500

3 000

3 333

320

28

1

Данная таблица показывает примерный перечень коммутируемых конденсаторов на 5000 квар из каталога ZEZ SILKO. Однако если мощность батареи должна быть такова, что будет состоять из нескольких таких мощных конденсаторов, то целесообразно применение некоммутируемых конденсаторов (только с двумя общими выводами) для набора главной мощности и два-три коммутируемых конденсатора с разделёнными секциями ( до 10 отводов) – для обеспечения подстройки. Это позволяет применять мощные конденсаторы упрощённой конструкции.

Прогресс или кто за это в ответе

Широкое распространение электротермии привело к появлению требования к снижению рабочих частот и просто увеличению разнообразия конкретных конструктивных решений в связи с чем появилось множество новых реализаций СЧ конденсаторов с различным набором рабочих параметров. Если раньше диапазон частот электротермических конденсаторов понимался в диапазоне от 1 до 24 кГц, то сегодня уже не является экзотикой нижняя частота 250 Гц, а верхняя граница отодвинута до 250 кГц и выше. Это привело к тому, что на наших глазах ещё недавно такой удобный универсальный ряд из 4 типов, которые покрывали весь тогдашний диапазон, раздвинут на первый взгляд беспорядочным множеством СЧ конденсаторов, которые производитель ещё пытается классифицировать по группам конденсаторов одной мощности ( 500, 800, 1500, 2000, до 7500, до 10000квар). Однако здесь возникают неприятные с точки зрения потребителя ценовые коллизии, когда в одной и той же группе мощности конденсаторы вдруг оказываются существенно разными по цене. Это объясняется тем, что, например, для конденсатора на напряжение 800В, с частотой 2кГц, с мощностью 2000 квар, ёмкость, а значит и количество рабочего материала для изготовления секций конденсатора оказывается в 4 (!) раза больше чем у конденсатора в той же группе мощности, но рассчитанного на рабочее напряжение 2кВ и частоту 3кГц.

В этой связи некоторые производители СЧ конденсаторов уже не пытаются придерживаться какого-либо упорядочивания, каждый запрос по таким конденсаторам требует индивидуального расчёта, в результате этого повышается нагрузка на конструктора –разработчика, увеличивается время на подготовку технического предложения, растут затраты и соответственно конечная цена предложения. Пока ещё металлурги способны ждать месяцы для получения индуктора, такое положение видимо будет сохраняться. Однако можно ожидать, что в условиях конкуренции, а особенно в период кризисов, которые часто требуют радикальных изменений для повышения эффективности, тот кто сможет предложить нормированные ряды конденсаторов для электротермии получит выигрыш во времени при подготовке предложений и возможно даже при определённой стабильности статистики продаж сможет реализовать схему «изготовление на склад» (которая сейчас успешно может реализовываться только для обычных компенсационных конденсаторов низкого и высокого напряжения, а также отчасти у производителей традционных электротермических конденсаторов до 500 квар)

«Потому что без воды...»

Как известно, существенной особеностью эксплуатации конденсаторов для электротермии является их зависимость от принудительного охлаждения. Поскольку вода не является дефицитом, то в общем случае на первый взгляд проблем с водным охлаждением нет. Однако на практике, по разным причинам ( из-за плохой фильтрации воды подаваемой в систему охлаждения, засора) выходят из строя ( без возможности ремонта) до 100 шт СЧ конденсаторов в год только на таком предприятии как АВТОВАЗ ( данные 2004 года).

Конечно, можно улучшить контроль за рабочим процессом. С помощью датчиков температуры, которые контролируют температуру корпуса СЧ конденсатора, возможно отслеживать возникновение критического режима по температуре и упреждать аварийные ситуации. ( При необходимости установления такого датчика необходимо указывать это в заказе, тогда при изготовлении будет изготовлено резьбовое гнездо в корпусе под такой датчик ).

Однако, там где воду начали экономить уже давно, возникло желание чем-то заменить дорогое водное охлаждение на естественное воздушное, таким образом в ZEZ SILKO появились конденсаторы FRBJS, где В означает – охлаждение воздушное. Известны успешные реализации таких конденсаторов однако меньшей мощности у ОАО КВАР (Серпухов) и предприятия ФГУП ВНИИТВЧ (С.Петербург).

Общим недостатком этих конденсаторов является их маломощность ( максимальная мощность такого конденсатора произвоства ZEZ SILKO составляет 360 квар ), но там где не требуется большая мощность, при условии номинальных напряжений 600-1800 В,и рабочих частот до 20 кГц, такие конденсаторы успешно работают и позволяют экономить на конструкции, так как отпадает необходимость в системе охлаждения.

К сожалению, пока не известны материалы или решения, которые давали бы возможность реализации таких конденсаторов на более высокие мощности ( хотя бы до 500квар в традиционном диапазоне частот до 24 кГц), что было бы сушественным прорывом в конструировании электротермических систем без водного охлаждения.

О конструкции

Конденсаторы для электротермии, если говорим о ведущих производителях, изготовлены способом „ALL film“, это набор ёмкостных секций, каждая из которых представляет из себя сплющенный многослойный свиток диэлектрика и алюминиевой фольги. Диэлектриком является полипропиленовая плёнка импрегнированная синтетической жидкостью, при соблюдении техники безопасности не причиняющая вреда для здоровья человека и окружающей среды.Электроды образует алюминивая фольга.

Мощные конденсаторы ( от 500 квар) сконструированы с водным охлаждением, обычно с одним общим полюсом на корпусе. У большинства типов возможно исполнение и с изолированным корпусом.

Как правило, в конструкции конденсатора чаще применяются несколько выводов, которые позволяют иметь более высокую токовую нагрузку конденсатора и при необходимости использовать отдельные отводы для подстройки контуров.

Обозначение конденсаторов:

Номинальная частота (кГц)
Общая емкость (мФ)
Номинальное напряжение (кВ)
Конфигурация
S – ALL film
J – IP 00, применение внутри помещения, без разрядных резисторов
H – Водяное охлаждение, изолированный корпус J - Водяное охлаждение, один полюс на корпусе
R – Коммутируемый, импрегнант – не токсичная синтетическая жидкость U – Однофазовый, импрегнант – не токсичная синтетическая жидкость
F – Среднечастотный конденсатор

Безусловно , все достижения конструкторов по увеличению мощности и достижения высокой надёжности такого конденсатора в одном корпусе, не дадут результата, если не обеспечена надёжная бесперебойная работа конденсаторов в составе оборудования.

В результате глобализации рынков и увеличения доли затрат на доставку к потребителю становится особенно чувствительным вопросом рекламаций. Если раньше повреждённый конденсатор можно было без особых затрат заменить, выслав на замену другой исправный в соседний город, то с ростом географии поставок, роста стоимости транспортных услуг, такое решение становится довольно дорогим, вызывает чувствительные дополнительные затраты времени и труда большого количества людей от сотрудников предприятий с обоих сторон до таможенной службы и в итоге снижает не только доверие потребителя, но и реальные доходы от конкретной поставки. В данном случае, обсуждая надёжность электротермических конденсаторов, производитель ясно понимает, что простои металлургического оборудования обходятся существенно дороже, чем неработающая установка компенсации реактивной мощности.

Понятно, что в интересах самого производителя, который дорожит каждым своим заказчиком, обеспечить максимально надёжную конструкцию, обеспечить безопасную упаковку и доставку.

И в этой связи необходимо напомнить, что в силу особенностей эксплуатации электротермических конденсаторов корпуса этих конденсаторов изготавливаются из латуни или меди. Долгое время крышка такого конденсатора крепилась с помощью пайки. Такие соединения были уже заменены на сварные у обычных компенсационных конденсаторах высокого напряжения ( до 24 кВ), где это решалось проще, так как для изготовления корпуса применяется нержавеющая сталь. Однако у конденсаторов для электротермии в силу конструктивных особенностей и материала корпуса финальная операция по установлению крышки с применением пайки, оставалось уязвимым местом с точки зрения способности выдержать механические напряжения. При отправке таких конденсаторов изготовитель шёл на дополнительные затраты по специальной пенной упаковке, чтобы обеспечить максимальное снижение вибраций, ударов и других механических воздействий при доставке.

В настоящее время ZEZ SILKO имеет технологию сварки верхней крышки корпуса СЧ конденсатора и это существенно повышает стойкость к механическим воздействиям.

Проблемным местом пока ещё остаётся способ размещения трубок охлаждения внутри корпуса конденсатора. В зависимости от мощности конденсатора проведение трубок охлаждения внутри корпуса различно и это влияет на возможности устанавливать конденсатор в различных рабочих положениях (вертикальной или горизонтальной) — поэтому рабочее положение мощных конденсаторов необходимо согласовывать при заказе. В ряде случае возможно только вертикальное рабочее положение.

Заключение ( вместо референций)

В заключение необходимо указать, что электротермические конденсаторы производства ZEZ SILKO в своё время были сертифицированы представительством Госстандарта РФ в Праге и успешно применяются в различных разработках, в том числе и российских производителей индукционного оборудования как внутри пространства СНГ так и за его пределами.

Конденсаторы соответствуют стандартам IEC 60110-1;1998 EN 60110-1; 1998. Предприятие сертифицировано на соответствие стандарту ISO 9001 фирмой DEKRA.

Эти свидетельства высокого уровня изделий ZEZ SILKO необходимо дополнить очень существенным моментом. Как ни в каком другом применении силовых конденсаторов, решающим в достижении положительного конечного результата – бесперебойной работы индукционного оборудования — является проработанность схемных решений индуктора. Никакой самый надёжный конденсатор не выдержит нештатных режимов, с непредсказуемыми бросками токов, которыми отличаются процессы плавки. Без оптимального учёта всех особенностей таких процессов при проектировании и наладке оборудования со стороны изготовителя индуктора, поставщик конденсаторов обречён на разбирательство случаев отказа своих конденсаторов. В этом смысле поставщик электротермических конденсаторов полностью зависит от разработчика-изготовителя индуктора, так как определить ( или смоделировать ) процессы, которые привели к отказу электротермического конденсатора, в отличие от случае отказов обычных компенсационных конденсаторов, весьма затруднительно. И в этом смысле ZEZ SILKO повезло с российскими партнёрами, с которыми уже ряд лет развивается успешное сотрудничество. Это прежде всего специалисты ФГУП ВНИИТВЧ ( С-Петербург), которые, как уже отмечалось, имеют свои собственные разработки и конструкции электротермических конденсаторов , и поэтому хорошо понимают предмет применения. Успешно развивается диалог и практическое сотрудничество с российскими предприятиями: ООО «НТЦ Институт электротехнологий ( Екатеринбург). Высокий уровень специалистов этих предприятий является гарантией корректных деловых отношений, правильного применения конденсаторов и поэтому эти предприятия являются, по выражению чешских партнёров, «безпроблемными» заказчиками.

В этой связи в заключении выражаю благодарность нашим российским заказчикам за применение в своих разработках конденсаторов ZEZ SILKO и надеюсь на дальнейшее успешное развитие сотрудничества!

 С. М. Чаплыгин, инженер,
сотрудник компании ZEZ SILKO
г. Жамберк, Чешская республика

Рекомендуем почитать

Комментировать

    Еще никто не оставил комментариев.

Для того чтобы оставлять комментарии Вам необходимо зарегистрироваться либо авторизоваться на сайте.