Анонс: польза и условный вред от конденсаторных батарей, установок компенсации реактивной мощности в силовых сетях низкого и среднего напряжения. Броски тока и напряжения при переходных процессах во время коммутации конденсаторных батарей, установок.
Компенсация реактивной мощности в силовых сетях низкого и/или низкого среднего напряжения конденсаторными установками УКРМ, УКРМТ была и, безусловно, остается одним из оптимальных финансово выгодных способов решения проблем нестабильности электроснабжения и больших счетов за электроэнергию. Однако те же УКРМ, УКРМТ или конденсаторные батареи могут ухудшить ситуацию при бездумном выборе только по мощности, интеграции батарей, установок где удобнее и/или технически безграмотном проектировании без энергоаудита, мониторинга параметров качества электросети и учета (условно) негативов, вносимых самими конденсаторными установками повышения коэффициента мощности в силовую сеть.
Так, конденсаторы, модули, батареи и конденсаторные установки большой мощности из-за переходных процессов при коммутациях вызывают скачки тока и напряжения, повышают нагрузку на коммутационные устройства и системы изоляции, зачастую виновны в значительных межфазных напряжениях на трансформаторах ТП, могут нанести ущерб чувствительным нагрузкам и т. д. Вместе с тем, из-за рыночных отношений и специфического маркетинга в нашей стране почти никто из производителей, инсталляторов конденсаторных батарей и установок не дает информации, а возможно и не учитывает при проектировании изменения параметров сети при включении, отключении, пробое силовых конденсаторов, явления первого и второго резонанса, например, при использовании двух батарей, установок до и после понижающего трансформатора, негативное влияние на ШИМ-преобразователи через перенапряжение, системы привода (через увеличение тока самовозбуждения, автоматические выключатели через скачки тока и пр.
Поэтому команда «МИРКОН» предлагает цикл информационных и упрощенных для понимания статей о переходных процессах при коммутации конденсаторов, конденсаторных батарей, установок и способах решения таких проблем в силовых сетях низкого и среднего напряжения еще на этапе проектирования технических средств компенсации реактивной мощности.
Броски тока и напряжения при переходных процессах во время коммутации конденсаторных батарей, установок
Упрощенно в момент подключения через контактор конденсатора, модуля, конденсаторной батареи происходит короткое замыкание с просадкой напряжения в питающей линии и скачком тока, а затем сетевые параметры восстанавливаются преимущественно за счет высокочастотных колебаний, причем:
- На начальной стадии колебаний амплитуда напряжения может в два раза превышать сетевое, а затухание до номинальных значений происходит за 5-6 и более циклов.
- Пусковой ток проходит аналогичные колебания, но максимальные амплитуды находятся в высокочастотном спектре, что при условиях резонанса может привести к значениям, в 15-17 раз превышающим номинальные и допустимые, как для самих конденсаторов, так и других силовых элементов сборки и/или оборудования и кабелей в силовой сети.
- Искажения сетевых параметров при коммутации конденсаторной батареи de facto свободно распространяются по силовой сети, перегенерируются и могут быть усилены, как трансформаторами (особенно в случае, если частота переходного процесса совпадает с частотой индуктивности трансформатора — первичный резонанс), так и конденсаторной батареей/установкой более низкого уровня напряжения в этой линии силовой сети — вторичный резонанс.
- Положение усугубляется при быстром повторном включении конденсаторах батареи, когда разрядные устройство конденсаторов не успевает снизить остаточный заряд до 50 В или менее в течение 1 мин для конденсаторов 600 В или менее 5 мин для конденсаторов напряжением более 600 В по требованиям ANSI/IEEE, а также отечественных стандартов.
- Риски резонансов на порядки взрастают при интеграции конденсаторной батареи, установки возле нелинейной нагрузки без превентивной защиты от эмиссии гармонических искажений фильтрами.
Справка
Без силовых конденсаторов, конденсаторной батареи, установки собственная резонансная частота энергосистемы довольно высокая и намного выше любой гармоники, генерируемой нелинейной нагрузкой. По мере увеличения частоты емкостное реактивное сопротивление уменьшается, а индуктивное реактивное сопротивление увеличивается, что при подключении конденсаторной батареи может привести к ситуации, когда на генерируемой нагрузкой гармонике с большой амплитудой система будет работать, как одна параллельная ветвь колебательного контура, а батарея — как другая.
В итоге это приведет к усилению гармонического тока, который может даже превысить ток основной частоты в разы, перегрузке конденсаторов, контакторов, кабельных линий и другого силового оборудования, в том числе трансформаторов. Для превентивного устранения проблемы на этапе проектирования часто используют расчет резонансной гармоники по формуле:
Где h — порядок гармоники, fn и f — резонансная и фундаментальная частоты соответственно, kVAsc — мощность короткого замыкания в месте подключения, kvarc — мощность конденсаторной батареи, установки.
Из формулы видно, что снижение мощности батареи ведет к увеличению резонансной частоты и, соответственно, варьируя этим параметром можно исключить риски резонансных явлений при условии стабильного kVAsc.
Однако уровень короткого замыкания в энергосистеме не является постоянной величиной и зависит от ряда параметров, включая мощность реально работающей нагрузки в определенное время, наличие/отсутствие аварий с отключением сегмента сети и т. д. Поэтому в идеале проводят частотное сканирование сети при подключенной батарее, установке с шагом от 2 Гц для всего диапазона исследуемых гармоник, как правило, (для промышленных объектов) от основной частоты и до 2400 Гц.
Так, зарубежные исследования средневольтной конденсаторной батареи в линии 13.8 кВ (отечественный аналог — сеть 10.5 кВ), подключенной к магистрали 138 кВ (наш аналог 110 кВ) через понижающий трансформатор показали:
- скачки напряжения при переходном процессе с амплитудой начала колебаний 24 кВ и пускового пикового тока 4,58 кА на частоте 770 Гц, и выход на номинальные значения параметров через 6 колебаний;
- генерацию гармоник небольшого спектра, но с 11-й гармоникой, амплитуда которой составляла 130 % тока основной частоты.
Т. е. по факту при переходных процессах коммутации конденсаторная батарея становится источником эмиссии гармонических возмущений и поэтому оптимальным решением проблемы будет использование полосового шунтирующего фильтра, который защитит и конденсаторы в установке и саму сеть от наброса токов гармоник.
О негативном взаимном влиянии двух конденсаторных батарей на одной ветке силовой сети и вторичном резонансе с батареей, установкой на линии более низкого напряжения в следующем материале.
