Косинусные конденсаторы и другие силовые конденсаторы в международном нормативно-правовом поле. Пленочные косинусные конденсаторы для коррекции коэффициента мощности. Расчет необходимой емкости косинусных конденсаторов.
Конденсаторы для компенсации реактивной мощности (компенсационные конденсаторы или косинусные конденсаторы) (DIN EN 61921, VDE 0560-700:2004-02), в том числе самовосстанавливающиеся пленочные (ГОСТ 27390-87, DIN EN 60831, VDE 0560-46:2003) формируют наиболее емкий сегмент силовых конденсаторов (DIN EN 60143-1, VDE 0560-42:2004-12), используемых в силовой электронике (DIN EN 61071; VDE 0560-120:2008) и электроэнергетике, в том числе в сетях высокого напряжения (DIN IEC 62146, VDE 0560-50:2003).
На текущий момент из-за отсутствия четкой формализации существуют концептуальные разногласия обозначения пределов среднего, высокого и сверхвысокого (extra-high) напряжения у немецкого VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker), международного IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers — Институт инженеров по электротехнике и электронике), европейских CENELEC (Comité Européen de Normalisation Électrotechnique — Европейский комитет электротехнической стандартизации), ETSI (European Telecommunications Standards Institute — Европейский институт по стандартизации в области телекоммуникаций) и IEC (International Electrotechnical Commission — международная электротехническая комиссия МЭК). Пока установлены компромиссные параметры сетей среднего напряжения (3, 6, 10, 15, 20 и 30 кВ), высокого напряжения (60 и 110 кВ) и сверхвысокого напряжения (220, 380, 500, 700 и 1150 кВ). К силовым конденсаторам кроме компенсирующих (косинусных) конденсаторов (ГОСТ 1282-88) относят сглаживающие (фильтрующие) конденсаторы, устанавливаемые в цепях выпрямленного тока параллельно нагрузке, демпферные (снабберные) и импульсные конденсаторы, а также конденсаторы для двигателей переменного тока (асинхронных двигателей).
Среди силовых конденсаторов выделяют вакуумные конденсаторы (с диэлектриком — техническим вакуумом давления 10 в (-7) степени Torr), SF6 конденсаторы (диэлектрик — гексафторид серы под давлением 3-7 бар), керамические конденсаторы и пленочные конденсаторы (фольговые, металлизированные, фольгово-металлизированные с диэлектриком из бумаги, полимерной пленки или комбинации бумаги и полимерной пленки).
Наибольшее распространение в системных решениях компенсации реактивной мощности получили пленочные конденсаторы, отличающиеся от вакуумных, SF6 и керамических конденсаторов большей живучестью благодаря способности к самовосстановлению при пробое пленочного электрода (фольги, металлизированного покрытия).
Пленочные косинусные конденсаторы для коррекции коэффициента мощности
Первые пленочные косинусные конденсаторы изготавливались из слоев бумаги, пропитанной изоляционным маслом (до 1984 года — полихлорированным дифенилом PCB) и фольги, были довольно громоздкими и ненадежными. Большей компактности, а также надежности благодаря самовосстановлению при пробое удалось добиться в металлизированных бумажных конденсаторах (аббревиатура MP) с электродами – металлизированным покрытием по диэлектрику — бумаге, по сути, конденсаторных блоках из нескольких конденсаторных элементов в едином корпусе, соединенных последовательно. После II мировой войны с развитием синтетических материалов бумагу в фольговых и металлизированных конденсаторах стали заменять полимерными пленками — более тонкими благодаря большей электрической прочности диэлектрика (электрическая прочность пропитанной бумаги около 100 V / µm, полипропилена 650 V / µm, полиэтилентерефталата, полиэстера 580 V / µm, полиэтиленнафталата 500 V / µm).
На текущий момент сегмент пленочных конденсаторов формируют (типы по европейским техническим регламентам и DIN 41379):
- металлизированные бумажные (аббревиатура типа МР) (в ограниченном количестве и в основном благодаря тому, что производство конденсаторов такого типа менее затратное);
- конденсаторы с диэлектриком из полиэтилентерефталата, полиэстера (Polyethylenterephthalat, Polyester — PET) — фольговые (аббревиатура типа (F)KT), металлизированные (аббревиатура типа MKT или MKS), комбинированные фольгово-металлизированные (аббревиатура типа MFT);
- конденсаторы с диэлектриком из полиэтиленнафталата (Polyethylennaphtalat — PEN) — фольговые (аббревиатура типа (F)KN) и металлизированные (аббревиатура типа MKN);
- конденсаторы с диэлектриком из полиэтиленсульфида (Polyphenylensulfid — PPS) — фольговые (аббревиатура типа (F)KI) и металлизированные (аббревиатура типа MKI);
- конденсаторы с диэлектриком из полипропилена (Polypropylen – РР) — фольговые (аббревиатура типа (F)KР), металлизированные (аббревиатура типа MKР), комбинированные фольгово-металлизированные (аббревиатура типа MFР);
- конденсаторы с диэлектриком из поликарбоната (Polycarbonat — РС) — фольговые (аббревиатура типа (F)KС) и металлизированные (аббревиатура типа MKС);
- конденсаторы с диэлектриком из ацетата целлюлозы (Celluloseacetat — СА) — фольговые (аббревиатура типа (F)KU) и металлизированные (аббревиатура типа MKU);
- многослойные конденсаторы со смешанным (Misch-Dielektrika) диэлектриком (металлизированной бумагой и полимером — полипропиленом) — с бумагой, металлизированной с двух сторон (аббревиатура типа MKV) или с одной стороны (аббревиатура типа МРК).
Выбор того или иного диэлектрика для производства конденсатора в целом определяется электрическими и теплофизическими свойствами материала, а также доступностью пленки нужной толщины и размеров, поскольку производство полимерных пленок для конденсаторов по факту монополизировано несколькими крупными компаниями и высококачественные пленки поставляются на международный рынок под торговыми марками/брендами: Hostaphan®, Mylar® — полиэтилентерефталат и полиэстер, Kaladex® — полиэтиленнафталат, Torelina® — полиэтиленсульфид, Treofan® — полипропилен, Teflon® — политетрафторэтилен, Styroflex® — полистирол, Makrofol® — поликарбонат и т.д.
Таблица. Свойства полимерных пленок — диэлектриков пленочных конденсаторов.
| Свойства | Материал | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Полиэтилентерефталат, полиэстер PET | Полиэтиленнафталат PEN | Полиэтиленсульфид PPS | Полипропилен PP | ||
| Диэлектрическая проницаемость при 1 кГц | 3,3 | 3,0 | 3,0 | 2,2 | |
| Минимальная толщина пленки в микронах | 0,7 | 0,9 | 1,2 | 3,0 | |
| Поглощение влаги, % | низкое | 0,4 | 0,05 | <0,1 | |
| Электрическая прочность, В / мкм | 580 | 500 | 470 | 650 | |
| Номинальное напряжение (постоянный ток), В | 50 ... 1000 | 16 ... 250 | 16 ... 100 | 40 ... 2000 | |
| Диапазон емкости | 100 пФ ... 22 мкФ | 100 пФ ... 1 мкФ | 100 пФ ... 0.47мкФ | 100 пФ ... 10 мкФ | |
| Максимальная рабочая температура, ° C | 125/150 | 150 | 150 | 105 | |
| ΔC/C в диапазоне температур, % | ± 5 | ± 5 | ± 1,5 | ± 2,5 | |
| Тангенс угла диэлектрических потерь (× 10-4) | при 1 кГц | 50 ... 100 | 42 ... 80 | 2 ... 15 | 1 ... 5 |
| при 10 кГц | 110 ... 150 | 54 ... 150 | 2.5 ... 25 | 2 ... 8 | |
| на частоте 100 кГц | 170 ... 300 | 120 ... 300 | 12 ... 60 | 2 ... 25 | |
| при 1 МГц | 200 ... 350 | - | 18 ... 70 | 4 ... 40 | |
| Постоянная времени R Iso · C, сек | при 25 ° C | ≥ 10000 | ≥ 10000 | ≥ 10000 | ≥ 100,000 |
| при 85 ° C | 1000 | 1000 | 1000 | 10000 | |
| Диэлектрическая абсорбция, % | 0,2 ... 0,5 | 1 ... 1,2 | 0,05 ... 0,1 | 0,01 ... 0,1 | |
| Макс спец.емкость, нФ * В / мм 3 | 400 | 250 | 140 | 50 | |
Расчет необходимой емкости косинусных конденсаторов.
Косинусные конденсаторы при групповой или централизованной компенсации реактивной мощности, а также в большинстве случаев индивидуальной компенсации используются в конденсаторных батареях. Как правило, батарея статических конденсаторов рассчитывается по максимальной необходимой емкости Qс исходя из средней активной мощности Р, потребляемой нагрузкой и расчетного коэффициента cosφ1 на участке/или в сети, требующей коррекции коэффициента мощности до значения cosφ2:
Qс = P • F
Значение коэффициента пересчета находится по таблице для значений существующего cosφ1 и требуемого после коррекции коэффициента мощности cosφ2.
Таблица. Коэффициент пересчета при коррекции коэффициента мощности cosφ
|
| Коэффициент пересчета F | |||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| cosφ1 | cosφ2 | |||||||||
|
| 0,70 | 0,75 | 0,80 | 0,85 | 0,90 | 0,92 | 0,94 | 0,96 | 0,98 | 1,00 |
| 0,20 | 3,879 | 4,017 | 4,149 | 4,279 | 4,415 | 4,473 | 4,536 | 4,607 | 4,696 | 4,899 |
| 0,25 | 2,853 | 2,991 | 3,123 | 3,253 | 3,389 | 3,447 | 3,510 | 3,581 | 3,670 | 3,873 |
| 0,30 | 2,160 | 2,298 | 2,430 | 2,560 | 2,695 | 2,754 | 2,817 | 2,888 | 2,977 | 3,180 |
| 0,35 | 1,656 | 1,795 | 1,926 | 2,057 | 2,192 | 2,250 | 2,313 | 2,385 | 2,473 | 2,676 |
| 0,40 | 1,271 | 1,409 | 1,541 | 1,672 | 1,807 | 1,865 | 1,928 | 2,000 | 2,088 | 2,291 |
| 0,45 | 0,964 | 1,103 | 1,235 | 1,365 | 1,500 | 1,559 | 1,622 | 1,693 | 1,781 | 1,985 |
| 0,50 | 0,712 | 0,85 | 0,982 | 1,112 | 1,248 | 1,306 | 1,369 | 1,440 | 1,529 | 1,732 |
| 0,55 | 0,498 | 0,637 | 0,768 | 0,899 | 1,034 | 1,092 | 1,156 | 1,227 | 1,315 | 1,518 |
| 0,60 | 0,313 | 0,451 | 0,583 | 0,714 | 0,849 | 0,907 | 0,97 | 1,042 | 1,130 | 1,333 |
| 0,65 | 0,149 | 0,287 | 0,419 | 0,549 | 0,685 | 0,743 | 0,806 | 0,877 | 0,966 | 1,169 |
| 0,70 |
| 0,138 | 0,27 | 0,4 | 0,536 | 0,594 | 0,657 | 0,729 | 0,817 | 1,020 |
| 0,75 |
|
| 0,132 | 0,262 | 0,398 | 0,456 | 0,519 | 0,59 | 0,679 | 0,882 |
| 0,80 |
|
|
| 0,13 | 0,266 | 0,324 | 0,387 | 0,458 | 0,547 | 0,75 |
| 0,85 |
|
|
|
| 0,135 | 0,194 | 0,257 | 0,328 | 0,417 | 0,62 |
| 0,90 |
|
|
|
|
| 0,058 | 0,121 | 0,193 | 0,281 | 0,484 |
| 0,95 |
|
|
|
|
|
|
| 0,037 | 0,126 | 0,329 |
