Компенсирующие (или косинусные) конденсаторы традиционно лидируют по объемам производства и продаж в сравнении с другими типами силовых конденсаторов (сглаживающих (фильтрующих), демпферных (снабберных), импульсных и конденсаторов для асинхронных двигателей переменного тока) и регламентируются рядом отечественных и международных стандартов (ГОСТ 1282-88, DIN EN 60143-1, DIN EN 61921, VDE 0560-42:2004-12, VDE 0560-700:2004-02, в силовой электронике — DIN EN 61071; VDE 0560-120:2008, электроэнергетике — DIN IEC 62146, VDE 0560-50:2003).
Несмотря на значительный пакет нормативно-правовых актов, регулирующих производство конденсаторов и их использование, следует отметить определенную некорректность концепции силовых конденсаторов у конечных потребителей. Как правило, силовые косинусные конденсаторы ассоциируются с сетями высокого напряжения, хотя de facto основные сферы применения, как единичных конденсаторов, так и конденсаторных батарей — сети низкого (220, 380, 600 В и т.д.) и среднего напряжения (3, 6, 10, 15, 20 и 30 кВ), параметры которых de jure определены по согласованию VDE (Verband Deutscher Elektrotechniker), IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), CENELEC (Comité Européen de Normalisation Électrotechnique), ETSI (European Telecommunications Standards Institute) и IEC (International Electrotechnical Commission).
Причем в России с ее спецификой нового подхода к определению границ балансовой принадлежности сетей различного напряжения и прав/ответственности их реальных/формальных владельцев, компенсация реактивной мощности пока и далеко не в требуемых объемах используется преимущественно в сетях (и на границах сетей) 0.4, 6.3 (10.5), 110 (35) кВ (0.4/6.3 кВ, 10.5 (6.3) /110 (35) кВ), а в сетях высокого (60 и 110 кВ) и сверхвысокого (extra-high) напряжения (220, 380, 500, 700 и 1150 кВ) в основном применяются другие технологии компенсации реактивной мощности.
Основные критерии необходимости компенсации реактивной мощности
Для нормальной работы электрической нагрузки (асинхронные электродвигатели, сварочное оборудование, дуговые печи, осветительные приборы в потребительских сетях 0.4, иногда 6.3 (10.5) кВ) и/или нормального функционирования сегментов и целых сетей наряду с активной (или полезной) мощностью (кВт) необходима передача определенных объемов реактивной мощности (кВА), идущей на возбуждение обмоток трансформаторов и двигателей, компенсацию электрических/электромагнитных потерь и т.д., а в целом — на повышение качества передаваемой электроэнергии до уровня, установленного стандартами и обеспечивающего долговечную и бесперебойную работу электрического оборудования.
Упрощенно эффективность работы и живучесть электрических сетей и их отдельных сегментов определяется уровнем отношения активной составляющей мощности к общей поставляемой/потребляемой мощности (cosφ). Т.е. по факту чем больше cosφ, тем более эффективна энергосеть по качественным/количественным (надежность, живучесть, стабильность напряжения/тока и т.д.) критериям, а также экономическим показателям (снижение объемов транспортируемой полной мощности за счет увеличения доли активной составляющей, уменьшение затрат на реновацию/замену сетей/участков сетей/оборудования благодаря повышению качества поставляемой энергии и нормальному функционированию сетей/оборудования).
Так, например, при передаче в трехфазной сети 0.4 кВ активной (потребляемой по расчету) мощности объемом 500 кВт при cosφ=1 транспортируется ток 722 А, а при cosφ=0.6 — уже 1203 А, что может привести к перегрузке оборудования по току и обусловит существенное повышение электрических потерь, нагрев токоведущих элементов сети и т.д. (снижение cosφ с 1 до 0.6 увеличивает рассеиваемую мощность в среднем на 180%).
Косинусные конденсаторы и конденсаторные батареи для повышения коэффициента мощности
На текущий момент выделяют несколько условных групп косинусных конденсаторов для повышения коэффициента мощности, основными из которых являются:
- вакуумные конденсаторы с техническим вакуумом давления 10 в (-7) степени Torr в качестве диэлектрика;
- электролитические конденсаторы;
- SF6 конденсаторы с диэлектриком гексафторидом серы под давлением 3-7 бар;
- керамические конденсаторы;
- пленочные конденсаторы (сухие, с пропиткой/наполнением маслом или с наполнением инертным газом для защиты электродов).
Причем сегмент силовых конденсаторов (leichstungs-kondensatoren) для напряжений от 0.4 до 100 кВ в большей степени формируют пленочные конденсаторы — фольговые, металлизированные и фольгово-металлизированные с диэлектриком из бумаги, полимерной пленки или комбинаций бумага/полимерная пленка.
Вне зависимости от типа (по DIN 41 379 и DIN IEC 60384 — см. таблицу ниже) пленочные конденсаторы подбираются для компенсации реактивной мощности по нескольким базовым параметрам:
Таблица. Типы пленочных конденсаторов по конструкции и диэлектрику
Диэлектрик | Международная аббревиатура диэлектрика | Тип конденсатора по европейским техническим регламентам и DIN 41379 | ||
---|---|---|---|---|
Фольговые (Folkos) | Металлизированные | Комбинированные | ||
Бумага (Papier) | Р |
| МР |
|
Полиэтилентерефталат, полиэстер (Polyethylenterephthalat, Polyester) | PET | (F)KT | MKT; MKS | MFT (фольгово-металлизированные) |
Полиэтиленнафталат (Polyethylennaphtalat) | PEN | (F)KN | MKN |
|
Полиэтиленсульфид (Polyphenylensulfid) | PPS | (F)KI | MKI |
|
Полипропилен (Polypropylen) | PP | (F)KP | MKP | MFP (фольгово-металлизированные) |
Полистирол (Polystyrol) | PS | KS |
|
|
Ацетат целлюлозы (Celluloseacetat) | CA | (F)KU | MKU |
|
Поликарбонат (Polycarbonat) | PC | (F)KC | MKC |
|
Многослойные со смешанным (Misch-Dielektrika) диэлектриком (металлизированной бумагой и полимером) | Р и РР (в основном с полипропиленом) |
|
| MKV (с металлизированной с двух сторон бумагой), MPK (с металлизированной с одной стороны бумагой) |
- номинальному напряжению (с учетом фактора расстройки) и емкости, рассчитываемой по формуле Qс = P*F, где Qс емкость для компенсации реактивной мощности, Р — усредненное значение потребляемой нагрузкой активной мощности, F — табличный коэффициент пересчета для повышения cosφ в существующей сети/участке сети до требуемого значения;
- максимальному току с учетом коэффициента запаса 1.3 по IEC 60831;
- стойкости к импульсным токам по IEC 60831 (5000 коммутаций в год при импульсных (кратковременных) токах 100 ... 400 номинального значения);
- эксплуатационной температуре согласно IEC 60831-1;
Таблица. Температурные классы косинусных конденсаторов по IEC 60831-1
Класс по IEC 60831-1 | Максимальная температура окружающего воздуха | Максимальное среднее значение температуры в течение 24 ч | Максимальное среднее значение температуры в течение 1 года |
---|---|---|---|
В | 45°C | 35°C | 25°C |
С | 50°C | 40°C | 30°C |
D | 55°C | 45°C | 35°C |
- требуемому уровню защиты от внешних воздействий;
Таблица. Защита IP конденсаторов (корпусов) от воздействия твердых частиц и влаги по EN60529
IP | Защита от проникновения твердых частиц (1 цифра) | Защита от проникновения влаги (2 цифра) |
---|---|---|
IP00 | Нет | Нет |
IP10 | От частиц диаметром ≥ 50 мм | Нет |
IP20 | От частиц диаметром ≥ 20 мм | Нет |
IP30 | От частиц диаметром ≥ 2.5 мм | Нет |
IP40 | От частиц диаметром ≥ 1 мм | Нет |
IP41 | От частиц диаметром ≥ 1 мм | От капель |
IP54 | От частиц диаметром менее 1 мм | От разбрызгивания |
IP65 | Полная защита от мелкодисперсной пыли | От сильных струй |
- вибростойкости согласно DIN IEC 682-6;
- уровню защиты от перенапряжений и коротких замыканий. Приоритетными являются Self-Healing (самовосстанавливающиеся после пробоя) конденсаторы;
- наличию/отсутствию предохранительных элементов от перегрузки.