Силовая электроника №1'2005

Электромеханические контакторы для коммутации низковольтных конденсаторных батарей

Сергей Шишкин


В статье приводится краткий обзор специальной группы электромеханических контакторов для коммутации ступеней низковольтных автоматических конденсаторных установок — наиболее распространенного средства компенсации реактивной мощности в системах промышленного электроснабжения.


В процессе эксплуатации конденсаторные батареи (КБ) ступеней регулирования автоматических установок компенсации реактивной мощности (УКРМ) подвержены частым переключениям. Специфика коммутации КБ (относительно других видов электрооборудования) обуславливает неэффективность использования обычных типов электромеханических контакторов из-за их недостаточного быстродействия, необходимости обеспечения не менее чем 50%-ного запаса номинального тока контактора по отношению к номинальному току батареи IН.КБ и больших, особенно при разряде ранее подключенных батарей на конденсаторы включаемой ступени (до 250 x IН.КБ), бросков пусковых токов — I’КБ [1], которые нужно ограничивать до допустимой величины — IД.КБ, определяемой следующими условиями [2]:

  • соблюдением технологического стандарта максимального пускового тока для применяемого типа конденсатора;
  • возможностью селективной отстройки защиты установок компенсации реактивной мощности и отдельных секций КБ, не допускающей длительного превышения IД.КБ более чем в 1,6–1,8 раз IН.КБ;
  • соразмерностью номинального тока аппарата коммутации мощности КБ — QКБ, а также условием гашения дуги емкостной нагрузки.

В полной мере данным требованиям соответствуют специально разработанные электромеханические контакторы для коммутации КБ (рис. 1), часто называемые «конденсаторными контакторами» [3]. В отличие от обычных модификаций, они снабжены вспомогательными контактами 1, 2, 3, установленными параллельно основным 4, 5, 6. К вспомогательным контактам с двух сторон последовательно подключены съемные токоограничивающие элементы Z1–Z3 — несколько витков провода высокого удельного сопротивления, или комплект проволочных резисторов. Якорь электромагнита А1–А2 одновременно приводит в действие обе группы контактов, но из-за меньшего раствора, лимитируемого механическим упором, вспомогательные контакты замыкаются на несколько миллисекунд раньше основных, пропускают пусковой ток через Z1–Z3 и, предварительно подзарядив КБ, ограничивают I’КБ до уровня IД.КБ (перед срабатыванием основных контактов). После включения основных контактов вспомогательные контакты размыкаются. Соблюдение указанной последовательности действий реализуется благодаря установке на держателях основных и дополнительных контактов сцепной муфты, имеющей по меньшей мере две магнитно-соединяемые детали, разъединение которых происходит при механическом усилии, превышающем заранее определенное пороговое значение [3].

Рис. 1. Схема структурных соединений (а) и конструкционное выполнение (б) конденсаторного контактора типа DIL 2 МК
Рис. 1. Схема структурных соединений (а) и конструкционное выполнение (б) конденсаторного контактора типа DIL 2 МК

Комбинация большого сопротивления вспомогательных контактов в момент коммутации КБ и малого падения напряжения на основных контактах в рабочем режиме позволяет сгладить броски пускового тока до  [2]. Например, для КБ марки PhaseCap [4] емкостью СКБ  = 3 х 83 мкФ (QКБ  = 12,5 квар и IН.КБ  = 18 А) максимальная амплитуда пускового тока уменьшится на ΔI’КБ ≈ 900 А с I’КБ = 1200 А (рис. 2б) до IД.КБ = 280 А (рис. 2а). В результате, выделяемая на токоограничивающих резисторах Z1-Z3 тепловая энергия (графически — показанный на осциллограмме рис. 3 сектор, ограниченный кривой пускового тока КБ и временем t замыкания вспомогательных контактов), пропорциональная падению напряжения на вспомогательных контактах ΔU и снижению

[1] одновременно способствует стабилизации температурного режима конденсаторов при многократных переключениях ступеней установок компенсации реактивной мощности  и сокращению активной мощности, рассеиваемой на основных контактах, что обеспечивает их коммутационную износостойкость и длительный срок эксплуатации.

Рис. 3. Осциллограмма переходного процесса подключения 6-й ступени УКРМ Rectimat 2 (КБ - Varplus М4Qкб = 50 квар, Qкб = 3 х 332 мкФ) контактором LC1-DWK12 cZ = 3,2 0m
Рис. 3. Осциллограмма переходного процесса подключения 6-й ступени установок компенсации реактивной мощности Rectimat 2 (КБ - Varplus М4Qкб = 50 квар, Qкб = 3 х 332 мкФ) контактором LC1-DWK12 cZ = 3,2 0m

Требуемую величину суммарного активно-реактивного сопротивления токоограничивающих резисторов У(Z1–Z3) в зависимости от характеристического сопротивления ZC узла присоединения установок компенсации реактивной мощности можно оценить по следующей формуле [2]:

(1)

Хотя наиболее часто токоограничивающие элементы конденсаторных контакторов выполнены в виде катушек (рис. 1б), условие быстродействия ограничения бросков пускового тока I’КБ требует максимального снижения индуктивной составляющей. В связи с этим две последовательно включенные секции катушек (рис. 1) изготавливаются с разным направлением навивки. Таким образом, суммарную расчетную величину сопротивления (1) можно считать чисто активной, практически безынерционно откликающейся на изменение I’КБ.

Так как при отключении КБ для разряда конденсаторов требуется гораздо больше времени, чем на перемещение электромеханического контактора в исходное положение, напряжение на соединенных с КБ зажимах контактора можно считать постоянным, а на зажимах, подключенных к сети, изменяющимся синусоидально. Следовательно, в один из моментов полупериода (t = 0–0,01 c), суммарное напряжение между контактами достигнет удвоенного амплитудного значения, что в начальной фазе размыкания контактов приведет к пробою воздушного промежутка и кратковременному повторному включению КБ с выбросом в сеть импульса I’КБ [2]. Поэтому отключение контактора производится в обратной последовательности — первыми под действием возвратной пружины размыкаются основные контакты, после того как сцепной муфтой держателей контактных групп предварительно будут замкнуты вспомогательные контакты [3]. В этом случае сопротивление последовательного соединения Σ(Z1–Z3) и ZC должно обеспечить условия, исключающие дугообразование на основных контактах, а также превышение номинального тока вспомогательных контактов (табл. 1–6).

Контакторы аналогичного конструктивного исполнения (табл. 1, 2, 3, 4, 5, 6), серийно выпускаемые несколькими фирмами, в том числе ABB, BENEDIKT & JДGER, LOVATO Electric, Moeller, Schneider Electric, Siemens являются компонентом современных низковольтных установок компенсации реактивной мощности. Расширить диапазон QКБ ступеней установок компенсации реактивной мощности можно за счет параллельного включения контакторов секций КБ встроенным дополнительным контактом 7, срабатывающим одновременно с основными 4, 5, 6 (рис. 1а). Кроме того, во многих конденсаторных контакторах предусмотрена возможность монтажа на боковые поверхности корпуса (стрелки на рис. 1б) добавочных контактных блоков 8, 9 (рис. 1а).

Для защиты от перенапряжений перед повторным включением КБ необходимо разрядить ниже 10%-ного уровня номинального напряжения конденсаторов [4]. При этом, согласно стандарту IEC 831-1,2, время разряда конденсаторов не должно превышать 180 с. За счет подключения контактами 8, 9 параллельно установленному на КБ разрядному модулю дополнительных резисторов R1–R2 (рис. 1а) можно сократить время ограничения остаточного потенциала на конденсаторах и соответственно снизить минимум интервала переключения ступеней регулирования установок компенсации реактивной мощности. С этой же целью в ступенях КБ, управляемых конденсаторными контакторами, допускается применение разрядных дросселей [4].

При использовании контакторов без токоограничивающих резисторов [5] соединение с КБ рекомендуется выполнять сдвоенными проводниками или навивкой ряда последовательных витков по длине провода с сечением, соответствующим IН.КБ. В наиболее распространенном диапазоне QКБ (от 5 до 50 квар) — 5–10 витков диаметром 100–140 мм обеспечат индуктивность цепи коммутации порядка 6–8 мкГн [1, 5]. Подобное стационарное подключение к контактной колодке выводов однофазных конденсаторов типа Square Cap используется в КБ производства EPCOS.

Комплектация установок компенсации реактивной мощности конденсаторными контакторами позволит сохранить стабильность характеристик низкоиндуктивных косинусных конденсаторов с малыми собственными потерями (стандарты IEC 70 и 831-1,2) в течение всего срока службы (100–130 тыс. ч), соизмеримого с ресурсом срабатывания контактора (табл. 1–6), и предотвратить возникновение провалов напряжения и импульсных перенапряжений в компенсируемой сети при переключении ступеней КБ.                      

Литература

  1. Damping of Inrush Current in Low-Voltage PFC Equipment. Product Profile. EPCOS AG. Ordering No EPC: 26008–7600. Germany. 2001.
  2. Шишкин С. А. Ограничение пусковых токов конденсаторных батарей электромеханическими контакторами // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. Вып. 3(8). М.: МГАУ. 2004.
  3. Патент РФ 2070747 Н01Н9/26. Устройство для переключения электрических цепей. Жан Або (FR), Кристиан Лянж (FR), Мишель Ледруа (FR) — №5052433/07; заявл. 26.09.91, опубл. 20.12.96. Бюл. № 35.
  4. Power Factor Correction. Product Profile 2004. Published by EPCOS AG. Ordering No EPC: 26012–7600. Germany. 2004.
  5. Каталог приборов. Магнитные пускатели, вспомогательные реле, специальные реле (www.moeller.ru).
  6. Reactive Power Compensation. MNS®, KNS and UNIKIT System. Technical Information AВB. DEAST 0016.98E. Replaces 1TGR 400 001E. Valid from January 1999.
  7. Capacity Switching Contactors (www.benedict.at).
  8. Guide for the design and production of LV compensation cubicles. Schneider Electric Industries SAS. France. 2002.
  9. Низковольтная коммутационная аппаратура. Switching Devices: Contactors and Contactor Assemblies. Каталог Siemens LV 10. 2004.
  10. LOVATO Electric S.P.A. General Catalogue 2003–2004. Russian version (www.lovatoelectric.com).

Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2005_01_50.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо