Силовая электроника №4'2007

Защитные антирезонансные дроссели низковольтных конденсаторных батарей

Сергей Шишкин

Структуру современного электропотребления во многом определяет интенсивное внедрение силового электротехнологического оборудования на базе дискретно коммутируемых ключевых вентильных элементов (различного вида преобразователи, классифицируемые в электротехнике термином «нелинейные электроприемники»). Как известно [1], при превышении нелинейными электроприемниками 15…20% части суммарной мощности нагрузки, генерируемые ими гармонические искажения напряжения распределительной сети вызывают дополнительные потери электроэнергии в проводниках, магнитных системах трансформаторов и электродвигателей, вынуждающие, во избежание тепловой перегрузки, снижать их номинальную производительность. Кроме того, в низковольтных распределительных сетях энергосистем отмечены случаи, когда при подключении конденсаторных батарей (КБ) компенсации реактивной мощности (КРМ) на одной из частот присутствующего спектра гармоник (обычно между 250 и 600 Гц [2]) емкость КБ образовывала резонансный контур с индуктивностью сети. Для косинусных конденсаторов ГОСТ 1282-88 «Конденсаторы для повышения коэффициента мощности. Общие технические условия» допускает совокупное увеличение номинального тока — IНОМ не более чем на 30%, как от превышения номинального напряжения — UНОМ, так и от наличия высших гармоник, поэтому из-за возможных значительных токовых перегрузок использование в таких сетях КБ без соответствующей схемной защиты недопустимо.

Порядковый номер кратной по отношению к промышленной частоте (f1 = 50 Гц) резонансной гармоники — nр, определяется по выражению [3]:

где SКЗ — мощность короткого замыкания сети в месте установки КБ с реактивной мощностью (РМ) — QКБ. Для наиболее часто встречающегося варианта централизованного присоединения батарей КРМ низковольтных сетей (до 1 кВ) непосредственно на сборные шины ТП νр (1) можно рассчитать через номинальную мощность — SНОМ и напряжение короткого замыкания — uк (%) силового трансформатора [2]:

При ступенчатом регулировании QКБ (1, 2) автоматизированных конденсаторных установок (КУ) на меняющихся частотах резонанса переключаемых КБ [2] полное сопротивление (импеданс) компенсируемой сети Z будет близким к активному (точка ƒs, рис. 1). Обусловленный резонансом 5–6-кратный рост амплитуды тока гармоник (в первую очередь канонического порядка — 5-й, 7-й, 11-й, 13-й, характерного для несогласованной работы 6- и 12-пульсных схем выпрямителей низковольтных преобразователей [3]), существенно повысит коэффициент искажения синусоидальности THDI (Total Harmonic Distortion [1]), отношение геометрической суммы токов высших гармоник действующему значению тока основной гармоники — I1, а также протекающий в сети среднеквадратичный ток:

Частотное f (Гц) изменение модуля импеданса |Z| (Ом) компенсируемой сети

В свою очередь, снижение сопротивления конденсаторов xКБ = 1/(ωС) циркулирующим в сети токам гармоник νn и частотно зависимый рост угла диэлектрических потерь tgδ увеличит собственные (внутренние) потери, определяющие температуру их активной части. Например, для конденсаторов серии PhaseCap® [4], имеющих, в соответствии с IEC 60831-1 «LV-PFC Capacitor Standard», температурный класс D [4, 5], разность температур наиболее нагретой точки (hot spot) обмотки Tth и окружающей среды (ambient) dTth-a (K) составит:

где 0,45 (Вт/квар) — каталожная величина удельных внутренних потерь [4]; Rth (2…3 К/Вт [5]) — тепловое сопротивление; Q (квар) — РМ конденсатора. Повышение Tth MKK (Metallized Kunststoff Kompakt [4])-конденсаторов более 70 °С [5] способствует ускоренной деградации полимерной пленки диэлектрика. Принято считать, что длительное превышение Tth на 7 °С вдвое сократит нормативный срок службы (рабочий ресурс) конденсатора [6].

Последовательное включение с КБ специального дросселя (реакторного фильтра) позволяет обеспечить защиту конденсаторов и избежать появления резонанса за счет смещения собственной частоты ƒr контура «дроссель–КБ» (рис. 1) ниже диапазона частот наиболее мощных присутствующих в сети гармоник (спектр гармоник тока — рис. 1). Вносимый дросселем коэффициент частотной расстройки р, образованный с КБ последовательного резонансного контура, равен [4]:

а его принятые VDEW (Association of German Power Supply Companies) стандартные величины — 14, 7, 5,67% (см. табл.) соответствуют резонансным частотам — 135, 189, 210 Гц. Причем в отличие от антирезонансной защитной функции, реализуемой с помощью аварийного отключения части QКБ (1) КУ регулятором РМ (например, BR6000 [4]), опосредованной тождественным снижением коэффициента мощности системы электроснабжения (режим «недокомпенсации»), оборудованные дросселями КБ способны поддерживать требуемый уровень КРМ.

Таблица. Основные технические данные трехфазных антирезонансных фильтрующих дросселей EPCOS AG [4], стандарты EN 60289, EN 61558, VDE 0532
Основные технические данные трехфазных антирезонансных фильтрующих дросселей EPCOS AG [4], стандарты EN 60289, EN 61558, VDE 0532

Поскольку правильно выбранное значение ƒr (4) расположено ниже частоты наименьшей гармоники νmin, для присутствующей в сети гармоники тока с частотой выше резонансной индуктивный характер Z исключает возможность резонанса на этих частотах, а на основной частоте ƒ1 расстроенная система будет функционировать как емкостная, обеспечивая КРМ нагрузки (рис. 1). Так как приложенное к КБ напряжение UКБ складывается из напряжения сети UС и падения напряжения на дросселе UL:

то в зависимости от значения р (5) UНОМ соединенных «треугольником» низковольтных конденсаторов батареи необходимо увеличить на 10…20% относительно UС, а индуктивный характер РМ дросселя уравновесить коррекцией UКБ (5) и емкости КБ, увеличивающих на 10…24% РМ специально подобранных (нестандартных) конденсаторов [4].

Сухие трехфазные защитные антирезонансные дроссели компании EPCOS AG (рис. 2а, таблица) собираются на стыковом магнитопроводе из холоднокатаных, толщиной 0,25–0,5 мм, листов электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой. Воздушные зазоры стержней магнитопровода (рис. 2б) за счет постоянства магнитного сопротивления обеспечивают линейность нагрузочной характеристики (кривой индуктивности) дросселя, ограниченной максимальным значением тока I1, при котором снижение индуктивности L не превысит 5% LНОМ (табл.), и одновременно являются вентиляционными каналами отвода тепла. Цилиндрические обмотки выполнены алюминиевым или медным проводом с классом изоляции В (130 °С) для дросселей небольшой (до 20 квар включительно) РМ и Н (180 °С) — для бульших типоразмеров. Расположенный внутри средней обмотки (рис. 2б) температурный датчик (биметаллическое тепловое реле) своим нормально замкнутым контактом [4] отключает дроссель в случае превышения температуры, отвечающей классу изоляции.

Трехфазный защитный антирезонансный дроссель EPCOS AG

Искажение, вносимое каждой из гармоник, определяет процентное соотношение их амплитуд и сигнала основной частоты. Степень подавления рассогласованным LC-звеном мощности отдельно взятой гармоники зависит от ее близости к ƒr (рис. 1), а снижение в сети синусоидальности напряжения, регламентируемое ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения», практически находится в пределах 1…3 дБ. Отметим, что при значительной (свыше 50% [1]) нелинейной нагрузке требуемая (≥10) степень фильтрации гармоник и КРМ возможна только с помощью пассивных резонансных LC-цепей (passive tuned filter circuits) или системы активной фильтрации (active restoring system) — управляемого источника тока, в противофазе генерирующего гармоники, эквивалентные по частоте и мощности присутствующим в сети.

Суммарные потери звена «дроссель–КБ» ΔР рассчитывают как [3]:

где rдр и хдр — активное и индуктивное сопротивление дросселя;

Из формулы (6) видно, что основная часть потерь приходится на дроссель. Соответственно их допустимая тепловая нагрузка на порядок выше, чем у конденсаторов эквивалентной РМ [4]. В результате температура поверхности магнитопровода дросселя может достигать 260 °С, в то время как нагрев корпуса конденсаторов PhaseCap® не должен превышать 55 °С [4, 5]. Это необходимо учитывать при компоновке модулей расстроенных систем (detuned systems): дроссели монтируются сверху КБ, а поток охлаждающего воздуха принудительной вентиляции не перекрывается элементами конструкции КУ (рис. 3).

Пример расположения компонентов фильтрокомпенсирующих звеньев КУ

Наряду с защитой КБ, предотвращением резонансных явлений и частичным подавлением гармоник индуктивность дросселей сглаживает броски пускового тока КБ. Отметим, что, хотя IEC 60831 ограничивает число включений косинусных конденсаторов до 5000 в год, при коммутации расстроенных ступеней КУ за год было зафиксировано более 150 000 операций переключения, не ухудшивших технические параметры КБ PhaseCap® [6]. Многолетний зарубежный опыт эксплуатации показал высокую эффективность применения в установках КРМ низковольтных сетей электроснабжения частотно-расстроенных звеньев «дроссель–КБ». Сегодня доля таких установок в системах промышленного электроснабжения Центральной Европы составляет около 90% [6].

Литература

  1. Catalog Low-Voltage Capacitors and Power Factor Correction Units MODLCON. http://www.modl.de.
  2. Fassbinder S. Capacitors in Harmonic-Rich Environments. Power Quality Application Guide 3.1.2, 2004. http://www.lpqi.org.
  3. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергия, 1974.
  4. Power Factor Correction. Power Quality Solutions. Published by EPCOS AG. Ordering No. EPC: 26017-7600. Germany, 2006.
  5. Vetter H. More Power with PhaseCap. http://www.epcos.com/pfc.
  6. Muller R. Optimized Design of PFC Systems. http://www.epcos.com/pfc.
*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2007_04_18.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

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