Новое поколение косинусных конденсаторов среднего напряжения компании Electronicon

Активная часть группы косинусных конденсаторов, под общим названием «пленочные», состоит из лент органического диэлектрика (неполярной полипропиленовой пленки) и фольговых или металлизированных обкладок (электродов). Исходные предпосылки расчета модели силового конденсатора [5] допускают принять следующее упрощенное соотношение между объемом его активной части — V (см²) и базовыми электрическими параметрами:

где С — емкость конденсатора (мкФ); Е — напряженность электрического поля (кВ/см); U — рабочее напряжение (кВ); ε — относительная диэлектрическая проницаемость.

Из формулы (1) следует, что, повысив Е до значения, предельно близкого к электрической прочности диэлектрика — Е_макс. (в пределах 400–500 кВ/мм для металлизированной полипропиленовой пленки [6]), можно сократить расход материала и уменьшить габариты силового конденсатора. При прочих равных условиях увеличение Е всего на 10% приведет к росту С и пропорциональной ей реактивной мощности пленочного косинусного конденсатора — Q = U²×2π׃×C×10^–3 (квар) на 21%, но практическая реализация этого режима в высоковольтных косинусных конденсаторов (значение Е которых на порядок превышает напряженность электрического поля других видов высоковольтного оборудования) связана с обеспечением их эксплуатационной надежности. Учитывая важность данного вопроса, рассмотрим более подробно конструктивные способы защиты диэлектрической системы разных типов высоковольтных пленочных косинусных конденсаторов.

Сегодня подавляющую долю рынка высоковольтных косинусных конденсаторов занимают конденсаторы, выполненные по all-film технологии — набор пакета однотипных, спирально намотанных секций, имеющих, в зависимости от требуемых электрических характеристик, последовательное, параллельное или смешанное соединение (рис. 1а). В качестве токопроводящих обкладок секций используются ленты алюминиевой фольги, вынесенные за разделяющую их изоляционную прокладку из полипропиленовой (толщиной ≈10 мкм) пленки, с последующей пропиткой полостей витков и заполнением остаточного объема корпуса жидким ингредиентом — органическим маслом или синтетической жидкостью (рис. 2). Как правило, выступающий край фольги загибается вдоль продольного края пленки. Подобное построение способствует отводу тепла за пределы активной части и электрической прочности торцевых соединений секций, делая их устойчивыми к токовым перегрузкам. Каждая параллельно включенная секция снабжается плавкой вставкой в виде тонкой (диаметром 0,25–0,35 мм) медной проволоки, отключающей секцию в случае пробоя (рис. 1а), поддерживая, тем самым, дальнейшую работоспособность конденсатора с потерей лишь некоторой части его номинальной емкости (1,5–5%, в зависимости от реактивной мощности косинусных конденсаторов [5]).

Следует отметить, что, в отличие от внешних предохранителей защиты, разрушение плавких вставок секций обусловлено не энергией, поступающей из сети, а энергией, запасенной непосредственно внутри конденсатора, соразмерной его фактической емкости [1]. Поэтому при значительной потере первоначальной емкости, например, из-за многочисленных аварийных отключений, вставки оставшихся в работе секций косинусных конденсаторов не будут расплавлены в требуемом временном интервале. Характерная для all-film конденсаторов деградация емкости (в том числе ее скачкообразное падение в конце срока службы) вызывает необходимость контроля симметрии емкостной нагрузки (дифференциально-фазовой токовой защиты) параллельных (шунтовых) батарей высоковольтных косинусных конденсаторов [2–4], так как у них гораздо бульшая (по сравнению с низковольтными конденсаторными батареями) единичная реактивная мощность. Причем методы защиты от несимметрии допускают как схемные [4], так и конструктивные решения [5]. Например, некоторые трехфазные конденсаторные батареи all-film косинусные конденсаторы комплектуются идентичными однофазными конденсаторами, состоящими из двух одинаковых по емкости групп секций (общая точка секций соединяется с одной из фаз компенсируемой сети, а две другие, через индивидуальные выводы — в общие точки N₁ и N₂). В результате получаем подключение косинусных конденсаторов по схеме «двойной звезды» и возможность контроля тока небаланса конденсаторных батарей между точками N₁ и N₂.

Так как толщина фольги силовых конденсаторов — несколько микрон, то вследствие высокой проводимости электродов и, соответственно, большого тока КЗ, образующегося в точке пробоя обкладок (рис. 2), подключение к сети силовых all-film конденсаторов допускается только через токоограничивающие внешние или встроенные предохранители (ПУЭ, гл. 5.6.22). При этом номинальный ток внешнего предохранителя, по условию селективности с плавкими вставками секций, должен быть минимум в два раза выше номинального тока all-film конденсатора.

По оценке Electronicon, затраты на комплектацию схемы защиты батарей all-film косинусных конденсаторов составляют порядка 5–8% (для конденсаторных батарей e; 10 Мвар) и 80% (для конденсаторных батарей = 300 квар) от стоимости конденсаторов.

Защита металлопленочных конденсаторов (рис. 3) использует совершенно иные технологические принципы, главный из которых — способность самовосстановления электрической прочности диэлектрика [1]. Локализация места пробоя металлизации обкладок обеспечивает крайне незначительную (не более 0,0001% [1]) потерю номинальной емкости (до момента, когда можно зафиксировать критичное снижение емкости косинусных конденсаторов серии MSD, должны произойти несколько тысяч регенераций пробоев). Кроме того, ограничению мощности разряда [1] — концентрации выделяющейся в точке пробоя тепловой энергии, не превышающей предела лавинообразного разрушения обкладок, — способствует высокое сопротивление электродов, так как толщина слоя алюминиево-цинковой металлизации примерно в 1000 раз меньше, чем у фольги.

Необходимое номинальное напряжение косинусных конденсаторов серии MSD достигается последовательным соединением внутренних емкостных элементов (рис. 1б). Поскольку одновременный пробой нескольких элементов маловероятен, то при пробое в одном из них остальные будут являться своеобразным буферным сопротивлением, ограничивающим величину разрядного тока.

Таким образом, для батарей металлопленочных косинусных конденсаторов серии MSD риск появления асимметрии емкости практически исключен, следовательно, отпадает необходимость ее контроля, а в случае лавинообразного развития пробоя отключение поврежденного конденсатора производится устройством коммутации по сигналу встроенного датчика давления [2–4].

Длительное время широкому внедрению высоковольтных металлопленочных косинусных конденсаторов препятствовали определенные помехи, в том числе резко выраженный краевой эффект (pinch effect) — разрушение контактной зоны обкладки (образование микротрещин на слое металлизации и полимерной подложке) под интенсивным действием частичных разрядов, обусловленных ростом Е, вызванного искривлением внутреннего электростатического поля [1, 5]. Поэтому, как и силовым all-film конденсаторам, металлопленочным косинусными конденсаторами необходимо дополнительное упрочнение (снижение плотности тока [1]) выводов контактных узлов секций, причем используемые для этого методы разнообразны [1, 5].

Существенную роль в предотвращении объемно-разрядных процессов электрохимической коррозии поверхности металлизации электродов МКР (Metallized Kunststoff Polypropylene) конденсаторов [2–4] играет качество газового, жидкого или твердого (компаундного) заполнения остаточного объема корпуса [1]. Благодаря специально разработанной технологии полиуретановой (твердой) изоляции между активной частью и корпусом, «сухие» косинусные конденсаторы серии MSD обладают высокой температурной стабильностью емкости и полной экологической безопасностью, соответствующей категории WGK — water risk category 0 [3]. Это позволяет применять трехфазные косинусные конденсаторы серии MSD там, где установка all-film конденсаторов, содержащих жидкие, низковязкие ингредиенты, не допускается.

После вакуумной сушки — удаления влаги из бобин активной части — соединенные по схеме «звезда» пакеты трехфазных косинусных конденсаторов помещаются в прямоугольный металлический корпус, сверху которого монтируются проходные изоляторы выводов обмоток. Внутрь корпуса встроены разрядные резисторы и датчик контроля превышения (свыше 0,5 МПа) избыточного давления [2–4]. Монтажное положение косинусных конденсаторов серии MSD произвольное, но вертикальное — наиболее предпочтительно. В зависимости от мощности косинусных конденсаторов, конвективный теплообмен сборки конденсаторных батарей обеспечивается 90- или 148-миллиметровым зазором [4] между боковыми поверхностями соседних MSD-конденсаторов. Технические характеристики косинусных конденсаторов серии MSD приведены в таблице.

В целом, новое поколение металлопленочных конденсаторов серии MSD полностью соответствует действующим стандартам для косинусных конденсаторов среднего напряжения (IEC 60871-1, 2:1997) и позволяет, без снижения уровня надежности, упростить построение схем защиты высоковольтных конденсаторных батарей, сократив связанные с этим затраты.