Разряд конденсаторных батарей установок компенсации реактивной мощности

Перед каждым повторным включением конденсаторной батареи необходимо разрядить ниже 10% ее номинального значения напряжения. Данное требование во многом регламентирует величину интервала переключения ступеней автоматизированных конденсаторных установок (АКУ) компенсации реактивной мощности. В то же время разряд до напряжения ≤75 В для косинусных силовых конденсаторов на номинальное напряжение — U_ном. — ниже 660 В должен продолжаться не более 180 с (стандарт IEC 831), а для косинусных силовых конденсаторов с U_{ном .}≥660 В не превышать 10 мин (стандарт IEC 871).

Как известно, суммарная величина активного разрядного сопротивления R (Ом), определяется по формуле [1]:

R ≤ 15× (U_ф/Q_КБ)x/10­­⁶,  (1)

где U_ф — фазное напряжение сети (кВ), а Q_КБ — номинальная мощность конденсаторной батареи (квар). Соответственно время разряда одно- или трехфазного косинусного силового конденсатора — t от U_ном. до максимально допустимого напряжения разряда — U_раз — составит [2]:

где С — емкость одной фазы трехфазного косинусного силового конденсатора и

где С — общая емкость однофазного косинусного силового конденсатора.

Разряд конденсаторной батареи должен производиться автоматически после каждого отключения от сети. Поэтому к косинусному силовому конденсатору постоянно и непосредственно (без промежуточных разъединителей и предохранителей) присоединяются специальные разрядные устройства (кроме случая подключения индивидуальной конденсаторной батареи компенсации реактивной мощности силового трансформатора или электродвигателя через общий выключатель, поскольку при данных условиях разряд силовых конденсаторов происходит через обмотки этих электроприемников).

Рис. 1. Установка разрядных резисторов на цилиндрическом косинусных силовых конденсаторах:
1 — модуль разрядных резисторов;
2 — корпус разъема клеммной колодки;
3 — подключаемый кабель;
4 — крепежный зажимной винт;
5 — контактная шина;
6 — изоляционная площадка разъема;
7 — корпус косинусного силового конденсатора

Композиционно разрядные сопротивления косинусного силового конденсатора могут:

• монтироваться снаружи между зажимами (рис. 1) — степень защиты IP00 [3];
• встраиваться в монтажный разъем выводов (рис. 2) — степень защиты IP20 (стандарт VDE0106, часть 100), что обеспечивает возможность заводского монтажа разрядного модуля и надежность подключения соединительного кабеля [4];
• устанавливаться непосредственно в объеме корпуса — внутри верхней части стального бака (рис. 3) — и подсоединяться (иногда последовательной цепочкой) параллельно выводам, что особенно характерно для высоковольтных косинусных силовых конденсаторов (3–10 кВ) ввиду отсутствия малогабаритных резисторов, рассчитанных на высокое напряжение. Это исключает необходимость использования для разряда высоковольтных конденсаторных батарей обмоток силовых трансформаторов напряжения или разрядных реакторов. Компоновка встроенными в корпус разрядными резисторами применяется и для низковольтных косинусных силовых конденсаторов, например типа КЭК производства ОАО СКЗ «КВАР».
  
  

  Рис. 2.
  1 — съемный разрядный резисторный модуль;
  2 — разрез корпуса разъема SIGUT с установленным разрядным резисторным модулем;
  3 — подключаемый кабель

Рис. 3. Разрез высоковольтного косинусного силового конденсатора типа All-film:
1 — разрядное сопротивление;
2 — внутренние предохранители;
3 — емкостные пакеты  активной части;
4 — корпус;
5 — выводы

У данного способа установки разрядных резисторов есть свои недостатки. Во-первых, выделение резисторами тепла внутрь корпуса, что ухудшает температурный режим активной части силового конденсатора. А во-вторых, невозможность измерения сопротивления изоляции между его выводами, предусмотренную нормами испытаний косинусного силового конденсатора (ПУЭ, гл. 1.8.27). Это особенно важно для контроля состояния изоляции металлопленочных косинусных силовых конденсаторов, обладающих свойством «самовосстановления», так как при частичных пробоях и последующем восстановлении электрической прочности диэлектрика [5], из-за выделения свободного углерода, содержащегося в полимерной пленке, сопротивление изоляции силового конденсатора постепенно снижается.

Схемные соединения разрядных сопротивлений R трехфазных косинусных силовых конденсаторах выполняются «треугольником», «открытым треугольником» и реже «звездой». Наиболее надежным для конденсаторной батареи до 1 кВ следует считать соединение «треугольником», поскольку в случае обрыва сопротивления одной из фаз разряд будет происходить по схеме «открытого треугольника» во всех трех фазах силового конденсатора [1]. Многие изготовители [2, 3] комплектуют низковольтные косинусные силовые конденсаторы модулями разрядных резисторов (табл. 1), адаптированными к типоразмерам силовых конденсаторов.

Хотя, учитывая величину сопротивления (1), мощность рассеяния модулей резисторов для низковольтных (до 1 кВ) косинусных силовых конденсаторов, при Q_ном. = 5–100 квар, составляет 2–8 Вт, потери в них активной энергии и высокая температура нагрева (до 200 °С при разряде) снижает удельные энергетические характеристики АКУ. Фактически наличие разрядных резисторов примерно вдвое увеличивает собственные удельные (Вт/квар) потери современных низковольтных металлопленочных косинусных силовых конденсаторов [2, 3].

С помощью подключения добавочными контактными блоками электромеханических конденсаторных контакторов [6], дополнительных разрядных резисторов параллельно стационарно установленному на конденсаторной батареи разрядному модулю, можно сократить время ее разряда и соответственно снизить интервал переключения ступеней регулирования АКУ. В таблицах 2 и 3 приводятся номинальные данные дополнительных разрядных резисторов для уменьшения времени разряда конденсаторной батареи приблизительно до 2 с [9].

С этой же целью в ступенях конденсаторной батареи, управляемых электромеханическими контакторами, допускается применение специальных разрядных дросселей [2, 3]. Потери в разрядных дросселях (табл. 4–6) значительно ниже, чем в резисторах (табл. 1), из-за большого (в основном индуктивного импеданса) внутреннего сопротивления Z переменному току при их подключении к компенсируемой сети, но при отключении ступеней АКУ разряд косинусного силового конденсатора будет происходить по цепи постоянного тока через небольшое активное сопротивление обмоток дросселя (табл. 4–6). Таким образом, значительно снизится время разряда t ступеней конденсаторной батареи до требуемого значения Uраз.

В общем случае разряда напряжение на силовом конденсаторе емкостью C (Ф) изменяется от его зарядного значения, равного напряжению сети U_с (В), до допустимого уровня U_раз., согласно соотношению [7]:

где τ = R×C — постоянная времени контура разряда конденсаторной батареи, с.

Из выражения (2) значение t составит:

t = τ×ln(U_раз/U_C) = tx (lnU_раз – lnU_C).  (3)

Сопоставим время разряда t (3) одинаковой по мощности конденсаторной батареи при использовании разрядного дросселя с двумя V-образными обмотками и модуля разрядных резисторов. Как указано выше, повторное включение ступени конденсаторной батареи возможно не ранее времени (3) ее разряда ниже 10% U_ном. Таким образом, на разряд резисторным модулем при 8-кратном снижении напряжения на косинусном силовом конденсаторе мощностью 25 квар (3×166 мкФ) с резисторным модулем 3×82 кОм (табл. 1) от 400 до 50 В потребуется 33 с; с модулем 3×120 кОм (табл. 1) — 50 с [8], что в 6,5-10 раза выше, чем у разрядных дросселей (табл. 4, 6), и в 3,3-5 раз выше, нежели у разрядного дросселя (табл. 5). При разряде конденсаторной батареи (3×332 мкФ) из двух параллельно соединенных косинусных силовых конденсаторов по 25 квар, резисторный модуль 3×68 кОм (табл. 1) обеспечит ее разряд до 50 В за 55 с [8]. Следовательно, подключение к аналогичной по мощности конденсаторной батареи вместо резисторного модуля 3×68 кОм разрядного дросселя (табл. 4-6) позволит за равные промежутки времени в 2-5 раз увеличить допустимое количество разрядов конденсаторной батареи, тем самым значительно повысив быстродействие АКУ [1]. Кроме того, собственные активные потери электроэнергии в разрядном дросселе примерно в 3 раза ниже потерь в резисторных модулях (табл. 1), что, например, при годовом числе часов максимума нагрузки предприятия, равном 5000, соответствующему времени наибольшей загрузки АКУ мощностью 400 квар, эквивалентно экономии ≈20-25 кВт·ч.

Рис. 4. Внешний вид разрядного дросселя В44066Е9900S001 производства EPCOS AG

Конструктивно разрядные дроссели (рис. 4) имеют литой, ударопрочный, пластиковый корпус, винтовые зажимы (U, V, W), допускающие верхнее или нижнее присоединение проводников сечением от 0,75 до 2,5 мм², связанных с клеммами силовых конденсаторов, и лапки для крепления на стандартной профильной шине TS 35 в соответствии с EN 50022. Разрядные дроссели (типа 40Е.003-60002) монтируются непосредственно на выводы цилиндрического косинусного силового конденсатора мощностью 5-50 квар (рис. 5) без дополнительных соединительных проводов.

Рис. 5. Разрядный дроссель 40Е.003-60002, установленный на выводах цилиндрического косинусного силового конденсатора

При коммутации конденсаторной батареи тиристорными контакторами различной модификации [2, 3, 10] разрядные дроссели применять нельзя, так как это приведет к короткому замыканию силовых электронных ключей по цепи постоянного тока. Поскольку в контакторах с электронными ключами отключение конденсаторной батареи происходит при переходе протекающего через них фазного тока через нулевое значение, разрядные сопротивления могут не устанавливаться [10]. В конденсаторных тиристорных контакторах с двумя электронными ключами типа TSM-C, TSM-LC [3] для разряда соединенных «треугольником» косинусных силовых конденсаторов компания EPCOS AG рекомендует использовать специальный высоковольтный резистор марки EW-22 (1200 В/100 Вт, рис. 6).

Рис. 6. Резистор EW-22 производства EPCOS AG для разряда конденсаторной батареи, управляемых тиристорными контакторами, установленный на монтажной панели

В целом рациональный выбор способа разряда конденсаторной батареи помогает оптимизировать технологические показатели работы и безопасной эксплуатации установок компенсации реактивной мощности.