Батареї конденсаторів

Батареї конденсаторів (КБ) є простим і надійним статичним пристроєм. Конденсаторні батареї збирають з окремих конденсаторів, які випускаються на різні потужності і номінальні напруги.

Конденсатор — це пристрій, який складається з двох провідників, розділених діелектриком. Конденсатор, якщо до нього прикладено напругу, здатний накопичувати електричний заряд (заряджатися) і віддавати його (розряджатися). У просторі між провідниками, які можуть мати будь-яку форму, при заряді конденсатора утворюється електричне поле. Заряд конденсатора тим більший, чим більша його ємність і прикладена до його провідників напруга. Ємність конденсатора, у свою чергу, тим більша, чим більша площа поверхні провідників, які утворюють конденсатор, і чим менша відстань між цими провідниками. Ємність конденсатора, вимірювана в мікрофарадах (мкФ), складає

де S - площа поверхні обкладок (провідників) конденсатора, м²; d - відстань між обкладками (товщина діелектрика, що розділяє ці обкладки), m 10^-6; ɛ - діелектрична проникність ізоляції між провідниками, Ф/м.

Простір між провідниками заповнений діелектриком. До таких матеріалів відносяться, наприклад, повітря, конденсаторний папір, кераміка, синтетична плівка. Діелектрик, використовуваний в конденсаторах, повинен мати високу електричну міцність, тобто зберігати свої ізолюючі властивості при високій напрузі і невеликій товщині (10-15 мкм). Якість діелектрика для конденсаторів тим вища, чим вища йога діелектрична проникність, тобто здатність акумулювати електричний заряд. Наприклад, відносна діелектрична проникність конденсаторного паперу, просоченого маслом, складає 3,5 - 4, а плівки полістиролу - 2,5 – 2,7.

Конденсатор, як і будь-який елемент електроенергетичної системи характеризується втратами активної потужності, які призводять до його нагріву. Ці втрати тим більші, чим вища прикладена напруга, її частота і ємність конденсатора. Втрати в конденсаторі залежать і від властивостей діелектрика, які визначаються тангенсом кута діелектричних втрат (tgδ) і характеризують питомі втрати (Вт/квар) в конденсаторі. Залежно від типу і призначення конденсатора втрати в них можуть складати від 0,5 до 4 Вт/квар.

В електроенергетиці для компенсації реактивної потужності застосовуються так звані косинусні конденсатори, призначені для роботи на частоті напруги 50 Гц. Їх потужність, вимірювана в кіловольт-амперах реактивних (квар), складає від 10 до 100 квар.

Конструктивно конденсатор є металевим корпусом (сталевий або алюмінієвий), в якому розмішуються секції (пакети), намотані з декількох шарів алюмінієвої фольги, перекладених конденсаторним папером або синтетичною плівкою товщиною 10-15 мкм (0,01-0,015 мм). З'єднані між собою секції мають виводи, розташовані зовні корпусу, в його верхній частині. Трифазні конденсатори мають три фарфорові виводи, однофазні - один.

Шкала номінальних напруг конденсаторів від 230 В до 10,5 кВ, що дозволяє складати з них установки для мереж напругою від 380 В і вище Конденсатори мають хорошу перевантажувальну здатність за струмом (до 30% від номінального) і за напругою (до 10% від номінального). Групу конденсаторів, з'єднаних між собою паралельно або послідовно, або паралельно-послідовно, називають батареєю конденсаторів.

Конденсаторна батарея, обладнана комутаційною апаратурою засобами захисту і керування, утворює конденсаторну установку (КУ).

Потужність, що генерується БК, при заданій її ємності С пропорційна квадрату прикладеної напруги і його частоті

Тому нерегульовані БК мають негативний регулюючий ефект, що, навідміну від синхронних компенсаторів, є їх недоліком. Це означає, щопотужність БК знижується із зниженням прикладеної напруги, тоді як за умовами режиму цю потужність необхідно збільшувати.

Регулюючий ефект КУ за реактивною потужністю показаний на рис. 3.4,а, а КУ, що складається з декількох секцій, - на рис. 3.4,б. Як видно з рис. 3.4, а, при зниженні напруги від U_ном до U_mіп реактивна потужність знижується пропорційно квадрату напруги від Q_ном до Q_mіп.

Подолати цей недолік можна, якщо сформувати БК з декількох секцій, кожна з яких, керована регулятором напруги і (або) потужності, приєднується до мережі через свій вимикач, нарощуючи таким чином ємність батареї в цілому. Це і дозволяє збільшувати сумарну потужність БК при зниженні напруги. Потужність КУ при зниженні напруги зростає ступенями Q₁, Q₁₊Q₂, Q₁₊Q₂₊Q₃, показано на рис. 3.4,б для КУ, що складається з трьох секцій КБ.

Ступінчате регулювання вимагає введення в регулятор напруги КУ зони нечутливості ΔU. В межах цієї зони при зниженні напруги приєднання чергової секції не допускається. Невиконання цієї умови привело б до нестійкої роботи КУ. Ширина зони нечутливості повинна бути більша, ніж приріст напруги, викликаний приєднанням чергової секції КУ. Інакше напруга на КУ досягне напруги уставки спрацьовування на вимкнення цієї секції відразу після її вмикання. Ймовірність такого ефекту тим більша, чим більша потужність секції, що приєднується, і чим менше зона нечутливості регулятора КУ.

КУ складається, як правило, з декількох секцій, що мають загальну систему керування. Низьковольтні КУ напругою 380 В складаються з трифазних конденсаторів, ввімкнених паралельно. Для захисту таких КУ від коротких замикань і перевантаження застосовують запобіжники (рис. 3.5,б). Високовольтні конденсаторні установки складаються ₃ однофазних конденсаторів, ввімкнених послідовно-паралельно (рис. 3.5,а).

Ввімкнення КУ супроводжується кидками струму, а вимкнення - перенапругами, що негативно позначається на терміні служби конденсаторів і комутаційної апаратури. Тому КУ, обладнану вимикачами (контакторами), не рекомендується вмикати-вимикати більше 2-4 разів за добу. Для обмеження кидків струму конденсатори перед вмиканням обов'язково повинні бути розряджені за допомогою розрядних резисторів R або трансформаторів напруги ТV (рис. 3.5). Зазвичай ці пристрої постійно приєднані до конденсаторів, а резистори можуть бути вбудовані усередині конденсатора.

В зв'язку з цим такі КУ придатні тільки для регулювання реактивної потужності з метою забезпечення її балансу в тій або іншій точці мережі або у вузлі навантаження. У цьому режимі КУ застосовують для зниження втрат напруги в мережі, якою передається електроенергія, а також втрат потужності і електроенергії. Ефект і в тому, і в іншому випадку виявляється за рахунок компенсації реактивної потужності, що протікає лініями, якими живиться навантаження.

Конденсатори через їх параметричні властивості дуже чутливі до спотворень синусоїдної форми кривої напруги, тобто до вищих гармонік струму. Дійсно, опір конденсатора тим менший, чим вища частота гармоніки в несинусоїдній кривій прикладеної напруги. В результаті за рахунок вищих гармонік, які проникають в конденсатор, різко зростають втрати потужності ΔР в конденсаторах, що приводить до їх нагріву

де U_(n) напруга гармоніки; n - порядок гармоніки; С - ємність конденсатора; - частота напруги мережі (f =50 Гц); tgδ -характеристика діелектрика конденсатора.

Як вже зазначалось, параметричну властивість конденсаторів широко використовують під час створення фільтрокомпенсуючих установок (ФКУ).

Чутливість БК до вищих гармонік завжди повинна враховуватися при застосуванні конденсаторів в електричних мережах. Застосування БК зв'язане з можливістю резонансних явищ завдяки утворенню індуктивними і ємнісними елементами мережі послідовних і паралельних кіл. Резонансні явища супроводжуються посиленням напруг (резонанс напруг) або струмів (резонанс струмів) на частотах вищих за номінальну (50 Гц), обумовлених наявністю в мережі джерел вищих гармонік струму. На резонансній частоті індуктивний x_L(n) і ємнісний x_C(n) опори рівні. Тобто,

З останньої формули знаходять номер гармоніки п, на якій можливий резонанс. Під час вибору потужності БК і, отже, її опору, а також місця приєднання БК необхідно переконатися в тому, що резонансні явища виключені. Ця вимога відноситься і до БК, що входять до складу ФКУ.

Дата добавления: 2013-12-13