Высоковольтные регулируемые конденсаторные установки

Во всем мире растет производство и потребление электрической энергии. Последние 3 года темпы мирового роста энергопотребления составляют более 10 % в год. При этом проблемы снижения потерь при передаче и распределении электроэнергии выходят на первый план.

В нашей стране также происходит увеличение потребления электроэнергии. Растет энерговооруженность труда.

В связи с этим немаловажное значение играет в настоящий момент грамотное использование устройств компенсации реактивной мощности.

По компенсации реактивной мощности в сетях 0,4 кВ все более менее прозрачно. Существует широкий спектр производимых ЗАО "Матик-электро" конденсаторных установок КРМ (УКМ58)-0,4 от нерегулируемых — с фиксированными ступенями, до регулируемых — на базе контакторов — для медленно изменяющейся нагрузки (двигатели вентиляторов, прокатных станов, насосов) на основе быстрых тиристорных ключей — для резкопеременной нагрузки (двигатели портовых кранов, машины контактой сварки). Кроме того в сетях 0,4 кВ применяются фильтры гармоник для предотвращения выхода из строя конденсаторов (ФКУ КРМ), а также новейшие разработки источников тока на гармониках 1-40 на базе IGBT модулей и ШИМ модуляции, позволяющие снизить уровень гармоник в сети и скомпенсировать как индуктивную так и емкостную реактивную мощность.

Обстановка в России с компенсацией реактивной мощности на стороне среднего напряжения, прямо скажем, неважная. Разработанные еще 60-х годах прошлого века конденсаторные установки УКЛ56 и УКЛ 57 давно морально и технически устарели. Невозможность регулирования по ступеням, отсутствие защиты от бросков тока при включении конденсаторов (демпфирующих реакторов), использование устаревших однофазных конденсаторов — и как следствие большое количество болтовых соединений, алюминиевая ошиновка, прокладка вторичных цепей напрямую по металлокаркасу без коробов, эмалевая окраска, повреждающаяся после первой же транспортировки и портящая товарный вид изделия — вот полный перечень недостатков заставляющий задуматься о поиске альтернативы.

Регулярно, по профилю деятельности, обследуя энергообъекты в различных регионах России, сталкиваешься с парадоксом: установки для компенсации реактивной мощности, вроде бы, нужны, они есть и включены на полную мощность (т.к. регулирование невозможно конструктивно), но когда проводишь замеры косинуса фи, выходит, что таким образом мы пришли к перекомпенсации. Уйдя от косинуса фи 0,8 индуктивного характера пришли к 0,7 емкостного. Получается, что вместо того чтобы снизить нагрузку на питающие фидеры мы, наоборот, увеличили ее.

Давайте разберемся, нужна ли такая "компенсация" реактивной мощности, и какова природа возникновения реактивной мощности на стороне среднего напряжения?

В настоящее время в промышленности находят значительное применение вентильные электроприводы, мощные дуговые и индукционные печи, выпрямители электролизных установок, высоковольтные электродвигатели и приводы к ним на насосных станциях водоканалов и газоперекачивающих станций. Указанные потребители вносят значительный вклад в общее потребление электроэнергии, приводят к увеличению потребления реактивной мощности и к искажению питающего напряжения гармониками.

При этом следует отметить, что большая часть потребляемой в промышленности электрической энергии приходится на электродвигатели, работающие на напряжении 6,3 и 10,5 кВ. На промышленных предприятиях, тепло и водоснабжающих организациях на их долю приходится более 50% потребляемой электроэнергии, а на химических и нефтехимических производствах и транспортирующих компаниях — более 90%.

Для компенсации реактивной мощности при средних напряжениях широко используются синхронные компенсаторы. К недостаткам этих устройств относятся наличие вращающихся частей, взрывоопасное водородное охлаждение (по словам ряда энергетиков — "постоянно текущее и требующее ремонта"), дорого визна в изготовлении и обслуживании. Еще одним, ключевым, недостатком синхронных компенсаторов является большое собственное энергопотребление. Для синхронных компенсаторов реактивной мощностью менее 10 МВАр потери составляют от 40 до 100 Вт на 1 кВАр компенсируемой мощности. Однако альтернатива есть!

В настоящее время разработаны и запущены в серийное производство, КОНДЕНСАТОРНЫЕ УСТАНОВКИ (КРМ1-6,3…10,5 КВ 100…10 000 КВАР) СРЕДНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ СО СТУПЕНЧАТЫМ РЕГУЛИРОВАНИЕМ РЕАКТИВНОЙ МОЩНОСТИ.

Это достойная замена синхронным компенсаторам реактивной мощности. Линейка производимых установок КРМ1 перекрывает мощности от 100 кВАр до 10 МВАр и выше. Регулируемые высоковольтные конденсаторные установки КРМ1 выпускаются с шагом 50..100..150..200..300..450 кВАр на базе вакуумных контакторов последнего поколения и трехфазных конденсаторов, имеющих удельные потери от 0,5 до 1 Вт на 1 кВАр компенсируемой мощности. Производимые компанией "Матик Электро" регулируемые и статические конденсаторные установки среднего напряжения на 6,3 и 10,5 кВ выпускаются на различные мощности и в разных климатических исполнениях, в том числе и исполнения ХЛ1 в утепленных "сэндвич" блок-контейнерах для условий Крайнего Севера.

Для правильного выбора необходимой заказчику установки на сайте www.matic.ru есть опросный лист, позволяющий наиболее полно определить требования заказчика и учесть их в производимом изделии. Для расчета стоимости конденсаторной установки необходимо предоставить следующие данные:

1. Мощность высоковольтной регулируемой конденсаторной установки, кВАр;
2. Шаг регулирования конденсаторной установки, кВАр;
3. Тип вводного разъединителя;
4. Климатическое исполнение;
5. Дополнительные условия.

Нерегулируемые конденсаторные установки представляют собой модульную конструкцию, состоящую из конденсаторных ячеек, в которых расположены батареи конденсаторов на заданную реактивную мощность, защищающие предохранители с индикацией срабатывания, и вводной ячейки, в которой находятся трансформаторы тока, амперметры, показывающие суммарный ток всех конденсаторных батарей, автоматика защиты, сигнализирующая о превышении конденсаторами заданного максимального тока, схемы блокировки коммутационных элементов и дверей, обеспечивающие безопасность обслуживания. По желанию заказчика установка оборудуется разъединителем.

Достоинства по сравнению с УКЛ 56, УКЛ 57

1. Использование трехфазных, а не однофазных конденсаторов — уменьшение в 3 раза количества болтовых соединений.
2. Конденсаторы со встроенными предохранителями и разрядными резисторами.
3. Усиленные крепления для опорных изоляторов и трансформаторов тока.
4. Медная ошиновка и использование специальных контактных зубчатых шайб вместо гроверов для предотвращения ослабления шинных соединений.
5. Прокладка всех вторичных соединений в гофрокоробах — надежная изоляция от главных цепей.
6. Порошковая окраска корпуса.
7. Компактные габариты.

Регулируемая конденсаторная установка КРМ1 позволяет в реальном масштабе времени, изменяя величину вносимой реактивной мощности, гибко подстраиваться под изменения нагрузки у потребителя. Регулирование происходит ступенчато включением/отключением вакуумных контакторов. Суммарная мощность такой установки выбирается из условия поддержания заданного cos(f) в режиме максимального потребления реактивной мощности. Эти установки могут работать как в ручном, так и автоматическом режиме.

Управление ступенями конденсаторной установки производится микропроцессорным контроллером DCRJ производства итальянской компании "Lovato". В дополнение к суммарному току конденсаторов, установка с данным регулятором позволяет индицировать ток нагрузки, напряжение на нагрузке, величину реактивной мощности в кВАр, необходимую для выхода на заданный cos(f), напряжения и токи гармонических составляющих, величину перегрузки конденсаторов по току, температуру внутри установки и другие параметры. Кроме этого имеется ряд программируемых установок, выход за пределы которых вызывает подачу сигнала тревоги или отключение на заданное время ступеней регулирования. Установки запрограммированы на запоминание на время до 10 суток всех событий, связанным с выходом параметров за установленные значения. При наличии на предприятии нескольких установок с регуляторами DCRJ как низкого, так и среднего напряжения, они могут быть объединены в сеть, позволяющую на расстоянии до 1200 м контролировать и управлять установками. Информация для контроллера DCRJ поступает от трансформатора напряжения, расположенного во вводной ячейке и подключенного к подводимому напряжению, и от трансформатора тока, расположенного на линии нагрузки до точки подключения конденсаторной установки. Для измерения и индицирования суммарного тока всех подключенных конденсаторов во вводной ячейке располагают трансформаторы тока и амперметры.

Регулятор DCRJ вычисляет перегрузку конденсаторов по току, анализируя нелинейные искажения кривой напряжения. При необходимости программное определение перегрузки может дополняться аппаратным. Для этого в каждую конденсаторную ячейку устанавливаются трансформаторы тока, выходы которых замыкаются на входы токового реле. Указанное реле при перегрузке срабатывает, выдавая соответствующий сигнал.

В качестве емкостных накопителей в высоковольтных установках применяются сухие конденсаторы высоковольтные косинусные (фазовые), аналоги конденсаторов КЭК1, КЭК2, диэлектриком в которых служит полипропиленовая пленка, пропитанная специальной диэлектрической жидкостью ФКЭ. Благодаря пропитке повышается стабильность электрических характеристик и возрастает на 20% электрическая прочность изоляции. Фенил ксилил этан — конденсаторная жидкость для использования в качестве диэлектрика в электроконденсаторах. Высоковольтные косинусные конденсаторы производятся на базе металлизированной пленки (all film dielectric) и заполняются экологически безопасным импрегнатом, не содержащим фенолов. В отличие от старой технологии производства конденсаторов для компенсации реактивной мощности, новый импрегнат безопасен для людей и разлагается в природе на составляющие вещества за неделю. Конденсаторы имеют встроенные разрядные высоковольтные резисторы, снижающие напряжение на конденсаторе после его отключения до напряжения не выше 75 В за 10 минут. Конденсаторы позволяют решать все виды задач по компенсации реактивной мощности в сетях среднего напряжения.

Регулируемые конденсаторные установки в стандартном исполнении оборудуются токоограничивающими высоковольтными воздушными реакторами, которые в момент коммутации уменьшают ток, проходящий через конденсатор, до допустимых величин.

Если нелинейная нагрузка по мощности превышает 15% от общей, то для предотвращения перегрузки конденсаторов током гармоник применяются специальные фильтрующие дроссели, которые ограничивают протекание через конденсатор токов высших гармоник. Эти дроссели являются сухими и выполненяются на магнитопроводе из электротехнической стали с немагнитным зазором. В каждом дросселе устанавливается датчик температуры, размыкающий свои контакты при превышении температуры обмотки 110 ?С. Следует отметить, что падение напряжения на дросселе складывается с напряжением на конденсаторе, а суммарная реактивная мощность цепи равна реактивной мощности конденсатора за вычетом реактивной мощности дросселя. Поэтому при применении фильтрующих дросселей для получения заданной реактивной мощности применяются конденсаторы с увеличенным номинальным напряжением и мощностью. Кроме того, для выбора номинала дросселя или, другими словами, резонансной частоты системы дроссель-конденсатор, надо знать гармонический состав токов нагрузки. В противном случае применение фильтрующего дросселя может увеличить уровень токов гармоник. Особенно это относится к третьей и пятой гармоникам. Поэтому рекомендуется предварительно проводить замеры качества электросети по ГОСТ 13109-97. Выездные замеры параметров электросети можно организовать как с помощью специалиста компании "Матик-электро", так и самостоятельно, что выполняется с помощью универсального измерителя параметров сети DMK, позволяющего измерять и записывать во внутреннюю память напряжения, токи, гармоники и.т.д.

Большое значение для нормальной работы автоматической конденсаторной установки имеет правильный выбор силового выключателя. Силовой выключатель по специфике своей работы должен выдерживать не менее двукратного линейного напряжения, действующего в системе. В настоящее время наиболее широко коммутация конденсаторов осуществляется быстродействующими вакуумными выключателями. Высокое быстродействие вакуумных выключателей определяется тем, что за счет высокой электрической прочности межконтактного промежутка в вакууме при номинальном напряжении 10 кВ ходконтактов составляет всего 5-10 мм при массе подвижного контакта 0,3 — 0,7 кг. При размыкании индуктивной нагрузки вакуумными выключателями возникающая электрическая дуга гаснет задолго до перехода тока через нулевое значение. Это является достоинством непосредственно вакуумных выключателей, увеличивающим их коммутационный ресурс. В применяемых вакуумных выключателях используются электроды из композитных материалов, имеющих высокое давление пара, что, снижая величину вакуума в момент коммутации, также снижает ток среза дуги. Возможно уменьшение скорости изменения тока коммутации применением RС-цепочек, шунтирующих контакты выключателя.

Защита косинусных конденсаторов от токовых перегрузок осуществляется высоковольтными токоограничивающими предохранителями с мелкозернистым наполнителем. Обычно таким наполнителем является кварцевый песок. Дуга в таких предохранителях гасится благодаря ее активной деионизации, возникающей в узких щелях между гранулами наполнителя.

В установках предусмотрена возможность внутреннего освещения встроенными лампами или входящим в комплект поставки аккумуляторным фонарем. В соответствии с требованиями ПУЭ предусмотрена комбинированная блокировка дверей и разъединителя электрическими и механическими замками, концевыми выключателями. При необходимости установки оборудуются вентиляторами, внутренними нагревателями, поддерживающими в условиях холодного климата положительную температуру внутри установки. Степень защиты оболочки выбирается по требованию потребителя. При отсутствии особых требований степень защиты IP20.

В зависимости от единичной мощности переключаемых конденсаторов и обеспечения удобства обслуживания управляемая конденсаторная ячейка может состоять из одного, двух или трех отсеков, каждый из которых представляет отдельный шкаф. Например, в первом отсеке располагаются вакуумный контактор с высоковольтными предохранителями, во втором дроссель с разъединителем и короткозамыкателем, а в третьем непосредственно конденсатор или батарея конденсаторов. Все ячейки оборудованы смотровыми окнами.

Все потребители, за редким исключением, работают в условиях ограничения потребления электрической мощности в пределах заданных лимитов, при превышении которых плата за электроэнергию или резко возрастает, или наступают штрафные санкции. В настоящее время компанией разрабатывается программа, позволяющая при превышении суммарной полной или активной мощности распределенных потребителей одного предприятия (до 30 потребителей), в автоматическом режиме выдавать сигналы, которые позволяют управлять режимами работы наиболее мощных потребителей.