Электрический конденсатор — это электротехническое устройство, которое состоит из двух (либо нескольких) обкладок, разделенных между собой диэлектриком. Главное свойство конденсатора — емкость (способность накапливать и удерживать на обкладках электрический заряд). Емкость конденсатора, главным образом, зависит от двух основных параметров: от геометрических размеров конденсатора (площадь обкладок и расстояние между ними) и от рода диэлектрика, разделяющего обкладки (диэлектрическая проницаемость вещества). Единицей измерения емкости является фарад, но на практике используется более мелкая единица — микрофарад (10–6 Ф). Конденсаторы большой емкости составляются из нескольких параллельно соединенных единичных конденсаторов, именуемых секциями. Конденсаторы высокого напряжения составляются из ряда последовательно (параллельно-последовательно) соединенных секций, которые называются банками [4].
Батареи статических конденсаторов (БСК) одно из средств компенсации реактивной мощности и повышения коэффициента мощности (cosϕ) в электрических сетях. Также применение БСК позволяет снизить потери в элементах системы электроснабжения и оптимизировать перетоки реактивной мощности.
К очевидным преимуществам БСК по сравнению с другими источниками реактивной мощности относятся:
– возможность применения на различных классах напряжения;
– малые потери активной мощности;
– достаточно долгий срок эксплуатации батарей;
– просты в эксплуатации (отсутствие механических вращающихся частей);
– небольшая собственная масса конденсаторных батарей, отсюда — простота изготовления, транспортировки и монтажа такого оборудования;
– возможность эксплуатации конденсаторных батарей на улице и в неотапливаемых помещениях.
Однако, в сетях с нелинейными нагрузками из-за повышенного содержания высших гармоник применение БСК, рассчитанных на синусоидальные токи и напряжения, вызывает технические трудности.
Конденсаторы в установках компенсации реактивной мощности в совокупности с индуктивными нагрузками способны образовывать колебательные контуры с параметрами, близкими к возникновению резонанса на одной из частот высших гармоник. Это приводит к значительному увеличению тока, протекающего через конденсаторы (этот ток превышает номинальный), что, в свою очередь, приводит к перегрузке конденсаторной батареи.
Перегрузки приводят к перегреву, снижающему сопротивление диэлектрика (уменьшению диэлектрической прочности изоляции между обкладками), и в свою очередь, приводящему к преждевременному старению и выходу из строя конденсатора. Так же при перегреве, вследствие нагрева диэлектрической жидкости (минеральное масло или синтетический диэлектрик), наблюдается газообразование (при выделении тепла). Появление газа в герметичном корпусе конденсатора создает избыточное давление, которое может привести к разгерметизации корпуса и утечке диэлектрика (рис. 1, 2).
Рис. 1. Разгерметизация корпуса БСК при перегрузке (верхняя часть бака)
Рис. 2. Разгерметизация корпуса БСК при перегрузке (нижняя часть бака)
Эти обстоятельства существенно сокращают срок службы БСК, а перенапряжения, возникающие при резонансе на элементах конденсаторной установки и нагрузки, могут привести к пробою изоляции.
Для устранения подобных проблем необходимо проводить анализ спектра тока потребляемой электроэнергии. При выявлении высших гармоник, сопоставимых с первой гармоникой, применяются фильтры, настроенные на частоту наиболее значительных гармоник.
Несмотря на то, что современные установки имеют защиту, способную отключить конденсаторы при превышении установленного порога гармоник, практика работы отечественных и зарубежных промышленных предприятий показывает, что батареи конденсаторов, подключенные к сетям с несинусоидальным напряжением при неправильном выборе, в ряде случаев быстро выходят из строя в результате вспучиваний и взрывов.
При подключении батареи конденсаторов к шинам подстанции, питающих дуговые печи, при любом значении емкости батареи всегда найдутся гармоники с тем спектром частот, при которых образуются резонансные контуры тока (или близкие к нему) между емкостью батареи конденсаторов и индуктивностью сети. Кроме того, изменение нагрузок, схемы коммутации сети, мощности короткого замыкания питающей энергосистемы, которые не всегда можно учесть при проектировании, также могут привести к возникновению резонансных или близких к ним условий на частоте одной из гармоник. Поэтому работу батарей конденсаторов в сетях с возможностью возникновения несинусоидального напряжения необходимо рассматривать с позиций взаимного влияния высших гармоник питающей сети и батарей конденсаторов.
Так как с увеличением номера гармоники емкостное сопротивление батареи конденсаторов уменьшается, то это приводит к протеканию через БК значительных токов резонирующих гармоник. Эти токи соизмеримы, а иногда и значительно превосходят ток первой гармоники. По требованиям ГОСТ перегрузки по току на конденсаторы допускаются до 30 % от их номинальных значений [1], а на практике за счет появления резонансных явлений перегрузка по току могут достигать 400–500 % от тока первой гармоники. В связи с этим, при проектировании установки батарей конденсаторов в сетях с источниками высших гармоник необходимо проверить расчетом, чтобы при выбранной мощности батареи в каком-либо режиме работы подстанции или системы электроснабжения не возникало ее перегрузок по току. Известно, что для батареи режим резонанса тока при высших гармониках порядка ниже 13 (v<13) недопустим. При более высоких частотах гармоник опасность перегрузки батарей по току снижается, так как электродвижущая сила (ЭДС) источников высших гармоник незначительна [2, 3].
Известно, что работа конденсаторных батарей зависит от напряжения на его зажимах. В нормальных режимах работы эквивалентное действующее значение напряжения на зажимах батареи конденсаторов незначительно отличается от напряжения промышленной частоты. Однако, если работа батареи осуществляется при повышенном по сравнению с номинальным напряжением даже в допустимых ГОСТ пределах (1,1Uном), но при наличии высших гармоник, то это приводит к быстрому разрушению диэлектрика конденсаторов и сокращению срока его службы. Поэтому при проектировании (установке) батарей конденсаторов в сетях с несинусоидальным напряжением необходимо исключить возможность перегрузок батарей как токами высших гармоник, так и повышение напряжения сети относительно номинального напряжения батареи.
Ранее с целью исключения возможности образования резонансных контуров между емкостью батарей конденсаторов и индуктивностью сети при проектировании батарей в сетях с несинусоидальным напряжением предусматривались защитные мероприятия. Например, одним из простейших и наиболее распространенным способом являлось последовательное включение реактора. Индуктивность реактора подбиралась таким образом, чтобы сопротивление ветви «реактор — батарея» было индуктивным. Но в этом случае подключение реактора последовательно с батарей приводит к повышению напряжения на зажимах батареи в сравнении с сетевым напряжением, и, следовательно, к повышению тока промышленной частоты в цепи батареи.
Коэффициенты повышения напряжения au и тока аi определяются:
,
где νн — номер гармоники самого низкого порядка, по которой рассчитывается реактор.
Так, например, при номере гармоники νн = 5 напряжение на зажимах батарей конденсаторов будет практически на 4,5 % выше напряжения на шинах и может превышать номинальное напряжение батареи.
В сетях промышленных предприятий напряжением выше 1000 В с повышенным уровнем высших гармоник батареи конденсаторов используются как элементы фильтров с резонансной настройкой. При этом решаются одновременно задачи компенсации реактивной мощности и минимизации влияния высших гармоник.
Кроме возможности возникновения резонансов на частотах высших гармоник, перегрузки и превышения питающего напряжения в цепях с нелинейной нагрузкой могут наблюдаться и другие виды отказов конденсаторных батарей.
Высшие гармоники тока и напряжения вызывают дополнительные потери активной мощности в конденсаторных батареях так как так как емкостное сопротивление БСК зависит от частоты (с повышением частоты подводимого напряжения оно уменьшается).
Короткое замыкание компонентов конденсатора происходит из-за пробоев отдельных емкостей. Короткое замыкание — это внутреннее или внешнее замыкание между компонентами конденсатора, находящимися под напряжением. Короткое замыкание может происходить между фазами, или между фазой и нейтралью, в зависимости от того, как соединены емкости,треугольником,илизвездой, вследствие чего возникает избыточное давление, приводящее к тем же последствиям что и при перегрузке (рис. 3). Самым распространенным видом короткого замыкания является двухфазное.
Рис. 3. Разгерметизация корпуса БСК при коротком замыкании
Каркасный отказ — это внутреннее замыкание между компонентами конденсатора, находящими под напряжением, и каркасом, созданное металлическим корпусом. Как и в случае перегрузки и внутреннего короткого замыкания, происходит появление газа в герметичном корпусе конденсатора, которое может привести к разгерметизации корпуса и утечке диэлектрика.
Литература:
- ГОСТ IEC 61071–2014. Конденсаторы силовые электронные.
- Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И. В. Жежеленко — М.: Энергоатомиздат, 2000–331 с.
- Основы теории цепей. Учебник для вузов. / Под ред. Г. В. Зевеке. — М.: Энергия, 1975. — 753 с.
- Тихончук Д. А. Коммутация батареи статических конденсаторов высокого напряжения выключателем с одним приводом: дис. канд. тех. наук: 05.09.03 / Тихончук Дмитрий Александрович. — Уфа, 2014. — 232 с.
