Baterie kondensatorów

Podział i budowa kondensatorów elektroenergetycznych.

      Kondensatory znajdują w elektroenergetyce szerokie zastosowanie. Są one używane do:

— poprawy współczynnika mocy,

— kompensacji reaktancji linii elektroenergetycznych i regulacji napięcia,

— kompensacji indywidualnej mocy biernej biegu jałowego transformatorów i silników,

— układów filtrów wyższych harmonicznych w sieciach prądu przemiennego i filtrów wygładzających

    dla napięcia stałego,

— sprzęgania urządzeń łączności w.cz. z liniami przesyłowymi.

      Kondensatory elektroenergetyczne można podzielić:

a) ze względu na rodzaj napięcia na:

— na napięcie przemienne,

— na napięcie stałe i pulsujące,

— zwiększonej częstotliwości,

— impulsowe;

b) ze względu na wysokość napięcia na:

— niskonapięciowe,

— wysokonapięciowe;

c) ze względu na budowę:

— z wszystkimi zaciskami izolowanymi,

— z jednym zaciskiem połączonym z obudową;

d) ze względu na liczbę faz:

— jednofazowe,

— trójfazowe.

      Kondensatory wykonuje się z tak zwanych zwijek. Zwijka, zwana również elementem kondensatorowym, składa się z nawiniętego zespołu okładzin i warstw dielektryka (Rys. 8).

Rys.8. Budowa zwijki kondensatorowej

Oznaczenia: 1 - dielektryk, 2 - okładziny z folii aluminiowej, 3 - doprowadzenia prądowe

      W kondensatorach znajduje się pewna ilość zwijek, połączonych ze sobą równolegle i szeregowo w zależności od napięcia znamionowego i mocy danej jednostki (Rys. 9).

Rys. 9. Układ połączeń wewnętrznych kondensatorów elektroenergetycznych

Oznaczenia: a) kondensator na napięcie ponad 1 kV, b) kondensator na napięcie do 1 kV, c) kondensator z dwoma biegunami izolowanymi, d) kondensator z jednym biegunem izolowanym.

      Współcześnie budowane kondensatory elektroenergetyczne charakteryzują się bardzo dobrymi wskaźnikami masy i strat mocy na 1 kvar, wynoszącymi odpowiednio ok. 0,l kg/kvar i 0,1 W/kvar. 

      Uzyskane to zostało dzięki postępowi w technologii materiałów, eliminowaniu papieru na rzecz niskostratnych tworzyw sztucznych oraz wprowadzaniu biodegradalnych syciw izolacyjnych. W kondensatorach niskonapięciowych preferowana jest budowa o tzw. izolacji suchej, bez stosowania syciwa.

      Okładziny współczesnych kondensatorów są wykonywane w formie warstwy metalizacji o grubości poniżej 1 μm umieszczonej na dielektryku. Ma to zaletę nie tylko ze względu na mniejsze wymiary i masę jednostki, ale też przede wszystkim pozwala na otrzymanie efektu samoregeneracji izolacji kondensatora po przebiciu. Zjawisko samoregeneracji polega na tym, że wokół miejsca przebicia dielektryka następuje wytopienie się warstwy metalizacji powodując odstęp izolacyjny umożliwiający dalszą pracę zwijki.

Wielkości znamionowe kondensatorów.

      Podstawowe wielkości charakteryzujące kondensatory to pojemność i napięcie znamionowe. Kondensatory są produkowane na ogół na napięcia znamionowe od 220 V do 20 kV i o pojemności odpowiadającej mocy znamionowej jednostek 10÷150 kvar. W zależności od napięcia sieci i wymaganej mocy, baterie kondensatorów składają się z pewnej liczby jednostek połączonych ze sobą równolegle lub szeregowo-równolegle.

      Pojemność kondensatorów zmienia się w zależności od temperatury i od dielektryka zastosowanego przy budowie zwijek. Zależność ta chociaż jest stosunkowo niewielka i wynosi zwykle około 0,1% na 1°C, powinna być uwzględniana w niektórych przypadkach, np. może wpływać na czułość działania niektórych zabezpieczeń.

      Dla kondensatorów prądu przemiennego, przeznaczonych do kompensacji mocy biernej, podaje się w katalogach wartość ich znamionowej mocy biernej Q_n:

przy czym:

C_n – znamionowa pojemność jednostki,

U_n – napięcie znamionowe,

 ω – znamionowa wartość pulsacji.

      Kondensatory niskonapięciowe przeznaczone do kompensacji mocy biernej są produkowane w wersji jednofazowej lub trójfazowej, o wewnętrznym połączeniu w trójkąt, w jednostkach o mocy l0÷100 kvar. Kondensatory niskonapięciowe są zazwyczaj produkowane w trzech grupach napięciowych: 220÷300 V, 400÷500 V i 525÷600 V. Zwijki kondensatorów należących do danej grupy napięciowej są wykonane na to samo napięcie, natomiast napięcia znamionowe jednostek mogą być różne i wynoszą np. 230 V, 380 V, 400 V, 460 V, 525 V. Ma to istotny wpływ na podawaną przez wytwórcę moc znamionową jednostki. Produkowane są też czasem jednostki na wyższe napięcia, np. 690 V o zwijkach 1 kV.

      Kondensatory dla sieci o napięciu ponad 1 kV wykonuje się jako jednofazowe na napięcia znamionowe równe 1,05 napięcia fazowego sieci. Na przykład, kondensatory o napięciu znamionowym 3,64 kV są przeznaczone dla sieci 6 kV, 9,09 kV dla sieci 15 kV itd. Kondensatory takie są przeznaczone do łączenia w baterie w układzie gwiazdowym.

      Wartości znamionowe mocy kondensatorów mają głównie znaczenie katalogowe. Rzeczywiste wartości mocy jednostek mogą różnić się od katalogowych na skutek ujemnej lub dodatniej tolerancji dopuszczanej przy produkcji zwijek i ich montażu w zespoły o odpowie­dniej pojemności. Dlatego też na tabliczkach znamionowych kondensatorów powinny być podawane rzeczywiste zmierzone wartości pojemności danych jednostek oraz obliczone stąd wartości mocy lub energii przy napięciu znamionowym i znamionowej częstotliwości. Różnice pojemności poszczególnych jednostek należących do tej samej wielkości katalogowej mogą mieć znaczenie przy budowie baterii złożonych z wielu jednostek, np. przy doborze wielkości rozruchowych zabezpieczeń.

      Podawana na tabliczce znamionowej wartość prądu znamionowego I_n jest wartością obliczoną dla rzeczywistej pojemności danej jednostki przy zasilaniu napięciem znamionowym:

I_n= U_n∙ C ∙ ω

      Na tabliczce znamionowej kondensatora musi być podana znamionowa częstotliwość, ewentualnie uzupełniona o dopuszczalną zawartość wyższych harmonicznych. Ważną informacją podawaną na tabliczkach znamionowych kondensatorów jest rodzaj izolacji. Większość kondensatorów elektroenergetycznych jest wykonywana z izolacją foliową lub papierową impregnowaną syciwem dielektrycznym, które w nielicznych przypadkach może mieć charakter toksyczny. Dotyczy to kondensatorów wyprodukowanych z użyciem chlorowanych dwufenyli PCB, obecnie rzadko spotykanych.

Zastosowanie kondensatorów do kompensacji mocy biernej.

      Kondensatory do kompensacji mocy biernej mają za zadanie poprawę współczynnika mocy w danym punkcie sieci do wartości wymaganej przez dostawcę energii. Baterie kondensatorów mogą być przy tym, w zależności od kryteriów ekonomicznych, instalowane centralnie, grupowo lub indywidualnie przy odbiorach (Rys. 11).

Rys. 11. Rodzaje kompensacji mocy biernej przy pomocy kondensatorów:

1 – indywidualna, 2 – grupowa, 3a – centralna po stronie SN, 3b – centralna po stronie nn.

      Wymagana moc baterii kondensatorów dla poprawy współczynnika może być obliczona ze wzoru:

przy czym P oznacza wartość mocy czynnej pobieranej w danym miejscu sieci.

      Jeżeli kondensatory mają być rozmieszczone grupowo w kilku miejscach w układzie promieniowym, odpowiedni podział baterii może być dokonany na podstawie analizy techniczno-ekonomicznej.

      Przy kompensacji indywidualnej, kondensatory dobiera się indywidualnie do odbiorników. Stopień kompensacji mocy biernej, tj. stosunek mocy biernej baterii kondensatorów do mocy biernej indukcyjnej danego odbiornika powinien być mniejszy od jedności, aby nie dopuścić do przekompensowania i związanego z tym wzrostu napięcia na zaciskach odbiornika. Ma to szczególne znaczenie przy kompensacji indywidualnej silników indukcyjnych, ze względu na możliwość wystąpienia szkodliwego zjawiska samowzbudzenia silnika.

      Kompensację indywidualną stosuje się niekiedy dla kompensacji mocy biegu jałowego transformatorów. Indywidualne kondensatory kompensacyjne są powszechnie instalowane w oprawach lamp wyładowczych.

      Przy indywidualnej kompensacji transformatorów, które przez dłuższe okresy czasu pracują w warunkach zbliżonych do stanu jałowego, należy dobrać moc kondensatora mniej więcej równą poborowi mocy biernej przy stanie jałowym transformatora, jednak moc baterii nie powinna na ogół przekraczać 10 - 12% mocy znamionowej transformatora.

      Pojemnościowe obciążenie transformatora wywołuje wzrost napięcia na transformatorze i zniekształcenie krzywej napięcia, co powoduje zwiększenie strat w żelazie rdzenia i może wywołać jego przegrzanie przy dłuższej pracy z obciążeniem pojemnościowym.

      Oprócz poprawy współczynnika mocy kondensatory elektroenergetyczne są stosowane do:

— regulacji napięcia,

— regulacji przepływu mocy w systemie,

— poprawy równowagi statycznej i dynamicznej systemu elektroenergetycznego,

— tłumienia oscylacji i filtracji wyższych harmonicznych.

      W zależności od sposobu przyłączenia do sieci kondensatory elektroenergetyczne dzieli się na równoległe i szeregowe.

      W elektroenergetyce kondensatory znajdują również następujące zastosowanie:

— w obwodach pieców indukcyjnych o podwyższonej częstotliwości, jako elementy zasilacza

    w.cz. i do kompensacji mocy biernej pieców (tzw. kondensatory plecowe),

— do rozruchu i zasilania jednofazowych silników indukcyjnych (kondensatory silnikowe),

— w urządzeniach tzw. częstotliwości nośnej (kondensatory sprzęgające),

— w pojemnościowych dzielnikach napięcia,

— do kompensacji mocy biernej lamp wyładowczych (kondensatory lampowe).

      Budowa i parametry poszczególnych rodzajów kondensatorów mogą różnić się w sposób bardzo znaczny w zależności od ich przeznaczenia.

      Kompensacja mocy biernej, szczególnie w odniesieniu do zmiennych obciążeń, może być realizowana przy pomocy tzw. statycznych kompensatorów mocy biernej, pozwalających na regulację mocy kompensatora bez użycia łączników w oparciu o układy energoelektroniczne, głównie sterowniki tyrystorowe.

      Zadaniem kondensatorów jest dostarczenie do systemu w danym miejscu odpowiedniej mocy biernej pojemnościowej, tj. kompensacja mocy biernej indukcyjnej. Podobne zadanie w odniesieniu do mocy biernej indukcyjnej mogą spełniać elektroenergetyczne dławiki kompensacyjne. W ogólnym przypadku układy złożone z kondensatorów i dławików noszą nazwę kompensatorów statycznych mocy biernej.

       Układ może zawierać nieregulowaną, tzw. stałą baterię kondensatorów FC, baterię regulowaną przy użyciu sterowników tyrystorowych TSC, dławiki łączone tyrystorowo nieregulowane TSR, dławiki regulowane tyrystorowo TCR (Rys. 12).

Rys. 12. Układy kompensatorów statycznych.

      Następujące układy są najbardziej rozpowszechnione:

- układ kondensatorów włączonych na stałe i sterowanych tyrystorowo dławików FC/TCR,

- układ kondensatorów i dławików załączanych tyrystorami TSC/TSR,

- układ kondensatorów załączanych tyrystorami i sterowanych dławików TSC/TCR.

      Układy TSC/TCR umożliwiają płynną regulację mocy biernej pojemnościowej, stanowiąc układ tzw. kompensacji nadążnej.

Zabezpieczenia baterii kondensatorów.

      Baterie kondensatorów i urządzenia z nimi połączone zabezpiecza się przed skutkami następujących zakłóceń:

- zwarć powstałych na zewnątrz kondensatorów (tzw. zwarć zewnętrznych),

- zwarć i uszkodzeń wewnątrz kondensatorów,

- przeciążeń prądowych.

      Prócz tego stosuje się niekiedy zabezpieczenia:

1) od wzrostu napięcia na zaciskach kondensatorów ponad wartość dopuszczalną,

2) od podwyższenia się temperatury otaczającego powietrza ponad wartość dopuszczalną.

      Zabezpieczenie od skutków uszkodzeń zewnętrznych wykonuje się za pomocą bezpieczników bądź przekaźników działających na włącznik baterii.

      Bezpieczniki chroniące całą baterię nazywane są bezpiecznikami głównymi, natomiast w przypadkach stosowania większej mocy baterii, gdzie całość podzielona jest na odrębne grupy, zabezpieczenie takie nazywane jest grupowym.

      W bateriach o napięciu do 1 kV, dopuszczalne jest stosowanie wspólnego zabezpieczenia, pod warunkiem, że liczba jednostek nie przekracza pięciu, a prąd znamionowy nie przekracza 100 A. Przy wartościach większych, zawsze stosuje się zabezpieczenia grupowe, natomiast całą baterię zabezpiecza się wówczas wyłącznikiem samoczynnym.

      Prąd znamionowy wkładki bezpiecznikowej o działaniu szybkim powinien być równy 2÷3 krotnej wartości prądu znamionowego zabezpieczonej grupy.

      Przekaźniki i wyzwalacze winny być nastawione na następujące wartości:

— wyzwalacze:

    przy t = 0,5 s   -  I ≥ (5 ÷ 10) I_n

    przy t ≥ 0,5 s   -  I ≥ (1,4 ÷ 1,5) I_n

— przekaźniki:

    przy t = 0,2 s   -  I ≥ 2,5 I_n

    przy t = 0,5 s   -  I ≥ 1,5 I_n

gdzie:

 t – zwłoka czasowa zabezpieczeń,

 I – prąd nastawienia,

I_n – prąd znamionowy baterii.

      Uszkodzenia wewnętrzne, występujące w kondensatorach, stanowią najczęściej przebicia wewnątrz zwijek, przebicia do obudowy oraz zwarcia i przerwy przewodów doprowadzających wewnątrz kondensatorów. Przy zwarciu wewnętrznym może nastąpić szybki rozkład syciwa i wydzielanie się gazów, powodujące wybrzuszenie ścianek obudowy, a nawet, w niektórych przypadkach, rozerwanie kondensatora.

      Jednostki niskonapięciowe (poniżej 1 kV posiadają zabezpieczenie wewnętrzne działające w przypadku uszkodzenia poszczególnych zwijek oraz zabezpieczenie bezpiecznikami zewnętrznymi chroniącymi kondensator przed rozerwaniem kadzi.

      Kondensatory wysokonapięciowe (powyżej 1 kV) z uwagi na brak bezpieczników wewnętrznych w jednostkach kondensatorowych zabezpieczone są tylko zewnętrznym systemem zabezpieczeń.

      Jako zasadę typowych rozwiązań zabezpieczeń baterii kondensatorów powyżej 1 kV od skutków zwarć zewnętrznych spotyka się następujące rozwiązania:

— baterie małej mocy zabezpiecza się bezpiecznikami głównymi współpracującymi z łącznikami,

— baterie średniej mocy zabezpiecza się przekaźnikami nadmiarowo-prądowymi zwłocznymi.

Rys. 13. Układ zabezpieczenia różnicowego baterii kondensatorów

Oznaczenia: 1 - przekaźnik nadprądowy różnicowy, 2 - przekaźnik prądowy

      Jako zabezpieczenie od zwarć i uszkodzeń wewnętrznych baterii wielkiej mocy można stosować w bateriach na napięcia powyżej 1 kV dwa rodzaje zabezpieczeń: zabezpieczenie różnicowe w układzie podwójnej gwiazdy lub zabezpieczenie nadnapięciowe w układzie pojedynczej gwiazdy.

Wpływ napięcia i temperatury na pracę kondensatorów

      Kondensatory elektroenergetyczne są szczególnie wrażliwe na wzrost napięcia i na wzrost temperatury izolacji wewnętrznej. Dopuszczalny zakres wartości napięcia roboczego na zaciskach kondensatorów podaje wytwórca. Zazwyczaj dopuszcza się pracę kondensatorów przy napięciu nie przekraczającym 1,1 wartości napięcia znamionowego, które jest podane na tabliczce znamionowej kondensatora. Wzrost napięcia prowadzi do przebicia izolacji i uszkodzenia kondensatora w stosunkowo krótkim czasie.

      Nadmierny wzrost temperatury wewnątrz kondensatorów może być spowodowany nieodpowiednim odprowadzaniem ciepła (zakłóceniem warunków chłodzenia) lub zwiększonym wytwarzaniem się ciepła wskutek występowania wyższych harmonicznych. Prąd płynący przez kondensator jest wprost proporcjonalny do częstotliwości.

      Dla każdej z harmonicznych, występujących w napięciu sieci, prąd kondensatora będzie wynosić:

I_cn = U_n∙C∙ w  ∙ n

gdzie:

U_n – wartość napięcia n-tej harmonicznej występującej w napięciu sieci,

C – pojemność kondensatora,

w – pulsacja = 314 [1/s],

n – numer harmonicznej, tj. krotność jej częstotliwości w stosunku do częstotliwości

     technicznej 50 Hz.

      Przy napięciu odkształconym obciążenie kondensatora stanowi sumę prądu harmonicznej podstawowej 50 Hz i prądów wyższych harmonicznych. We współczesnych sieciach, na skutek dużej liczby i mocy zainstalowanych urządzeń energoelektronicznych, przekształtników, lamp wyładowczych itp. odbiorników powodujących odkształcenie prądu sieci, obserwuje się często znaczne odkształcenie napięcia, które zawiera głównie harmoniczne o numerach n = 5, 7 i 11.

      Wpływ harmonicznych na pracę kondensatorów musi być analizowany każdorazowo, jeżeli bateria ma być zainstalowana w pobliżu napędów o sterowaniu przekształtnikowym, pieców łukowych, dużych spawarek itp. urządzeń powodujących odkształcenie napięcia i prądu sieci. W przeciwnym razie baterii grozić może niebezpieczeństwo nadmiernego nagrzewania się izolacji wewnętrznej prowadzące do szybkiego spadku jej trwałości i przebicia kondensatorów. Analizę wpływu harmonicznych przeprowadza się w oparciu o pomiary zawartości harmonicznych w miejscu zainstalowania baterii.

      Niższe od znamionowego napięcie na zaciskach baterii powoduje, że moc bierna oddawana do sieci jest mniejsza niż to było przewidziane. Asymetria pojemności poszczególnych faz powoduje nierównomierne obciążenie mocą bierną i w konsekwencji prowadzi do asymetrii napięć w danej sieci.

      Dopuszcza się występowanie różnicy pojemności poszczególnych faz baterii wynoszące:

— 10% dla baterii połączonych w trójkąt,

— 5% dla baterii połączonych w gwiazdę,

Zasady eksploatacji.

      Program pracy baterii określa tryb działania baterii dla utrzymania wymaganego stopnia skompensowania poboru mocy biernej i niedopuszczenia do przekompensowania. Program podaje szczegółowo, kiedy i które człony baterii mają zostać włączane pod napięcie w zależności od pory dnia i pory roku. Program powinien być aktualizowany nie rzadziej niż raz w roku.

      Baterie do kompensacji indywidualnej, przyłączone na stałe do odbiorników mocy biernej nie wymagają opracowania programu pracy. Baterie te załączane i wyłączane są razem z urządzeniem i ich program pracy jest identyczny z programem pracy danego urządzenia. Dotyczy to głownie kondensatorów do indywidualnej kompensacji mocy biernej transformatorów lub silników asynchronicznych. Programu pracy nie wymagają też baterie sterowane automatycznie przez regulatory mocy biernej.

      Instrukcja ruchu i eksploatacji baterii kondensatorów powinna zawierać:

— ogólną charakterystykę techniczną baterii,

— czynności związane z uruchamianiem i obsługą w czasie normalnej pracy,

— czynności związane z wyłączaniem baterii,

— zasady postępowania w przypadku awarii, pożaru lub zakłóceń w pracy baterii,

— zakres i terminy zapisów ruchowych,

— zakres i terminy oględzin, przeglądów, prób, oraz kryteria ich oceny,

— zasady kontroli wskazań aparatury kontrolno-pomiarowej,

— wymagania dotyczące ochrony przed porażeniem,

— wymagania w zakresie konserwacji.

      Ocena stanu technicznego baterii kondensatorów powinna być przeprowadzana nie rzadziej niż raz na pięć lat.

      Raz w roku przeprowadza się oględziny baterii obejmujące:

— sprawdzenie stanu zewnętrznego kondensatorów, zwracając głównie uwagę na wycieki syciwa,

    stan izolatorów i odkształcenie (wybrzuszenie) obudowy,

— sprawdzenie stanu izolatorów i połączeń baterii,

— kontrola wyposażenia kontrolno-pomiarowego i wskazań mierników,

— sprawdzenie stanu urządzeń rozładowczych,

— sprawdzenie ochrony przeciwporażeniowej.

      Przeglądy baterii wykonuje się w terminach ustalonych zależnie od oceny stanu technicznego, na ogół jednak raz do roku.

      Przegląd baterii kondensatorów obejmuje:

— pełne oględziny,

— sprawdzenie stopnia nagrzania poszczególnych kondensatorów,

— kontrolę izolacji,

— pomiar napięcia zasilania,

— pomiar obciążenia prądowego poszczególnych faz baterii,

— sprawdzenie ciągłości obwodu rozładowania,

— sprawdzenie poprawności działania zabezpieczeń i automatyki,

— próby funkcjonowania łączników,

— czynności konserwacyjne.