Статические конденсаторы: Статические конденсаторы — принцип действия, назначение и применение

Статические конденсаторы — принцип действия, назначение и применение

Компенсатор реактивной мощности

Электрическая сеть централизованного электроснабжения основана на генерации электрической энергии с переменными напряжениями и токами. Используемые в науке и технике теории для количественных и качественных оценок процессов в этой электрической сети рассматривают электрическую мощность как сумму активной и реактивной составляющих. Эти составляющие электрической мощности существуют потому, что потребовалось разделить работу, выполняемую теми или иными подключенными к сети устройствами на две составляющие — полезную и бесполезную.

Например, конденсатор, который подключен к электросети, никакой полезной работы не выполняет. Аналогично не выполняет никакой полезной работы и ненагруженный трансформатор. Но, тем не менее, напряжение на их клеммах есть, токи через них протекают, следовательно, существует и соответствующая электрическая мощность. В связи с тем, что индуктивность и ёмкость вызывают смещение во времени напряжения и тока относительно друг друга, применяются специальные устройства для уменьшения этого смещения.

Они называются компенсаторами реактивной мощности. Их использование увеличивает коэффициент полезного действия системы централизованного электроснабжения. Статические конденсаторы являются эффективной разновидностью компенсаторов реактивной мощности. Они могут быть легко соединены друг с другом для увеличения ёмкости наилучшим образом соответствующей решаемой задаче. Отсутствие в них перемещающихся и вращающихся деталей обеспечивают простое обслуживание и продолжительную работу.

Особенности конструкции и использования

Для компенсации реактивной мощность необходима ёмкость существенно большая, чем технически осуществимая в одном конденсаторе. Поэтому последние соединяют в группы, называемые конденсаторными батареями. Таких групп делается несколько. Это обеспечивает ступенчатое регулирование реактивной мощности. Для эффективной работы конденсатора из-за проблем получения большой единичной ёмкости рабочие напряжения должны быть по как можно больше, а рабочие токи – как можно меньше. Реактивная мощность статического конденсатора определяется формулой:

Наиболее часто в конденсаторах для работы в диапазоне напряжений от 3,6 до 10 кВ для обкладок используется алюминиевая фольга с прокладками, пропитанными трансформаторным маслом или иным жидким диэлектриком. Такие конденсаторы имеют трёхфазную конструкцию. Наиболее эффективным местом расположения конденсаторных батарей являются распределительные подстанции. На них эти батареи устанавливаются и на низкой стороне для напряжений от 220 – 500 В.

Но здесь обычно применяются конденсаторы в однофазном исполнении. Конструктивно они разделяются для наружного и внутреннего расположения. Существуют также мобильные конденсаторные батареи. Их можно использовать по месту, где их работа оказывается наиболее эффективной.

Ещё одним назначением конденсаторных батарей является так называемая продольная компенсация в линиях электропередачи. Поскольку они обладают индуктивностью, подключение к ним конденсаторных батарей уменьшает реактивную составляющую их импеданса. Это позволяет эффективно воздействовать на падение напряжения в линиях электропередачи и получать реактивную составляющую импеданса по величине близкой к нулю.

Однако применение продольной компенсации оправдано не только на линиях электропередачи, но и на промышленных предприятиях. Устанавливая такие батареи отдельно для каждой фазы, и коммутируя избирательно каждую из них, появляется возможность влиять на фазные напряжения. Для этого применяется схема, показанная на изображении ниже:

Поскольку в такой схеме при коротких замыканиях возникают перенапряжения, для защиты конденсаторов применяется разрядник. Резистор в схеме имеет сопротивление от 0,3 до 0,7 Ом, а цепь с разрядником, резистором и катушкой контактора рассчитывается на токи в пределах от 50 до 100 А. При перенапряжении на разряднике появится вольтова дуга. Контактор сработает и зашунтирует конденсаторы. Трансформатор напряжения в схеме является измерительным и одновременно обеспечивает разряд конденсаторов.

Применение установок продольной компенсации позволяет пропускать через линии электропередачи большее количество электрической энергии примерно в 1,3 – 1,5 раз. А потери активной мощности при этом уменьшаются почти на 10%.

Несмотря на затраты такие конденсаторные батареи для внутренней установки окупаются в течение двух – трёх лет.

Добавить отзыв

Батареи Статических Конденсаторов (БСК)

Источники реактивной мощности это практически все электродвигатели, как большие, так и маленькие (например, вентилятор в компьютерном блоке). Более сложными устройствами-источниками реактивной мощности являются нелинейные элементы — например, полупроводниковые устройства (регуляторы, выпрямители, импульсные блоки питания и др.), которые широко применяются в современных электроустановках потребителей.

В большинстве электроустановок потребителей генерируется значительная индуктивная реактивная мощность. Это относится как к промышленным предприятиям, так и офисным и бытовым центрам нагрузки.

Реактивная мощность не только бесполезно отнимает часть энергии, произведённой генераторами в сети. С ростом индуктивной мощности происходит снижение напряжения на шинах подстанций потребителей электроэнергии. А особенностью современных полупроводниковых регуляторов является то, что со снижением напряжения, они начинают потреблять больший ток. Что в свою очередь приводит к ещё большему росту реактивной мощности. Это может вести к каскадной аварии — так называемой лавины напряжения. Когда снижение напряжения во внешней сети (например, в результате ремонта или аварии) ведёт к взрывному росту реактивной нагрузки у потребителя и к аварийному снижению напряжения в сети.

Поэтому, компенсация реактивной мощности это не только средство повысить эффективность работы оборудования, качество электрической энергии, но и средство обеспечить надёжность электроснабжения.

Поскольку большая часть электроустановок потребителей генерирует индуктивную мощность, её можно компенсировать при помощи специальных конденсаторных установок — батарей статических конденсаторов (БСК). Электрически БСК представляет собой конденсатор, чья мощность примерно равна эквивалентной индуктивной мощности электроустановки потребителя. БСК компенсирует снижение напряжения на шинах и увеличивает коэффициент мощности.

Батарея статических конденсаторов (шунтовая конденсаторная батарея) – электроустановка, состоящая из конденсаторов, вспомогательного электрооборудования и ошиновки, предназначенная для компенсации реактивной мощности и повышения напряжения. БСК устанавливаются в электрических сетях переменного тока напряжением 0,4 – 500 кВ.

Принцип работы и область применения БСК

Несмотря на простоту принципа действия, БСК является технически сложной системой.

Во-первых, потребление и генерация реактивной мощности отличается в разных режимах сети. В некоторых случаях БСК может быть неуправляемой, а в некоторых требуется осуществлять переключения внутри батареи, изменяя её мощность (управляемая БСК).

Во-вторых, в зависимости от режимов работы БСК должна быть рассчитана на разный уровень токов. Поэтому выбор параметров БСК и характеристик её регулирования должен базироваться на исследовании существующей сети и проектной проработке (расчётах).

В третьих, электрическое сопротивление конденсатора уменьшается с ростом частоты тока, поэтому через батарею могут протекать значительные токи высокой частоты. В четвёртых, как было сказано выше, конденсатор накапливает в себе электрический заряд. При возмущениях в сети (коммутациях, коротких замыканиях) конденсатор возвращает эту энергию в сеть, что может приводить к броскам токов и перенапряжениям, которые опасны для электроустановок. Всё это требует включения в состав БСК демпфирующих реакторов, предупреждающих эти явления. Параметры демпфирующих реакторов должны выбираться на основе расчётов переходных режимов сети.

БСК генерируют реактивную мощность, тем самым компенсируя потребление реактивной мощности электродвигателями и активно-индуктивной нагрузкой, а также потери реактивной мощности в индуктивном сопротивлении элементов электрических сетей. В ряде случаев за счёт применения БСК удаётся повысить пропускную способность линий электропередачи и силовых трансформаторов. Снижение полной мощности позволяет пропускать по элементам сети более высокие значения активной мощности без увеличения номинальной мощности трансформаторов и строительства новых линий.

Преимущества БСК:

• Повышает уровень напряжения. БСК позволяет повысить напряжение в узле сети за счёт генерации реактивной мощности.
• Снижает потери активной мощности и энергии. При передаче активной мощности по электрическим сетям доля технологических потерь может составлять до 10% и более, БСК позволят снизить данный показатель за счёт снижения полной мощности (тока), определяющей потери.
• В ряде случаев позволяет обеспечить качество электрической энергии.
• Снижает потребление реактивной мощности и энергии.
• Позволяет увеличить пропускную способность электрической сети без увеличения мощности силового оборудования.

Конструкция БСК

Конструктивно БСК состоит из конденсаторных блоков, установленных в оцинкованные кассеты на опорных изоляторах, соединенных между собой для обеспечения требуемой емкости и наибольшего рабочего напряжения. При высоких значениях тока ударного короткого замыкания на шинах подстанции или при установке на подстанции двух и более БСК в состав конденсаторных батарей также входят токоограничивающие (демпфирующие) реакторы.

Конденсаторы открытого типа, которые сейчас наиболее востребованы, размещают в прочных оцинкованных металлических конструкциях с антикоррозионным покрытием, которые устойчивы к различным атмосферным явлениям.

Комплектация БСК определяется классом напряжения и режимом заземления нейтрали сети, а также техническими требованиями.

Компания «КПМ» имеет собственное производство воздушных демпфирующих реакторов, что позволяет снизить затраты и срок поставки БСК. Специалисты компании «КПМ» готовы осуществить полное сопровождение проекта: технические расчеты, производство, комплектацию, монтаж и наладку оборудования.

Многолетний опыт работы строительства объектов электроэнергетики и наличие собственной производственной базы позволяют собирать БСК с учётом индивидуальных технических требований, пожеланий заказчика и условий эксплуатации.

Методы улучшения коэффициента мощности | Методы коррекции PF

Следующие устройства и оборудование используются для коррекции коэффициента мощности в электрической системе.

1. Статический конденсатор
2. Синхронный конденсатор
3. Ускоритель фазы

1. Статический конденсатор

Мы знаем, что большинство нагрузок в промышленности и энергосистемах являются индуктивными, которые принимают запаздывающий ток, который снижает коэффициент мощности системы (см. недостатки низкого коэффициента мощности) . Для улучшения коэффициента мощности статические конденсаторы подключаются параллельно тем устройствам, которые работают на низком коэффициенте мощности.

Эти статические конденсаторы обеспечивают опережающий ток, который нейтрализует (полностью или приблизительно) запаздывающую индуктивную составляющую тока нагрузки (т. е. опережающая составляющая нейтрализует или устраняет запаздывающую составляющую тока нагрузки), таким образом улучшается коэффициент мощности цепи нагрузки.

Эти конденсаторы устанавливаются вблизи больших индуктивных нагрузок, т.е. асинхронные двигатели и трансформаторы и т. д., а также улучшить коэффициент мощности цепи нагрузки для повышения эффективности системы или устройства.

Предположим, здесь имеется однофазная индуктивная нагрузка, которая потребляет отстающий ток (I), а коэффициент мощности нагрузки равен Cosθ, как показано на рис.-1.

На рис. 2 конденсатор (C) подключен параллельно нагрузке. Теперь ток (I _C ) протекает через конденсатор, который отклоняется на 90° от напряжения питания (обратите внимание, что конденсатор обеспечивает опережающий ток, т.е. в чисто емкостной цепи ток опережает 90° от напряжения питания, другими словами, напряжение 90° отстает от тока). Ток нагрузки (I). Векторная комбинация (I) и (I _C ) равна (I’), которая отстает от напряжения при θ ₂ , как показано на рис. 3.

На рис. 3 видно, что угол θ ₂ < θ ₁ т.е. угол θ ₂ меньше, чем угол θ ₂ . Поэтому Cosθ ₂ меньше, чем из Cosθ ₁ (Cosθ ₂ > Cosθ ₁ ). Следовательно, коэффициент мощности нагрузки улучшается за счет конденсатора.

Также обратите внимание, что после улучшения коэффициента мощности ток цепи будет меньше, чем при токе цепи с низким коэффициентом мощности. Кроме того, до и после улучшения коэффициента мощности активная составляющая тока в этой цепи будет одинаковой, поскольку конденсатор устраняет только реактивную составляющую тока. Кроме того, активная мощность (в ваттах) будет одинаковой после и до улучшения коэффициента мощности.

Преимущества:

• Конденсаторная батарея предлагает несколько преимуществ по сравнению с другими методами повышения коэффициента мощности.
• Низкие потери в статических конденсаторах
• Нет движущихся частей, поэтому требуется минимальное техническое обслуживание
• Может работать в нормальных условиях (т.е. в обычных атмосферных условиях)
• Не требует фундамента для установки
• Они легкие, поэтому их легко установить

Недостатки:

• Возраст батареи статических конденсаторов меньше (8 – 10 лет)
• При изменении нагрузки мы должны включать или выключать батарею конденсаторов, что вызывает скачки напряжения в системе
• Если номинальное напряжение увеличивается, это вызывает его повреждение
• Раз конденсаторы испортились, то ремонт обходится дорого

2. Синхронный конденсатор

Когда синхронный двигатель работает на холостом ходу и находится в состоянии перевозбуждения, он называется синхронным конденсатором. Всякий раз, когда синхронный двигатель перевозбуждается, он обеспечивает опережающий ток и работает как конденсатор.

В синхронном двигателе для возбуждения обмотки возбуждения используется отдельный источник постоянного тока. Следовательно, входной источник питания обеспечивает ток только для питания статора, т. е. подаваемый ток находится в фазе с напряжением питания. Так что коэффициент мощности остается единицей.

Коэффициент мощности можно регулировать, изменяя возбуждение постоянным током. По мере увеличения возбуждения постоянным током коэффициент мощности изменяется от отстающего до единицы и опережающего коэффициента мощности. Когда возбуждение постоянного тока увеличивается, обмотки возбуждения перемагничиваются. Входной источник питания подает на статор компонент тока для компенсации этого перенамагничивания. Этот ток приводит к напряжению питания, вызывающему опережающий коэффициент мощности или генерирующему реактивную мощность.

Индуктивная нагрузка потребляет реактивную мощность, вызывая отстающий коэффициент мощности, в то время как емкостная нагрузка генерирует реактивную мощность, вызывая опережающий коэффициент мощности. Синхронный двигатель можно использовать для улучшения общего коэффициента мощности электрической системы путем регулировки возбуждения постоянного тока. Синхронный двигатель, используемый специально для повышения коэффициента мощности без какой-либо механической нагрузки, называется0006 синхронный конденсатор .

Синхронный конденсатор используется параллельно с нагрузкой для улучшения коэффициента мощности. Улучшив коэффициент мощности, уменьшите дополнительный ток, потребляемый от источника, который теряется в линиях электропередач. Следовательно, это помогает в сокращении счетов за электроэнергию и экономит энергию.

Когда синхронный конденсатор подключен к напряжению питания (параллельно), он потребляет опережающий ток и частично устраняет реактивную составляющую, таким образом, улучшается коэффициент мощности. Как правило, синхронные конденсаторы используются для улучшения коэффициента мощности в крупных отраслях промышленности.

Преимущества:

• Долгий срок службы (почти 25 лет)
• Высокая надежность
• Бесступенчатая регулировка коэффициента мощности.
• Отсутствие генерации гармоник технического обслуживания
• Неисправности легко устраняются
• На него не влияют гармоники.
• Требуют минимального обслуживания (необходима только периодическая смазка подшипников)

Недостатки:

• Это дорого (стоимость обслуживания также высока) и поэтому в основном используется крупными пользователями.
• Для этой операции необходимо использовать вспомогательное устройство, поскольку синхронный двигатель не имеет момента самозапуска
• Издает шум

3. Ускоритель фазы

Ускоритель фазы представляет собой простой возбудитель переменного тока, который подключается к главному валу двигателя и работает с цепью ротора двигателя для улучшения коэффициента мощности. Ускоритель фазы используется для улучшения коэффициента мощности асинхронных двигателей в промышленности.

Поскольку обмотки статора асинхронного двигателя принимают отстающий ток 90° не совпадает по фазе с напряжением, поэтому коэффициент мощности асинхронного двигателя низкий. Если бы возбуждающие ампер-витки возбуждались от внешнего источника переменного тока, то не было бы влияния возбуждающего тока на обмотки статора. Следовательно, коэффициент мощности асинхронного двигателя будет улучшен. Этот процесс выполняется Phase Advancer.

Преимущества:

• Запаздывающая кВАР (реактивная составляющая мощности или реактивная мощность), потребляемая двигателем, значительно снижается, поскольку возбуждающие ампер-витки подаются на частоте скольжения (fs).
• Ускоритель фазы можно легко использовать там, где использование синхронных двигателей неприемлемо

Недостаток:

• Использование фазовращателя неэкономично для двигателей мощностью менее 200 л.с. (около 150кВт)

На следующем рисунке показано улучшение коэффициента мощности в трехфазной системе за счет подключения батареи конденсаторов в

1. Соединение треугольником
2. Звездное соединение

Похожие сообщения:

• Коэффициент мощности
• Причины низкого коэффициента мощности
• Недостатки низкого коэффициента мощности
• Преимущества улучшения и коррекции коэффициента мощности
• Как рассчитать подходящий размер конденсатора в мкФ и кВАр для улучшения коэффициента мощности
• Как преобразовать конденсаторные мкФ в кВАр и наоборот? — Для коррекции PF

Калькулятор

• мкФ в кВАр – Как перевести фарад в квар?

Калькулятор

• квар в фарад – как перевести квар в мкФ?
• Конденсаторная батарея в кВАр и мкФ Калькулятор для коррекции коэффициента мощности

Калькулятор коррекции коэффициента мощности

• — как найти конденсатор PF в мкФ и кВАр?
• Активная, реактивная, полная и комплексная мощность. Простое объяснение с формулами

Показать полную статью

Связанные статьи

Кнопка «Вернуться к началу»

Повышение коэффициента мощности с помощью конденсатора — блок конденсаторов

Повышение коэффициента мощности с помощью конденсатора: Коэффициент мощности электрооборудования, работающего с отстающим коэффициентом мощности, такого как асинхронный двигатель, можно улучшить, подключив параллельно конденсатор подходящего номинала. Улучшение коэффициента мощности при использовании конденсаторов достигается за счет использования статических конденсаторов.

Статические конденсаторы используются для улучшения коэффициента мощности по следующим причинам.

1. Имеют очень малые потери или более высокий КПД (около 99,6%).
2. Практически не требует обслуживания.
3. Низкая начальная стоимость.
4. Легче по весу и прост в установке.

Ток, потребляемый асинхронными двигателями или электрическим оборудованием (например, нагрузкой), работающим с отстающим коэффициентом мощности, можно разделить на две составляющие, как показано ниже.

Рисунок: Вектор, представляющий запаздывающий ток относительно напряжения

При подключении конденсатора к нагрузке конденсатор будет потреблять опережающий ток и поможет нейтрализовать реактивную или безваттную составляющую тока, потребляемого оборудованием. Таким образом, коэффициент мощности улучшается.

Статические конденсаторы можно соединить звездой или треугольником, как показано ниже.

Рисунок: Конденсаторы при соединении звездой и треугольником

Содержание

Определение значения статического конденсатора

Рассмотрим следующий случай, когда конденсатор подключен к индуктивной нагрузке для улучшения его коэффициента мощности. Пусть «I» — ток, потребляемый нагрузкой, а I _C — ток, потребляемый статическим конденсатором.

Рисунок: Принципиальная схема

Ток ‘I’ отстает от приложенного напряжения ‘V’ на угол Φ ₁ и Φ ₂ – угол между током ‘I’ и напряжением ‘V’ после подключения конденсатора к нагрузке.

Рисунок: Векторная диаграмма для улучшения коэффициента мощности с использованием статического конденсатора

Из приведенной выше векторной диаграммы.

Активная составляющая тока, потребляемого нагрузкой, представлена ​​вектором OB и равна

Реактивная составляющая тока, потребляемого нагрузкой, представлена ​​вектором AB и равна

I _C — ток, потребляемый конденсатором и опережающий приложенное напряжение на 90 градусов. Это представлено вектором BD.

Запаздывающая составляющая тока после подключения конденсатора к нагрузке представлена ​​вектором BC.

Это показывает, что ток I _C нейтрализует отстающий ток на величину переменного тока, которую можно увидеть на векторной диаграмме. Итак, ток I _C должен быть равен разности токов, представленных вектором AB и вектором BC.

Итак,

Для того чтобы конденсатор полностью нейтрализовал отстающий ток, т. е.

для работы с единичным коэффициентом мощности

, Φ ₂ будет равен нулю, а ток конденсатора I _C определяется выражением

Значение емкости будет,

Здесь V — напряжение сети, f — частота питания в Гц.

Использование статического последовательного конденсатора

Конденсаторы также соединены последовательно для улучшения коэффициента мощности. Это показано на рисунке ниже.

Рисунок: Повышение коэффициента мощности с помощью последовательного конденсатора

Конденсатор, включенный последовательно с линией, помогает нейтрализовать реактивное сопротивление линии.

Обычно шунтирующие конденсаторы используются для улучшения коэффициента мощности электрооборудования, фабрик и заводов, а также в линиях электропередач. Конденсаторы серии

используются в длинных линиях передачи для обеспечения автоматической компенсации. Емкость конденсатора для нейтрализации реактивного сопротивления линии равна

Где L — индуктивность линии на фазу, а f — частота сети.

Реактивная мощность (кВАр) конденсаторов

Шунтирующие конденсаторы номиналом от 15 кВАр до 10000 кВАр используются для улучшения коэффициента мощности.

Трехфазные конденсаторные батареи могут быть соединены по схеме звезда или треугольник, как показано ниже.

Рисунок: Конденсаторы при соединении по схеме «звезда» и «треугольник»

Предпочтительно подключение по схеме «звезда» (незаземленная нейтраль) из-за более легкой защиты. Как и в конденсаторах, соединенных звездой, в случае неисправности токи замыкания в любой фазе ограничиваются конденсаторами здоровой фазы.