Zastosowanie kondensatorów do kompensacji mocy biernej obciążeń domowych

Wśród wielu czynników wpływających na sprawność systemu zasilania (SES) jedno z priorytetowych miejsc zajmuje problem kompensacji mocy biernej (KRM). Jednak w sieciach dystrybucyjnych użytkowników mediów, zawierających głównie jednofazowe, indywidualnie przełączane obciążenia, urządzenia KRM są nadal niedostatecznie wykorzystywane.

Wcześniej uważano, że ze względu na stosunkowo krótkie linie zasilające miejskich sieci dystrybucyjnych niskiego napięcia, małą (kVA) moc przyłączeniową i rozłożenie obciążeń, problem PFC w nich nie istnieje.

Na przykład w rozdziale 5.2 [1] jest napisane: „dla budynków mieszkalnych i użyteczności publicznej nie przewiduje się kompensacji obciążenia biernego”. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że w ostatniej dekadzie zużycie energii elektrycznej w przeliczeniu na 1 m2 sektora mieszkaniowego potroiło się, średnia statystyczna moc transformatorów miejskich sieci komunalnych sięgnęła 325 kVA, a obszar wykorzystania mocy transformatorowej przesunął się w górę i mieści się w granicach 250…400 kVA [2], to stwierdzenie to jest wątpliwe.

Przetwarzanie wykresów obciążenia wykonanych przy wejściu do budynku mieszkalnego pokazuje: w ciągu dnia średnia wartość współczynnika mocy (cosj) waha się od 0,88 do 0,97, a faza po fazie od 0,84 do 0,99. W związku z tym całkowite zużycie mocy biernej (RM) waha się od 9 ... 14 kVAr, a faza po fazie od 1 do 6 kVAr.

Na rysunku 1 przedstawiono wykres dziennego zużycia RM przy wejściu do budynku mieszkalnego. Inny przykład: zarejestrowane dzienne (10 czerwca 2007) zużycie czynnej i biernej energii elektrycznej w TP sieci miejskiej Sizran (STR-RA = 400 kVA, odbiorcy energii elektrycznej to w większości jednofazowi) wynosi 1666,46 kWh i 740,17 kvarh (średnia ważona wartość cosj = 0,91 — rozrzut od 0,65 do 0,97) nawet przy odpowiednio niskim współczynniku obciążenia transformatora — 32% w godzinach szczytu i 11% w minimalnych godzinach pomiarowych.

Tym samym, biorąc pod uwagę dużą gęstość (kVA/km2) obciążenia użytkowego, stała obecność składnika biernego w przepływach energii SES prowadzi do znacznych strat energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych dużych miast i konieczności ich kompensacji poprzez dodatkowe źródła wytwarzania.

Złożoność rozwiązania tego problemu wynika w dużej mierze z nierównomiernego zużycia RM w poszczególnych fazach (rys. 1), co utrudnia stosowanie tradycyjnych dla sieci przemysłowych instalacji KRM opartych na trójfazowych bateriach kondensatorów sterowanych regulatorem zainstalowanym w jednym faz skompensowanej sieci.

Interesujące są doświadczenia naszych zagranicznych kolegów w zwiększaniu rezerwy mocy miejskich elektrociepłowni. W szczególności rozwój spółki dystrybucyjnej energii elektrycznej Edeinor S.A.A. (Peru) (jest częścią grupy Endesa (Hiszpania), która specjalizuje się w produkcji, przesyłaniu i dystrybucji energii elektrycznej w wielu krajach Ameryki Południowej), zgodnie z KRM w sieciach dystrybucyjnych niskiego napięcia w minimalnej odległości od odbiorców [3]. Na zamówienie firmy Edeinor S.A.A., jednego z największych producentów niskonapięciowych kondensatorów kosinusowych – EPCOS AG, wypuścił serię jednofazowych kondensatorów HomeCap [4], odpowiednich do małych obciążeń użytkowych.

Nominalna pojemność kondensatorów HomeCap (rys. 2) waha się od 5 do 33 μF, co umożliwia kompensację składowej indukcyjnej PM od 0,25 do 1,66 kVAr (przy napięciu sieciowym 50 Hz w zakresie 127. 380 V).

Wzmocniona folia polipropylenowa służy jako dielektryk, elektrody wykonane są metodą natrysku metalu — technologia MKR (Metallised Polypropylene Kunststoff). Uzwojenie sekcji jest standardowo okrągłe, wewnętrzna objętość jest wypełniona nietoksyczną mieszanką poliuretanową. Podobnie jak wszystkie kondensatory kosinusowe firmy EPCOS AG, kondensatory HomeCap mają właściwość „samoleczenia” w przypadku miejscowego zniszczenia okładek.

Cylindryczna aluminiowa obudowa kondensatorów jest izolowana rurką termokurczliwą z poliwinylu (rys. 2), a końcówki łopatek podwójnych elektrod są osłonięte dielektryczną nasadką z tworzywa sztucznego (stopień ochrony IP53), gwarantując tym samym całkowite bezpieczeństwo podczas pracy w warunkach środowiska domowego potwierdzone stosownym certyfikatem normy UL 810 (amerykańskie laboratoria bezpieczeństwa).

Wbudowane urządzenie uruchamiane po przekroczeniu nadciśnienia wewnątrz płaszcza automatycznie wyłącza skraplacz w przypadku przegrzania lub lawinowego zawalenia się sekcji. Średnica kondensatorów HomeCap wynosi 42,5 ± 1 mm, a wysokość w zależności od wartości pojemności nominalnej wynosi 70 ... 125 mm. Pionowe wydłużenie obudowy skraplacza, w przypadku zabezpieczenia przed nadmiernym ciśnieniem wewnętrznym, nie więcej niż 13 mm.

Kondensator jest połączony dwużyłowym giętkim przewodem o przekroju 1,5 mm2 i długości 300 lub 500 mm [4]. Dopuszczalne nagrzewanie izolacji kabla — 105 ° C.

Praca kondensatorów HomeCap jest możliwa w pomieszczeniach przy temperaturze otoczenia -25…+55°C. Odchylenie pojemności nominalnej: -5/+10%. Straty mocy czynnej nie przekraczają 5 W na kvar. Gwarantowana żywotność do 100 000 godzin.

Mocowanie kondensatorów HomeCap do powierzchni montażowej odbywa się za pomocą zacisku lub śruby (M8x10) połączonej od spodu.

na ryc. 3. przedstawia montaż skraplacza HomeCap w skrzynce pomiarowej. Kondensator (w prawym dolnym rogu) jest podłączony do zacisków licznika energii elektrycznej

Kondensatory HomeCap produkowane są w pełnej zgodności z wymaganiami normy IEC 60831-1/2 [4].

Według Edeinor SAA [3] instalacja kondensatorów HomeCap o łącznej pojemności 37 000 kvar w 114 000 gospodarstw domowych w dzielnicy Infantas w północnej Limie zwiększyła średni ważony współczynnik mocy sieci dystrybucyjnej z 0,84 do 0,93, oszczędzając około 280 kWh na rocznie za każdy podłączony kVAr RM czyli łącznie około 19 300 MWh rocznie. Dodatkowo, uwzględniając jakościowe zmiany charakteru obciążenia gospodarstw domowych (przełączanie zasilania urządzeń elektrycznych, aktywne stateczniki lamp energooszczędnych), zniekształcenie sinusoidalności napięcia sieciowego, przy jednoczesnym przy pomocy kondensatorów HomeCap udało się obniżyć poziom składowych harmonicznych — THDU uśrednione o 1%.

W przeciwieństwie do miejskich, nigdy nie kwestionowano potrzeby RPC dla wiejskich sieci dystrybucyjnych niskiego napięcia [5] ze względu na zużycie energii czynnej dla przesyłu RM na rozbudowanej otwartej (drzewiastej) linii wysokiego napięcia (OHL ) z napięcie 6 (10) kV jest najwyższe [6]. Jednocześnie niewystarczająca relacja środków KRM do mocy przyłączeniowej odbiorników elektrycznych tłumaczona jest względami czysto ekonomicznymi. Dlatego dla SPP wiejskich i domowych oraz małych (do 140 kW) użytkowników przemysłowych kwestia wyboru najtańszej wersji KRM jest priorytetem.

Jedną z trudności technicznych w praktycznej realizacji zalecenia 80% RPC bezpośrednio w wiejskich sieciach niskiego napięcia [5] jest brak kondensatorów odpowiednich do instalacji linii napowietrznych.Z obliczeń wynika, że ​​średnia wartość rezydualnego (nieuwzględniającego przekompensowania) RM podczas przesyłu napięciem WN 0,4 kV o mocy czynnej 50 kW dla układu mieszanego, z przewagą (ponad 40%) obciążenia użytkowego wynosi 8 kvar dlatego optymalny nominalny RM takich kondensatorów powinien mieścić się w granicach kilkudziesięciu kvar.

Rozważmy system KRM zastosowany na liniach napowietrznych sieci niskiego napięcia w Jaipur (Radżastan, Indie) przez firmę energetyczną Jaipur Vidyut Vitran Nigam Ltd w oparciu o kondensatory serii PoleCap® (rys. 4) produkowane przez firmę EPCOS AG [7]. Monitoring SPP, obejmujący około 1000 MVA o mocy zainstalowanej 4600 transformatorów 11/0,433 kV o pojedynczej mocy 25-500 kVA, wykazał: obciążenie transformatorów latem wynosiło 506 MVA (430 MW), zimą — 353 MVA (300 MW); średnia ważona cosj — 0,85; straty ogółem (2005) — 17% wolumenu dostaw energii elektrycznej.

W ramach pilotażu KRM zainstalowano 13375 kondensatorów PoleCap w węzłach przyłączeniowych do transformatorów niskiego napięcia, bezpośrednio na wspornikach linii napowietrznych 0,4 kV, o łącznej wartości RM 70 MVAr. W tym: 13000 kondensatorów 5 kvar; 250 — 10 kvar; 125 — 20 mkw. W rezultacie wartość cosj wzrasta do 0,95, a straty zmniejszają się do 13% [7].

Kondensatory te (rys. 4 i rys. 5) są modyfikacją sprawdzonego typu kondensatorów metalowo-foliowych wykonaną w technologii MKR/MKK (Metalized Kunststoff Kompakt) [8] – jednocześnie zwiększając powierzchnię i zwiększając pojemność elektryczną wytrzymałość warstwy metalizacja kontaktowa elektrod, dzięki połączeniu płaskich i falistych cięć krawędzi folii, układanych z niewielkim przesunięciem zagięć, charakterystycznym dla technologii MKR.Ponadto w serii PoleCap znajduje się szereg kondensatorów trójfazowych PM 0,5...5 kVAr, wykonanych według tradycyjnej technologii MKR [8].

Ulepszenia podstawowej konstrukcji kondensatorów serii MCC umożliwiły bezpośredni (bez dodatkowej obudowy) montaż kondensatorów PoleCap na zewnątrz, w pomieszczeniach wilgotnych lub zapylonych. Korpus skraplacza wykonany jest w 99,5% z aluminium i jest wypełniony gazem obojętnym.

Rysunek 5 pokazuje:

• odporna plastikowa osłona (poz. 1);

• hermetycznie zamknięte, otoczone plastikowym pierścieniem (poz. 5) i wypełnione żywicą epoksydową (poz. 7), wersja z listwą zaciskową (poz. 8) zapewnia stopień ochrony IP54.

Połączenie (rys. 5) wykonuje się poprzez plombowanie uszczelnienia kabla (poz. 2) z trzech przewodów jednożyłowych o długości 2 m (poz. 3) oraz ceramicznego modułu rezystorów rozładowczych (poz. 6) poprzez zaciśnięcie i zlutowanie styków.

Dla wygody kontrola wizualna zadziała zabezpieczenie nadciśnieniowe, na wysuniętej części obudowy skraplacza pojawi się jaskrawoczerwony pasek (pozycja 4).

Maksymalna dopuszczalna różnica temperatur otoczenia wynosi -40...+55°C [8].

Należy zauważyć, że kondensatory KRM muszą być zabezpieczone przed prądami zwarciowymi (PUE Ch.5), celowe wydaje się wbudowanie bezpieczników wewnątrz obudowy kondensatorów HomeCap i PoleCap, które wyzwalane są przebiciem sekcji.

Doświadczenie KRM w sieciach elektroenergetycznych w krajach rozwijających się o wysokim poziomie strat sieciowych pokazuje, że nawet proste rozwiązania techniczne – zastosowanie nieregulowanych baterii specjalnych typów kondensatorów kosinusoidalnych – mogą być bardzo efektywne ekonomicznie.

Autor artykułu: A.Szyszkin

Literatura

1. Instrukcja projektowania miejskich sieci elektrycznych RD 34.20.185-94. Zatwierdzone przez: Ministerstwo Paliw i Energii Federacji Rosyjskiej w dniu 07.07.94, RAO «UES Rosji» w dniu 31.05.94 Weszło w życie 01.01.95.

2. Ovchinnikov A. Straty energii elektrycznej w sieciach dystrybucyjnych 0,4 ... 6 (10) kV // Wiadomości z elektrotechniki. 2003. nr 1 (19).

3. Korekta współczynnika mocy w sieciach elektrycznych Peru // EPCOS COMPONENTS #1. 2006

4. Kondensatory HomeCap do korekcji współczynnika mocy.

5. Wytyczne doboru środków regulacji napięcia i kompensacji mocy biernej w projektowaniu maszyn rolniczych i sieci elektrycznych do celów rolniczych. M.: Selenergoproekt. 1978

6. Szyszkin SA Moc bierna odbiorców i straty sieciowe energii elektrycznej // Oszczędność energii nr 4. 2004.

7. Jungwirth P. Korekcja współczynnika mocy na miejscu // KOMPONENTY EPCOS Nie. 4. 2005

8. Kondensatory PoleCap PFC do zewnętrznych niskonapięciowych zastosowań PFC. Opublikowane przez EPCOS AG. 03/2005. Nr zamówienia. EPC: 26015-7600.