Для чего нужны конденсаторные установки и их наладка?

Для работы большинства электроприемников требуется не только активная, но и реактивная мощность. Активная мощность поступает из сети и необратимо расходуется в нагрузке, реактивная же в течение одной половины периода переменного тока передается из сети в нагрузку, а в другой полупериод возвращается в сеть. При индуктивном характере нагрузки, когда ток отстает по фазе от напряжения, реактивная мощность считается положительной, если же в цепи преобладает емкость и ток опережает напряжение, реактивная мощность имеет отрицательное значение. Потребление положительной реактивной мощности обусловлено, в первую очередь, естественными физическими свойствами электроустановок, в которых для преобразования энергии используются магнитные поля (трансформаторы, электродвигатели и т. п.). В преобразователях с управляемыми вентилями фазный сдвиг создается искусственно — он тем больше, чем больше угол отпирания вентилей, а так как при этом ток отстает от напряжения, устройства с вентильными преобразователями представляют собой эквивалент индуктивной нагрузки. То же относится и к таким электроустановкам, как дуговые печи, люминесцентные светильники и т. п., в которых ток начинает протекать лишь в момент, когда мгновенное напряжение достигает определенного порогового значения. Численно фазный сдвиг оценивается функциями cos или (реже) tg: чем больше доля реактивной мощности, тем меньше коэффициент мощности cos. Кроме создания индуктивной составляющей мощности, нелинейная нагрузка (в том числе «порогового» характера) искажает форму кривой тока, вызывая появление так наз. гармонических составляющих. Как известно, периодическая (гармоническая) функция несинусоидальной формы с частотой может быть представлена в виде суммы синусоидальных функций (ряд Фурье) с частотой k, где k = 0, 1, 2... Их так и называют — первая, вторая и т. д. гармоники (k = 0 — постоянная составляющая). Для них сопротивление конденсатора в k раз меньше, чем для основной гармоники с частотой: xc = 1/kC. И хотя, как правило, амплитуда этих составляющих уменьшается с номером гармоники, высшие гармонические могут быть сопоставимы по значению с током основной гармоники или даже превышать его. Прохождение токов повышенной частоты является одной из главных причин перегрева и повреждения конденсатора, сокращения его срока службы. Конденсаторные установки потребляют отрицательную реактивную мощность. Когда в цепи присутствуют и индуктивность, и емкость, то оба вида реактивной мощности, имеющие противоположные знаки, в той или иной степени компенсируют друг друга. Если при этом реакция цепи остается индуктивной, то говорят о недокомпенсации, а преобладание емкостной составляющей мощности называют перекомпенсацией. Таким образом, компенсирующая установка отдает (полностью или частично) в сеть реактивную мощность, потребляемую двигателями, трансформаторами и т. п. При этом коэффициент мощности повышается и в пределе может достигать 1 (полная компенсация). Несмотря на то, что реактивная мощность, в отличие от активной, непосредственно не расходуется, а только участвует в процессе обмена между источником питания и нагрузкой, она бесполезно загружает сеть, снижая пропускную способность и вызывая дополнительные активные потери в проводниках и падение напряжения у потребителя. Пусть, например, предприятие потребляет ток 5 кА, активная составляющая которого составляет 4 кА, а реактивная 3 кА (cos = 0,8). Это значит, что по сети дополнительно протекает ток 5 – 4 = 1 кА, т. е. пропускная способность сети уменьшается на 1/4 = 25% и на столько же увеличивается падение напряжения в ней, а потери активной мощности возрастают на (52 – 42)/42 =9/16 = 56% по сравнению с режимом передачи тока 4 кА, совершающего полезную работу. Недокомпенсация вынуждает завышать установленную мощность трансформаторов и сечение проводников сети. Поскольку потери в низковольтной сети отражаются соответственно и на стороне высшего напряжения, энергоснабжающая организация штрафует потребителя за низкий коэффициент мощности. По этим причинам компенсация реактивной мощности является актуальной задачей для каждого предприятия. Компенсирующая реактивная мощность может «поставляться» не только конденсаторами, но и синхронными машинами. При работе в режиме синхронного компенсатора такая машина представляет собой ненагруженный синхронный двигатель, работающий с перевозбуждением и потребляющий из сети емкостный ток. Реактивную мощность генерирует также перевозбужденный синхронный двигатель под нагрузкой, от которой и зависит отдаваемая реактивная мощность. Однако применение этих машин в низковольтных сетях экономически невыгодно. Наиболее распространенным средством компенсации реактивной мощности в системах электроснабжения до 1000 В являются конденсаторные установки. Конденсаторная установка (КУ) состоит из конденсаторов, вспомогательного оборудования (выключателей, разрядных резисторов, устройств регулирования, защиты и пр.) и ошиновки. Группа единичных конденсаторов, электрически связанных между собой, называется конденсаторной батареей. КУ может состоять из одной или нескольких батарей или конденсаторов. Требования ПУЭ-6, гл. 5.6 распространяются на КУ, присоединяемые параллельно индуктивным элементам электрических систем переменного тока частотой 50 Гц и предназначенные для компенсации реактивной мощности и регулирования напряжения. Конденсаторные батареи должны собираться из конденсаторов с номинальным напряжением, равным номинальному напряжению сети. Может применяться последовательное или последовательно-параллельное соединение однофазных конденсаторов в каждой фазе трехфазной батареи. Конденсаторы должны иметь разрядные устройства. Последние могут не устанавливаться на батареях, присоединенных к сети через трансформатор без коммутационных аппаратов. В качестве разрядных могут применяться устройства с активным или активно-индуктивным сопротивлением. В сетях с переменным графиком реактивной нагрузки должно применяться автоматическое регулирование мощности конденсаторной батареи путем включения и отключения ее в целом или отдельных ее частей. КУ должны иметь защиту от токов КЗ, действующую на отключение без выдержки времени и отстроенную от бросков тока. Защита от повышения напряжения должна отключать КУ с выдержкой времени 3...5 мин. Повторное включение КУ допускается не ранее чем через 5 мин после отключения. Емкости фаз КУ должны контролироваться стационарными устройствами измерения тока в каждой фазе. Для КУ мощностью до 400 кВар допускается измерение тока только в одной фазе. КУ, находящиеся в общем помещении, должны иметь сетчатые ограждения или защитные кожухи. Расстояние между единичными конденсаторами должно быть не менее 50 мм. Соединение выводов конденсаторов между собой и присоединение их к шинам должны выполняться гибкими перемычками. Вспомогательные устройства могут устанавливаться в одном помещении с конденсаторами.