Библиографическое описание:

Коваленко Д. В. Неисправности батарей статических конденсаторов, возникающих при наличии высших гармоник в системах электроснабжения // Молодой ученый. — 2016. — №19. — С. 69-72.



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).

Описание: C:\Documents and Settings\admin\Рабочий стол\Семеров\ТываЭнерго\Копия 3.jpg

Рис. 1. Разгерметизация корпуса БСК при перегрузке (верхняя часть бака)

Описание: C:\Documents and Settings\admin\Рабочий стол\Семеров\ТываЭнерго\Копия 20.jpg

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.

Описание: C:\Documents and Settings\admin\Рабочий стол\15 05 25 КБ alarm 2.jpg

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:

  1. ГОСТ IEC 61071–2014. Конденсаторы силовые электронные.
  2. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий / И. В. Жежеленко — М.: Энергоатомиздат, 2000–331 с.
  3. Основы теории цепей. Учебник для вузов. / Под ред. Г. В. Зевеке. — М.: Энергия, 1975. — 753 с.
  4. 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.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle