Конденсаторные установки для повышения коэффициента мощности - Энергия электрического поля конденсатора

Данные об энергии электрического поля силового конденсатора представляют интерес при рассмотрении условий работы плавких предохранителей, защищающих конденсаторы, а также условий, в которых находятся конденсаторы, входящие в состав конденсаторной батареи, при замыканиях в них между обкладками секций и между зажимами конденсаторов (§ 1-3 и 7-2).
Каждая секция силового конденсатора имеет свое электрическое поле между обкладками, и общий запас энергии в конденсаторе равен сумме запасов энергии в электрических полях секций. Для упрощения изложения в дальнейшем говорится об энергии электрического поля конденсатора.
Энергия электрического поля заряженного однофазного конденсатора равна:

где С — емкость конденсатора, мкФ,
U — напряжение между зажимами заряженного конденсатора, кВ.
Если конденсатор присоединен к сети переменного тока, те запас энергии в нем непрерывно меняется соответственно изменению напряжения между зажимами, достигая максимального значения WМ в моменты прохождения напряжения через максимум:

где UM и U — амплитуда и действующее значение напряжения сети в точке присоединения конденсатора, кВ; для напряжения, изменяющегося по синусоиде, UΜ= √2U.
Напряжение между зажимами конденсатора, отключенного от сети переменного тока, равно напряжению сети в момент разрыва тока в цепи. Сдвиг фаз между током и напряжением в конденсаторе весьма близок к 90°, и поэтому напряжение между зажимами отключенного конденсатора может быть равным амплитуде напряжения сети UМ. Соответственно этому наибольший возможный запас энергии в отключенном конденсаторе соответствует UМ.
Максимальный запас энергии в силовом конденсаторе в зависимости от реактивной мощности выражается как

где Q — реактивная мощность конденсатора, кВАр.
Таким образом, наибольшая возможная энергия электрического поля конденсатора пропорциональна его  реактивной мощности, и конденсаторы разных номинальных напряжений, но одинаковой мощности имеют три номинальных напряжениях одну и ту же энергию электрического поля. Если номинальная частота конденсатора равна 50 Гц, то WΜ=3,183Q, вт-сек.
При разряде конденсатора накопленная в нем энергия переходит в тепло в активных сопротивлениях цепи разряда, например в специальных разрядных сопротивлениях, в плавкой вставке предохранителя для индивидуальной защиты конденсатора и т. д. В любом случае пересчет запаса энергии, выраженного в ватт-секундах, в калории может быть произведен по выражению:  где qм— количество теплоты, кал.
Из этого можно сделать вывод, что запас энергии в силовых конденсаторах бывает небольшим.
Например, запас энергии в однофазном конденсаторе типа КМ 6,3-10-1 с номинальными данными 50 Гц, 6,3 кВ, 0,802 мкФ, 10 кВАр, присоединенном к сети с рабочим напряжением 6,3 кВ, достигает при амплитудном значении напряжения сети только или
q№ = 0,24-32 = 7,7 кал.
Запас энергии в группе конденсаторов, соединенных параллельно или параллельно-последовательно, например в одной фазе конденсаторной батареи, равен запасу энергии в одном конденсаторе, умноженному на число конденсаторов в группе.
Количество тепла, выделяющегося при разряде конденсатора в отдельных участках разрядной цепи, пропорционально активным сопротивлениям участков. Поэтому разряд конденсаторов при коротком замыкании в батарее или вблизи нее может вызвать перегорание плавких вставок предохранителей, защищающих конденсаторы, если они выбраны без достаточного запаса.
Разряд конденсатора на место короткого замыкания происходит весьма быстро, за доли секунды, вследствие незначительности активного сопротивления цепи. Это увеличивает эффект от выделения тепла в цепи в момент разряда, так как можно считать, что этот процесс происходит без отдачи тепла окружающей среде.

Если внутри какого-либо конденсатора происходит короткое замыкание между зажимами, то на дефектный конденсатор разряжаются все исправные конденсаторы, присоединенные параллельно ему. При большой мощности батареи и отсутствии в ней индивидуальной защиты  конденсаторов выделение тепла внутри дефектного конденсатора, происходящее вследствие разряда, может вызвать дополнительные повреждения, например разрыв бака.
Например, конденсатор для продольной компенсации типа КПМ 600 В, 50 кВАр выдерживает без разрыва бака выделение энергии при внутреннем коротком замыкании около 8 000 вт-сек. Это — наибольшая энергия разряда конденсаторов общей мощностью Q == 0,31 WM = 2 510 кВАр.