При эксплуатации конденсаторных установок уровень напряжения на зажимах конденсаторов может отклоняться от номинального значения как в сторону понижения, так и в сторону повышения. Снижение напряжения облегчает условия работы диэлектрика между обкладками, но повышение его повышает напряженность электрического поля в диэлектрике и увеличивает потери энергии в нем сравнительно со значениями тех же величин при номинальном напряжении. Увеличение потерь энергии в свою очередь вызывает повышение температуры диэлектрика. Те же последствия может Иметь и появление высших гармоник в кривой напряжения на зажимах конденсаторов даже в том случае, если действующее значение напряжения не превышает номинального.
При аварийных режимах в конденсаторной установке может возникать перегрузка отдельных конденсаторов или целых фаз батареи даже при номинальном значении синусоидального напряжения на зажимах батареи. Такие явления возможны при параллельно-последовательном соединении конденсаторов в батарее и при соединении фаз батареи звездой с изолированной нейтралью, когда при аварийных режимах может перегружаться часть конденсаторов в батарее или даже целые фазы батареи (§ 2-3).
Повышение напряженности электрического поля в диэлектрике и повышение температуры последнего сокращают срок службы конденсатора. Весьма существенное значение имеет при этом то обстоятельство, что расчетную напряженность электрического поля конденсатора приходится принимать по экономическим соображениям сравнительно высокой уже при номинальном напряжении на зажимах (§ 1-4). Поэтому во избежание значительного сокращения срока службы конденсаторов стандарты на них допускают только небольшое повышение эксплуатационного напряжения на зажимах конденсаторов сверх номинального значения. Например, ГОСТ 1282-58 содержит следующее требование:
«Конденсаторы должны допускать работу при длительных повышениях напряжения синусоидальной формы до 1'10% номинального значения, возникающих вследствие изменения режима нагрузки в сетях».
Инструкции заводов-изготовителей уточняют это требование, ограничивая продолжительность работы конденсаторов при указанных повышениях напряжения четырьмя часами в сутки.
Кроме того, ГОСТ нормирует следующим образом допустимую нагрузку конденсатора при несинусоидальном напряжении на зажимах:
«Конденсаторы должны допускать длительную работу при эффективном значении тока до 130% номинального как за счет повышения напряжения, так и за счет высших гармоник».
Важнейшая часть потерь энергии в конденсаторе, а именно — потери в диэлектрике между обкладками, пропорциональна не току, а реактивной мощности конденсатора. Поэтому контроль нагрузки последнего по показаниям амперметра не дает точного представления о степени его нагрева, и правильнее было бы нормировать перегрузку конденсатора «по реактивной мощности». Однако при наличии высших гармоник измерение действующего значения тока осуществляется значительно проще, чем измерение реактивной мощности, которая в этом случае не может быть найдена по показаниям амперметра и вольтметра (§ 2-5).
Контроль перегрузки конденсатора «по реактивной мощности» упрощается, если известно, что в кривую напряжения входит, кроме основной, только одна высшая гармоника, известен ее порядок (например, пятая или седьмая) и задана норма допустимой нагрузки «по реактивной мощности». Тогда допустимое по перегреву диэлектрика действующее значение тока в цепи конденсатора может быть найдено по кривым, приведенным на рис. 2-4. По горизонтальной оси здесь отложены действующие значения несинусоидального напряжения на зажимах конденсатора, а по вертикальной оси — допустимые действующие значения несинусоидального тока (и то и другое — по отношению к номинальным значениям). Кривые построены по выражению
Рис. 2-4. Допустимое действующее значение тока, протекающего через конденсатор, при наличии в кривой тока одной высшей гармоники. Кривые построены, исходя из допустимости нагрузки конденсатора до 121 % номинальной мощности. Цифры указывают порядок высшей гармоники.
где I* — допустимое действующее значение тока по отношению к номинальному; k — порядок высшей гармоники; а — норма допустимой нагрузки "по реактивной мощности" по отношению к номинальной мощности конденсатора; при построении кривых принято а ==1,21 на основе данных завода-изготовителя; b — действующее значение напряжения по отношению к номинальному.
При одном и том же действующем значении напряжения допустимые действующие значения тока могут значительно отличаться в зависимости от порядка высшей гармоники. Так, например, при b=1,0 и при наличии 3-й гармоники I=1,36, а при наличии 13-й— 4 = 1,98.
Нагрев диэлектрика конденсатора зависит от потерь энергии в диэлектрике и в токоведущих частях. Контроль нагрузки конденсатора высшими гармониками осуществляется наиболее точно, если одновременно измеряются и реактивная мощность, и ток в цепи конденсаторов. Мощность определяет потери в диэлектрике, ток — в токоведущих частях.
В заключение следует рассмотреть условия работы конденсатора в сети, частота которой отличается от его номинальной частоты. Эксплуатация конденсаторов в сети, частота которой ниже номинальной частоты, не представляет какой-либо опасности. Реактивная мощность конденсатора при этом уменьшается пропорционально частоте, и условия работы диэлектрика между обкладками становятся более легкими. Эксплуатация Конденсаторов при частоте, хотя бы немного превышающей их номинальную частоту, может быть допущена только при одновременном снижении эксплуатационного напряжения сравнительно с номинальным напряжением конденсаторов.
