Для улучшения использования генераторов и трансформаторов (разгрузка их от выработки и трансформирования реактивной мощности) и снижения потерь энергии в энергетических системах применяются шунтовые конденсаторные батареи. Для комплектации типовых шунтовых батарей па напряжения 6, 10, 35 и ПО кВ используются выпускаемые промышленностью готовые блоки конденсаторов типа БКЭ. Номинальные данные их приведены в § 19.6. В мощных батареях обычно используются те же конденсаторы, которые применяются в батареях продольной компенсации реактивного сопротивления линий электропередачи. Конденсаторные батареи могут состоять из многих тысяч конденсаторов, и для повышения их надежности целесообразно использовать конденсаторы со встроенными плавкими предохранителями, отключающими секцию при се пробое. Использование конденсаторов со встроенными предохранителями предъявляет дополнительные требования к схемам их соединения в батареях.
Схемы соединения конденсаторов в батареях. В связи с тем, что в конденсаторных батареях возможно сложное последовательно-параллельное соединение конденсаторов, необходимо обеспечить надежное срабатывание плавких предохранителей от энергии, запасенной в остальных неповрежденных секциях данного конденсатора. Лучше всего это обеспечивается при параллельном соединении секций в конденсаторе. Так как обычно номинальное напряжение секции близко к 1 кВ, то и номинальное напряжение конденсаторов, используемых для комплектации шунтовых батарей, также близко к 1 кВ.
В ряде случаев для комплектации конденсаторных батарей используются конденсаторы на напряжение более 1 кВ. Так как в этих конденсаторах секции включаются как параллельно, так и последовательно, то -в них обычно не применяются встроенные плавкие предохранители, так как их надежное срабатывание может быть обеспечено лишь при большом количестве секций, включенных параллельно. В этом случае для отключения поврежденных конденсаторов используются внешние предохранители. Однако эти предохранители нечувствительны к пробою одной секции вследствие недостаточного изменения тока при нескольких последовательно соединенных секциях и срабатывают при пробое всех последовательно соединенных секций.
Чаще всего, однако, пробой одной секции в последующем приводит к выходу всего конденсатора из строя вследствие порчи пропитывающего состава длительно существующим дуговым разрядом, возникающим в поврежденной секции.
При использовании в батареях конденсаторов на напряжение более 1 кВ и внешних предохранителей усложняется эксплуатация батареи, так как необходимо обеспечить регулярный (не реже 1 раза в сутки) осмотр батареи с заменой отключенных конденсаторов, чтобы нс вызвать существенной перегрузки оставшихся.
Рассмотрим возможные схемы соединения конденсаторов в батареи (рис. 19.10). Обозначим п количество последовательно соединенных конденсаторов или рядов параллельно соединенных конденсаторов в ряде. Общее количество конденсаторов в батарее равно п, при этом (19.4]
(19.2)
где ира с,г, — наибольшее рабочее напряжение батареи; Uном.к — номинальное напряжение конденсатора; к1<1—коэффициент, учитывающий наличие гармонических в сети; к2 < 1 — коэффициент, учитывающий возможную перегрузку конденсатора за счет разброса в значениях емкости (при последовательном соединении конденсаторов или рядов конденсаторов); к3 < 1—коэффициент, учитывающий изменение емкости конденсаторов или рядов параллельно соединенных конденсаторов из-за перегорания предохранителей; К4>1—коэффициент, учитывающий повышение напряжения на батарее при наличии включенного последовательно с батареей реактора.
Обычно к2 = 0,95 ч-0,98; к3 — 0,9 4-0,98 в зависимости от схемы соединения батареи.
При выборе схемы соединения конденсаторов в батарее необходимо учитывать следующие обстоятельства.
1. Максимальное число параллельно соединенных конденсаторов ограничивается энергией, которая выделяется в пробитом конденсаторе в случае затягивания отключения пробитой секции встроенным плавким предохранителем или отказа в его работе. Эта энергия не должна приводить к разрушению корпуса конденсатора, что может привести к пожару на батарее.
Рис. 19.10. Схемы соединения конденсаторов в батарее
В случае т конденсаторов, соединенных параллельно, в конденсаторе выделяется энергия, запасенная в поврежденном конденсаторе и в остальных т— I параллельно соединенных конденсаторах:
где Ск — емкость конденсатора; Uk — напряжение на конденсаторе в момент повреждения (амплитудное значение).
В случае соединения п конденсаторов последовательно в цепочке и т цепочек параллельно (рис. 19.10, а) в поврежденном конденсаторе выделяется энергия, запасенная в нем, а также энергия, определяемая перезарядкой оставшихся л—1 конденсаторов, включенных последовательно с поврежденным, с напряжения Uk (n— I) до напряжения Uкп. Эта энергия много меньше энергии, запасенной в одном конденсаторе. В общем случае при соединении конденсаторов по схеме рис. 19.10, в (перемычки устанавливаются через каждые к конденсаторов) энергия, выделенная в поврежденном конденсаторе [19.4],
(19.3)
Энергия, приводящая к разрушению корпуса конденсатора, зависит от места повреждения. Наиболее опасен пробой изоляции на корпус под крышкой конденсатора, так как это повреждение не ликвидируется плавкими вставками секций и приводит к разрушению изоляторов. Допустимое значение энергии, выделяющейся при повреждении конденсатора (при пробое секций или изоляции относительно корпуса), для конденсаторов типа КСП, или КСК2 равно 8 кДж.
- При отключении пробитых секций встроенными плавкими предохранителями в конденсаторе уменьшается емкость и возрастает емкостное сопротивление. При последовательно соединенных конденсаторах это приводит к перегрузке по напряжению поврежденного конденсатора, причем коэффициент перегрузки
(19.4)
где к—количество последовательно соединенных конденсаторов в цепочке; Сk|— емкость поврежденного конденсатора; СК—емкость каждого из неповрежденных конденсаторов; АСК = СК — С'К — изменение емкости конденсатора вследствие отключения пробитых секций.
Как следует из (19.4), с увеличением числа последовательно соединенных конденсаторов в цепочке увеличивается коэффициент перегрузки к3.
При т параллельно включенных конденсаторов в ряду и п последовательно соединенных рядов коэффициент перегрузки при отключении пробитых секций встроенными плавкими вставками
(19.5)
Как следует из (19.5), коэффициент перегрузки уменьшается при увеличении т и возрастает с увеличением и.
- При наличии внешних предохранителей минимальное число параллельно включенных конденсаторов определяется допустимой длительной перегрузкой оставшихся конденсаторов при отключении предохранителем поврежденного. Коэффициент перегрузки оставшихся конденсаторов
(19.6)
При т> 1
(19.7)
Формулы (19.6) и (19.7) показывают, что в рассматриваемом случае /<3 существенно снижается с ростом т. При отключении пробитой секции встроенным плавким предохранителем на поврежденном конденсаторе и на конденсаторах (или группах конденсаторов), включенных последовательно с поврежденным, возникает постоянная составляющая, значение которой равно снижению напряжения на поврежденном конденсаторе при разряде его на пробитую секцию до момента отключения пробитой секции плавким предохранителем (рис. 19.11). Если в батарее перемычки устанавливаются через каждые к конденсаторов, включенных последовательно, т. е. нет параллельно включенных конденсаторов, то при пробое секции (включение контактора) емкость одного конденсатора успевает почти полностью разрядиться на пробитую секцию до момента срабатывания плавкого предохранителя, при этом остальные к—1 конденсаторов подзаряжаются до напряжения цепочки, состоящей из к последовательно соединенных конденсаторов. После перегорания плавкого предохранителя емкость поврежденного конденсатора восстанавливается (отключение контактора) и напряжение на конденсаторах изменяется но прежнему синусоидальному закону, но при наличии постоянной составляющей U0, равной по значению спаду напряжения на емкости С1 =СК. Если пробой секции произошел на амплитуде Uт1 = Uтк напряжения, приложенного к конденсатору С1, и поврежденный конденсатор полностью разрядился на пробитую секцию, то и0=ит1 (рис. 19.11,б) и
(19.8)
при этом максимальное напряжение на поврежденном конденсаторе достигает двойного амплитудного значения. На остальных к—1 конденсаторах напряжение изменяется по закону
(19.9)
причем на каждом из конденсаторов напряжение в к—1 раз меньше.
Рис. 19.11. Изменение напряжения на конденсаторах при пробое секции II одном из них и последующем отключении ее встроенным плавким предохранителем:
а- принципиальная схема; б- при полном разряде емкости конденсатора С'1; в- при частичном разряде емкости конденсатора С,
Постоянная составляющая в начальный период времени равномерно распределяется между этими к-1 конденсаторами. В последующем распределение постоянной составляющей определяется утечками и может привести к случайным перегрузкам отдельных конденсаторов.
(19.10)
Обычно значения т составляют тысячи секунд. При увеличении числа параллельно соединенных конденсаторов эта группа конденсаторов не успевает полностью разрядиться на пробитую секцию и U0 уменьшается (рис. 19.11,в).
Рассмотрим достоинства и недостатки схем соединения конденсаторов в батарее, приведенных на рис. 19.10. Схема рис. 19.10, а, состоящая из т параллельных цепочек конденсаторов, в каждой из которых п конденсаторов соединены последовательно, имеет одно преимущество, заключающееся в том, что при отказе плавкого предохранителя или пробое на корпус в конденсаторе выделяется энергия, запасенная практически только в этом конденсаторе. Однако эта схема имеет ряд существенных недостатков: при отключении пробитых секций плавкими предохранителями на поврежденном конденсаторе возникают наибольшие перегрузки по напряжению и наибольшие значения постоянной составляющей.
Схема рис. 19.10,б, состоящая из т параллельно включенных конденсаторов и п последовательно соединенных групп (перемычки через каждый конденсатор), приводит при отключении пробитых секций плавкими предохранителями к наименьшим перегрузкам и наименьшей постоянной составляющей для поврежденного конденсатора. Однако основным недостатком этой схемы является большая энергия, выделяющаяся в поврежденном конденсаторе при отказе плавкой вставки или пробое на корпус, приблизительно равная что может вызвать взрыв и пожар на батарее.
В связи с изложенным при соединении конденсаторов в батарее либо ставят перемычки через каждые к конденсаторов (см. рис. 19.10, в) (обычно к -2), либо число параллельно соединенных конденсаторов ограничивается условием предельной энергии, которая может быть выделена в поврежденном конденсаторе (8 кДж) при перенапряжениях на батарее (2—2,5) . Значение т1 обычно колеблется в пределах 8—10. Схема такого соединения приведена на рис. 19.10, г.
Перенапряжения на шунтовых батареях конденсаторов. Шунтовые батареи конденсаторов, подключенные к шинам подстанции, подвержены воздействию внутренних перенапряжений, возникающих на шинах. Так как перенапряжения обычно носят высокочастотный характер (сотни и тысячи герц), а эквивалентное емкостное сопротивление батареи уменьшается с ростом частоты (обратно пропорционально частоте), то обычно кратность внутренних перенапряжений на батареях не превосходит 2—2,5 по отношению к амплитуде фазного рабочего напряжения .
Перенапряжения могут возникать также при включениях или отключениях батареи или части батареи [19.4].
При включении батареи перенапряжения могут достигать двойного амплитудного значения напряжения сети в момент включения. Если на батарее остался заряд от предшествующего режима работы и момент включения совпал с противоположными знаками мгновенного напряжения сети и оставшегося напряжения на батарее, то перенапряжения могут достигать больших значений.
Включение батареи сопровождается большими импульсами тока, превышающими в 5—15 раз амплитудное значение номинального тока при отсутствии заряда на батарее и в 10— 30 раз при наличии заряда с напряжением, противоположным по знаку мгновенного напряжения сети в момент включения.
Если к сети ранее подключена другая батарея (или часть батареи), то ток включения еще более возрастает и может превышать амплитудное значение номинального тока в 20— 250 раз. Это может приводить к перегоранию внешних предохранителей конденсаторов.
При отключении батареи наибольшие перенапряжения возникают при наличии повторных зажиганий дуги между контактами включателя, при этом перенапряжения могут достигать значений до (3—3,5) . Повторные зажигания дуги в выключателях также сопровождаются большими импульсами тока в конденсаторах батареи.
Основным мероприятием, ограничивающим перенапряжения при включении батареи, являются устройства, позволяющие быстро разрядить батарею после отключения. Это позволяет не иметь остаточного заряда на батарее в момент последующего включения. Для разряда конденсаторной батареи обычно применяются трансформаторы напряжения, постоянно подключенные к батареям.
Для батарей с заземленной нейтралью трансформаторы напряжения соединяются звездой с заземленной нейтралью. Для батарей с изолированной нейтралью трансформаторы напряжения соединяются но схеме открытого треугольника.
Для ограничения перенапряжений при отключении батареи целесообразно использовать выключатели, не имеющие повторных зажиганий дуги (воздушные выключатели, выключатели с шунтирующими сопротивлениями).
Для ограничения импульсов тока, возникающих как при включениях, так и при отключениях батареи, целесообразно использовать токоограничивающие реакторы, которые обычно включаются со стороны нейтрали. Так как большие импульсы тока, имеющие значительную скорость изменения тока во времени , могут привести к перенапряжениям на реакторах, то должна быть предусмотрена защита реакторов от перенапряжений разрядником, соответствующим классу реактора. Обычно реактор, включаемый со стороны нейтрали, выбирается па номинальное напряжение на класс ниже номинального напряжения сети, в которой работает батарея конденсаторов.
Рис. 19.12. Эквивалентная схема сети с включенной шунтовой батареей конденсаторов (а) и изменение амплитуды гармоники и области резонанса на 7-ю гармонику для различных активных сопротивлений нагрузки г (б): 1—3 — соответственно при г, равном 50. 100. 250 Ом; 4—при отсутствии нагрузки
При установлении допустимого напряжения на конденсаторах, работающих в батареях, и соответственно при выборе схемы соединения конденсаторов необходимо учитывать наличие высших гармонических в кривых напряжения и тока, с тем чтобы действующее значение тока в конденсаторе и потери энергии (активная мощность) в конденсаторе не превышали предельно допустимых значений при длительной работе. При расчетах следует иметь в виду, что в реальных цепях ток и мощность, выделяемая в конденсаторе, в ряде случаев могут значительно возрасти вследствие возникновения резонансных явлений (резонанс токов) на одну или несколько высших гармонических [19.5].
Номер гармоники, на которой возникает резонанс токов, можно определить по формуле
(19.11)
где х, — эквивалентное индуктивное сопротивление сети при промышленной частоте
С6 — емкость батареи
конденсаторов.
Следует учесть, что хэ является эквивалентным сопротивлением параллельного соединения индуктивных сопротивлений питающей сети и нагрузки.
Возникновение резонанса приводит к значительному возрастанию напряжения высших гармоник на конденсаторе, тока высших гармоник и потерь на высшие гармонические в конденсаторе (рис. 19.12). Это может привести к недопустимому
длительному перегреву конденсатора и выходу его из строя либо в результате теплового пробоя, либо в результате ускоренного старения диэлектрика.
Отсутствие резонанса на высшие гармонические должно быть обеспечено как для батареи в целом, так и в процессе ступенчатого регулирования мощности конденсаторной батареи.
