Одной из важных проблем, определяющих прогресс в развитии конструкций конденсаторных установок с автоматическим регулированием их мощности, является разработка и освоение специальной комплектующей аппаратуры. Основным коммутирующим аппаратом конденсаторной установки является выключатель, предназначенный для включения и отключения чисто емкостной нагрузки, выполняемой с учетом мероприятий по ограничению переходных процессов. Обычные выключатели не обладают достаточной механической прочностью, необходимой при работе с конденсаторными установками. Процессы, происходящие при отключении конденсаторов, представляют некоторые особенности по сравнению с процессами при отключении другого вида электрооборудования.
При отключении конденсаторов напряжение на их зажимах в течение всего процесса отключения остается практически постоянным благодаря наличию в конденсаторе электрического заряда. При разрядке конденсатора даже с разрядным сопротивлением требуется значительно больше времени, чем для перемещения контактов выключателя из одного крайнего положения в другое. Поэтому можно считать, что на зажимах присоединенного к конденсатору выключателя напряжение остается постоянным в течение всего процесса отключения, а на зажимах выключателя, присоединенного к сети, меняется синусоидально.
В момент начала отключения напряжение между подвижными и неподвижными контактами равно нулю, но через половину периода, т. е. через 0,01 с, оно равно удвоенной амплитуде напряжения сети. В этот момент расстояние между контактами выключателя может быть еще настолько мало, что воздушный промежуток будет пробит и ток возобновится. Так как в этот момент на конденсатор действует двойное напряжение, то и ток может в 2 раза превысить ток включения разряженного конденсатора. Таким образом, ток при отключении конденсатора может возобновляться несколько раз, пока не произойдет окончательного разрыва его на контактах выключателя.
Переходные процессы, возникающие при отключении конденсаторов, аналогичны процессам при включении.
При исследовании процесса включения существенное значение имеет то обстоятельство, как расположена подключаемая конденсаторная установка — отдельно, обособленно от других конденсаторных установок (рис. 10) или она находится вблизи них и отделена от них лишь малыми активными и реактивными сопротивлениями, уже подключенными к сети (рис. 11,о). Имеется в виду также включение и отключение конденсаторных установок, работающих параллельно с другой установкой, или при коммутации под напряжением отдельных секций регулируемой конденсаторной установки (рис. 11,6).
Броски тока и перенапряжения, сопровождающие переходные процессы в обособленных конденсаторных установках, как правило, не представляют опасности ни для конденсаторов, ни для другого оборудования установки. При параллельной работе конденсаторных установок или отдельных ее секций броски тока и перенапряжения могут достигать более значительных размеров, чем в обособленной конденсаторной установке. Однако отечественный и зарубежный опыт показывает, что даже для мощных конденсаторных установок максимальный ток включения меньше ударного тока короткого замыкания, который выдерживает выключатель.
Рис. 10. Схема подключения обособленной конденсаторной установки к электрической сети.
Для автоматического управления конденсаторными установками напряжением 380 В необходим быстродействующий малогабаритный автоматический выключатель или контактор для коммутации чисто емкостной нагрузки на номинальный ток 300—800 А, допускающий 20—30 операций в сутки при автоматическом регулировании. Ударный ток короткого замыкания, допускаемый в защищаемой этими выключателями сети, должен быть не менее 50 кА в соответствии с принятым ударным током короткого замыкания для распределительных щитов низкого напряжения цеховых трансформаторных подстанций. При отсутствии специально приспособленного выключателя для работы в конденсаторных установках с автоматическим регулированием напряжением ниже 1000 В могут быть применены контакторы типа КТУ-4 или КТ-6043 с предохранителями либо автоматы типа А 4000 с дистанционным управлением с необходимыми видами защит, сигнализацией и др.
Рис. 11. Схемы подключения конденсаторных установок в распределительных сетях.
Следует учитывать, что эти выключатели проверены и предназначены для управления электроприемниками с индуктивной нагрузкой, поэтому при применении для управления конденсаторными установками их нужно выбирать с запасом по току не менее чем на 50% выше номинального тока конденсаторной установки.
Для автоматического управления конденсаторными установками напряжением 3—10 кВ обычные масляные и воздушные выключатели не полностью удовлетворяют специальным требованиям, предъявляемым к выключателям, коммутирующим чисто емкостную нагрузку. Наиболее пригодны для работы в конденсаторных установках применяемые за рубежом вакуумные и элегазовые выключатели, допускающие быстрые и частые переключения и практически исключающие повторные зажигания дуги. При отсутствии специального выключателя для управления конденсаторными установками напряжением 3—10 кВ применяются малообъемные масляные выключатели типов ВМГ-133, ВМГ1-10 и другие, с запасом по току не менее чем на 50% выше номинального тока конденсаторной установки, но они не приспособлены для отключения чисто емкостной нагрузки, и в процессе отключения не исключена возможность повторного возникновения дуги, а при большом количестве коммутационной операции во время эксплуатации требуется замена их контактной системы.
Выключатели нагрузки типов ВН и ВНП 6—10 кВ применяются только для ручного управления конденсаторной установки мощностью до 400 кВ-А. Для автоматического управления, т. е. частого включения и отключения конденсаторной установки, выключатели нагрузки не могут быть рекомендованы. Чтобы избежать повторного зажигания дуги, замыкание и размыкание контактов выключателя должны быть по возможности быстрыми. При ручном управлении выключателями конденсаторных установок должно быть дано соответствующее указание эксплуатационному персоналу о возможно быстром переключении контактов выключателя.
Практически на промышленных предприятиях применяются типовые схемы с параллельным включением конденсаторных установок мощностью 500—2500 кВАр, располагаемых на двух секциях одного распределительного устройства напряжением 6—10 кВ, при этом аварий с выключателями по причине параллельного включения или отключения конденсаторных установок не отмечалось. Это объясняется тем, что переходные процессы, сопровождающиеся бросками тока большой величины, происходят настолько быстро, что термический эффект и динамические усилия не представляют опасности для выключателей и переключателей при автоматическом управлении конденсаторными установками мощностью 500—2500 кВАр.
Для коммутации секций в конденсаторных установках при автоматическом или ручном управлении применяется вакуумный выключатель. Отключать ток короткого замыкания им не допускается. Вакуумный выключатель нагрузки типа ВНВ-10/320 нормального исполнения внутренней установки для напряжений 6— 10 кВ с номинальным током 320 А может изготовляться в тропическом исполнении. Его характеристики: ток динамической устойчивости 70 кА; ток термической устойчивости 30 кА при 0,3 с; допустимое число срабатываний — до 30000 без замены камеры; ход контактов 4 мм, время включения 0,015 с. Анализ зарубежного опыта показывает, что для коммутации конденсаторных установок высокого напряжения наиболее целесообразно применять элегазовые выключатели [4]. Камера этого выключателя заполняется элегазом (шестифтористой серы) до давления 0,2—0,3 МПа*, обладающим надежными дугогасящими и изоляционными свойствами. Время отключения элегазового выключателя 0,01 с, что исключает возможность повторного зажигания при коммутации конденсаторных установок. Элегазовый выключатель не пожароопасен вследствие отсутствия внешнего выброса пламени и, таким образом, может устанавливаться во взрывоопасных помещениях и т. п.
Следует отметить влияние высших гармонических тока и напряжения на работу конденсаторных установок. В сетях переменного тока, питающих преобразовательные установки, даже если источники электрической энергии имеют синусоидальные э.д.с., не только ток, но и напряжение отличаются от синусоидальных и содержат высшие гармонические. При широком применении постоянного тока в системе электроснабжения промышленных предприятий возникает необходимость в компенсации реактивной мощности статических преобразовательных агрегатов.
* По системе единиц СИ давление измеряется в мегапаскалях, 1 кгс/см2 « 0,1 МПа.
Однако указанные статические преобразовательные агрегаты по отношению к сети переменного тока являются еще и источниками высших гармонических тока. Поэтому параллельное включение конденсаторов к шинам преобразовательных установок со стороны переменного тока позволяет использовать их, кроме компенсации реактивной мощности, также для создания фильтров высших гармоник. При включении конденсаторной установки в сеть, по которой протекают высшие гармонические тока, вызванные работой преобразовательных агрегатов, потребляемый конденсаторной установкой ток будет также содержать высшие гармонические которые могут опасно перегрузить конденсаторы.
Для ограждения конденсаторной установки от высших гармонических тока последовательно с ней включают реактор. Такое включение реактора обеспечивает нормальную работу конденсаторной установки, но приводит к увеличению потерь мощности и повышению напряжения во всех конденсаторах. В этих условиях рекомендуется по согласованию с заводом-изготовителем применять конденсаторы с повышенным номинальным напряжением 6,6 кВ для сетей 6 кВ и 11 кВ для сетей 10 кВ. Поэтому на мощных конденсаторах реакторы включаются последовательно с частью конденсаторов, с которыми создается резонансный контур для первых из ряда высших гармонических. Для этого конденсаторная установка выполняется в виде нескольких параллельных групп, каждая из которых при помощи последовательного включения реактора настраивается в резонанс на одну из высших гармоник — обычно 5-ю, 7-ю, 11-ю и 13-ю.
На рис. 12 приведена схема подключения фильтров высших гармоник одной из четырех секций распределительного устройства 6 кВ, потребителями которого являются статические преобразовательные агрегаты приводов мелкосортного прокатного стана металлургического комбината. Для компенсации реактивной мощности предусматриваются четыре конденсаторные установки, подключаемые к каждой из четырех секций РУ 6 кВ. Каждая такая конденсаторная установка в свою очередь состоит из четырех групп, мощности которых распределяются следующим образом:
Рис. 12. Схема подключения фильтров высших гармоник с выключателем на каждой группе конденсаторной установки.
первая группа фильтра 5-й гармоники (250 Гц) мощностью 2000 кВАр с реактором индуктивностью 2,7 мГн, вторая 7-й гармоники (350 Гц) мощностью 1500 кВАр с реактором 1,8 мГн; третья 11-й гармоники (550 Гц) мощностью 1000 кВАр с реактором 1,1 мГн; четвертая 13-й гармоники (650 Гц) мощностью 500 кВАр с реактором 1,4 мГн.
Конденсаторные установки выполняются из однофазных конденсаторов по схеме звезда с реакторами, соединенными в нулевой точке.
Так как при расчете компенсирующих устройств не всегда могут быть учтены все необходимые условия, то при вводе установки в эксплуатацию проверяется наличие гармоник. При получении уточненных данных о перегрузке конденсаторов токами высших гармоник или перенапряжениях необходимо будет принять соответствующие меры для устранения их воздействия.
