Конденсаторная установка может состоять из одной или нескольких конденсаторных батарей (два или более конденсатора, соединенных электрически) либо из одного или нескольких отдельно установленных конденсаторов и относящегося к ним вспомогательного электрооборудования: разъединителей, выключателей, разрядных сопротивлений, измерительных приборов, защитных устройств и т. п.
Конденсаторные батареи средней и большой мощности могут быть разбиты на секции, каждая из которых имеет своп разъединитель или выключатель.
Секционирование батарей позволяет производить отключение секции от остальной части батареи под напряжением или после отключения всей батареи для осмотра или ремонта, а также для многоступенчатого регулирования мощности конденсаторной установки в процессе эксплуатации.
Конденсаторные установки присоединяются к сети или через отдельный аппарат управления (рис. 5,а), служащий для включения и отключения только конденсаторов, или через общий аппарат управления с электроприемником (рис. 5,6).
Широкое распространение получила схема присоединения к сети через отдельный аппарат управления, особенно в установках напряжением выше 1 000 в.
Достоинством этой схемы является независимость работы установки от работы электроприемников, недостатком — необходимость излишней коммутационной аппаратуры (разъединитель, выключатель, трансформаторы тока и т. п.).
Вторая схема распространена значительно реже и применяется при компенсации реактивной мощности трансформаторов и асинхронных двигателей.
При схеме подключения к сети через общий аппарат управления следует устанавливать на ответвлении к конденсаторам разъединитель (рубильник), позволяющий отключать установку и производить осмотр, а также ремонт конденсаторов во время работы трансформатора или электродвигателя.
В качестве коммутационной аппаратуры для конденсаторных батарей и секций напряжением выше
1 000 в применяются выключатели (масляные или воздушные) или разъединители мощности.
Конденсаторы напряжением до 1 000 в включаются и отключаются от сети с помощью автоматов, контактов или рубильников.
Рис. 5. Схемы присоединения конденсаторных установок к питающей сети.
а — присоединение через отдельный масляный выключатель; б — присоединение через общий с силовым трансформатором автомат.
Если конденсаторная батарея разбита на секции, то разъединители секций должны иметь блокировку с выключателем батареи.
С целью уменьшения затрат на коммутационную аппаратуру, измерительные приборы и пр. не рекомендуется присоединение к сети 6—10 кВ через отдельный аппарат управления конденсаторной установки единичной мощностью менее 400 квар и через общий аппарат управления с силовым трансформатором, асинхронным двигателем и другими электроприемниками мощностью менее 100 квар.
Конденсаторы на напряжения 0,22—0,5 кВ должны размещаться у групповых щитков, при этом мощность их во избежание расходов на отключающую аппаратуру, установочный шкаф и измерительные приборы принимается не менее 30 квар.
В трехфазных батареях, состоящих из однофазных конденсаторов, фазы соединяются треугольником или звездой. В каждой фазе конденсаторы включаются параллельно. Может применяться также последовательное или параллельно-последовательное соединение однофазных конденсаторов в каждой фазе трехфазной батареи.
При параллельном соединении однофазных конденсаторов и включении фаз батареи треугольником ее номинальное напряжение равно номинальному напряжению конденсаторов.
Соединение фаз батареи звездой позволяет получить конденсаторные установки для напряжений, превышающих номинальное напряжение конденсаторов в 1,73 раза. Трехфазные конденсаторные батареи, соединяемые звездой, могут быть как с изолированной, так и с заземленной нейтралью. Трехфазные конденсаторы всегда соединяются в батареях параллельно.
В отечественной практике применяется почти исключительно соединение фаз батареи треугольником с параллельным включением конденсаторов в каждой фазе. Последовательное и параллельно-последовательное соединения однофазных конденсаторов в каждой фазе батареи позволяют выполнять конденсаторные установки на напряжения 35, 110 и 220 кВ из конденсаторов напряжением менее 10 кВ.
Все три фазы конденсаторной установки независимо от схемы их соединения должны иметь одинаковую емкость, так как необходима симметрия токов и напряжений. При соединении конденсаторной батареи звездой это требование необходимо и для равенства напряжения на всех фазах батареи.
Если применяется параллельно-последовательное соединение конденсаторов, то должны быть одинаковы емкости всех последовательно соединенных групп в каждой фазе, так как на каждую группу приходится напряжение, обратно пропорциональное ее емкости.
При подразделении конденсаторной батареи на секции эти требования распространяются и на них.
После отключения конденсаторов от сети в них сохраняется электрический заряд. Если цепь отключенного конденсатора остается разомкнутой, разряд конденсатора .происходит через диэлектрик. Такой процесс разряда (саморазряд) происходит весьма медленно вследствие большого сопротивления изоляции диэлектрика.
Во избежание опасного соприкосновения с токоведущими частями, а также включения заряженных конденсаторов, схемы соединений батарей должны обеспечивать их разряд немедленно после отключения от сети. При этом продолжительность разряда должна быть менее 1 мин. Это требование осуществляется автоматическим разрядом конденсаторов после их отключения на специальные разрядные сопротивления, присоединяемые параллельно.
В конденсаторных установках на напряжения выше 1 000 в разрядные сопротивления должны быть постоянно присоединены к конденсаторам, а в цепи между конденсаторами и сопротивлениями не должно быть промежуточных коммутационных аппаратов. В установках на напряжения до 1 000 в в целях экономии электроэнергии разрядные сопротивления должны автоматически подключаться к конденсаторам в момент их отключения.
Рис. 6. Принципиальные схемы соединения обмоток однофазных трансформаторов напряжения для разряда конденсаторов.
а — треугольником; б — открытым треугольником.
Для разряда конденсаторов на напряжения выше 1 000 в применяются однофазные трансформаторы напряжения, включаемые в треугольник или открытый треугольник (рис. 6), а также индуктивные сопротивления.
Наилучшей схемой является соединение трансформаторов треугольником, так как в случае обрыва одной из обмоток трансформатора разряд конденсаторов сохраняется для всех трехфазных емкостей установки.
Применение индуктивных сопротивлений позволяет уменьшить потери в цепи разряда по сравнению с активными сопротивлениями. Для контроля цепи разряда к вторичным обмоткам трансформаторов напряжения присоединяются сигнальные лампы, реле или измерительные приборы.
В качестве разрядных сопротивлений для конденсаторов на напряжения до 1 000 в обычно применяются
Лампы накаливания или индуктивные сопротивления (проволочные или непроволочные). Лампы соединяются попарно последовательно, а группы соединяются треугольником или звездой.
Для увеличения срока службы ламп и уменьшения потребления электрической энергии в разрядных устройствах применяют схемы соединения ламп в звезду (рис.-7).
Рис. 8. Схема разряда конденсаторов на обмотки электродвигателя
При таком включении каждая лампа находится под напряжением, составляющим 0,5 номинального, и потребляет около 35% ее номинальной мощности.
Рис. 7. Схема разряда конденсаторной батареи на электрические осветительные лампы, соединенные звездой
Вспышка разрядных ламп при автоматическом подключении к конденсаторам позволяет легко контролировать исправность цепи разряда.
При подключении конденсаторной установки к сети через общий аппарат управления с приемником электроэнергии необходимость в специальных разрядных сопротивлениях отпадает (рис. 8). В этом случае конденсаторы достаточно быстро разряжаются на обмотки электроприемников (трансформатор, асинхронный двигатель и т. п.).
При секционированных конденсаторных батареях каждая секция должна быть снабжена комплектом разрядных сопротивлений. Конструкция конденсаторной установки должна обеспечивать хорошую обозреваемость при наблюдении за конденсаторами, изоляторами, защитными устройствами во время эксплуатации, а также удобство замены вышедших из строя элементов электрооборудования и конденсаторов.
Конденсаторы монтируются на конструкциях, которые выполняются из несгораемых материалов в один, два или три яруса при одно- или двухрядном расположении их в ярусе. Под каждый конденсатор рекомендуется установка подставки из листового железа.
Промежутки между рядом стоящими конденсаторами должны быть не менее 50 мм для 1-го габарита и 70 мм для 2-го.
Конденсаторные установки с общим количеством масла более 600 кг располагаются в отдельных помещениях, выполняемых из огнестойких материалов, с выходом наружу или в общее помещение. При этом под конденсаторной установкой на напряжение выше 1000 В должен быть устроен маслоприемник, рассчитанный на 20% общего количества масла. Устройство маслоприемника должно быть выполнено в виде углубления в полу, либо делается порог по периметру батареи.
Эти требования не распространяются на установки конденсаторов, заполненных негорючим жидким диэлектриком.
Конденсаторные установки с общим количеством масла до 600 кг размещаются в распределительных устройствах или (помещениях щитов управления, а также в производственных помещениях, отнесенных к категориям Г и Д.
Конденсаторы, предназначенные для внутренней установки, при применении на открытом воздухе размещаются в стационарных или передвижных металлических шкафах. При этом должна быть обеспечена защита конденсаторов от попадания на них атмосферных осадков (дождя, снега). При наружной установке конденсаторов устройство маслоприемников не требуется.
Предохранители для защиты конденсаторов должны находиться на высоте, доступной для обслуживания, и, как правило, вынесены вперед. Такое расположение облегчает их обслуживание.
Конденсаторные установки большой мощности к сборным шинам подключаются кабелем, так как ошиновки вследствие сильных пусковых толчков тока подвергаются динамическим усилиям и поэтому должны быть выбраны с большим запасом, что экономически нецелесообразно.
При установке конденсаторов в отдельных помещениях окна помещения защищаются металлической сеткой, а конденсаторная установка снабжается сетчатым ограждением или барьером. При установке конденсаторов в прочих помещениях их защищают кожухами из стальных листов.
Конденсаторные установки на напряжения выше 1 000 в должны быть снабжены блокировкой, устроенной таким образом, чтобы при открытии дверей сетчатых ограждений, конденсаторная установка отключалась от сети.
У входа в помещение конденсаторной установки на напряжение выше 1 000 в должна быть установлена «лампа безопасности», загорающаяся при отключенном выключателе.
В одном помещении с конденсаторами могут располагаться разрядные сопротивления, разъединители, малообъемные выключатели и другие относящиеся к ним элементы оборудования. Секции конденсаторных батарей должны располагаться таким образом, чтобы обеспечить безопасность работ на каждой из них при остальных включенных.
На рис. 9 представлена конструкция конденсаторной батареи на напряжение 6,3 кВ, а на рис. 10—380 в.
В настоящее время разработаны конструкции и выпущены комплектные конденсаторные установки типа КУ-1-6,3 мощностью порядка 1 000 квар, которые проходят промышленные испытания. Применяемые в комплектных установках конденсаторы имеют схемы параллельно-последовательного соединения.
При включении конденсаторов в сеть температура их постепенно повышается и достигает установившегося значения тогда, когда количество тепла, выделяющееся через поверхность конденсатора в окружающее пространство, будет равно количеству тепла, выделяющегося в конденсаторе.
После отключения конденсаторов температура их понижается до температуры окружающего воздуха, при этом понижается уровень находящегося в конденсаторе масла или совола. Этот уровень при самой низкой температуре должен покрывать верхние поверхности секций.
Рис. 9. Типовая конструкция конденсаторной батареи на напряжение 6,3 кВ.
I — ячейка на 18 конденсаторов (одинарная); 2 — конденсаторы типа КМ;
3 — предохранители групповой защиты конденсаторов; 4—торцовое ограждение конденсаторной ячейки.
Внутренние дефекты конденсаторов (отключение секций, повышение тангенса угла потерь и пр.) приводят к повышению их температуры по сравнению с температурой исправных конденсаторов.
В связи с этим температура окружающего воздуха в помещениях конденсаторных установок должна быть в пределах от —35 до +35° С.
В летнее время, когда с помощью естественной вентиляции не удается обеспечить допустимые температуры, устраивается искусственная вентиляция. Вентиляция необходима с целью удаления излишнего тепла, выделяющегося в конденсаторах, и выполняется проточно-вытяжной. При установке конденсаторов в шкафах в последних должны быть оставлены вентиляционные отверстия. При искусственной вентиляции необходимо предусматривать автоматическое включение и отключение ее в зависимости от температуры окружающего воздуха.
Рис. 10. Типовая конструкция конденсаторной установки на напряжение 380 в.
1 — конденсаторы; 2 — вентиляционные отверстия (окна); 3 — бак под масло (маслоприемник); 4— привод разъединителя; 5 — амперметры; 6 — разрядные лампы.
Входное отверстие для притока воздуха в конденсаторное помещение (шкаф) следует располагать ближе к нижнему ярусу установки конденсаторов, а вытяжное— над установкой.
При расположении конденсаторов в несколько ярусов температура воздуха, обтекающего банки верхнего яруса, будет выше в результате подогрева его конденсаторами нижнего яруса. Поэтому, чтобы не ухудшить вентиляцию, не допускается устройство сплошных горизонтальных перегородок (полок) между отдельными ярусами.
В зимнее время при отрицательных температурах вентиляционные отверстия необходимо закрывать во избежание охлаждения конденсаторов.
При работе конденсаторных установок величина напряжения на зажимах конденсаторов может колебаться. Повышение напряжения свыше номинального увеличивает потери в конденсаторах и приводит к повышению температуры диэлектрика. Поэтому допускается длительная работа конденсаторов при повышении напряжения лишь до 110% номинального значения.
Те же последствия возникают при появлении несинусоидального напряжения высших гармоник на зажимах конденсаторов. Несинусоидальные токи и напряжения возникают в сетях, содержащих ртутные выпрямители, силовые трансформаторы и пр. Кроме повышения температуры конденсаторов, токи высших гармоник вызывают перегрев электрооборудования установки. В связи с этим конденсаторы должны быть отключены защитой или вручную .при действующем значении тока свыше 130% номинального.
Все эти меры борьбы с перегрузкой конденсаторов значительно увеличивают срок их эксплуатации.
В процессе оперативных переключений конденсаторных установок в них возникают переходные процессы. Так, при включении конденсаторной установки по ее цепи проходит ток переходного режима, превышающий по величине номинальный в несколько раз. Этот ток может вызвать перегорание предохранителей батареи, ложное срабатывание релейной защиты, а также перенапряжения в цепях индуктивных элементов (например, трансформаторов тока и др.).
При отключении конденсаторов в них сохраняются электрические заряды, которые увеличивают возможность появления так называемых повторных зажиганий при пробое диэлектрика выключателя.
Повторные зажигания сопровождаются перенапряжениями, превышающими в несколько раз номинальное напряжение конденсатора.
Процессы при обособленном и параллельном включении конденсаторов протекают неодинаково, что особенно заметно при применении автоматического регулирования мощности конденсаторных батарей.
Броски тока и перенапряжения, возникающие при включении и отключении конденсаторных установок, как указывалось выше, вызывают нежелательные явления. Поэтому при эксплуатации необходимо уделять внимание аппаратуре, ограничивающей параметры переходных процессов конденсаторных установок.
Выключатели в цепях конденсаторных установок необходимо устанавливать на номинальный ток около 150% номинального тока установки. Коммутационный процесс существенно улучшается при применении выключателей с ускоренным процессом включения, поэтому рекомендуется применять пружинный .привод для выключателей.
Трансформаторы тока должны быть оснащены параллельно включенными сопротивлениями, что дает возможность шунтировать защиту при включении конденсаторных установок. В противном случае приходится увеличивать уставку максимальной защиты, что нежелательно.
Перенапряжения, возникающие при включении и отключении конденсаторных установок, для исправных конденсаторов неопасны.
Различают три способа компенсации реактивной мощности при применении конденсаторных установок: централизованный, групповой и индивидуальный.
При централизованной компенсации конденсаторы устанавливают на стороне высшего или низшего напряжения трансформаторной подстанции вблизи крупных потребителей электрической энергии.
Централизованная компенсация на стороне высшего напряжения (рис. 11,а) не разгружает сеть промышленного предприятия и трансформаторы подстанции от реактивных токов. Однако при такой компенсации разгружаются линии электропередачи, аппаратура подстанций и генераторы электростанций системы.
Централизованная компенсация на стороне низкого напряжения понижающей подстанции (рис. 11,6) более экономична, так как при этом разгружаются от реактивных токов и трансформаторы подстанций.
Групповая компенсация является одним из самых экономичных способов компенсации реактивной мощности и поэтому получила широкое применение.
В этом случае конденсаторы подключают к сборным шинам цеховых распределительных устройств (рис. 11,е) на стороне низшего напряжения (иногда на стороне высшего напряжение). При групповой компенсации от реактивных токов разгружаются питающие сети и трансформаторы предприятия, но не распределительная сеть.
При индивидуальной компенсации конденсаторы устанавливают непосредственно у приемников электроэнергии (рис. 11,г). Электродвигатели и трансформаторы компенсируются самостоятельно отдельной конденсаторной установкой или соответствующим по мощности конденсатором.
Рис. 11. Способы компенсации реактивной мощности промышленного предприятия. а — централизованная на стороне высшего напряжения; б — централизованная на стороне низкого напряжения; в - групповая; г — индивидуальная; 1 — генераторы энергосистемы; 2 — силовые трансформаторы; 5 — электроприемники; 4 — конденсаторные установки.
В данном случае от реактивных токов разгружаются не только элементы питающей системы, но и вся распределительная сеть промышленного предприятия.
Индивидуальная компенсация обеспечивает минимальные потери, так как реактивные токи циркулируют только между электроприемником и конденсатором. Преимущество индивидуальной компенсации заключается в том, что отпадает необходимость в пусковой аппаратуре и разрядных сопротивлениях.
Технико-экономические расчеты и исследования производственных условий показывают, что на промышленных предприятиях наиболее целесообразным является применение групповой компенсации.
