Основные принципы расчета и выбора оборудования установок компенсации реактивной мощности

16.03.2023

Основные принципы расчета и выбора оборудования установок компенсации реактивной мощности

 В данной статье рассмотрены ответы на основные вопросы наших клиентов по расчету и выбору оборудования установок компенсации реактивной мощности (УКРМ).

 На наш взгляд, перед проектированием УКРМ необходимо провести полноценный анализ сети, включающий в себя измерение напряжения в течение суток, активной мощности P, коэффициента мощности, уровня гармонических искажений напряжения THD-U. Произведем расчет УКРМ на примере измеренных данных.

 Исходя из данных измерений, получены следующие параметры: Р=446кВт, cos φ₁=0,77 (tg φ₁=0,89), напряжение при максимальной нагрузке U_н=400В, максимальное напряжение U_max=427В, THD-U 2,4%.

 Мощность компенсирующего устройства определяем по формуле:

Q_C = P (tgφ₁ – tgφ₂)

где      Р – расчетная максимальная мощность активной нагрузки объекта, кВт;

           φ₁ − угол сдвига фаз до включения батареи конденсаторов при Р;

           φ₂ − угол сдвига фаз после выключения батареи конденсаторов при Р.

 Произведем расчет установки компенсации реактивной мощности для повышения коэффициента до cos φ₂=0,95 (tg φ₂=0,33).

Q_C = 446 (0,89 – 0,33) = 249,8 кВАр ≈ 250 кВАр

 Следующим шагом идет определение количества ступеней установки и шаг минимальной ступени.

 Исходя из опыта эксплуатации УКРМ, а также научных исследований в этой области [1], минимальный шаг ступени выбирается в размере 10% от полной мощности установки, в нашем случае это будет 25кВАр.

 Далее определяем количество шагов УКРМ. Чем больше шагов содержит УКРМ, тем точнее будет происходить регулирование коэффициента мощности, но чаще будут происходить коммутации конденсаторов и тем больше будет переходных процессов в сети и негативных процессов, связанных с ними, прежде всего – снижение срока службы самих конденсаторов. По нашему мнению, для большинства систем достаточно 6 ступеней регулирования. При большой мощности установок (более 500кВАр), следует рассматривать установку 7…12 ступеней, количество ступеней свыше 12 нецелесообразно и допускается в исключительных случаях.

 В нашем примере, исходя из расчетов, выбираем установку на 6 ступеней, мощность по ступеням будет следующей: 50-50-50-50-25-25кВАр, суммарно 250кВАр.

 Проверяем установку по наименьшей нагрузке. По графику минимальная нагрузка составляет 220кВт, или половину от максимальной. Соответственно, максимальная ступень должна составлять не более половины всей мощности УКРМ (125кВАр). В нашем случае максимальная ступень составляет 50кВАр, следовательно, УКРМ будет корректно компенсировать реактивную мощность при минимуме нагрузки.

 Схема установки будет выглядеть следующим образом:

 Рассмотрим расчет и выбор основных составляющих установки.

 1.  Компенсационный (косинусный) конденсатор. Является основной частью установки компенсации реактивной мощности, выдавая в сеть емкостную мощность.

 Масляные конденсаторы типа MKV ввиду своей малой надежности и пожароопасности постепенно выходят из использования, на смену им приходят так называемые “сухие” конденсаторы, выполненные по технологии MKP, выпускаемые ведущими мировыми производителями, такими, как ZEZ Silko.

 Главные преимущества на примере серии CSAD ZEZ SILKO:

• не содержат PCB или ПХБ (полихлорированные бифенилы). Полихлорированные бифенилы относятся к группе стойких органических загрязнителей (СОЗ), мониторинг которых в воздухе, воде и почве является обязательным в развитых индустриальных странах вследствие их высокой опасности для окружающей среды и здоровья населения;
• изготавливаются c использованием технологии MKP. Это означает использование металлизированной полипропиленовой пленки со свойствами самовосстановления и чрезвычайно низкими потерями диэлектрика;
• защищены встроенным разъединителем по давлению, который обеспечивает безопасное отключение конденсатора от сети в случае аварийной перегрузки или в конце срока службы;
• оснащены встроенными разрядными резисторами для безопасности обслуживающего персонала.

 Выбор конденсаторов производится по основным параметрам: номинальной частоте, номинальному рабочему напряжению, мощности при рабочем напряжении, классу по устойчивости к гармоническим искажениям напряжения в сети.

 В наших сетях стандартной является частота 50Гц, отклонения незначительны, поэтому здесь внимание акцентировать не будем.

 Выбор по номинальному напряжению осуществляется, исходя из измеренных значений максимального напряжения в месте подключения УКРМ в течение суток. В нашем случае это напряжение составляет 427В. Следует помнить, что при включении УКРМ в сеть потери напряжения снизятся, что увеличит максимальное напряжение. Поэтому, нужно произвести перерасчет напряжения или выбрать номинальное напряжение конденсатора с запасом. В линейке конденсаторов ZEZ Silko наименьшим номинальным напряжением является 440В, что для нашего случая подходит.

 В ассортименте ZEZ Silko присутствуют три серии конденсаторов, в зависимости от уровня высших гармоник в сети (THD-U):

 В нашем примере THD-U составляет 2,4%, поэтому выбираем серию HD.

 При наличии в сети THD-U более 4% необходима установка фильтрующих дросселей. Подробно о выборе системы конденсатор-дроссель будет рассказано в отдельной статье.

  Выбор конденсаторов по номинальной мощности производим по таблице.

 Выберем конденсатор для наименьшей ступени – 25кВАр. Поскольку в нашем примере рабочее напряжение при максимуме нагрузки составляет 400В, то выбор конденсатора осуществляем по третьей колонке, тип конденсатора – CSADG-0,44/30-HD. Данный конденсатор будет выдавать мощность 25кВАр при напряжении 400В. Ввиду того, что конденсатор имеет номинальное напряжение 440В, при минимуме нагрузок и напряжении 427В конденсатор будет выдавать мощность около 28кВАр, не будет испытывать перенапряжений и срок его службы не снизится.

 

 2.  Контакторы для конденсаторов. Выполняют функцию коммутации секции конденсатора. Использование обычных контакторов не допускается ввиду больших пусковых токов конденсаторов (в 100 раз и более превышающее номинальный ток). Некоторые азиатские производители используют обычные контакторы, дополненные специальной приставкой для сглаживания пусковых токов, чего недостаточно для коммутации конденсаторов. В контакторах Rade Koncar серии CNNK кроме специальной приставки, сглаживающей пусковой ток конденсатора, применены усиленные силовые контакты, обеспечивающие многократный надежный пуск конденсаторов.

 Контактор выбирается, исходя из реальной потребляемой мощности конденсатора. Произведем выбор контактора для конденсатора CSADG-0,44/30-HD, используя таблицу с его паспортным данными. Поскольку максимальное напряжение на конденсаторе составляет 427В, то выбор контактора ведем по мощности на этом напряжении. Как говорилось выше, она составляет приблизительно 28кВАр. Исходя из этого, выбираем контактор CNNK 30 10N.

 

 3.  Регулятор реактивной мощности. Назначение – автоматическое включение и отключение ступеней установки для регулирования коэффициента мощности.

 Основной параметр для выбора регулятора – количество ступеней регулирования.

 Регуляторы реактивной мощности Beluk серий ACX, ACXeco, ACXplus, кроме стандартных для современных регуляторов функций, имеют следующие немаловажные функции:

• контроль температуры (при установке датчика ACX-NTC), с настраиваемой возможностью отключения установки при превышении температуры либо выводом сигнала в систему телемеханики через аварийный контакт;
• контроль параметров сети, включая THDi, THDu, с настраиваемой возможностью отключения установки при отклонении параметров сети;
• настройка мощности каждой ступени индивидуально;
• контроль емкости ступеней, при отклонении более 30% от номинала выводится сигнал на экран для оператора;
• отдельный выход для вентилятора, который можно настроить для регулирования дополнительной ступени (в сериях ACXeco, ACXplus);
• наличие интерфейса с протоколом Modbus, что позволяет вести удаленный мониторинг установки компенсации реактивной мощности (в серии ACXplus).

 Дополнительные функции позволяют использовать регуляторы Beluk как устройства мониторинга сети, а также сохранить установку в целостности при превышении параметров выше заданных, контролировать ее состояние и вовремя производить работы по обслуживанию и замене устаревших комплектующих.

 В нашем случае специфические требования отсутствуют, поэтому выбираем регулятор BLR-ACX (ACX06R), имеющий 6 ступеней регулирования. Для дополнительной защиты от перегрева оснащаем регулятор датчиком температуры BLR-ACX.

 

 4.  Аппарат защиты линии. Основная функция – защита конденсатора и идущей к нему линии от перегрузок и коротких замыканий. Как правило, применяется рубильник с предохранителями, например, XLP, как наиболее дешевый и быстродействующий вариант, имеющий высокую отключающую способность. Такой вариант защиты, как автоматический выключатель используется значительно реже, ввиду значительно более высокой цены.

 Плавкие вставки следует выбирать быстродействующие, типа aR.

 Ток плавкой вставки или расцепителя автоматического выключателя выбирается, исходя из условия:

где    I_н – номинальный ток расцепителя выключателя или плавкой вставки, А;

          k – коэффициент надежности, учитывающий разброс по току срабатывания принимаем равным 1,2-1,25 для автоматических выключателей и 1,4-1,6 для плавких вставок.

 Произведем расчет плавкой вставки для конденсатора CSADG-0,44/30-HD при рабочем напряжении 440В. Номинальный ток при напряжении 440В у данного конденсатора составляет 39,4А, произведем расчет:

 Исходя из расчета, выбираем плавкую вставку ближайшего наибольшего номинала – 63А. Предохранители устанавливаем в откидной рубильник XLP00-6M8.

 5.  Вводной аппарат. Необходим для коммутации УКРМ, а также, для защиты сборных шин установки (при их наличии). Чаще всего применяются автоматические выключатели, реже – рубильники или выключатели нагрузки с предохранителями.

 Не является обязательной частью установки компенсации реактивной мощности, при близком расположении питающего аппарата необходимости в установке нет. Выбор вводного аппарата производится по той же методике, что и выбор аппарата защиты линии.

    

 Автор выражает благодарность кандидату технических наук Жуковскому Александру Ивановичу за оказание помощи в создании данной статьи и предоставление необходимых материалов по исследованию процессов компенсации реактивной мощности

 Задать вопросы автору данной статьи: kuchinskiy@overdrive.by

 Уточнить цены, наличие, получить квалифицированную консультацию по продуктам можно по телефонам ☎️ +375 17 247-19-99, +375 44 567-19-99, +375 29 787-19-99 либо у своего менеджера.