Системы компенсации реактивной мощности

Нарастающий дефицит и увеличивающаяся стоимость энергоресурсов при росте промышленного и сельскохозяйственного производства, сопровождающегося непрерывным развитием производственных и городских инфраструктур, придают все большую актуальность проблемам энергосбережения и выводят на первый план именно экономию электроэнергии.

Необходимость передавать по линиям электропередач наряду с активной мощностью еще и реактивную мощность ведет к снижению качества электроэнергии, приводит к возникновению дополнительных джоулевых потерь в проводах линий электропередачи их перегреву из-за необходимости передавать потребителям и наряду с активной и реактивную составляющую тока.

В свою очередь это обстоятельство ведет к перегрузке электроподстанций, вызывает необходимость завышать мощность понижающих трансформаторов подстанций, а также сечение проводов воздушных линий и электрических кабелей. При этих условиях неизбежно просаживается напряжение в электросетях, а сокращение срока службы энергетического оборудования из-за роста его загруженности сопровождается возрастанием на на 30-50 % сумм платежей за потребленную электроэнергию. Поэтому компенсировать реактивную мощность на промпредприятиях и сельхозпредприятиях посредством конденсаторных установок в любых случаях необходимо и экономически оправданно.

Power Factory Corector

Зачем компенсируют реактивную мощность?

В электросетях, нагруженных потребителями чисто активной мощности (лампы накаливания и электронагревательные приборы) между временными функциями протекающего тока и напряжения нет ни запаздывания, ни опережения. Эти функции времени (тока и напряжения) одновременно принимают как нулевые значения, так и максимальные, а сдвиг фаз между ними равен нулю. При индуктивном характере электронагрузок потребителей функция тока в электросети принимает нулевые и максимальные значения позже, чем функция напряжения (говорят, что в этом случае ток отстает от напряжения), при емкостном характере электронагрузок – наоборот, ток опережает напряжение. Индуктивными электронагрузками для электросетей являются асинхронные электродвигатели, подъемные электромагниты и др., наличие которых наиболее типично для подавляющего большинства промышленных потребителей. При этом у них наблюдается снижение коэффициента мощности. Чтобы его повысить приходится подключать емкостные нагрузки, в которых протекает опережающий напряжение емкостный реактивный ток, который, взаимодействуя с отстающим индуктивным реактивным током компенсирует его. Результатом такой компенсации является то, что суммарная электронагрузка потребителя (электродвигатели плюс конденсаторные установки) ведет себя по отношению к питающей электросети как чисто активная нагрузка, т.е. не потребляет от нее реактивной мощности, провода линий электропередач не нагружаются дополнительным реактивным током, а коэффициент мощности нагрузок потребителя становится максимально возможным. Конденсаторные установки, работающие в автоматическом режиме, компенсируют реактивную мощность электронагрузок потребителей, и тем самым, снижают его общие потери электроэнергии.
Так, при повышении коэффициента мощности (cosφ)от величины 0,5 до 0,9 полная потребляемая мощность снижается на 44%, а экономический эффект такого снижения эквивалентен уменьшению потребления электроэнергии на 15-25%, что ведет к существенной экономии топлива на генерирующих электростанциях.

Установки для компенсации реактивной мощности (КРМ) эффективны на тех предприятиях, где в наличии большой парк компрессоров, насосов, станков, сварочных трансформаторов, электронагревательных печей, электролизеров и прочих электропотребителей с резкопеременной величиной нагрузки. В основном это характерно для металлургических, горнодобывающих и машиностроительных предприятий, а также в деревообработке, пищепроме и промышленности стройматериалов — то есть всюду, где специфика производства и техпроцессов приводит к колебаниям значения коэффициента мощности в диапазоне 0,5-0,8.

Применение КРМ позволяет:

  • снижать нагрузку понижающих трансформаторов с увеличением срока их службы;
  • снижать нагрузку кабелей, проводов воздушных линий с уменьшением их сечений;
  • повышать качество электроэнергии, отпускаемой потребителям
  • снижать нагрузку на коммутационные аппараты при уменьшении коммутируемых токов;
  • снизить расходы на оплату электроэнергии;
  • понизить уровень высших гармоник напряжения в сети.

Поэтому наша фирма предлагает просто и качественно решить все эти вопросы путем применения систем КРМ с контроллером PFC (Power Factory Corector). Предлагаем вам познакомиться с основными узлами установок для КРМ компании «ETI Elektroelement», а именно: контроллером, контакторами и конденсаторными батареями.

Контроллер PFC

Данным устройством при различном характере нагрузки отслеживается активная и реактивнаяPower Factory Corector составляющая электрической мощности, потребляемой нагрузкой, путем непрерывного измерения мгновенных значений токов и напряжений в питающей электрической сети. С использованием измеренных величин вычисляется угол сдвига фаз между векторами напряжения и тока, а также коэффициент мощности, текущая величина которого сравнивается с программно задаваемой уставкой его величины. В зависимости от величины и знака текущего отклонения косинуса φ контроллером формируется команда на подключение или отключение ступеней конденсаторных батарей, исполняемая контакторами за время от 4-х секунд. В основу работы контроллера PFC положена система FCP (Fast Computerized Program), позволяющая ему мгновенно измерять значения напряжений и токов (тем самым получая точное состояние системы) и оптимально управлять процессом компенсации. Применение системы PFC ведет к минимизации операций коммутации конденсаторных батарей, увеличивая их ресурс, а также к увеличению скорости реакции, что ведет к уменьшению энергетических потерь. Контроллер PFC обеспечивает полностью автоматический процесс КРМ. Высокая точность измерений токов и напряжений, а также вычисления косинуса φ достигается методами цифровой обработки измеренных величин токов и напряжений.

Контроллером вычисляются основные гармоники активных и реактивных токов, чем обеспечивается точность их измерения и управления процессом КРМ даже при искажении высшими гармониками формы тока в сети.

В контроллере реализованы специализированные функции, осуществляющие автоматическую настройку ступеней конденсаторных батарей без участия персонала, а также несколько программ режимов работы ступеней, включая подключение и управление внешним вентилятором охлаждения батарей, предусмотрена также выдача аварийного сигнала превышения допустимой температуры. Если нет необходимости настраивать процесс автоматизированно, то все его параметры могут задаваться вручном режиме.

Контроллер может автоматически самонастраиваться, определяя фазу с установленным трансформатор тока, а также мощность каждой из подключенных ступеней конденсаторов. Можно устанавливать эти параметры и вручную. Любую из ступеней можно включать и отключать вручную.

1-фазный регулятор реактивной мощности PFC-DA
Тип Напряжение питания Un Диапазон измер. напряжения Пределы регулирования Вход. ток In (A) Кол-во ступеней Размер (мм) Мощность Код Цена
PFC-6DA 230-415V (+10;-15%) 195-460V (принцип измерения- TRMS) 0,85 индукт. - 0,95 емкостн. 0,125 — 5,5А До 6 96х96х74 5,8 VA 4656570 181.26
PFC-8DB До 8 144х144х60 6,1 VA 4656572 220.98
PFC-12DB До 12 144х144х60 6,1 VA 4656571 304.17
3-фазный регулятор реактивной мощности PFC-DB
Тип Напряжение питания Un Диапазон измер. напряжения Пределы регулирования Вход. ток In (A) Кол-во ступеней Размер (мм) Мощность Код Цена
PFC-6DB3 230V (фаза-нейтраль)(+10;-15%) (принцип измерения - TRMS) 0,85 индукт. - 0,95 емкостн. 0,125 — 5,5А До 6 144х144х60 7,6 VA 4656575 365.40
PFC-12DB3 До 12 144х144х60 8,0 VA 4656576 450.00
1-фазный регулятор реактивной мощности PFC-RS
Тип Напряжение питания Un Описание Кол-во ступеней Размер (мм) Монтажное отверстие (мм) Код Цена
PFC-6 RS 400V AC -15...+10% Регуляторы PFC RS контролируют U, I, P, Q, S, Cos , THDU, THDI (гармоники) до 19го порядка и температуру. Три метода регулировки. Автоматическая/ручная настройка и определение ступеней. Встроенный порт связи RS485 для всех моделей. LED дисплей. Temp эксплуатации -40...+70C. Потребляемая мощность <3.2VA. Для модели PFC 12 RS предусмотрен тарифный вход COS1/COS2. До 6 97х97х55 91х91 4656905 181.81
PFC-8 RS До 8 97х97х55 91х91 4656906 202.35
PFC-12 RS До 12 144х144х55 138х138 4656907 279.88

*цена указана в Евро

Работа контроллеров PFC может вестись во всех 4-х квадрантах, а цикл переключения определяется величиной отклонения текущего коэффициента мощности от заданной уставки, а также режимом работы установки КРМ: недокомпенсацией или перекомпенсацией реактивной мощности. Вычисляя необходимую мощность, контроллером реализуется процесс достижения заданного коэффициента мощности с минимальным числом переключений каждой из ступеней конденсаторов, причем выбирает он те из ступеней, которые находились в отключенном состоянии дольше всего. Все присоединяемые ступени проходят автоматическую проверку. При уменьшении или полном исчезновении мощности ступени она временно выводится из эксплуатации. Далее она подвергается периодическому тестированию в процессе набора установленного косинуса φ, и при необходимости вновь включается в работу.

Преимущества контроллеров КРМ:

  • уменьшение потерь до 0,5 Вт на 1 кВАр реактивной мощности;
  • простота монтажа и эксплуатации;
  • подключение в любой точке электросети;
  • малые затраты на эксплуатацию;
  • компенсация практически любой величины реактивной мощности;
  • малый срок окупаемости (до 1 года).

Конденсаторы и Контакторы

Фазный конденсаторНеобходимыми составляющими частями системы КРМ на ряду с контроллерами PFC являются конденсаторные батареи (КБ) и контакторы. Конденсатор включает цилиндрический алюминиевый корпус, внутри которого находится три слоя пропиленового металлизированного диэлектрика, обеспечивающего низкую величину потерь и высокую устойчивость к воздействию больших импульсных токов. Пропиленовая пленка покрыта слоем из смеси цинка с алюминием толщиной 10-50 нм. Данный материал обладает эффектом самовосстановления при пробое слоя диэлектрика, находящегося между конденсаторными обкладками. За счет самовосстановления диэлектрика обеспечивается высокая надежность и повышается срок службы конденсатора. Все стадии процесса изготовления конденсаторов сопровождаются измерением их основных параметров.

Для внутренней установки предназначена серия конденсаторов LPC:

Конденсаторы трехфазные LPC 2.5 ... 5 kVAr (тип: "сухие")
Тип Мощность Вес (кг) Cn (uF) (400V) In (A) (400V) Наименование (400V) Цена Cn (uF) (440V) In (A) (440V) Размеры (ØxB) Наименование (440V) Цена
LPC 2.5 kVAr 2,5 kVAr 0,75 3x16,6 3,6 LPC 2.5 kVAr 400V 50Hz 21.49 3x13,7 3,3 60 x 250 LPC 2.5 kVAr 440V 50Hz 21.17
LPC 5 kVAr 5 kVAr 0,75 3x33,2 7,2 LPC 5 kVAr 400V 50Hz 25.09 3x27,4 6,6 60 x 250 LPC 5 kVAr 440V 50Hz 25.25
 
Конденсаторы трехфазные LPC 10 ... 50 kVAr (тип: «сухие»)
Тип Мощность Вес (кг) Cn (uF) (400V) In (A) (400V) Наименование (400V) Цена Cn (uF) (440V) In (A) (440V) Размеры (ØxB) Наименование (440V) Цена
LPC 10 kVAr 10 kVAr 1,6 3x66,3 14,4 LPC 10 kVAr 400V 50Hz 43.91 3x54,8 13,1 85 x 215 LPC 10 kVAr 440V 50Hz 43.91
LPC 12.5 kVAr 12,5 kVAr 2,2 3x82,9 18 LPC 12.5 kVAr 400V 50Hz 51.82 3x68,5 16,4 100 x 215 LPC 12.5 kVAr 440V 50Hz 50.97
LPC 15 kVAr 15 kVAr 2,2 3x99,5 21,7 LPC 15 kVAr 400V 50Hz 57.61 3x82,2 19,7 100 x 215 LPC 15 kVAr 440V 50Hz 56.46
LPC 20 kVAr 20 kVAr 2,2 3x132,6 28,9 LPC 20 kVAr 400V 50Hz 68.54 3x109,6 26,2 100 x 215 LPC 20 kVAr 440V 50Hz 67.44
LPC 25 kVAr 25 kVAr 2,9 3x165,8 36,1 LPC 25 kVAr 400V 50Hz 68.28 3x137,0 32,8 100 x 300 LPC 25 kVAr 440V 50Hz 76.86
LPC 30 kVAr 30 kVAr 3,9 3x198,9 43,3 LPC 30 kVAr 400V 50Hz 95.67 3x164,4 39,4 100 x 300 LPC 30 kVAr 440V 50Hz 91.75
LPC 40 kVAr 40 kVAr 5,1 3x265,3 57,7 LPC 40 kVAr 400V 50Hz 141.15 3x219,2 52,5 136 x 300 LPC 40 kVAr 440V 50Hz 141.15
LPC 50 kVAr 50 kVAr 5,1 3x331,6 72,2 LPC 50 kVAr 400V 50Hz 156.83 3x274,0 65,6 136 x 300 LPC 50 kVAr 440V 50Hz 156.83

*цена указана в Евро

При эксплуатации установок КРМ в процессе регулирования ступеней происходят частые переключения КБ. Среди всех электротехнических устройствКонтактор коммутация компенсирующих конденсаторов сопровождается самыми большими пусковыми токами, которые до 250 раз могут превышать их номинальные значения. Поэтому коммутировать конденсаторы необходимо только специальными контакторами марок CEM25C, CEM32C, CEM50C, CEM65C, снабженными вспомогательной группой контактов, которая установлена параллельно основным контактам. К каждому вспомогательному контакту с обеих сторон подключены токоограничительные сопротивления из нескольких витков провода, имеющего большую величину удельного сопротивления. В процессе коммутации все контакты начинают движение одновременно, но вспомогательные контакты проходят меньшее расстояние из-за наличия у них ограничительных упоров и замыкаются несколько раньше основных. При этом пусковой ток может протекать только через них, пока не замкнутся основные контакты, и таким образом он ограничивается по величине. Размыкание вспомогательных контактов происходит только после того, как основные силовые контакты уверенно замкнутся. Такая конструкция предотвращает броски тока, могущие приводить к повреждению (свариванию) силовых контактов и негативно влияющие на срок службы контактора и конденсатора. За счет ограничения пусковых токов исключаются также просадки напряжения при переходных процессах. Контакты спецконтакторов устойчивы к свариванию вплоть до пусковых токов величиной 250 кА. У всех контакторов этой серии нормально разомкнутые вспомогательные контакты.

Контакторы для конденсаторных батарей CEM CN
Тип Электрический ресурс Доп. контакты Размеры (ШхВхГ) In(A) (AC-6b при tº=55ºC) Мощность (kVAr) Код Цена
230V 400V 440V
CEM 10CN 100х103 (120/час) 1 н.о 45x101x108 18 5 10 12,5 4643801 31.98
CEM 25CN 1 н.о 45x113x129 30 11 20 23 4645130 45.29
CEM 32CN 1 н.о 55x125x140 40 15 25 30 4646130 56.26
CEM 50CN 1 н.о 66x185x158 60 25 40 45 4648140 103.11
CEM 65CN 1 н.о 66x185x158 77 30 50 60 4649140 114.27

Типовой проект установки компенсации реактивной мощности (УКРМ) мощностью 250 кВАр:

Артикул Наименование Кол-во
004656754 Конденсаторная батарея LPC 25kVAr (400V) 6
004656757 Конденсаторная батарея LPC 50kVAr (400V) 2
004656572 PFC-8DB - регулятор реактивной мощности, 8 ступеней, 144x144, (400V) 1
004181212 Предохранитель NH-00C/gG 63A 500V KOMBI 18
004181215 Предохранитель NH-00C/gG 125A 500V KOMBI 6
001701100 Держатель предохранителя PLNV - 00/3 A M8-M8 3p 8
004646130 Контактор CEM 32CN (30kvar_440V/25кВар_380V) 6
004649140 Контактор CEM 65CN (60kvar_440V/50кВар_380V) 2

Техническая документация:

Регуляторы реактивной мощности PFC (pdf)
Конденсаторные батарей LPC (pdf)
Контакторы для конденсаторных батарей (pdf)

Вот пример собранной установки коррекции реактивной мощности на компонентах «ETI Elektroelement»

Подготовлено по материалам филиала ETI РОССИЯ