Použití kondenzátorů pro kompenzaci jalového výkonu domácí zátěže

Mezi četnými faktory ovlivňujícími účinnost napájecí soustavy (SES) zaujímá jedno z prioritních míst problém s kompenzací jalového výkonu (KRM). V distribučních sítích užitkových uživatelů, které obsahují převážně jednofázové, individuálně spínané zátěže, jsou však zařízení KRM stále nedostatečně využívána.

Dříve se věřilo, že kvůli relativně krátkým napáječům městských distribučních sítí nízkého napětí, malým (kVA blokům) připojenému výkonu a rozložení zátěže pro ně problém PFC neexistuje.

Například v kapitole 5.2 [1] je napsáno: «pro obytné a veřejné budovy není poskytována kompenzace jalového zatížení.» Vezmeme-li v úvahu, že v posledním desetiletí se spotřeba elektřiny na 1 m2 bytového sektoru ztrojnásobila, průměrná statistická kapacita výkonových transformátorů městských komunálních sítí dosáhla 325 kVA a oblast využití výkonu transformátoru se posunula nahoru a je v rozmezí 250 … 400 kVA [2], pak je toto tvrzení sporné.

Zpracování grafů zatížení provedených u vstupu do obytného domu ukazuje: během dne se průměrná hodnota účiníku (cosj) pohybuje od 0,88 do 0,97 a fáze po fázi od 0,84 do 0,99. V souladu s tím se celková spotřeba jalového výkonu (RM) pohybuje od 9 ... 14 kVAr a fáze po fázi od 1 do 6 kVAr.

Obrázek 1 ukazuje graf denní spotřeby RM u vchodu do obytného domu. Jiný příklad: evidovaná denní (10.6.2007) spotřeba činné a jalové elektřiny v TP městské sítě Sizran (STR-RA = 400 kVA, spotřebitelé elektřiny jsou převážně jednofázové) činí 1666,46 kWh a 740,17 kvarh. (vážená průměrná hodnota cosj = 0,91 — rozptyl od 0,65 do 0,97) i při odpovídající nízké zátěži transformátoru — 32 % během špičkových hodin a 11 % během minimálních hodin měření.

S ohledem na vysokou hustotu (kVA / km2) energetického zatížení vede neustálá přítomnost reaktivní složky v energetických tocích SES k významným ztrátám elektřiny v distribučních sítích velkých měst a nutnosti je kompenzovat prostřednictvím dalších zdrojů generace.

Složitost řešení tohoto problému je z velké části dána nerovnoměrným odběrem RM v jednotlivých fázích (obr. 1), což znesnadňuje použití tradičních pro průmyslové sítě instalací KRM založených na třífázových kondenzátorových bankách řízených regulátorem instalovaným v jedné fází kompenzované sítě.

Zkušenosti našich zahraničních kolegů jsou zajímavé při zvyšování výkonové rezervy městských tepelných elektráren. Zejména vývoj distribuční společnosti Edeinor S.A.A. (Peru) (je součástí skupiny Endesa (Španělsko), která se specializuje na výrobu, přenos a distribuci elektřiny v řadě jihoamerických zemí), podle KRM v distribučních sítích nízkého napětí v minimální vzdálenosti od spotřebitelů [3]. Na objednávku společnosti Edeinor S.A.A., jeden z největších výrobců nízkonapěťových kosinusových kondenzátorů – EPCOS AG, uvedl na trh sérii jednofázových kondenzátorů HomeCap [4], vhodných pro malé energetické zátěže.

Jmenovitá kapacita kondenzátorů HomeCap (obr. 2) se pohybuje od 5 do 33 μF, což umožňuje kompenzovat indukční složku PM od 0,25 do 1,66 kVAr (při síťovém napětí 50 Hz v rozsahu 127. ... 380 V).

Vyztužená polypropylenová fólie se používá jako dielektrikum, elektrody jsou vyrobeny nástřikem kovu — technologie MKR (Metallised Polypropylene Kunststoff). Vinutí sekce je standardní kulaté, vnitřní objem je vyplněn netoxickou polyuretanovou směsí. Stejně jako všechny kosinusové kondenzátory od EPCOS AG mají i kondenzátory HomeCap vlastnost „samoopravy“ v případě lokálního zničení desek.

Válcové hliníkové pouzdro kondenzátorů je izolováno teplem smrštitelným polyvinylovým bužírkem (obr. 2) a vývody lopatek dvojité elektrody jsou kryty dielektrickým plastovým krytem (stupeň ochrany IP53), čímž je zaručena úplná bezpečnost při provozu v domácí prostředí potvrzené příslušným certifikátem normy UL 810 (americké bezpečnostní laboratoře).

Vestavěné zařízení, které se aktivuje při překročení přetlaku uvnitř pláště, automaticky vypne kondenzátor v případě přehřátí nebo lavinového kolapsu sekce. Průměr kondenzátorů HomeCap je 42,5 ± 1 mm a výška v závislosti na hodnotě jmenovité kapacity je 70 ... 125 mm. Vertikální prodloužení skříně kondenzátoru, v případě ochrany proti nadměrnému vnitřnímu tlaku, ne více než 13 mm.

Kondenzátor se připojuje dvoužilovým ohebným kabelem o průřezu 1,5 mm2 a délce 300 nebo 500 mm [4]. Přípustný ohřev izolace kabelu — 105 °C.

Provoz kondenzátorů HomeCap je možný v interiéru při okolní teplotě -25 … + 55 °C. Odchylka jmenovité kapacity: -5 / + 10 %. Ztráty činného výkonu nepřesahují 5 wattů na kvar. Garantovaná životnost až 100 000 hodin.

Upevnění kondenzátorů HomeCap na montážní plochu se provádí pomocí svorky nebo šroubu (M8x10) připojeného ke spodní části.

Na Obr. 3. ukazuje instalaci kondenzátoru HomeCap v dávkovacím boxu. Kondenzátor (v pravém dolním rohu) je připojen ke svorkám elektroměru

Kondenzátory HomeCap jsou vyráběny plně v souladu s požadavky IEC 60831-1 / 2 [4].

Podle Edeinor SAA [3] instalace kondenzátorů HomeCap o celkové kapacitě 37 000 kvar ve 114 000 domácnostech ve čtvrti Infantas v severní Limě zvýšila vážený průměrný účiník distribuční sítě z 0,84 na 0,93, čímž se ušetřilo přibližně 280 kWh na rok .za každou připojenou kVAr RM nebo celkem cca 19 300 MWh za rok. Navíc s přihlédnutím ke kvalitativním změnám v charakteru zátěže domácnosti (spínání napájení elektrospotřebičů, aktivní předřadníky energeticky úsporných zářivek), zkreslení sinusoidy síťového napětí, současně s pomocí kondenzátorů HomeCap bylo možné snížit úroveň harmonických složek — THDU v průměru o 1 %.

Na rozdíl od městských sítí nebyla potřeba RPC pro venkovské nízkonapěťové distribuční sítě nikdy zpochybněna [5] z důvodu aktivní spotřeby energie pro přenos RM přes rozšířené otevřené (stromovité) vysokonapěťové vedení (OHL ) s napětí 6 (10) kV je nejvyšší [6]. Nedostatečný poměr prostředků KRM k připojené kapacitě elektrických přijímačů je přitom vysvětlován čistě ekonomickými důvody. Proto je pro SPP venkovských veřejných služeb a domácností a malých průmyslových uživatelů (do 140 kW) prioritou otázka výběru nejlevnější verze KRM.

Jednou z technických obtíží při praktické realizaci doporučení 80 % RPC přímo ve venkovských sítích nízkého napětí [5] je nedostatek kondenzátorů vhodných pro instalaci venkovních vedení.Podle výpočtů je průměrná hodnota zbytkové (neumožňující překompenzaci) RM při přenosu přes VN 0,4 kV s činným výkonem 50 kW pro smíšenou, s převahou (více než 40 %) zatížení užitkové sítě 8 kvar. Optimální jmenovitá RM těchto kondenzátorů by proto měla být v rozmezí několika desítek kvar.

Uvažujme systém KRM používaný na venkovních vedeních nízkonapěťových sítí v Jaipuru (Rajasthan, Indie) elektrárenskou společností Jaipur Vidyut Vitran Nigam Ltd na základě kondenzátorů řady PoleCap® (obr. 4) vyráběných společností EPCOS AG [7] . Monitoring SPP, obsahující cca 1000 MVA s instalovaným výkonem 4600 transformátorů 11 / 0,433 kV s jedním výkonem 25-500 kVA, ukázal: letní zatížení transformátorů bylo 506 MVA (430 MW), zimní — 353 MVA (300 MW); vážený průměr cosj — 0,85; celkové ztráty (2005) — 17 % objemu dodávky elektřiny.

V průběhu pilotního projektu KRM bylo instalováno 13375 kondenzátorů PoleCap do připojovacích uzlů k transformátorům nízkého napětí, přímo na podpěry venkovního vedení 0,4 kV, s celkovou RM 70 MVAr. Včetně: 13000 5 kvar kondenzátorů; 250 — 10 kvar; 125 — 20 m2. V důsledku toho se hodnota cosj zvyšuje na 0,95 a ztráty klesají na 13 % [7].

Tyto kondenzátory (obr. 4 a obr. 5) jsou modifikací osvědčeného typu metalofilmových kondenzátorů vyrobených podle technologie MKR / MKK (Metalized Kunststoff Kompakt) [8] - současné zvětšení plochy a zvětšení el. pevnost vrstvy kontaktní metalizace elektrod, díky kombinaci plochého a vlnitého řezu okrajů fólie, položené s malým posunutím ohybů, charakteristické pro technologii MKR.Kromě toho řada PoleCap obsahuje řadu třífázových kondenzátorů PM 0,5 ... 5 kVAr, vyrobených podle tradiční technologie MKR [8].

Vylepšení základní konstrukce sériových kondenzátorů MCC umožnilo přímo (bez přídavného pouzdra) instalovat kondenzátory PoleCap venku, ve vlhkých nebo prašných místnostech. Tělo kondenzátoru je vyrobeno z 99,5 % hliníku a je naplněno inertním plynem.

Obrázek 5 ukazuje:

• odolný plastový kryt (položka 1);

• Verze se svorkovnicí (poz. 8) je hermeticky uzavřená, obklopená plastovým kroužkem (poz. 5) a naplněna epoxidovou směsí (poz. 7) a poskytuje stupeň krytí IP54.

Spojení (obr. 5) je provedeno utěsněním kabelové plomby (pozice 2) ze tří jednožilových 2metrových kabelů (pozice 3) a keramického modulu vybíjecích odporů (pozice 6) zalisováním a připájením kontaktů.

Pro pohodlí vizuální kontrola přetlaková ochrana se spustí, na rozšířené části skříně kondenzátoru se objeví jasně červený pruh (pozice 4).

Maximální přípustný rozdíl okolní teploty je -40 ... + 55 °C [8].

Je třeba poznamenat, že protože kondenzátory KRM musí být chráněny proti zkratovým proudům (PUE Ch.5), zdá se být vhodné zabudovat pojistky do pouzdra kondenzátorů HomeCap a PoleCap, které se spouštějí při průrazu sekce.

Zkušenosti KRM s inženýrskými sítěmi v rozvojových zemích s vysokou úrovní síťových ztrát ukazují, že i jednoduchá technická řešení — použití neregulovaných baterií speciálních typů kosinusových kondenzátorů — mohou být ekonomicky velmi efektivní.

Autor článku: A.Shishkin

Literatura

1. Pokyny pro projektování městských elektrických sítí RD 34.20.185-94. Schváleno: Ministerstvem paliv a energetiky Ruské federace dne 7. 7. 94, RAO «UES Ruska» dne 31. 5. 94. Vstoupilo v platnost dne 1. 1. 95.

2. Ovchinnikov A. Ztráty elektřiny v distribučních sítích 0,4 ... 6 (10) kV // Novinky z elektrotechniky. 2003. č. 1 (19).

3. Korekce účiníku v elektrických sítích Peru // EPCOS COMPONENTS #1. 2006

4. Kondenzátory HomeCap pro korekci účiníku.

5. Směrnice pro výběr prostředků regulace napětí a kompenzace jalového výkonu při projektování zemědělské techniky a elektrických sítí pro zemědělské účely. M.: Selenergoproekt. 1978

6. Shishkin S.A. Jalový výkon spotřebitelů a síťové ztráty elektřiny // Úspora energie č. 4. 2004.

7. Jungwirth P. Korekce účiníku na místě // KOMPONENTY EPCOS No. 4. 2005

8. PoleCap PFC kondenzátory pro externí nízkonapěťové PFC aplikace. Vydalo EPCOS AG. 03/2005. Objednávka číslo. EPC: 26015-7600.