Приложение на кондензатори в разпределителни системи

На пръв поглед кондензаторите изглеждат много прости и не особено високотехнологични прибори – те представляват две метални пластини, разделени от диелектричен изолационен материал. В действителност обаче силовите кондензатори са изключително сложни съоръжения, тъй като за тях са характерни много тънки диелектрични материали и високо електрическо напрежение, съчетани с усъвършенствани техники на обработка.

В миналото повечето силови кондензатори са изградени от два листа фолио от чист алуминий, разделени от три или повече слоя химически импрегнирана крафт хартия. През последните 30 години силовите кондензатори са значително подобрени, отчасти благодарение на напредъка при диелектричните материали и по-ефективното им използване, както и на промените в използваните техники за обработка. Капацитетът на кондензаторите е нараснал от 15-25 kvar до диапазон от 200-300 kvar (кондензаторните батерии обикновено се доставят с капацитет в обхвата от 300 до 1800 kvar).

Днес силовите кондензатори са много по-ефективни от тези отпреди 30 години и са достъпни за електроразпределителните дружества на много по-ниска цена за единица капацитет. Понастоящем кондензаторите получават повече внимание, отколкото когато и да било, отчасти заради новото измерение, добавено към анализа - икономическите фактори, свързани с подмяната им. При определени обстоятелства дори подмяната на по-стари кондензатори може да е оправдана въз основа на изчислени по-ниски загуби при кондензатори със съвременна технология.

Вече се предлагат кондензатори с изключително ниски загуби, използващи концепцията “изцяло филм”. В резултат на това комуналните дружества могат да направят икономическа оценка на загубите при избора между съществуващите в момента кондензаторни технологии.

Ефекти от последователно и успоредно свързани кондензатори

Основната функция на кондензаторите, независимо дали са инсталирани последователно или успоредно, като единичен прибор или като батерия, е да регулират напрежението и реактивната мощност в точката, в която са монтирани. Паралелно свързаният кондензатор осъществява това, като променя фактора на мощност на товара, докато последователно свързаният – чрез директно компенсиране на индуктивното съпротивление на веригата, към която е свързан.

Употребата на последователно свързани кондензатори в разпределителни вериги не е широко разпространена поради факта, че са силно специализиран тип устройства с ограничен обхват на приложение. Освен това поради специалните проблеми, свързани с всяко приложение, е необходимо извършването на задълбочено и сложно инженерно проучване. Ето защо електроразпределителните дружества обикновено не са склонни да инсталират последователно свързани кондензатори, особено с малък капацитет.

Последователно свързаният кондензатор компенсира индуктивното съпротивление. С други думи, той представлява отрицателно (капацитивно) съпротивление, свързано последователно с положителното (индуктивно) съпротивление на веригата, като резултатът е частичното или пълното му компенсиране. Следователно, основният ефект на последователно свързания кондензатор е да сведе до минимум или дори да потисне пада на напрежение, причинен от индуктивното съпротивление във веригата.

Понякога последователно свързаният кондензатор може дори да се приеме за регулатор на напрежение, който осигурява повишаване на напрежението, пропорционално на големината и фактора на мощност на протичащия ток. Тоест, последователно свързаният кондензатор осигурява автоматично и мигновено увеличаване на напрежението с нарастване на товара.

Освен това последователно свързаният кондензатор генерира по-голямо нетно увеличение на напрежението, отколкото успоредно свързаният кондензатор при по-нисък фактор на мощност, което създава по-голям пад на напрежение. Последователно свързаният кондензатор обаче подобрява фактора на мощност на системата в много по-малка степен от свързания успоредно и оказва малко въздействие върху тока на източника.

Кондензаторите, свързани успоредно на линиите, са широко използвани в разпределителните системи. Те доставят типа реактивна мощност или ток, който да противодейства на извънфазовия компонент на тока, необходим на индуктивния товар. В известен смисъл паралелно свързаните кондензатори променят характеристиката на индуктивния товар чрез изтегляне на водещ ток, който противодейства на част или на целия изоставащ компонент на тока на индуктивния товар в точката на инсталиране. Успоредно свързаният кондензатор има същия ефект като на свръхвъзбуден синхронен кондензатор, генератор или двигател.

Чрез прилагането на паралелно свързан кондензатор към захранваща линия може да се намали големината на тока на източника, да се подобри факторът на мощност, вследствие на което падът на напрежение между изпращащия край и товара също намалява. Паралелно свързаните кондензатори обаче не влияят на тока или фактора на мощност отвъд точката на инсталиране.

Приложение на кондензаторите

Като цяло, кондензаторите могат да се използват при почти всяко ниво на напрежение. Отделни кондензаторни устройства могат да бъдат добавени паралелно, за да се постигне желаният капацитет или могат да бъдат добавени последователно за постигане на необходимото напрежение. Събраните кумулативни данни за целия сектор показват, че приблизително 60% от кондензаторите се използват в захранващите линии, 30% се инсталират към шините в подстанциите, а останалите 10% - в преносната система. Инсталирането на кондензатори към вторичните системи е много рядко поради малките икономически предимства.

Обикновено кондензаторите, монтирани на захранващи линии, са батерии с полюси, разположени отгоре, с необходимите групови предпазители. Използването на предпазители ограничава капацитета на батерията, който може да се използва. Затова максималните използвани капацитети са около 1800 kvar при 15 kV и 3600 kvar при по-високи нива на напрежение. В повечето случаи електроразпределителните дружества не инсталират повече от четири кондензаторни батерии (с еднакъв капацитет) към всяка захранваща линия.

Ако се монтират кондензатори само от фиксиран тип, ще се наблюдава излишък на водещ фактор на мощност и повишаване на напрежението при съответната захранваща линия. Затова някои кондензатори се инсталират като комутирани кондензаторни батерии, така че да могат да се изключват в условия на по-малък товар. Следователно, фиксираните кондензатори се оразмеряват за малък товар и се свързват постоянно. Комутираните кондензатори могат да бъдат включвани като блок или на няколко последователни стъпки с увеличаване на реактивния товар от лек до пиков и се оразмеряват съответно с него.

При избиране на тип инсталация на кондензатор е необходимо проучване на системата. Благодарение на програма за регистриране промяната на товара или ръчно проведени изследвания на товара към захранващите линии може да се определи изменението на реактивните товари (т. е. енергийните нужди), а резултатите да се нанесат на крива. Тази крива се нарича крива на продължителност на реактивния товар и представлява общата сума реактивни товари (например флуоресцентни лампи, домакински уреди и двигатели) на консуматорите и необходимата на системата реактивна мощност (например трансформатори и регулатори). След като се получи дневната крива на продължителност на реактивния товар, визуално може да се определи необходимият капацитет на фиксираните кондензатори, за да се компенсира минималният реактивен товар.

Някои разпределителни дружества използват следното добре познато правило: общото количество на фиксираните и комутираните кондензатори за една захранваща линия е количеството, необходимо да се увеличи напрежението в приемащия край на захранващата линия до максимум от 50% от пиковия товар на линията.
След като се определи капацитетът на кондензаторите, необходими за системата, остава само въпросът за правилното им разположение. Правилото тук е фиксираните кондензатори на захранващите линии с равномерно разпределени товари да се разполагат приблизително на две трети от разстоянието от подстанцията до края на захранващата линия.

За равномерно намаляващи товари фиксираните кондензатори се разполагат приблизително по средата на линията. От друга страна, местоположението на комутираните кондензатори се определя от изискванията за регулиране на напрежението и обикновено то се оказва в последната една трета на линията от разстоянието от източника.

Икономическа обоснованост на кондензаторите

Товарите в разпределителните системи включват два компонента: активна мощност (измервана в киловати) и реактивна мощност (измервана в киловари). Активната мощност трябва да се генерира в електроцентрали, докато реактивната мощност може да се получи или от електроцентралите, или от кондензатори. Добре известен факт е, че успоредно свързаните силови кондензатори са най-икономичният източник, за да се отговори на изискванията за реактивна мощност на индуктивните товари и на работата на преносните линии при изоставане на фактора на мощност.

Когато реактивната мощност се осигурява само от електроцентрали, капацитетът на всеки системен компонент (т. е. генератори, трансформатори, преносни и разпределителни линии, комутационни устройства и защитно оборудване) трябва съответно да се увеличи. Кондензаторите могат да смекчат тези условия, като намалят потреблението на реактивна мощност по целия обратен път до генераторите. Линейните токове намаляват от местоположението на кондензаторите по целия път обратно до генераторите. В резултат на това намаляват загубите и натоварването на разпределителните линии, трансформаторите в подстанциите и преносните линии.

В зависимост от некоригирания фактор на мощност на системата инсталирането на кондензатори може да увеличи възможностите на генератора и подстанцията за допълнително натоварване с поне 30% и може да повиши капацитета на отделната верига от гледна точка регулиране на напрежението с приблизително 30-100%. Освен това намаляването на тока в трансформатора, разпределителното оборудване и линиите понижава натоварването на тези киловолтампер-ограничени уреди и следователно отлага инсталирането на ново оборудване.

Като цяло икономическите ползи налагат кондензаторните батерии да се инсталират в първичната разпределителна система, вместо във вторичната. Добре известно правило е, че оптималният капацитет на кондензатора винаги е този, при който икономическите ползи, получени от добавянето на последния киловар, са точно равни на разходите за инсталиране.

Методите, използвани от комуналните дружества за определяне на икономическите ползи, извлечени от инсталирането на кондензатори, са различни за отделните компании, но изчисляването на общите разходи за инсталиране на киловар капацитет на кондензатор е лесно и ясно.

По принцип икономическите ползи, които могат да бъдат извлечени от инсталирането на кондензатор, могат да се обобщят както следва: освободен генераторен капацитет; освободен капацитет за пренос; освободен капацитет на разпределителните подстанции; допълнителни предимства в разпределителната система: намалени загуби на енергия (в медта); намален пад на напрежение и следователно подобрено регулиране на напрежението, освободен капацитет на захранващата линия и свързаните съоръжения, отлагане или елиминиране на капиталовите разходи за подобряване и/или разширяване на системата, увеличени приходи благодарение на подобрените характеристики на напрежението.