Nowe technologie i koncepcje kompensacji mocy biernej.pdf

PRODUKCJA - BADANIA - EKSPLOATACJA

Nowe technologie i koncepcje kompensacji mocy biernej

Przemysław Chojnowski, Andrzej Iwaniak

Wieloletnie działanie firmy Olmex w dziedzinie kompen-

sacji mocy biernej pozwoliło na zgromadzenie wielu

ciekawych przypadków i problemów, które warte są

opublikowania, dla podniesienia wiedzy użytkowników

i poprawnej gospodarki mocą bierną. Kompensacja

mocy biernej nie jest trudnym zagadnieniem zarówno dla

teoretyków, jak i praktyków. Powszechność jej stosowa-

nia rodzi jednak szereg ciekawych rozwiązań, a także

wiele błędów, które warto poznać.

Pojawiła się więc konieczność znalezienia innego sposobu polep-

szenia właściwości izolacyjnych w kondensatorach. Problem ten

rozwiązała firma Electronicon z Niemiec przez zastosowanie jako

medium izolacyjnego neutralnego gazu, którym jest azot (N 2 ).

NOWA GENERACJA

KONDENSATORÓW IZOLOWANYCH GAZEM

W kondensatorach izolowanych gazem zwijki kondensatora są

wykonane z nawiniętej folii polipropylenowej. Końcówki zwijek

stykają się z warstwą łączącą poprzez napyloną warstwę przewo-

dzącą, umożliwiając wysokie obciążenie prądowe i małą reaktancję

indukcyjną połączeń zacisków ze zwijkami.

W kondensatorach typu MKPg firmy Electronicon dielektrykiem

jest folia propylenowa. Okładkami kondensatora są warstewki

metalu napylone metodą próżniową, bezpośrednio na folii propyle-

nowej (na jednej stronie). Elementy kondensatora są suszone

próżniowo. Po wstawieniu ich do obudowy są napełniane gazem.

Technologia ta zapewnia ochronę zwijek przed niekorzystnym

wpływem środowiska zewnętrznego, długi okres eksploatacji

kondensatora oraz stabilną pojemność.

Wdrażanie do produkcji gazu N 2 jako medium izolacyjnego

w kondensatorach niskich napięć dało ogromne możliwości po-

prawy warunków pracy oraz korzyści z ich eksploatacji. Gaz,

którym wypełnione są kondensatory, jest obojętny i całkowicie

nieszkodliwy dla środowiska. W przypadku wycofywania konden-

satora z eksploatacji brak toksycznych elementów oznacza, że

proces utylizacji ogranicza się jedynie do złomowania.

Wielokrotne testy laboratoryjne producenta i ponad pięcioletnie

praktyczne zastosowanie ponad 300 tyś. sztuk udowodniły, że

wykonanie kondensatorów jest niezawodne, a nieszczelności są

rzadkością - pod warunkiem, że kondensatory są eksploatowane

w sposób właściwy. W przypadku, gdy pojawi się nieszczelność,

uwolniony gaz nie spowoduje zanieczyszczenia środowiska.

Nawet długotrwałe ulatnianie się gazu nie jest niebezpieczne.

Badania wskazują, że taki proces może trwać wiele miesięcy,

podczas których kondensator nadal pracuje prawidłowo. Użycie

gazu jako wypełnienia spowodowało zredukowanie wagi konden-

satora o około 15-20%. Dodatkowo - szczególnie ważna dla

eksploatacji kondensatorów - jest możliwość montażu jednostek

w dowolnej pozycji pracy.

Najnowsze rozwiązania stosowane w bateriach kondensatorów są

związane zarówno z używaniem kondensatorów nowej generacji,

jak i styczników „miękkiego" załączania, czy też ochrony dławiko-

wej w sieciach zawierających wyższe harmoniczne. Przedsiębiorst-

wo Badawczo-Wdrożeniowe Olmex SA od kilkunastu lat prowadzi

badania w zakładach klientów, związane z ustalaniem koncepcji

kompensacji mocy biernej i optymalizacji pracy baterii. Wiele

problemów to problemy typowe. Praktyka stawia niekiedy bardzo

ciekawe wyzwania i rym przypadkom chcielibyśmy poświęcić cykl

artykułów.

ZMIANY W TECHNOLOGII PRODUKCJI

Od wielu lat w Polsce i na świecie stosowano energetyczne

kondensatory nn, wykonane jako zwijki z obustronnie napylanej

folii polipropylenowej. Medium izolacyjne stanowiły oleje minera-

lne i syntetyczne.

Szczególnie w latach 60. i 70. jako syciwo syntetyczne wprowadzo-

no chlorowane dwufenyle, tzw. PCB (polychlorobifenyl). Wyda-

wało się, że to prawie idealny dielektryk. Okazało się jednak, że

niebezpieczeństwo związane z eksploatacją urządzeń z olejem

zawierającym PCB jest ogromne, szczególnie gdy nastąpi zapale-

nie takich urządzeń. Najgroźniejsze dla życia i zdrowia są bowiem

związki chemiczne powstające w czasie niekontrolowanego spala-

nia PCB. To ekologiczne zagrożenie miało być usunięte dzięki

wprowadzeniu kondensatorów wypełnionych olejem nie zawiera-

jącym PCB. Jednak często występujące wycieki oleju, uszkodze-

nia, a nawet eksplozje przyczyniły się do zrezygnowania z produk-

cji kondensatorów olejowych.

W ostatnich latach producenci kondensatorów mocy zmienili

technologię produkcji i zastosowali metodę tzw. suchonasycania

folii polipropylenowej, polegającą na wypełnieniu kadzi konden-

satora specjalnym żelem penetrującym zwijki. Kondensatory takie,

popularnie zwane „suchymi", nie były w rzeczywistości po-

zbawione wypełnienia olejowego, a jedynie zmniejszyła się ilość

medium izolacyjnego użytego we wnętrzu urządzenia.

ZABEZPIECZENIA KONDENSATORÓW

Głównym składnikiem prawie wszystkich kondensatorów jest tzw.

samoregenerujący dielektryk. Charakteryzuje się tym, że w miejscu

przebicia elektrycznego, w ciągu kilku mikrosekund odparowuje

cienka warstewka metalu i przemieszcza się poza to miejsce. Dzięki

temu powstaje pozbawiona metalu strefa izolacyjna, przeciw-

działająca przebiciu kondensatora pomiędzy biegunami. Konden-

sator pozostaje więc sprawny zarówno podczas zjawiska przebicia,

jak i po jego wystąpieniu.

Dr inż. Przemysław Chojnowski -PBW OLMEX SA w OkOyrae, członek SEP

dr inż Andrzej Iwaniak - Uniwersytet Warmińsko-Mazurski w Okztynie

WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 9

PRODUKCJA - BADANIA - EKSPLOATACJA

.W.r

y peekroju \TI;

Rys. 1. Zasada działania zabezpieczenia ciśnieniowego

w kondensatorach mocy typu MKPg

II-23

Rys. 2.

Porównanie wyglądu obudowy kondensatora

przed i po zadziałaniu

zabezpieczenia ciśnieniowego

W przypadku przeciążenia prądowego (np. pod wpływem dużej

zawartości wyższych harmonicznych) lub pod koniec okresu

eksploatacji kondensatora, w wyniku zaistnienia dużej ilości

procesów samoregeneracji, we wnętrzu kondensatora może po-

wstać nadciśnienie. W celu uniemożliwienia rozerwania obudowy,

w kondensatorach zastosowano zabezpieczenia ciśnieniowe.

W konstrukcji tego zabezpieczenia wykorzystano technologicznie

nadcięty, kalibrowany drut aluminiowy, którym zasilane są zwijki

kondensatora (rys. 1). W momencie powstania nadciśnienia na-

stępuje zwiększenie wysokości obudowy kondensatora, które jest

spowodowane rozprostowaniem specjalnej zapraski i powstaniem

wypukłości w górnym denku metalowej obudowy (rys. 2). W tym

momencie następuje rozerwanie drutu w miejscu technologicznego

nadcięcia i przerwanie obwodu elektrycznego we wszystkich trzech

fazach.

skokowe w okresie 60 milisekund. Stosowanie ich w zakładach

posiadających linie zgrzewania punktowego o charakterystyce

obciążenia biernego nie zawierającej strefy obciążenia podstawo-

wego jest już powszechne. Częstotliwość załączeń takiej baterii jest

duża, lecz nawet w bardzo rozbudowanych liniach - z uwagi na

mały współczynnik jednoczesności - rzadko przekracza jedno lub

kilka załączeń na sekundę.

Wydaje się, że zastosowanie takiej baterii jest rozwiązaniem

uniwersalnym. Zdarzyło się jednak, że baterię taką zastosowano do

linii produkcyjnej, gdzie napęd o dużej mocy obracał mimo-

środowy bęben. Tętniący charakter poboru mocy biernej w okre-

sach obrotu zgodnego i przeciwnego do siły ciążenia wywoływał

wzrost częstotliwości pracy łączników tyrystorowych. W efekcie,

po kilku miesiącach pracy, żaden z łączników nie był sprawny. Jest

to typowy przykład perfekcjonizmu. Bateria niepotrzebnie reago-

wała na subtelne zmiany zapotrzebowania na moc bierną przy dużej

podstawie obciążenia.

Problem nadążności jest nierozerwalnie związany z szeregiem

regulacyjnym i czasem rozładowania kondensatorów w bateriach

sterowanych stycznikami. Nie ma nic gorszego dla żywotności

kondensatora, niż załączenie kondensatora nie rozładowanego.

Przy dynamicznych zmianach mocy biernej warto stosować szeregi

kołowe typu 1:1:1, gdzie kondensatory załączane są sekwencyjnie.

Załączanie kondensatorów o kolejnych numerach i odłączanie

kondensatów najwcześniej załączonych pozwala na rozładowanie

kondensatorów, mimo krótkiego czasu reakcji (np. 2 sekundy).

Nowoczesne regulatory załączają kondensatory, uwzględniając

czas ich rozładowania.

Powszechne stosowanie szybkich modułów rozładowczych po-

zwala na coraz sprawniejsze nadążanie za zmiennością mocy

biernej. Ta niewątpliwa zaleta jest jednak niekiedy niemożliwa do

wykorzystania, jeżeli bateria ma nieodpowiedni szereg regulacyj-

ny. W szeregu l :2:4:8, gdzie każdy ze stopni baterii jest dwukrotnie

większy od poprzedniego, może zaistnieć problem zbyt długiej

zwłoki, wymuszonej czasem rozładowania. Tak więc kolejny objaw

perfekcjonizmu związanego ze zmniejszaniem stopnia regulacji

może wpłynąć na znaczne pogorszenie nadążności. Problem ten

jest dotkliwy szczególnie przy stosowaniu klasycznego 40-sekun-

dowego rozładowania w zakładach borykających się z problemem

oddawania mocy biernej do sieci, w wyniku szybkich wahań

obciążenia. Szereg 1:2:4:8 nadaje się znakomicie w zakładach

o stosunkowo stałym obciążeniu, przy długotrwałych małych

obciążeniach. Typowym przykładem są ciepłownie.

UTYLIZACJA KONDENSATORÓW

W związku z rozporządzeniem ministra gospodarki z 26 września

2002 r. w sprawie określenia urządzeń, w których mogły być

wykorzystane substancje stanowiące zagrożenie dla środowiska,

problem utylizacji kondensatorów zawierających PCB stal się

szczególnie ważny. Do 2010 r. należy zutylizować odpady wymie-

nione w rozporządzeniu, w tym m.in. kondensatory energetyczne.

W związku z tym firma Olmex przeprowadziła procedurę dotyczą-

cą utylizacji urządzeń zawierających PCB i zajmuje się odbiorami

i utylizacją kondensatorów.

DOBÓR BATERII KONDENSATOROWYCH

Baterie kondensatorowe niskich napięć dobiera się na podstawie

wykresu obciążenia mocą bierną, z uwzględnieniem poziomu

wyższych harmonicznych w prądzie i napięciu. Pozwala to na

poprawny dobór szeregu regulacyjnego, nadążności baterii i jej

typu ze względu na ochronę przed skutkami przepływu prądów

harmonicznych. Takie działanie wymaga jednak dużego doświad-

czenia, aby uniknąć późniejszych kłopotów eksploatacyjnych.

Powszechnie stosowany wzór na moc baterii, wynikający z prze-

mnożenia mocy zamówionej przez różnicę tangensów - oczekiwa-

nego i osiąganego - daje niewątpliwie pogląd na zapotrzebowanie

mocy biernej. Stosowanie takiego podejścia rodzi jednak szereg

wątpliwości. Duża zmienność obciążenia biernego i nieodpowied-

nia nadążność baterii mogą zniweczyć oczekiwany efekt. Najszyb-

sze baterie, sterowane szybkimi regulatorami i łącznikami tyrys-

torowymi, pozwalają na osiągniecie odpowiedzi na wymuszenie

WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 9

PRODUKCJA - BADANIA -

EKSPLOATACJA

Wiele zakładów, oprócz dużego poboru mocy, wykorzystuje

generatory oddające moc czynną do sieci. Problem kompensacji

mocy biernej jest tu dość złożony. Łatwo omówić go na przykładzie

dwóch obiektów: cukrowni i elektrowni wodnej.

Ktokolwiek próbował kompensować moc bierną u wytwórcy

energii elektrycznej, którym jest elektrownia wodna lub zakład

wykorzystujący biogaz w generatorach, zauważył że w takim

przypadku nie można zastosować klasycznego regulatora. Nic nie

pomoże zmienianie biegunowości przekładnika prądowego. Przy

oddawaniu mocy czynnej regulacja baterii kondensatorów wymaga

zastosowania regulatora działającego w innych ćwiartkach przesu-

nięcia fazowego.

Problem ten występuje również jako jedna z trudności poprawnej

kompensacji mocy biernej w cukrowniach. Częste zmiany z poboru

na oddawanie mocy czynnej - niweczą możliwość stosowania

kompensacji w systemie kompensacji centralnej. Poprawnie działa-

jąca bateria przy poborze mocy czynnej wyłącza kondensatory po

spadku poboru ponad moc generatora.

Dodatkową trudność stanowi mała wartość prądu przekładnika toru

głównego. Z reguły duże wartości prądu na szynach transfor-

matorów zmuszają do użycia przekładników o dużej przekładni.

Niwelacja poboru mocy czynnej przez zastosowanie generatora

wywołuje efekt zmniejszania wartości prądu transformatora

i zmniejszenie prądu sterującego regulatorem poniżej zakresu

czułości. Tak więc, kiedy najbardziej potrzebna jest produkcja

mocy biernej, przy braku poboru z sieci mocy czynnej następuje

odłączenie kondensatorów. Problem ten można skutecznie obejść,

stosując kompensację grupową. Wydzielenie grupy odbiorników

i miejsca na szynach zasilających, gdzie wartość prądu jest duża

i o niezmiennym kierunku, jest podstawą sukcesu.

Przy okazji omawiania tego problemu należy podkreślić duże

zainteresowanie cukrowni kompensacją mocy biernej za pomocą

kondensatorów, mimo posiadania generatorów i możliwości produ-

kcji mocy biernej przez przewzbudzenie. Wynika to z możliwości

znacznego ograniczenia prądów głównych torów zasilania po

zastosowaniu kompensacji grupowej i mniejszych strat mocy

czynnej na produkcję mocy biernej przez kondensatory.

Zwiększanie liczby odbiorników nieliniowych wywołuje genero-

wanie wyższych harmonicznych prądowych, co staje się coraz

poważniejszym problemem energetycznym. Skutkiem obecności

wyższych harmonicznych są zwiększone wartości prądów har-

monicznych w gałęzi zasilającej baterię kondensatorów. Ten

niekorzystny podział prądów harmonicznych można odwrócić,

stosując odpowiednie dławiki, pracujące szeregowo z konden-

satorem.

Rozwiązania te są skuteczne, jednak niezbyt powszechnie stosowa-

ne. Często pokutuje przeświadczenie użytkowników, że jeśli tyle

lat było dobrze, to nie ma potrzeby stosowania innych rozwiązań

w bateriach kondensatorów (kondensatory nie zostały zniszczone

przez wyższe harmoniczne, lecz zniszczył je ząb czasu).

Analizując kilka przykładów awarii, można przekonać się do

stosowania niepalnych kondensatorów gazowych. A oto przykłady:

• W pewnym dużym kinie zastosowano baterie kondensatorów bez

ochrony dławikowej, tłumacząc się tym, że w sekcji zasilania - gdzie

występuje podwyższony poziom wyższych harmonicznych - nie ma poboru

mocy biernej i bateria kondensatorów nie będzie potrzebna. W drugiej

sekcji zasilania funkcjonowała bateria bez ochrony dławikowej i poziom

wyższych harmonicznych był niski. Jednak w chwili zaniku napięcia sekcji

pierwszej nastąpiło przełączenie po stronie niskiej na wspólne zasilanie.

W efekcie nastąpiła eksplozja kondensatora olejowego i pożar.

• W jednym z centrów handlowych zainstalowano klimatyzację. Za-

stosowane rozwiązanie generowało prądy harmoniczne o THD 55%, co

było przyczyną wybuchu kondensatora olejowego.

• W dużym zakładzie produkcyjnym zastosowano nowoczesne baterie

kondensatorowe z ochroną dławikową i kondensatorami gazowymi (N 2 ).

Linia technologiczna zasilana z jednego z transformatorów generowała

znaczne odkształcenia z powodu dużej ilości odbiorników nieliniowych.

Ponieważ linia pracowała sporadycznie, dostawiono kondensator bez

ochrony dławikowej do kompensacji indywidualnej transformatora. W efe-

kcie nastąpił wybuch kondensatora gazowego, nie wywołujący żadnych

szkód. Gdyby w tym miejscu postawiono kondensator olejowy, zagrożony

byłby transformator.

Takich przykładów można podawać wiele. Zastosowanie konden-

satorów gazowych daje dodatkową korzyść w przypadku likwidacji

skutków awarii. Należy pamiętać, że użytkując baterie z syciwem

olejowym użytkujemy niejako zbiorniki z olejem w pomieszczeniu

rozdzielni. Często zwarcie ze skutkiem pożaru może nastąpić poza

baterią kondensatorów, lecz w jej pobliżu.

Niniejszy artykuł jest wstępem do cyklu artykułów poświęconych

zagadnieniom kompensacji mocy biernej. Zamierzamy podzielić

się doświadczeniami prawie 20 lat działalności firmy Olmex

i Katedry Podstaw Techniki, Technologii i Gospodarki Energią

Uniwersytetu Warmińsko-Mazurskiego w Olsztynie, która była

pionierem tej dziedziny od lat 50. W kolejnych artykułach

zamierzamy podjąć problematykę kompensacji mocy biernej

w małych elektrowniach wodnych, doboru i użytkowania dławików

w bateriach kondensatorów, problemy wyższych harmonicznych

i ich wpływ na kompensację mocy biernej oraz problemy towarzy-

szące użyciu baterii kondensatorów, jak: zabezpieczenia silników

w kompensacji indywidualnej, uszkodzenia zabezpieczeń zwar-

ciowych czy nieuzasadnione wyzwalanie wyłączników.

OGŁOSZENIE

AGREGATY PRĄDOTWÓRCZE - duży wybór. Skup - sprzedaż. Zabrze, tel. 032/271-95-08

WIADOMOŚCI ELEKTROTECHNICZNE • ROK LXXII • 2004 nr 9

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: