Защитные антирезонансные дроссели низковольтных конденсаторных батарей

Порядковый номер кратной по отношению к промышленной частоте (f1 = 50 Гц) резонансной гармоники — nр, определяется по выражению [3]:

где S_КЗ — мощность короткого замыкания сети в месте установки КБ с реактивной мощностью (РМ) — Q_КБ. Для наиболее часто встречающегося варианта централизованного присоединения батарей КРМ низковольтных сетей (до 1 кВ) непосредственно на сборные шины ТП ν_р (1) можно рассчитать через номинальную мощность — S_НОМ и напряжение короткого замыкания — u_к (%) силового трансформатора [2]:

При ступенчатом регулировании Q_КБ (1, 2) автоматизированных конденсаторных установок (КУ) на меняющихся частотах резонанса переключаемых КБ [2] полное сопротивление (импеданс) компенсируемой сети Z будет близким к активному (точка ƒ_s, рис. 1). Обусловленный резонансом 5–6-кратный рост амплитуды тока гармоник (в первую очередь канонического порядка — 5-й, 7-й, 11-й, 13-й, характерного для несогласованной работы 6- и 12-пульсных схем выпрямителей низковольтных преобразователей [3]), существенно повысит коэффициент искажения синусоидальности THD_I (Total Harmonic Distortion [1]), отношение геометрической суммы токов высших гармоник действующему значению тока основной гармоники — I₁, а также протекающий в сети среднеквадратичный ток:

В свою очередь, снижение сопротивления конденсаторов x_КБ = 1/(ωС) циркулирующим в сети токам гармоник ν_n и частотно зависимый рост угла диэлектрических потерь tgδ увеличит собственные (внутренние) потери, определяющие температуру их активной части. Например, для конденсаторов серии PhaseCap® [4], имеющих, в соответствии с IEC 60831-1 «LV-PFC Capacitor Standard», температурный класс D [4, 5], разность температур наиболее нагретой точки (hot spot) обмотки T_th и окружающей среды (ambient) dT_th-a (K) составит:

где 0,45 (Вт/квар) — каталожная величина удельных внутренних потерь [4]; R_th (2…3 К/Вт [5]) — тепловое сопротивление; Q (квар) — РМ конденсатора. Повышение T_th MKK (Metallized Kunststoff Kompakt [4])-конденсаторов более 70 °С [5] способствует ускоренной деградации полимерной пленки диэлектрика. Принято считать, что длительное превышение T_th на 7 °С вдвое сократит нормативный срок службы (рабочий ресурс) конденсатора [6].

Последовательное включение с КБ специального дросселя (реакторного фильтра) позволяет обеспечить защиту конденсаторов и избежать появления резонанса за счет смещения собственной частоты ƒ_r контура «дроссель–КБ» (рис. 1) ниже диапазона частот наиболее мощных присутствующих в сети гармоник (спектр гармоник тока — рис. 1). Вносимый дросселем коэффициент частотной расстройки р, образованный с КБ последовательного резонансного контура, равен [4]:

а его принятые VDEW (Association of German Power Supply Companies) стандартные величины — 14, 7, 5,67% (см. табл.) соответствуют резонансным частотам — 135, 189, 210 Гц. Причем в отличие от антирезонансной защитной функции, реализуемой с помощью аварийного отключения части Q_КБ (1) КУ регулятором РМ (например, BR6000 [4]), опосредованной тождественным снижением коэффициента мощности системы электроснабжения (режим «недокомпенсации»), оборудованные дросселями КБ способны поддерживать требуемый уровень КРМ.

Поскольку правильно выбранное значение ƒ_r (4) расположено ниже частоты наименьшей гармоники ν_min, для присутствующей в сети гармоники тока с частотой выше резонансной индуктивный характер Z исключает возможность резонанса на этих частотах, а на основной частоте ƒ₁ расстроенная система будет функционировать как емкостная, обеспечивая КРМ нагрузки (рис. 1). Так как приложенное к КБ напряжение U_КБ складывается из напряжения сети U_С и падения напряжения на дросселе U_L:

то в зависимости от значения р (5) U_НОМ соединенных «треугольником» низковольтных конденсаторов батареи необходимо увеличить на 10…20% относительно U_С, а индуктивный характер РМ дросселя уравновесить коррекцией U_КБ (5) и емкости КБ, увеличивающих на 10…24% РМ специально подобранных (нестандартных) конденсаторов [4].

Сухие трехфазные защитные антирезонансные дроссели компании EPCOS AG (рис. 2а, таблица) собираются на стыковом магнитопроводе из холоднокатаных, толщиной 0,25–0,5 мм, листов электротехнической стали с ориентированной зернистой структурой. Воздушные зазоры стержней магнитопровода (рис. 2б) за счет постоянства магнитного сопротивления обеспечивают линейность нагрузочной характеристики (кривой индуктивности) дросселя, ограниченной максимальным значением тока I₁, при котором снижение индуктивности L не превысит 5% L_НОМ (табл.), и одновременно являются вентиляционными каналами отвода тепла. Цилиндрические обмотки выполнены алюминиевым или медным проводом с классом изоляции В (130 °С) для дросселей небольшой (до 20 квар включительно) РМ и Н (180 °С) — для бульших типоразмеров. Расположенный внутри средней обмотки (рис. 2б) температурный датчик (биметаллическое тепловое реле) своим нормально замкнутым контактом [4] отключает дроссель в случае превышения температуры, отвечающей классу изоляции.

Искажение, вносимое каждой из гармоник, определяет процентное соотношение их амплитуд и сигнала основной частоты. Степень подавления рассогласованным LC-звеном мощности отдельно взятой гармоники зависит от ее близости к ƒ_r (рис. 1), а снижение в сети синусоидальности напряжения, регламентируемое ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения», практически находится в пределах 1…3 дБ. Отметим, что при значительной (свыше 50% [1]) нелинейной нагрузке требуемая (≥10) степень фильтрации гармоник и КРМ возможна только с помощью пассивных резонансных LC-цепей (passive tuned filter circuits) или системы активной фильтрации (active restoring system) — управляемого источника тока, в противофазе генерирующего гармоники, эквивалентные по частоте и мощности присутствующим в сети.

Суммарные потери звена «дроссель–КБ» ΔР рассчитывают как [3]:

где r_др и х_др — активное и индуктивное сопротивление дросселя;

Из формулы (6) видно, что основная часть потерь приходится на дроссель. Соответственно их допустимая тепловая нагрузка на порядок выше, чем у конденсаторов эквивалентной РМ [4]. В результате температура поверхности магнитопровода дросселя может достигать 260 °С, в то время как нагрев корпуса конденсаторов PhaseCap® не должен превышать 55 °С [4, 5]. Это необходимо учитывать при компоновке модулей расстроенных систем (detuned systems): дроссели монтируются сверху КБ, а поток охлаждающего воздуха принудительной вентиляции не перекрывается элементами конструкции КУ (рис. 3).

Наряду с защитой КБ, предотвращением резонансных явлений и частичным подавлением гармоник индуктивность дросселей сглаживает броски пускового тока КБ. Отметим, что, хотя IEC 60831 ограничивает число включений косинусных конденсаторов до 5000 в год, при коммутации расстроенных ступеней КУ за год было зафиксировано более 150 000 операций переключения, не ухудшивших технические параметры КБ PhaseCap® [6]. Многолетний зарубежный опыт эксплуатации показал высокую эффективность применения в установках КРМ низковольтных сетей электроснабжения частотно-расстроенных звеньев «дроссель–КБ». Сегодня доля таких установок в системах промышленного электроснабжения Центральной Европы составляет около 90% [6].