UWAGA! Ten serwis używa cookies i podobnych technologii.

Brak zmiany ustawienia przeglądarki oznacza zgodę na to. Learn more

I understand

Artykuły na medal

Czy każda bateria z filtrami nadaje się do konmepnsacji energii biernej w sieciach, w których obecne są prądy harmoniczne?

włącz .

Kompensacja energii biernej w sieciach, w których występują zniekształcenia harmoniczne, zwykle opiera się na standardowych urządzeniach, ale w niektórych przypadkach, wymagane jest zastosowanie urządzeń specjalnych.

Baterie kondensatorów z filtrami tłumiącymi

Specyfika kompensacji energii biernej w sieciach, w których występują znaczne poziomy zniekształceń harmonicznych, zarówno napięcia jaki i prądu, jest coraz częściej brana pod uwagę przez odpowiedzialnych za przepisanie odpowiedniej baterii kondensatora dla każdej instalacji elektrycznej.

Ogólnie, większość producentów automatycznych baterii kondensatorów zawiera w swoim katalogu urządzenia przeznaczone do użytku w sieciach, w których występuje pewien poziom harmonicznych. CIRCUTOR specjalnie oferuje kompletną gamę baterii automatycznych kondensatorów, zarówno do podłączenia za pomocą styczników jak tyrystorów, jak również stacjonarne grupy do kompensacji, wyposażone w filtry tłumiące (znane również pod nazwą filtrów odstrojonych) o częstotliwości strojenia 189 Hz (w sieciach 50Hz) co odpowiada współczynnikowi przepięcia p=7%.

Częstotliwość strojenia 189 Hz to norma wybrana przez CIRCUTOR ponieważ oferuje odpowiednie i skuteczne rozwiązanie dla większości instalacji, które wymagają baterii wyposażonej w filtry tłumiące, jako że jest odpowiednia dla występowania harmonicznych 5. Rzędu (250Hz w sieciach 50Hz) lub większych, które są zazwyczaj generowane przez najczęstsze źródła prądów harmonicznych, czyli, odbiorniki trójfazowe wyposażone w mostek prostowniczy 6-pulsowy na wejściu: wariatory prędkości lub częstotliwości, prostowniki AC/DC, piece indukcyjne,...

W przypadku, zdecydowanie rzadziej występującym, przeważania harmonicznych 3. rzędu (150 Hz w sieciach 50 Hz), oferuję się wybór możliwości zainstalowania filtrów tłumiących nastrojonych do 134 Hz (współczynnik przepięcia=14%).

  • Czy w takim razie normalizacja częstotliwości rezonansu do 189 H oznacza, że wybór baterii do kondensatorów powinien polegać na wyborze potrzebnej mocy spośród modeli standardowych?
    Odpowiedź jest prosta: nie.
  • Czy w takim razie wybór częstotliwości 189 Hz jako standardowej okazuje się w pewnym stopniu błędny?
    Odpowiedź jest znów prosta: nie.

 

Skąd biorą się więc te problemy?


Typologia sieci elektrycznych

Odpowiedź na to pytanie wymaga krótkiej powtórki z zasad działania filtrów tłumiących. Jeśli obserwujemy wykres impedancji-częstotliwości zespołu z serii statecznik-kondensator z p=7% (Rys. 1) zauważymy, że pokazuje najmniejszą impedancję przy 189 Hz, impedancja stopniowo wzrasta z obu stron, z tą specyfiką, że impedancja jest pojemnościowa przy częstotliwościach niższych niż 189 Hz i ma charakter indukcyjny dla częstotliwości wyższych.

"Właśnie ten indukcyjny charakter wobec częstotliwości rzędu 5. lub wyższy, chroni przed możliwością pojawienia się fenomenu rezonansu na którejś z tych częstotliwości."

 

Stanowi również kluczowy parametr prawidłowego funkcjonowania filtru tłumiącego, wartość impedancji różnych częstotliwości harmonicznych, jak również wartość impedancji zwarcia w punkcie przyłączenia baterii do sieci (Xcc w PCC).

Rys. 1 Reakcja na częstotliwość filtru tłumiącego z p=7% (189 Hz)
Rys. 1 Reakcja na częstotliwość filtru tłumiącego z p=7% (189 Hz)

W sieci wyposażonej w filtr tłumiący, ze schematem jednoliniowym i schematem zastępczym pokazanych na rysunku. 2, zwykle impedancja zwarcia (Xcc) w punkcie przyłączenia baterii do sieci (PCC) jest znacznie niższa niż impedancja każdego stopnia baterii kondensatów, w taki sposób, że absorpcja ze strony każdego stopnia prądów harmonicznych płynących w sieci, powinna być relatywnie niska w porównaniu do tej, która płynie w kierunku sieci, jako że taka jest droga impedancji.

Sytuacja może się zmienić w przypadku sieci, w których wartość Xcc jest wysoka, tzn., w sieciach gdzie moc zwarcia (Scc) w PCC jest niska. Ten rodzaj sieci znany jest jako miękkie sieci.

Rys. 2 Schemat jednoliniowy i schemat zastępczy instalacji wyposażonej w filtr tłumiący

Rys. 2 Schemat jednoliniowy i schemat zastępczy instalacji wyposażonej w filtr tłumiący

Instalacje narażone na występowanie ww. sytuacji to te, w których moc zwarcia w sieciach dystrybucyjnych wysokiego napięcia jest niska w punkcie przyłączenia sieci niskiego napięcia, lub są zasilane przez transformator mocy o nieodpowiedniej wartości współczynnika K (współczynnik przeciążenia harmonicznymi), w stosunku do zawartości harmonicznych w odbiornikach, które zasila, lub istnieją długie odcinki kabla między wyjściem transformatora i PCC baterii do sieci, zakładające wysoką impedancje na danym odcinku.

W tych przypadkach, najczęstszym skutkiem jest wzrost prądów harmonicznych absorbowanych przez stopnie baterii kondensatorów. Ten wzrost może być, w niektórych przypadkach bardzo istotny, ponieważ może poważnie przeciążyć kondensatory i stateczniki, które składają się na każdy filtr tłumiący i przyspieszyć, w przypadku kondensatorów, ich zużycie, przeważnie zmniejszając ich wydajność. To zmniejszenie wydajności zwiększa absorpcję prądów harmonicznych, ponieważ, jak wynika z formuły, która określa częstotliwość rezonansu (Fig. 1), zmniejszenie wydajności zakłada zwiększenie częstotliwości strojenia, w taki sposób, że ta zbliża się jeszcze bardziej do częstotliwości harmonicznych obecnych w sieci (przypomnijmy, że ogólnie przeważa rząd 5.), zmniejszając w ten sposób impedancję tej częstotliwości, a tym samym, zwiększając pobory prądów tego rzędu.

Innymi słowy, filtr odstrojony zaczyna zachowywać się w sposób podobny do nastrojonego lub do filtru absorpcyjnego, lecz nie będąc przeznaczonym do takiego użytkowania, które przerasta jego możliwości i powoduje zużycie.

Na ten efekt nakłada się również fakt, że sieci z niskimi wartościami Scc, mają, w przypadku wysokiego przepływu harmonicznych, wysokie poziomy zawartości harmonicznych (THD (U)), które są dodatkowym elementem, który przyczynia się do wzrostu harmonicznych absorbowanych przez kondensatory.

W konsekwencji, rozwiązanie przystosowane, aby nie dopuścić do tego, żeby instalacja baterii kondensatorów miała wpływ na sieć, a przy tym, sama nie uległa wpływowi harmonicznych z sieci, może nie dać oczekiwanych wyników, ze względu na problemy na poziomie technicznym oraz handlowym, które, bez wątpienia, ze sobą niesie.

Specjalne rozwiązania, które można zastosować

Jaką więc opcję brać pod uwagę rozważając kompensację energii biernej za pomocą baterii z filtrami tłumiącymi w tego typu instalacjach?

Po pierwsze należy oczywiście określić czy instalacja, która będzie kompensowana może być lub nie narażona tzn., być siecią miękką. Niestety nie istnieje jedna niezawodna metoda umożliwiająca tego ustalenie, ale istnieje seria wskazań, które mogą sugerować odpowiedź o stosunkowo wysokim stopniu pewności. Główne wskazania wymieniono poniżej:

  • Obserwuje się wyraźne zmniejszenie wartości napięcia w stanie jałowym (bez obciążenia) i przy pełnym obciążeniu, a poziom zawartości harmonicznych prądu (TDH (I)) jest wyższy niż 15% w stanie przy pełnym obciążeniu.
  • Poziom zawartości harmonicznych napięcia (TDH (U), w punkcie przyłączenia baterii kondensatorów jest wartością wyższą niż 3% w stanie jałowym instalacji.
  • Poziom zawartości harmonicznych napięcia (TDH (U), w punkcie przyłączenia baterii kondensatorów jest wartością wyższą niż 6 % w stanie normalnego obciążenia instalacji.

W przypadku, w którym wystąpi któraś lub kilka z ww. sytuacji, jest wysoce zalecane przepisanie baterii kondensatorów wyposażonej w filtry tłumiące ze strojeniem różnym od standardowego 189 Hz (zawsze, naturalnie, w przypadku gdy harmoniczne obecne w sieci są rzędu 5. lub wyższego).

Jaka jest wtedy zalecana częstotliwość strojenia?

CIRCUTOR proponuje w tych przypadkach strojenie do wartości 170 Hz, odpowiadające p=8,7 %, które zapewnia wysoki poziomy ochrony baterii kondensatorów, ponieważ jest instalowana w sieciach o opisanej typologii.

Co daje zmiana częstotliwości strojenia?

Przypominając wykres reakcji w częstotliwości filtru tłumiącego (Rys. 1) obserwuje się zmniejszenie częstotliwości rezonansu, wzrost impedancji która występuje w filtrze przy harmonicznych rzędu 5. lub wyższych, wobec tego, znacznie zmniejszamy możliwość wysokich poborów tych prądów harmonicznych. Ponadto, do zmiany strojenia dochodzi użycie kondensatorów napięcia znamionowego wyższe od filtrów standardowych p = 7 % i użycie stateczników o wartości indukcyjności (mH) również powyżej normy. Wszystko to składa się na po prostu bardziej solidną baterię kondensatorów niż analogiczna z mocą o p= 7 %.

Studium przypadku

Poniżej opisany został prawdziwy przypadek, gdzie zastosowano dwie baterie z filtrami tłumiącymi, z podłączeniem przez tyrystory, i zespoły statecznik-kondensator nastrojone na 170 Hz, który pozwolił na idealną kompensację sieci, i dodatkowo, wyraźnie zwiększył jakość zasilania (jakość napięcia) w danej sieci.

Instalacja dotyczy kolejki linowej w Barcelonie, której uproszczony schemat jednoliniowy pokazany jest na Rys. 3.

Rys. 3. Uproszczony schemat jednoliniowy instalacji kolejki liniowej w Barcelonie.
Rys. 3. Uproszczony schemat jednoliniowy instalacji kolejki liniowej w Barcelonie.

Rys. 4 Instalacja kolejki liniowej. Bateria kondensatora widoczna jest po lewej stronie zdjęcia.
Rys. 4 Instalacja kolejki liniowej. Bateria kondensatora widoczna jest po lewej stronie zdjęcia.

Ten typ instalacji przedstawia objawy wyraźnie podobne do tych opisanych, aby określić czy są lub nie podatne na wystąpienie problemów w przypadku instalacji baterii kondensatorów z konwencjonalnymi filtrami tłumiącymi, które położone są daleko od podstacji wysokiego napięcia, która je zasila, o odległości między transformatorami SN/NN i głównym odbiornikiem, w tym przypadku, konwerterem mocy i silnikiem napędowym, przeważnie kliku metrów, i przy istnieniu, dokładnie, jednego konwertera mocy, który powoduje, że poziom zawartości harmonicznych prądu jest całkiem wysoki.

Sytuacja przed instalacją baterii kondensatorów

Rys. 5 pokazuje przebieg mocy czynnej i biernej indukcyjnej (okres integracji 1 s) w jednym z dwóch transformatorów w instalacji. Odpowiednia bateria kondensatorów, to urządzenie firmy CIRCUTOR, z podłączeniem przez tyrystory, 6 x 55 kvar/ 500 V/ 50 Hz/ p = 8,7 %,i jest wyłączona.

Rys. 5 Przebieg: Wytworzona Moc Trójfazowa Czynna (czerwony), Pobrana Moc Trójfazowa Czynna (zielony) i pobrana Moc Bierna Indukcyjna (fioletowy i niebieski)
Rys. 5 Przebieg: Wytworzona Moc Trójfazowa Czynna (czerwony), Pobrana Moc Trójfazowa Czynna (zielony) i pobrana Moc Bierna Indukcyjna (fioletowy i niebieski)

Rys. 6 jasno wskazuje na wpływ na napięcie sieci wartości natężenia podawanego przez transformator, będącego objawem miękkiej sieci.

Rys. 6. Przebieg napięcia między fazami L1 i L2 (niebieski) i natężenia prądu w L1 (zielony) w punkcie A
Rys. 6. Przebieg napięcia między fazami L1 i L2 (niebieski) i natężenia prądu w L1 (zielony) w punkcie A

Rys. 7 pokazuje przebieg poziomów zawartości harmonicznych napięcia THD (U), znacząco wysokich w momentach największego poboru natężenia prądu przez konwerter mocy.

Rys. 7 Przebieg zniekształceń harmonicznych w napięciu w fazach w punkcie A
Rys. 7 Przebieg zniekształceń harmonicznych w napięciu w fazach w punkcie A

Rys. 8 Kształty fali napięcia i natężenia w momentach maksymalnego poboru konwertera
Rys. 8 Kształty fali napięcia i natężenia w momentach maksymalnego poboru konwertera

Sytuacja obecna po instalacji baterii kondensatorów

Rys. 9 pokazuje przebieg mocy czynnej i biernej indukcyjnej (okres integracji 1 s) w jednym z dwóch transformatorów w instalacji. Bateria kondensatora już działa.

Rys. 9 Przebieg: Wytworzona Moc Trójfazowa Czynna (czerwony), pobrana Moc Trójfazowa Czynna (zielony) i pobrana Moc Bierna Indukcyjna (fioletowy i niebieski)
Rys. 9 Przebieg: Wytworzona Moc Trójfazowa Czynna (czerwony), pobrana Moc Trójfazowa Czynna (zielony) i pobrana Moc Bierna Indukcyjna (fioletowy i niebieski)

Rys. 10 pokazuje jak zmniejszenie wartości natężenia prądu, który ma być podawany przez transformator zmniejsza odczuwalnie wariacje napięcia w sieci, poprawiając jakość zasilania.

Rys. 10. Przebieg napięcia między fazami L1 i L2 (niebieski) i natężenia prądu w L1 (zielony) w punkcie A
Rys. 10. Przebieg napięcia między fazami L1 i L2 (niebieski) i natężenia prądu w L1 (zielony) w punkcie A

Rys. 11 przedstawia ewolucję poziomów zawartości harmonicznych napięcia THD(U) gdy urządzenie kompensacji energii biernej działa. Porównując wymienione wartości z tymi na Rys. 7 można zauważyć odczuwalne zmniejszenie wartości współczynnika zawartości harmonicznych napięcia (około 40% dla wartości maksymalnych). Przyłączenie baterii odnosi podwójny skutek zmniejszający opisane współczynniki, zarówno poprzez absorpcję pewnej części procentowej prądów harmonicznych wytwarzanych przez konwerter po stronie kondensatorów (w tym przypadku, nie oznacza to dla nich zagrożenia, ponieważ są to urządzenia wzmocnione na taką sytuację) jak również poprzez zmniejszenie prądu, który przepływa przez wyjście transformatora mocy i PCC, co w istotny sposób zmniejsza spadek napięcia harmonicznego w tym kablu, jak również ogranicza własne wewnętrzne straty w transformatorze. W efekcie, jakość napięcia w sieci, jeśli nawet dalej obecne są wysokie poziomy zakłóceń, poprawia do wartości lepiej tolerowanych, przez co następuję odczuwalna poprawa jakości zasilania elektrycznego w instalacji, a tym samym minimalizuje ryzyko wadliwego działania urządzeń.

Rys. 11 Przebieg zniekształceń harmonicznych w napięciu w fazach w punkcie A
Rys. 11 Przebieg zniekształceń harmonicznych w napięciu w fazach w punkcie A

Wnioski końcowe

Z różnych konkluzji, do których prowadzą powyższe opisy, można uznać za najważniejsze zalecenie, z resztą stale podkreślane przez firmę CIRCUTOR, aby wykonywać, o ile to możliwe, badania każdej instalacji, która wymaga przyłączenia baterii kondensatorów do kompensacji energii biernej, wobec której możemy mieć uzasadnione wątpliwości dotyczące problemu poziomu zakłóceń harmonicznych obecnych w sieci; wykonywanie analiz, dzięki, którym otrzymalibyśmy informacje potrzebne do prawidłowego i bezpiecznego wyboru najbardziej odpowiedniego urządzenia dla każdego poszczególnego przypadku. Należy pamiętać, że do tego celu, CIRCUTOR wprowadził na rynek i oferuje, kompletną gamę analizatorów sieci o najnowszej i najbardziej zaawansowanej technologii, która razem z efektywnym oprogramowanie zarządzania danymi, pozwala wykonać każde badanie związane z tematyką poruszaną w niniejszym artykule.

CIRCUTOR, najbardziej niezawodny partner w każdej potrzebie związanej z kompensacją energii biernej i filtrowaniem harmonicznych.

Więcej informacji:

Solutions for Low Voltage Power Factor Correction

circutor32x32

Kontakt

CIRCUTOR, SA
Vial Sant Jordi s/n, 08232
Viladecavalls (Barcelona) Spain
Tel: (+34) 93 745 29 00
Fax (+34) 93 745 29 14

Wsparcie techniczne

(+34) 93 745 29 19

SAT