Kompensacja mocy biernej podstawowe informacje

Transkrypt

1 Łukasz Matyjasek ELMA energia I. Cel kompensacji mocy biernej Kompensacja mocy biernej podstawowe informacje Indukcyjne odbiorniki i urządzenia elektryczne w trakcie pracy pobierają z sieci energię elektryczną czynną i bierną. Odpowiadają temu pojęcia składowych czynnej i biernej prądu elektrycznego. ϕ I CZ U I B I Składowe prądu elektrycznego (I CZ prąd czynny, I B prąd bierny, I prąd wypadkowy) Energia elektryczna czynna jest wynikiem przemian energetycznych określonego surowca energetycznego i może być zamieniona w inną postać energii (mechaniczną, cieplną), użytkowaną w urządzeniu przemysłowym. Moc czynna pobierana przez urządzenie z sieci trójfazowej wyrażona jest wzorem: P = 3 U I CZ Energia elektryczna bierna służy do wytworzenia pola elektromagnetycznego, niezbędnego do działania silników indukcyjnych i transformatorów, i nie może być przemieniona w inną postać energii - przepływa jedynie pomiędzy źródłami i odbiorami prądu przemiennego. Moc bierna pobierana przez urządzenie z sieci trójfazowej wyrażona jest wzorem: Q = 3 U I B Wypadkową mocy czynnej i biernej (sumą geometryczną) jest moc pozorna S, wyrażona wzorem: Współczynnik mocy jest równy: S = P 2 + Q 2 = 3 U I λ = P S Przy zasilaniu napięciem i prądem sinusoidalnym, współczynnik mocy określany jest jako kąt przesunięcia fazowego ϕ pomiędzy prądem a napięciem i przedstawiany jako cosinus albo tangens tego kąta.

2 Przebieg napięcia i prądu sinusoidalnego przy obciążeniu rezystywnym Przebieg napięcia i prądu sinusoidalnego przy obciążeniu indukcyjnym Podstawowym źródłem mocy biernej są generatory w elektrowniach. Jednakże, wytwarzanie tam energii biernej niesie za sobą wiele negatywnych skutków zarówno dla dostawców energii, jak i dla jej odbiorców. Prąd bierny przepływający przez sieć przesyłową powoduje zmniejszenie jej przepustowości oraz zwiększenie strat mocy. Dostawcy energii elektrycznej rekompensują swoje straty poprzez narzucenie odbiorcom energii limitów mocy biernej, których przekroczenie wiąże się z poniesieniem dodatkowych opłat. Dla większości odbiorców energii, szczególnie dla zakładów przemysłowych o prostym systemie zasilającorozdzielczym, jest to podstawowy negatywny skutek. Jednakże zakłady przemysłowe o rozbudowanej sieci rozdzielczej muszą liczyć się również z innymi skutkami, takimi jak m.in.: - zmniejszona przepustowość sieci rozdzielczej, - straty mocy czynnej w transformatorach i kablach zasilających wynikające z przepływu prądu biernego, - spadki napięć w punktach odległych od źródła zasilania. Prawidłowo dobrane urządzenia kompensacyjne pozwalają na zlikwidowanie powyższych problemów. Najbardziej efektywną metodą kompensacji mocy biernej indukcyjnej jest kompensacja przez odbiory pojemnościowe, w szczególności kondensatory energetyczne lub automatycznie regulowane baterie kondensatorów firmy ELMA energia.

3 II. Sposoby realizacji kompensacji mocy biernej Istnieje wiele możliwości konfiguracji układów kompensacji mocy biernej, jednak można wyróżnić trzy główne metody: indywidualna, grupowa i centralna. Kompensacja indywidualna polega na bezpośrednim dołączeniu kondensatora do zacisków kompensowanego urządzenia. Dzięki takiemu rozwiązaniu, sieć jest w maksymalnym stopniu odciążona, gdyż moc bierna generowana jest przy samym odbiorniku. Kompensacja indywidualna nie wymaga dodatkowych urządzeń sterujących, gdyż kondensator jest załączany i wyłączany tym samym łącznikiem, co urządzenie. Wadą takiego rozwiązania jest niewykorzystanie zainstalowanych kondensatorów w czasie, kiedy odbiorniki nie pracują, a co za tym idzie potrzeba zainstalowania dużej ilości jednostek kondensatorowych. Dodatkowo, typoszereg mocy produkowanych kondensatorów nie zawsze pozwala na dopasowanie do zapotrzebowania odbiornika. Bardziej efektywną metodą jest kompensacja grupowa, polegająca na objęciu kompensacją grupy odbiorników zasilanych z jednej rozdzielni. Bateria kondensatorów jest zwykle sterowana automatycznie. Automatyzacja procesu kompensacji mocy biernej wymaga stosowania urządzeń zawierających oprócz kondensatorów także obwody pomiarowe, zabezpieczające, sterujące mocą pojemnościową. Kompensacja centralna polega na zainstalowaniu jednego urządzenia kompensacyjnego dla całego zakładu (w stacji transformatorowej lub w rozdzielni głównej). Dzięki temu, zminimalizowana jest całkowita moc bierna potrzebna do zainstalowania, zaś dzięki zastosowaniu regulacji automatycznej wartość współczynnika mocy jest utrzymywana na poziomie bliskim zadanemu. Negatywnym aspektem jest obciążenie prądem biernym sieci zasilająco-rozdzielczej, transformatorów oraz linii zasilających odbiorniki. Wybór między zastosowaniem kompensacji indywidualnej, grupowej lub centralnej wymaga analizy technicznej i gospodarczej warunków lokalnych w zakładzie. Obliczenia ekonomiczne mogą przy tym wykazać celowość podziału baterii oraz jej lokalizacji po stronie górnego czy też dolnego napięcia zasilania zakładu.

4 III. Ważne aspekty doboru baterii kondensatorów 1. Poziom harmonicznych w sieci zasilającej Szerokie zastosowanie w przemyśle urządzeń energoelektronicznych, przede wszystkim nieliniowych przekształtników (stacje prostownikowe trakcji elektrycznej, regulowane napędy elektryczne, technika grzewcza), jak również takich odbiorników jak zgrzewarki, spawarki i piece łukowe, wiąże się z generowaniem wyższych harmonicznych, czyli przebiegów sinusoidalnych o częstotliwościach wyższych od częstotliwości podstawowej (harmoniczna 3-cia: 150Hz, harmoniczna 5-ta: 250Hz, harmoniczna 7-ma: 350Hz itd.). Przebieg odkształcony obecnością wyższych harmonicznych Praca baterii kondensatorów w zanieczyszczonej sieci niesie za sobą duże zagrożenia wynikające z: - przeciążenia kondensatorów w związku z wyższą wartością skuteczną odkształconego prądu (zgodnie z normami, kondensatory mogą pracować przy prądzie nie przekraczającym 130% prądu znamionowego), - możliwości wystąpienia rezonansu pomiędzy pojemnością baterii a indukcyjnościami sieci zasilającej, co może powodować powstawanie prądów o wartościach zbliżonych do zwarciowych. Możliwość wystąpienia rezonansu można oszacować obliczając częstotliwość rezonansową f r układu: sieć zasilająca-bateria kondensatorów, czyli taką częstotliwość dla której reaktancja układu wyniesie zero: Gdzie: S zw - moc zwarciowa systemu w miejscu zainstalowania baterii wyrażona w MVA; Q - moc baterii wyrażona w MVar; f 1 częstotliwość harmonicznej podstawowej [Hz]. W sieciach, w których przebiegi napięć i prądów odkształcone są przez występujące wyższe harmoniczne stosowane są baterie z dławikami rezonansowymi.

5 W urządzeniach tego typu, w układ kondensatorów włączany jest szeregowo dławik, którego indukcyjność z pojemnością kondensatorów tworzą obwód rezonansowy o częstotliwości rezonansowej własnej f r. Dla częstotliwości mniejszych od f r, w tym dla częstotliwości podstawowej 50Hz, układ posiada charakter pojemnościowy (kompensuje moc bierną indukcyjną). Dla częstotliwości powyżej wartości f r, obwód dławik-kondensatory posiada charakter indukcyjny, uniemożliwiając dla tych częstotliwości wystąpienie rezonansu w obwodzie bateria sieć. W filtrach odstrojonych parametry LC dobierane są tak, aby częstotliwość rezonansowa własna f r baterii przyjmowała wartość poniżej częstotliwości odpowiadającej najniższemu rzędowi zarejestrowanych w sieci wyższych harmonicznych. Przykładowo, jeżeli w sieci zarejestrowano harmoniczne: 5h, 7h, 11h, 13h... parametry L i C filtra dobierane są tak, aby uzyskać częstotliwość rezonansową w przedziale od 174Hz do 210Hz (najczęściej 189Hz). Filtry odstrojone stosuje się najczęściej w automatycznie regulowanych bateriach wieloczłonowych. W filtrach dostrojonych, czyli pasywnych filtrach wyższych harmonicznych, częstotliwość rezonansowa własna f r zbliżona jest, maksymalnie z dokładnością na jaką pozwala tolerancja zastosowanych parametrów LC, do częstotliwości filtrowanej wyższej harmonicznej. Przy analizie możliwości pracy baterii kondensatorów bez dławików rezonansowych należy brać pod uwagę fakt, że wyższe harmoniczne mogą być generowane zarówno przez odbiorniki w zakładzie, jak i wpływać z sieci rozdzielczej (szczególnie w okolicy dużych zakładów przemysłowych), stąd też przed przystąpieniem do niej zalecane jest wykonanie niezbędnych pomiarów analizatorem sieci na obecność harmonicznych w napięciu i prądzie zasilającym. Jako, że szeregowe połączenie kondensatora z dławikiem powoduje podwyższenie napięcia na zaciskach kondensatora, w bateriach kondensatorów z dławikami rezonansowymi zastosowane muszą być jednostki kondensatorowe o wyższym napięciu znamionowym niż napięcie sieci (na przykład, w baterii na napięcie 400V o częstotliwości rezonansowej 189Hz należy zastosować jednostki kondensatorowe o napięciu znamionowym 450V). W związku z tym, po zainstalowaniu baterii kondensatorów bez dławików nie ma prostej możliwości doposażenia jej w dławiki w przypadku, gdy wyniknie taka konieczność. 2. Wartość napięcia zasilania Kondensatory są odbiornikami bardzo czułymi na podwyższone napięcie. Wartością dopuszczalną trwale utrzymującego się napięcia na zaciskach kondensatora jest 110% wartości znamionowej przez 8 godzin dziennie. Przekroczenie tej wartości spowoduje przyśpieszone starzenie się jednostki kondensatorowej lub jej zniszczenie. Jako ochronę przepięciową można zastosować odpowiednio dobrane ograniczniki przepięć, instalowane na zasilaniu baterii, które "ucinają" impulsy napięciowe i absorbują energię. Jednakże ich zastosowanie nie chroni przed długotrwałym wzrostem napięcia powyżej 110% wartości znamionowej, gdyż przy takim napięciu ogranicznik nie zareaguje. W bateriach kondensatorów regulowanych automatycznie funkcję zabezpieczenia kondensatorów przed wzrostem napięcia powyżej dopuszczalnej wartości przejmuje regulator, który w takich sytuacjach odłącza człony baterii.

6 3. Dynamika zmian obciążenia Przy doborze baterii kondensatorów automatycznie regulowanych, należy brać pod uwagę dynamikę zmian obciążenia. W przypadku obciążeń szybkozmiennych, czyli takich których pobór mocy i czynnej jest gwałtowny, baterie kondensatorów załączane łącznikami mechanicznymi mogą okazać się niewystarczające, zarówno w związku z czasem koniecznym na rozładowanie kondensatorów (1 minuta dla kondensatorów niskich napięć, 5 minut dla kondensatorów średnich napięć), jak i ograniczoną żywotnością łączników mechanicznych. W takich przypadkach należy stosować baterie kondensatorów załączane łącznikami półprzewodnikowymi (tyrystorowymi).

7 IV. Dobór mocy baterii kondensatorów do kompensacji grupowej/centralnej Przy doborze urządzeń do kompensacji grupowej i centralnej, szczególnie w mniejszych zakładach przemysłowych, korzysta się ze wzoru: Q k ( ϕ tgϕ ) = P tg, gdzie: Q k moc bierna potrzebna do zainstalowania, P moc czynna pobierana przez odbiornik/odbiorniki, tgϕ 1 współczynnik mocy przed kompensacją tgϕ 2 współczynnik mocy po kompensacji. Istnieje kilka szkół określających jakie wartości należy podstawić do powyższego wzoru: 1 - z rachunków za energię elektryczną wybierany jest rachunek z miesiąca o szczytowym poborze mocy czynnej; odczytywana jest z niego wartość maksymalnej mocy czynnej pobranej oraz wartość osiągniętego współczynnika mocy. Jako docelowy współczynnik mocy przyjmuje się wartość tangensa narzuconą przez dostawcę energii. Wadą tego rozwiązania jest to, że wartość współczynnika mocy wskazana na rachunku jest wartością średnią, tak więc wartość mocy biernej potrzebnej do zainstalowania jest niższa niż rzeczywista. Aby uniknąć niedokompensowania, stosowane są współczynniki korekcyjne (od 1,1 do 1,35), przez które mnoży się otrzymaną wartość. Inną wadą jest fakt, że w ten sposób nie można określić optymalnego stopnia regulacji urządzeń automatycznie regulowanych; - określa się łączną moc czynną odbiorników oraz ich naturalne wartości współczynnika mocy, dla każdej z nich określa się wartość mocy biernej do zainstalowania a następnie sumuje; tak jak w przypadku powyższym, jako docelowy współczynnik mocy przyjmuje się wartość tangensa narzuconą przez dostawcę energii. Wadą tego sposobu jest przede wszystkim to, że pomijany jest fakt, że rzadko się zdarza aby wszystkie obciążenia pracowały jednocześnie, powodując często poważne przewymiarowanie urządzeń kompensacyjnych. Dodatkowo, często zakłady przemysłowe nie posiadają lub nie chcą udostępniać dokładnych danych urządzeń zainstalowanych w sieci rozdzielczej. Dla zakładów przemysłowych, w których realizacja układu kompensacji mocy biernej wymaga poważnych nakładów finansowych, moc oraz stopień regulacji urządzeń do kompensacji mocy biernej dobierane są na podstawie kilkudniowych pomiarów parametrów energetycznych sieci, w celu dokładnego określenia mocy i konfiguracji układu. 2