Банк конденсаторов: определение использование и преимущества

Конденсаторная батарея - это группа нескольких конденсаторов одинаковой мощности, соединенных последовательно или параллельно для хранения электрической энергии в системе электропитания. Конденсаторы - это устройства, которые могут накапливать электрический заряд, создавая электрическое поле между двумя металлическими пластинами, разделенными изоляционным материалом. Конденсаторные батареи используются для различных целей, таких как коррекция коэффициента мощности, регулирование напряжения, фильтрация гармоник и подавление переходных процессов.

Что такое коэффициент мощности?

Коэффициент мощности - это мера того, насколько эффективно система переменного тока (AC) использует поданную мощность. Он определяется как отношение активной мощности (P) к полной мощности (S), где активная мощность - это мощность, которая выполняет полезную работу в нагрузке, а полная мощность - это произведение напряжения (V) и тока (I) в цепи. Коэффициент мощности также можно выразить как косинус угла (θ) между напряжением и током.

Коэффициент мощности = P/S = VI cos θ

Идеальный коэффициент мощности равен 1, что означает, что вся поданная мощность преобразуется в полезную работу, и в цепи нет реактивной мощности (Q). Реактивная мощность - это мощность, которая циркулирует между источником и нагрузкой из-за наличия индуктивных или емкостных элементов, таких как двигатели, трансформаторы, конденсаторы и т.д. Реактивная мощность не выполняет никакой работы, но она вызывает дополнительные потери и снижает эффективность системы.

Реактивная мощность = Q = VI sin θ

Коэффициент мощности системы может варьироваться от 0 до 1, в зависимости от типа и количества подключенной нагрузки. Низкий коэффициент мощности указывает на высокий спрос на реактивную мощность и плохое использование поданной мощности. Высокий коэффициент мощности указывает на низкий спрос на реактивную мощность и лучшее использование поданной мощности.

Почему важна коррекция коэффициента мощности?

Коррекция коэффициента мощности - это процесс улучшения коэффициента мощности системы путем добавления или удаления источников реактивной мощности, таких как конденсаторные батареи или синхронные конденсаторы. Коррекция коэффициента мощности имеет несколько преимуществ как для энергетической компании, так и для потребителя, таких как:

• Снижение потерь в линии и повышение эффективности системы: Низкий коэффициент мощности означает высокий ток в системе, что увеличивает резистивные потери (I2R) и снижает уровень напряжения на стороне нагрузки. Увеличивая коэффициент мощности, ток снижается, и потери минимизируются, что приводит к более высокому уровню напряжения и лучшей производительности системы.

• Увеличение емкости и надежности системы: Низкий коэффициент мощности означает высокий спрос на полную мощность от источника, что ограничивает количество активной мощности, которую можно передать нагрузке. Увеличивая коэффициент мощности, спрос на полную мощность снижается, и больше активной мощности можно поставить на нагрузку, что приводит к большей емкости и надежности системы.

• Снижение тарифов и штрафов за электроэнергию: Многие энергетические компании взимают дополнительные сборы или накладывают штрафы на потребителей, имеющих низкий коэффициент мощности, так как они создают дополнительную нагрузку на сети передачи и распределения и увеличивают их операционные затраты. Увеличивая коэффициент мощности, эти сборы или штрафы можно избежать или снизить, что приводит к уменьшению счетов за электроэнергию для потребителей.

Как работает конденсаторная батарея?

Конденсаторная батарея работает, предоставляя или поглощая реактивную мощность из системы, в зависимости от режима и места подключения. Существуют два основных типа конденсаторных батарей: шунтирующие конденсаторные батареи и последовательные конденсаторные батареи.

Шунтирующие конденсаторные батареи

Шунтирующие конденсаторные батареи подключены параллельно нагрузке или в определенных точках системы, таких как подстанции или фидеры. Они предоставляют опережающую реактивную мощность (положительное Q) для компенсации или уменьшения запаздывающей реактивной мощности (отрицательное Q), вызванной индуктивными нагрузками, такими как двигатели, трансформаторы и т.д. Это улучшает коэффициент мощности системы и снижает потери в линии.

Шунтирующие конденсаторные батареи имеют несколько преимуществ по сравнению с другими типами устройств компенсации реактивной мощности, такими как:

• Они относительно просты, дешевы и легко устанавливаются и обслуживаются.

• Их можно включать или выключать в зависимости от изменения нагрузки или требований системы.

• Их можно разделить на меньшие единицы или ступени, чтобы обеспечить большую гибкость и точность в управлении реактивной мощностью.

• Они могут улучшить стабильность и качество напряжения на стороне нагрузки, предоставляя локальную реактивную поддержку.

Однако шунтирующие конденсаторные батареи также имеют некоторые недостатки или ограничения, такие как:

• Они могут вызвать перенапряжение или резонансные проблемы, если не будут правильно спроектированы или согласованы с другими устройствами в системе.

• Они могут внести гармоники или искажения в систему, если не будут правильно отфильтрованы или защищены.

• Они могут быть неэффективны для длинных линий передачи или распределенных нагрузок.

Последовательные конденсаторные батареи

Последовательные конденсаторные батареи подключены последовательно с нагрузкой или линией передачи, снижая эффективное сопротивление цепи. Они предоставляют запаздывающую реактивную мощность (отрицательное Q) для компенсации или уменьшения опережающей реактивной мощности (положительное Q), вызванной емкостными нагрузками, такими как длинные кабели, линии передачи и т.д. Это улучшает регулирование и стабильность напряжения в системе.

Последовательные конденсаторные батареи имеют некоторые преимущества по сравнению с шунтирующими конденсаторными батареями, такие как:

• Они могут увеличить способность передачи мощности и эффективность длинных линий передачи, снижая потери в линии и падение напряжения.

• Они могут снизить ток короткого замыкания и уровень аварии в системе, увеличивая сопротивление пути аварии.

• Они могут улучшить переходный отклик и демпфирование системы, снижая собственную частоту и колебания.

Однако последовательные конденсаторные батареи также имеют некоторые недостатки или ограничения, такие как:

• Они могут вызвать перенапряжение или резонансные проблемы, если не будут правильно спроектированы или защищены. Например, при аварийной ситуации напряжение на конденсаторе может возрасти до 15 раз его номинального значения, что может повредить конденсатор или другое оборудование в системе.

• Они могут внести гармоники или искажения в систему, если не будут правильно отфильтрованы или компенсированы.

• Они могут быть неэффективны для низковольтных или распределенных нагрузок.

Как рассчитать размер конденсаторной батареи?

Размер конденсаторной батареи зависит от нескольких факторов, таких как:

• Желаемое улучшение коэффициента мощности или компенсация реактивной мощности

• Напряжение и частота системы

• Тип и расположение конденсаторной батареи (шунт или последовательная)

• Характеристики и вариации нагрузки

• Стоимость и доступность конденсаторных блоков

Базовая формула для расчета размера шунтирующей конденсаторной батареи:

C = Q/V2f