En kondensatorbank är en grupp av flera kondensatorer med samma kapacitetsvärde som är anslutna i serie eller parallell för att lagra elektrisk energi i ett elsystem. Kondensatorer är enheter som kan lagra elektrisk laddning genom att skapa ett elektriskt fält mellan två metallplattor separerade av ett isolerande material. Kondensatorbanker används för olika ändamål, såsom effektfaktorkorrigering, spänningsreglering, harmonisk filtrering och övergångsstöd.
Effektfaktor är ett mått på hur effektivt ett växelströmssystem använder den tillförd strömmen. Den definieras som kvoten mellan verkningsfull effekt (P) och synlig effekt (S), där verkningsfulla effekten är den effekt som utför nyttig arbete i belastningen, och synliga effekten är produkten av spänning (V) och ström (I) i kretsen. Effektfaktor kan också uttryckas som cosinus av vinkeln (θ) mellan spänning och ström.
Effektfaktor = P/S = VI cos θ
Den idealiska effektfaktorn är 1, vilket betyder att all tillförd effekt konverteras till nyttigt arbete, och det finns ingen reaktiv effekt (Q) i kretsen. Reaktiv effekt är effekten som flödar fram och tillbaka mellan källan och belastningen på grund av närvaron av induktiva eller kapacitiva element, som motorer, transformatorer, kondensatorer, etc. Reaktiv effekt utför inget arbete, men den orsakar extra förluster och minskar systemets effektivitet.
Reaktiv effekt = Q = VI sin θ
Effektfaktorn i ett system kan variera mellan 0 och 1, beroende på typ och mängd av belastning som är ansluten till det. En låg effektfaktor indikerar en hög reaktiv effektbehov och dålig användning av den tillförd strömmen. En hög effektfaktor indikerar ett lågt reaktiv effektbehov och bättre användning av den tillförd strömmen.
Effektfaktorkorrigering är processen att förbättra effektfaktorn i ett system genom att lägga till eller ta bort reaktiv effekt, såsom kondensatorbanker eller synkrona kondensatorer. Effektfaktorkorrigering har flera fördelar både för nätverksbolag och konsumenter, såsom:
Minskning av linjeförluster och förbättring av systemeffektivitet: En låg effektfaktor innebär ett högt strömförråd i systemet, vilket ökar resistivförlusterna (I2R) och minskar spänningen vid belastningen. Genom att öka effektfaktorn minskas strömförrådet, och förlusterna minimeras, vilket resulterar i en högre spänning och bättre systemprestanda.
Ökning av systemkapacitet och tillförlitlighet: En låg effektfaktor innebär ett högt synligt effektbehov från källan, vilket begränsar mängden verkningsfull effekt som kan levereras till belastningen. Genom att öka effektfaktorn minskas synligt effektbehovet, och mer verkningsfull effekt kan levereras till belastningen, vilket resulterar i en högre systemkapacitet och tillförlitlighet.
Minskning av nätverksavgifter och böter: Många nätverksbolag debiterar extra avgifter eller inför böter för konsumenter med låg effektfaktor, eftersom de orsakar en större belastning på överförings- och distributionsnätet och ökar deras driftskostnader. Genom att öka effektfaktorn kan dessa avgifter eller böter undvikas eller minskas, vilket resulterar i lägre elräkningar för konsumenter.
En kondensatorbank fungerar genom att tillföra eller absorbera reaktiv effekt till eller från systemet, beroende på dess anslutningsläge och plats. Det finns två huvudtyper av kondensatorbanker: shunt-kondensatorbanker och serie-kondensatorbanker.
Shunt-kondensatorbanker är anslutna parallellt med belastningen eller vid specifika punkter i systemet, såsom understationer eller försörjningsledningar. De tillför ledande reaktiv effekt (positiv Q) för att neutralisera eller minska efterledande reaktiv effekt (negativ Q) orsakad av induktiva belastningar, som motorer, transformatorer, etc. Detta förbättrar effektfaktorn i systemet och minskar linjeförluster.
Shunt-kondensatorbanker har flera fördelar jämfört med andra typer av reaktiv effekt kompensationsenheter, såsom:
De är relativt enkla, billiga och lätt att installera och underhålla.
De kan slås på eller av beroende på belastningsvariation eller systemkrav.
De kan delas in i mindre enheter eller steg för att ge mer flexibilitet och precision i reaktiv effektstyrning.
De kan förbättra spänningsstabiliteten och kvaliteten vid belastningen genom att tillföra lokal reaktiv stöd.
Men, shunt-kondensatorbanker har också några nackdelar eller begränsningar, såsom:
De kan orsaka överspänning eller resonansproblem om de inte är korrekt designade eller samordnade med andra enheter i systemet.
De kan introducera harmoniska eller distorsioner i systemet om de inte är korrekt filtrerade eller skyddade.
De kan inte vara effektiva för långa överföringslinjer eller distribuerade belastningar.
Serie-kondensatorbanker är anslutna i serie med belastningen eller överföringslinjen, vilket minskar den effektiva impedansen i kretsen. De tillför efterledande reaktiv effekt (negativ Q) för att neutralisera eller minska ledande reaktiv effekt (positiv Q) orsakad av kapacitiva belastningar, som långa kablar, överföringslinjer, etc. Detta förbättrar spänningsregleringen och stabiliteten i systemet.
Serie-kondensatorbanker har vissa fördelar jämfört med shunt-kondensatorbanker, såsom:
De kan öka överföringskapaciteten och effektiviteten för långa överföringslinjer genom att minska linjeförluster och spänningsfall.
De kan minska kortslutningsströmmen och felnivån i systemet genom att öka impedansen i felvägen.
De kan förbättra transientsvaret och dämpningen i systemet genom att minska den naturliga frekvensen och svängningarna.
Men, serie-kondensatorbanker har också vissa nackdelar eller begränsningar, såsom:
De kan orsaka överspänning eller resonansproblem om de inte är korrekt designade eller skyddade. Till exempel, under felvillkor kan spänningen över kondensatorn stiga upp till 15 gånger dess nominella värde, vilket kan skada kondensatorn eller annan utrustning i systemet.
De kan introducera harmoniska eller distorsioner i systemet om de inte är korrekt filtrerade eller kompenserade.
De kan inte vara effektiva för låg spänning eller distribuerade belastningar.
Storleken på en kondensatorbank beror på flera faktorer, såsom:
Den önskade effektfaktorförbättringen eller reaktiv effekt kompensationen
Spänningens nivå och frekvens i systemet
Typ och plats av kondensatorbanken (shunt eller serie)
Belastningsegenskaper och variation
Kostnad och tillgänglighet av kondensatorenheter
Den grundläggande formeln för att beräkna storleken på en shunt-kondensatorbank är:
C = Q/V2f
Där,
