Stupňovitě spínaná kompenzační zařízení vn

Stupňovitě spínaná kompenzační zařízení vn

Ing. Jiří Holoubek,
Ing. Jaroslav Pawlas,
ELCOM, a. s.

1. Úvod

Stupňovitě spínaná kompenzační zařízení se stávají stejně jako na hladinách nízkého napětí nejrozšířenějšími kompenzačními prostředky i pro hladiny 6 a 22 kV. Oproti minulosti, kdy byly vysokonapěťové kondenzátory převážně využívány pro individuální kompenzaci elektromotorů vn, tedy kdy uvedená zařízení byla připojována přímo na svorky kompenzovaných zařízení, se vlivem prudkého rozvoje polovodičové techniky v tomto oboru hodně změnilo. Výkonová elektronika nejen postupně mění skladbu spotřebičů elektrické energie napájených z hladin nízkého i vysokého napětí, ale s aplikacemi zařízení výkonové elektroniky je možné se stále častěji setkat i v rozvodných a kompenzačních zařízeních. Postupné zvyšování úrovně energetického rušení (harmonické, kolísání napětí, „flikr„ - míhání, nesymetrie atd.), způsobovaného zařízeními výkonové elektroniky, ale i velkými a často v dané průmyslové síti dominantními nelineárními spotřebiči (tavicí a pánvové obloukové pece), má na provoz a spolehlivost kompenzačních zařízení velký vliv.

Obr. 2. Průběh jalového výkonu válcovací stolice kompenzovaného elektromechanicky spínaným kompenzátorem s rychlovybíjením a dobou zpoždění připínání a vypínání kompenzačních stupňů 2 s

Tlak investorů na co nejnižší cenu kompenzačních zařízení mnohdy vede k tomu, že se budují kompenzační zařízení bez řádné projektové dokumentace a bez důkladné analýzy konkrétní sítě, v níž budou instalována. Stále častěji se také lze setkat se situací, kdy investorem není budoucí provozovatel díla, a proto jeho jediným zájmem je minimální pořizovací cena zařízení bez ohledu na to, jaké budou náklady spojené s jeho trvalým provozem. Do těchto provozních nákladů je nutné zahrnout např. elektrické ztráty v jednotlivých komponentách a náklady na jejich odvětrání, zvýšené náklady na údržbu a v neposlední řadě i případné platby za nedodržení neutrální hodnoty účiníku. Velmi zjednodušený přístup k této problematice často vede k výběru dodavatelů, kteří pro dodávku, instalaci a uvedení do provozu těchto zařízení nemají ani technické předpoklady, ani zkušenosti z praxe s realizací podobných projektů. Je nutné si uvědomit, že vysokonapěťové kompenzační zařízení s vysokým instalovaným výkonem obvykle zásadně ovlivní impedanci v konkrétním bodě sítě. To má podstatný vliv na provoz zařízení v síti distributora elektrické energie, stejně jako na provoz zařízení instalovaných v kompenzované průmyslové síti.

Následující příspěvek chce připomenout některé vlastnosti vysokonapěťových kompenzačních zařízení a na příkladech dokumentovat význam zodpovědného a technicky správného přístupu k realizaci těchto zařízení.

2. Vysokonapěťová kompenzační zařízení

Stupňovitě spínaná kompenzace v sítích vysokého napětí je alternativou k technicky dokonalejším, ale podstatně nákladnějším plynule regulovaným kompenzacím, jako je např. tlumivka s fázově řízeným tyristorovým spínačem a k ní paralelně řazené kompenzační filtry (typ TCR + FC), nebo statický synchronní kompenzátor (nuceně komutovaný měnič s kondenzátorem ve stejnosměrném obvodu pracující jako napěťový zdroj). Stupňovitě spínaná vysokonapěťová kompenzace je levnější a technicky jednodušší než rotační synchronní kompenzátory.

Hlavními výhodami spínaných kompenzací vn jsou:

• nízká cena – asi 15 až 20 % ceny plynule regulovaného kompenzačního zařízení,

• nízké ztráty – u kompenzací bez filtračních nebo hradicích tlumivek méně než 0,1 % z instalovaného výkonu, u kompenzací s tlumivkami přibližně 0,5 % z instalovaného výkonu,

• malé nároky na údržbu.

Při zařazování spínaných kompenzací do sítí vysokého napětí je ale nutné vzít v úvahu také jejich nevýhody, kterými jsou např.:

• plynulá regulace výkonu není možná, a proto může v síti krátkodobě docházet k překompenzování nebo k nedokompenzování výkonu a tomu odpovídajícím změnám napětí v síti; překompenzování také znamená nevyžádanou dodávku jalového výkonu do napájecí sítě a s tím spojené poplatky za tuto dodávku,

• stupňovitě spínané kompenzace většinou nejsou vhodné pro sítě s velkými a rychlými změnami zatížení,

• v některých případech se mohou vyskytovat spínací přepětí, která ohrožují jednotlivé prvky kompenzačních zařízení, ale i paralelně připojené spotřebiče,

• jsou-li kompenzační stupně naladěny jako filtry, mění se filtrační účinek v závislosti na počtu sepnutých stupňů.

U spínaných kompenzací vysokého napětí jsou možná různá technická řešení:

a) Kompenzační stupně bez tlumivek nebo pouze s tlumivkami pro omezení zapínacího proudu (s indukčností v desítkách mikrohenry)). Tyto jsou vhodné pouze pro sítě s malým podílem nelineárních spotřebičů (usměrňovače, statické měniče kmitočtu atd.). Instalovaný výkon těchto spotřebičů by neměl překročit 8 až 10 % celkového instalovaného výkonu. Kapacita kondenzátorové baterie totiž vytvoří spolu s indukčností sítě rezonanční obvod a může nastat zesílení harmonických proudu, generovaných nelineárními spotřebiči. Rezonanční kmitočet se mění s počtem připojených kompenzačních stupňů a může dojít k přetěžování, popř. i ke zničení kondenzátorů a k rušení paralelně připojených spotřebičů. Pozornost je třeba věnovat také návrhu omezovacích tlumivek, především v případě použití několika paralelně řazených kompenzačních stupňů. Při spínání kompenzačních stupňů bez omezovacích tlumivek se mohou vyskytnout velké zapínací proudy a s nimi spojená přepětí.

b) Kompenzační stupně s trojfázovými tlumivkami s železným jádrem, které se používají v sítích 6 a 10 kV. Výkon jednoho kompenzačního stupně se většinou pohybuje do 1 Mvar, obvod LC je naladěn buď jako filtr (např. na frekvenci 250 Hz), nebo na frekvenci nižší než harmonické proudy generované nelineárními spotřebiči (např. 189 Hz). Ke spínání se většinou používají vakuové stykače, které umožňují vysoký počet spínacích operací. Kompenzační stupeň je jištěn pouze pojistkami, popř. stupeň ochrany je zvýšen instalalcí přetlakových pojistek u kondenzátorových jednotek a teplotního čidla ve vinutí tlumivky. Kompenzační rozváděč vn je možné vyrobit jako skříňový, při jeho konstrukci je ale nutné věnovat pozornost bezpečnosti obsluhy (např. při vzniku oblouku ve skříni) a zkouškám (napěťové, zkratové atd.). K regulaci jalového výkonu se využívají standardní mikroprocesorové regulátory, které se podobají regulátorům používaným pro kompenzační rozváděče v sítích nízkého napětí, ale mají proti nim některé úpravy v programovém vybavení. Proto jsou určeny speciálně pro regulaci kompenzace v sítích vysokého napětí. Nejsou-li kompenzační stupně vybaveny rychlovybíjecím zařízením (většinou vybíjecí tlumivky nebo transformátorky), je možné kompenzační stupeň po předchozím vypnutí zapnout nejdříve po 5 min. Je tomu tak proto, aby došlo vnitřními vybíjecími rezistory v kondenzátorových jednotkách ke snížení napětí pod 10 % jmenovité hodnoty výkonu.

c) Kompenzační stupně s jednofázovými vzduchovými tlumivkami, které je možné použít nejen v sítích vysokého napětí, ale i v sítích velmi vysokého napětí. Zde se jejich výkony mohou pohybovat až v desítkách megavoltamperů reaktančních - Mvar. Spolu s kompenzací jalového výkonu většinou slouží také k filtraci harmonických. Takže obvody LC jsou laděny např. na kmitočty 150, 250 a 350 Hz, někdy se jejich kmitočtová charakteristika může upravit také paralelně řazenými tlumicími rezistory. Jsou-li kompenzační stupně naladěny jako filtry na různé kmitočty, není možné při regulaci použít spínání v kruhu (tj. zapíná se stupeň, který byl nejdéle vypnutý). Je nutné užít spínání v řadě (nejdříve se zapíná a nejpozději vypíná stupeň naladěný na nejnižší kmitočet). Většinou se používají jednofázové dvoupólově izolované kondenzátorové jednotky, které jsou zapojeny do dvojité hvězdy. Mezi uzly této dvojité hvězdy se zapojuje transformátor balanční ochrany. Balanční ochrana reaguje na nesymetrii, vzniklou poškozením některých svitků způsobených elektrickými průrazy nebo výpadkem vnitřních pojistek v kondenzátorových jednotkách. Vzduchové tlumivky i kondenzátory je možné umístit jak v prostředí vnitřním, tak venkovním. Při venkovním umístění potom odpadá nutnost instalace vzduchotechniky nebo klimatizace pro odvod ztrátového tepla vznikajícího v tlumivkách.

3. Využití bezkontaktních spínačů pro vysokonapěťová kompenzační zařízení

Některé negativní vlastnosti stupňovitě spínané kompenzace je možné odstranit použitím bezkontaktního spínání místo spínání elektromechanického. Uvedený princip je v sítích nízkého napětí používán již delší dobu pro kompenzaci rychle proměnlivého zatížení. Při tomto způsobu spínání je elektromechanický spínací prvek (stykač) nahrazen spínacím polovodičovým prvkem (tyristorový spínač). Výhodou bezkontaktně spínaných kompenzačních stupňů je:

• spínání s menším přechodovým dějem – při synchronním sepnutí kondenzátoru na síť v „nule„ napětí je průběh spínacího přechodového děje příznivější, s menší amplitudou nabíjecího proudu a oscilacemi napětí. Je možné spínat kondenzátor, který je úplně nabitý (sepnutí je bez přechodového děje) nebo částečně nabitý;

• při synchronním spínání je možné kondenzátor sepnout již za několik desítek milisekund po předchozím vypnutí v okamžiku, kdy je nulový rozdíl mezi napětím sítě a napětím na kondenzátoru. Ve spojení s rychlým regulátorem lze dosáhnout doby odezvy na změnu jalového výkonu v kompenzované síti v desítkách až stovkách milisekund;

• spínání bez pohyblivých mechanických částí pomocí tyristorů zajišťuje v podstatě neomezený počet spínacích operací a bezúdržbový provoz.

V sítích vysokého napětí 6 kV s rychlými a častými změnami zatížení může být užití bezkontaktně spínaných kompenzačních stupňů výhodné tehdy, není-li zařazení plynule regulované kompenzace možné, např. z ekonomických nebo prostorových důvodů, a použití elektromechanicky spínané kompenzace je technicky nevyhovující.

Na obr. 1 je zřejmý průběh jalového výkonu válcovací stolice bez kompenzace, na obr. 2 průběh jalového výkonu téhož spotřebiče kompenzovaného elektromechanicky spínaným kompenzátorem s rychlovybíjením a dobou zpoždění připínání a vypínání kompenzačních stupňů 2 s. Na obr. 3 je tentýž průběh při použití bezkontaktního spínače s dobou reakce 100 ms.

4. Příklady stupňovitě spínaných kompenzačních zařízení

4.1 Kompenzační zařízení rozsáhlé sítě s více napěťovými hladinami
V roce 2002 byla v rozsáhlé průmyslové síti, obsahující kilometry kabelů vn, množství nelineárních spotřebičů na vysokém i nízkém napětí a několik dalších kompenzačních zařízení, instalována na napěťové hladině 6 kV stupňovitě spínaná kompenzační zařízení o výkonech 14,7 Mvar a 11,0 Mvar. Na obr. 4 je schéma zapojení kompenzátoru 14,7 Mvar do sítě. Tyto kompenzátory byly řešeny jako skříňové rozváděče a byly v nich použity tlumivky se železným jádrem. Jednotlivé kompenzační stupně byly naladěny na 240 Hz, přičemž se předpokládal jistý filtrační efekt na kmitočtu 5. harmonické. Původní technické řešení renomovaného dodavatele podobných kompenzátorů bylo po výběrovém řízení upraveno a do úrovně realizační dokumentace zpracováno firmou, která s realizací a provozem kompenzačních zařízení velkých výkonů doposud neměla žádné zkušenosti. Tato firma dílo realizovala.

Těsně před realizací díla byl na žádost investora zpracován firmou s dlouholetými zkušenostmi v oblasti kompenzačních zařízení odborný posudek. V něm byl investor upozorněn na několik technických problémů, které patrně povedou ke snížení provozní spolehlivosti realizovaného zařízení a dalším negativním jevům. Dílo však bylo dokončeno podle původní technické dokumentace.

Obr. 9. Průběh zapnutí filtru 5. harmonické paralelně k již zapnutému filtru 3. harmonické (modrá křivka – sdružené napětí, červená křivka – proud filtru)

Téměř dvouletý provoz uvedených kompenzačních zařízení potvrdil veškeré výhrady obsažené v odborném posudku – od nevhodného dimenzování kabelových přívodů a výkonových vypínačů 6 kV až po opomenutí nutnosti respektovat vysoký kapacitní výkon kabelové sítě 35 kV, způsobující překompenzování. Vzhledem k tomu, že nebyl i přes doporučení posouzen vliv nově instalovaných kompenzátorů na signál hromadného dálkového ovládání (HDO) (v této napájecí oblasti na kmitočtu 183,3 Hz), dochází při jistých konfiguracích kompenzačních stupňů k rezonancím. Jejich důsledkem mimo jiné je i proudové přetěžování kondenzátorových jednotek. Po uvedení do provozu byla změřena výkonová bilance. Její výsledek byl uspokojivý. Realizátor díla se však již nezajímal o velikosti spínacích přepětí, popř. dalších, byť i krátkodobých přechodových dějů, které mají zásadní vliv na životnost zařízení.

V současné době se u uvedených kompenzačních zařízení často projevují poruchy jednotlivých kompenzačních kondenzátorů, přičemž jejich četnost těchto roste. Expertizy uskutečněné na kondenzátorových jednotkách potvrzují jejich soustavné přetěžování, které vede k degradaci dielektrika a průrazům jednotlivých svitků (obr. 5). Vzhledem k tomu, že v použitých kondenzátorových jednotkách je zapojení svitků 3 × 8 (tři svitky v sérii, osm svitků paralelně), znamená průraz jednoho svitku 1,5násobné zvýšení napětí na nepoškozených svitcích ve zbývajících dvou paralelně spojených skupinách. Tím dochází k lavinovému efektu a poškozování dalších svitků. Proto kondenzátorová jednotka postupně ztrácí svoji kapacitu. To vede k přelaďování původně navrženého rezonančního kmitočtu spínané kompenzační sekce. V důsledku toho vznikají další rezonanční jevy nebezpečné nejen pro samotné kompenzační zařízení, ale i pro okolní rozvodná zařízení a spotřebiče.

4.2 Stupňovitě spínaná kompenzace válcovny
Ve velkém hutním závodě byla rozsáhle modernizována válcovací trať tenkých profilů. V oblasti elektrického napájení spočívala ve výměně transformátorů 22/6 kV, modernizaci rozvoden 6 kV a instalaci mnoha nových regulovaných pohonů. Ty jsou napájeny z řízených usměrňovačů (pohony válcovacích stolic a nůžek) a ze statických měničů kmitočtu (pohony ventilátorů, valníků atd.). Zjednodušené přehledové schéma je na obr. 6. Ve fázi přípravy této modernizace byla měřena výkonová bilance a energetické rušení v síti 6 kV válcovny. Na základě výsledku měření a výpočtů byl navržen optimální způsob kompenzace jalového odběru a filtrace harmonických v síti.

Z důvodu vysokých finančních nákladů nebyla kompenzace řešena jako plynule regulovaná (např. s fázově řízenou dekompenzační tlumivkou a pevnými kompenzačními filtry – typ TCR + FC). Po dohodě se zákazníkem a dodavatelem elektrické energie bylo zvoleno levnější, kompromisní řešení. To spočívalo v modernizaci buzení dosavadního synchronního kompenzátoru o výkonu 6,5 Mvar a instalaci dvou spínaných kompenzačních filtrů s celkovým kompenzačním výkonem 5,8 Mvar (celkový instalovaný výkon v kondenzátorech je 8,04 Mvar). Kombinace synchronního kompenzátoru, jehož buzení je regulováno v závislosti na odebíraném jalovém výkonu válcovny a filtrů 3. a 5. harmonické, umožňuje plynule regulovat kompenzační výkon v rozsahu přibližně 6 až 12 Mvar. Při odepnutí filtru 5. harmonické, což navržená konfigurace bez problémů umožňuje, se změní regulační rozsah na 2 až 8 Mvar.

První stupeň o výkonu 2,04 Mvar je naladěn jako filtr 3. harmonické, druhý stupeň o výkonu 3,75 Mvar je naladěn jako filtr 5. harmonické. Kompenzační filtry jsou sestaveny z jednofázových vzduchových tlumivek s hliníkovým vinutím a z jednofázových dvoupólově izolovaných kondenzátorů o jednotkovém výkonu 460 kvar u filtru 3. harmonické a 440 kvar u filtru 5. harmonické. Filtr 5. harmonické je zatlumen rezistory, zapojenými paralelně k tlumivkám. Každý z filtrů je spínán vakuovým výkonovým vypínačem a chráněn dvoustupňovou nadproudovou ochranou (přetížení a zkrat) a balanční ochranou. Navíc je každá kondenzátorová jednotka vybavena vnitřními pojistkami a vybíjecím rezistorem. Vývody na filtry jsou proti spínacím přepětím chráněny svodiči přepětí. Filtry jsou umístěny v místnosti o půdorysných rozměrech 6 × 12 m. Místnost je vybavena vzduchotechnikou pro odvod tepelných ztrát, způsobených převážně tlumivkami a rezistory. Na obr. 7 je filtr 5. harmonické této dvoustupňové spínané kompenzace.

Po uvedení do provozu následovalo měření, které potvrdilo nejen trvalou provozuschopnost kompenzačního zařízení, ale i dodržení zadaných parametrů. Na obr. 8 je změřená frekvenční charakteristika filtrů 3. a 5. harmonické. K sériové rezonanci dochází přibližně na frekvencích 145 Hz a 245 Hz. Na frekvenci 170 Hz je paralelní rezonance, která je zatlumena rezistory, řazenými paralelně k tlumivkám kompenzačního filtru 5. harmonické. Na obr. 9 je ukázán průběh zapnutí filtru 5. harmonické paralelně k již zapnutému filtru 3. harmonické (modrá křivka je sdružené napětí, červená křivka proud filtru). To je z hlediska spínání nejnebezpečnější stav. Velikost a zapínací frekvence proudu jsou omezeny předřazenými tlumivkami, takže maximum proudu dosahuje asi 2 000 A. To se rovná přibližně čtyřnásobku jmenovitého proudu filtru.

Realizace již popsaného kompenzačního zařízení je jistým technicko-ekonomickým kompromisem, a tedy i důkazem, že lze na základě výsledků důkladné analýzy problému nalézt pro konkrétní aplikaci konkrétní technické řešení splňující vysoké technické požadavky a zároveň ušetřit nemalé finanční prostředky.

Obr. 13. Umístění řídicího rozváděče ve vnitřním prostoru hlavní vstupní rozvodny 22 kV

4.3 Centrální kompenzace rozsáhlé průmyslové sítě 22/6/0,4 kV
Na obr. 10 je zjednodušené přehledové schéma dvou kompenzačních zařízení, každého o kompenzačním výkonu 3 × 2 Mvar, která fungují jako centrální kompenzace rozsáhlé průmyslové sítě. Tato stupňovitě spínaná kompenzační zařízení mohou pracovat samostatně, a tudíž nezávisle na sobě – při rozepnuté podélné spojce v hlavní rozvodně 22 kV + R22, ale i společně – při sepnuté podélné spojce přípojnic. Pro uvedené režimy je také navržen řídicí rozváděč s regulátory jalového výkonu.

Původní požadavek investora dodat a uvést do provozu (podobně jako v již dobudovaných továrnách v zahraničí) kompenzační zařízení s činitelem zatlumení 6 % (tomu odpovídá rezonanční kmitočet 204 Hz) byl po mnoha komplikovaných jednáních mezi investorem, dodavatelem kompenzace, dodavatelem elektrické energie a dalšími přizvanými odbornými firmami přehodnocen. Nakonec bylo realizováno zařízení s činitelem zatlumení 8 %, čemuž odpovídá rezonanční kmitočet 177 Hz. Tím bylo zajištěno minimální negativní ovlivňování signálu HDO v síti 110 kV dodavatele elektrické energie provozovaného na kmitočtu 216,6 Hz. Nutno podotknout, že v sítích, v nichž je pro signál HDO využíván kmitočet 216,6 Hz, obvykle postačí činitel zatlumení 7 % (189 Hz). Ve zmíněném případě ale bylo vzhledem k vysokému instalovanému kapacitnímu výkonu přímo na přívodech do průmyslové sítě nutné volit odstup ladění spínaných kompenzačních sekcí od kmitočtu HDO vyšší.

Jednotlivé kompenzační stupně jsou sestaveny z jednofázových vzduchových tlumivek s hliníkovým vinutím a z jednofázových dvoupólově izolovaných kondenzátorů o jednotkovém výkonu 480 kvar. Celkový instalovaný výkon v kondenzátorech je 17,28 Mvar pro obě kompenzační stanice. Tlumivky jednotlivých fází jsou uspořádány nad sebou, prostřední tlumivka je přitom vinuta opačným směrem než horní a dolní tlumivka. Je tomu tak proto, aby bylo dosaženo stejné indukčnosti ve fázích. Kondenzátorová baterie každého stupně je zapojena do dvojité hvězdy s proudovým transformátorem balanční ochrany mezi uzly. Kompenzační stupně jsou do sítě 22 kV připojeny přes dva skříňové rozváděče, vybavené vakuovými vypínači s magnetickým pohonem, které jsou vhodné pro vysoký počet spínacích operací. Kompenzační stupně (tlumivky a kondenzátorové baterie) jsou ve venkovním provedení, rozváděče 22 kV jsou umístěny ve speciálním kontejneru (obr. 11 a obr. 12), řídicí rozváděč je instalován ve vnitřním prostoru hlavní vstupní rozvodny 22 kV (obr. 13).