Výkonové kondenzátory nízkého napětí

Výkonové kondenzátory nízkého napětí

Výkonové nízkonapěťové kondenzátory určené pro zlepšení účiníku a pro kompletaci filtrů harmonických představují významné zařízení náležející do širšího spektra výkonových kondenzátorů. Současná technologie jejich výroby dospěla na základě mnoholetých výrobních a provozních zkušeností do stadia, kdy jsou produkovány spolehlivé kondenzátory s malým měrným objemem a malými měrnými ztrátami na jednotku výkonu, vyráběné většinou sériově v automatizovaných provozech, zaručujících přesnost požadovaných technických parametrů. Vzhledem ke stále rostoucímu počtu jejich průmyslových aplikací si zaslouží, aby uživatelé měli správné představy o jejich provozních vlastnostech a možnostech.

Konstrukční uspořádání
Vnější vzhled obvyklých typů výkonových kompenzačních kondenzátorů nízkého napětí je na obr. 1. Pouzdra válcových kondenzátorů jsou z hluboce taženého hliníku, pravoúhlé krabicové nádoby jsou svařeny z ocelového plechu, u „trojúhelníkové“ verze jsou z plechu hliníkového. Hermeticky uzavřené nádoby zajišťují ochranu proti navlhání a oxidaci i z hlediska požární bezpečnosti. Impregnant je kapalný nebo tuhý (z umělé pryskyřice nebo z gelu), ale jsou i varianty s plynovou náplní.

Běžná verze a uspořádání kondenzátorových svitků jsou patrná z obr. 2: svitky jsou vytvořeny z metalizované polypropylenové fólie, vrstvy svitků jsou vzájemně posunuty, čela svitků jsou na obou stranách „šopována“ (metalizována), na čela jsou přiletovány vývody, které spojují svitek s vnější svorkovnicí. Protože životnost kondenzátoru je výrazně závislá na provozní teplotě svitků, je důležité konstrukčním uspořádáním kondenzátoru umožnit co nejintenzivnější odvádění ztrátového tepla z vnitřku svitku na hliníkový plášť pouzdra. Proto je u trojfázových kondenzátorů výhodnější uspořádání svitků nad sebou. Tím je zároveň umožněna výroba válcových kondenzátorů malých průměrů. V porovnání s uspořádáním, kdy jsou tři svitky navinuty souose jeden na druhém, přináší toto řešení i zmenšení nebezpečí zkratů mezi fázemi.

Ekologické požadavky jsou výrobci kondenzátorů již běžně plněny (ekologická závadnost starších typů kondenzátorů byla způsobena použitím nevhodných typů impregnantů, obsahujících látky na bázi PCB). Současné výrobky jsou nezávadné: obsahují impregnanty z přírodních rostlinných olejů, které jsou plně biologicky odbouratelné, popř. (v tzv. suchých kondenzátorech) svitky jsou zality v umělých pryskyřicích, gelech nebo plněny speciálním plynem. Obavy z použití kondenzátorů s kapalnými impregnanty jsou neoprávněné – je třeba si uvědomit, že obsah volného impregnantu, který může z nádoby kondenzátoru uniknout i při úplné destrukci nádoby, je nepatrný a že teploty vzplanutí a zážehu impregnantu jsou velmi vysoké (bod zážehu je 315 °C a bod vzplanutí 285 °C). Výhodou kapalných impregnantů je zprostředkování lepšího odvodu ztrátového tepla ze svitků na stěny nádoby (např. tepelná vodivost ricinového oleje je asi 0,18 W/m·K), navíc mají příznivý vliv i na funkci přetlakové „odtrhové“ pojistky. I v případech ekologicky neškodných kapalných nebo tuhých impregnantů je však třeba likvidovat vyřazené kondenzátory s ohledem na speciální kovy, použité pro šopování čel svitků.

Nejčetnější jsou aplikace válcových kondenzátorů, používaných především pro centrální regulované kompenzace. Vyrábějí se v jednofázovém i trojfázovém provedení, v široké škále napěťových řad (např. jednofázové: 230 V – 400 V – 525 V, trojfázové: 230 V – 400 V – 440 V – 525 V – – 660 V). Výkonové řady trojfázových jednotek obvykle končí u hodnot odpovídajících kompenzačnímu výkonu 25 kvar, s rozměry např.: průměr 84 mm, výška 265 mm (výrobce Vishay Roederstein). Výšky nádob válcových kondenzátorů pro vyšší výkony jsou výrazně větší (u verzí se soustředně vinutými svitky mají zmíněné nevýhody), nabízena je i „trojúhelníková“ verze s velmi malou výškou (210 mm) o výkonu 50 kvar. Krytí válcových kondenzátorů závisí na druhu použitých ochranných čepiček kabelů či celé svorkovnice a může být od IP00 do IP54. Vzhledem k velkým výrobním sériím a k automatizované výrobě jsou ceny válcových i „trojúhelníkových“ kondenzátorů podstatně nižší než ceny kondenzátorů z pravoúhlých nádob.

Aplikace nízkonapěťových kondenzátorů (obr. 3) s jednotkovými jmenovitými výkony vyššími než 50 kvar (56,2 kvar) se vyskytují v menším měřítku. Jsou určeny hlavně pro individuální kompenzace nebo pro kompletaci velkých kompenzačně filtračních zařízení. Vyšších výkonů se dosahuje paralelním spojením svitků umístěných v nádobě, obvykle jsou vybaveny tlakovými ochranami. Vyžaduje se u nich užší tolerance (např. –3 % až +3 %) jmenovité kapacity a vyšší odolnost proti proudovému přetížení (mohou být dodávány s nadstandardní proudovou přetížitelností). V jedné nádobě mohou být dvě samostatné kondenzátorové jednotky (obr. 4). Vyrábějí se s kapalnými impregnanty nebo zalité v umělých pryskyřicích, s vybíjecími odpory (nebo bez nich) zabudovanými do nádoby v krytí IP00 nebo s nadstavbou nad vývodkovým víkem, čímž je dosaženo krytí IP43, popř. IP54. U tohoto druhu kondenzátorů jsou kladeny zvýšené nároky na vlastnosti vývodových průchodek (vysoká proudová zatížitelnost, mechanická pevnost, izolační povrchová dráha apod.), které splňují keramické průchodky s plným svorníkem (většinou jsou dodávány podle specifických požadavků zákazníka). Meze hlavních technických parametrů jsou 230 V až 1 000 V, výkon do 500 kvar, maximální proud průchodky 350 A. Pro menší výkony a individuální kompenzace (např. asynchronních elektromotorů) může být tento typ kondenzátorů dodáván s odpínačem s výkonovými pojistkami příslušných parametrů, který je zasazen v krytu do svislé stěny kondenzátorové nádoby.

Provozní bezpečnost
Protože nelze vyloučit možnost vnitřních elektrických zkratů, musí mít každá samostatná kondenzátorová jednotka vlastní inherentní (vnitřní) ochrany proti těmto poruchám. Pro případ ojedinělého průrazu dielektrika (např. vinou krátkodobého přepětí) je využita tzv. samohojicí schopnost použitých fólií: v postiženém místě se v několika mikrosekundách odpaří elektrody z blízkého okolí a tím se obnoví izolační pevnost; je důležité, aby ztráta kapacity v důsledku „samozhojení“ byla co nejmenší (menší než 100 pF).

Jinou možností lokálního odpojení místa průrazu je použití fólií se segmentovanou metalickou vrstvou: postižený segment je okamžitě odpojen přetavením úzkého můstku (vnitřní pojistky), přes který je připojen k metalizované ploše fólie, jež je pod napájecím napětím. Nevýhodou této metody je zmenšení aktivní plochy kondenzátorového svitku, proto je u kondenzátorů velkých výkonů používána v menším měřítku.

Další inherentní ochranou je odtrhová pojistka: při větším vnitřním zkratu, např. na konci života, při opakovaných průrazech nebo při trvalém tepelném přetížení provází odpařování elektrod intenzivní vývin plynu, v jehož důsledku vzrůstá tlak uvnitř nádoby. Vnitřní uspořádání musí umožnit i při poruše v nejspodnější části kondenzátoru průnik tlakového plynu až pod víčko kondenzátoru; pokud vnitřní přetlak přesáhne přípustnou hodnotu, nastane mechanickyé přetržení spojů mezi svitky a svorkovnicí víčka. Obdobou této pojistky u krabicových kondenzátorů větších výkonů je tlaková ochrana, obvykle zabudovaná do víka nádoby. Volným přepínacím kontaktem tohoto tlakového čidla, který je zapojen v ovládacím obvodu, je vypínán předřazený stykač napájecího přívodu.

K provozní bezpečnosti patří i dostatečně rychlé vybití zbytkového náboje po odpojení kondenzátoru od napájecího napětí. U válcových kondenzátorů se běžně zajišťuje vnějšími vybíjecími odpory, které jsou připojeny (již výrobcem) ke svorkovnici na víčku pouzdra kondenzátoru. U velkých krabicových kondenzátorů jsou někdy umístěny uvnitř nádoby. Velikost odporu je kompromisem mezi přijatelnými dodatečnými ztrátami vyvolanými trvale zapojenými vybíjecími odpory a dobou poklesu zbytkového napětí na předepsanou bezpečnou hodnotu (čím menší odpor, tím větší ztráty, ale rychlejší pokles napětí, a naopak). Měrná velikost ztrát způsobených optimálně zvolenými odpory je asi 0,1 W/kvar. Podle EN 60831-1:1993, odstavec 2, musí vybíjecí odpor zajistit do tří minut snížení napětí na svorkách kondenzátoru z původní vrcholové hodnoty na velikost minimálně 75 V. Nízkonapěťové kondenzátory jsou dodávány s odpory pro rychlejší vybíjení, např. do 50 V za minutu, a to s ohledem na nároky vyplývající z podmínek automatické regulace kompenzátorů (konkrétní potřebu rychlejšího snížení zbytkového napětí je nutné dohodnout objednatelem u výrobce, popř. řešit vlastním opatřením odběratele).

Život kondenzátorů
Předpokládaná délka života kondenzátorů je asi 100 000 provozních hodin, což v závislosti na provozním režimu je asi patnáct let (a více). Dosahovaná životnost je ovlivněna i skutečnými provozními podmínkami, zvláště provozní teplotou kondenzátoru, proudovým a napěťovým přetěžováním (ventilací rozváděče a četností a náročností spínacích funkcí).

Měrné ztráty současných válcových kondenzátorů jsou velmi malé, obvykle do 0,25 W/kvar bez vlivu vybíjecích odporů a do 0,35 W/kvar včetně těchto odporů. Při malých rozměrech kondenzátorových jednotek a prostorově úsporné stavbě kompenzačních rozváděčů je možné instalovat kompenzační výkon např. 400 kvar v jedné skříni. Odpovídající ztrátový výkon (teplo) je nutné odvést, aby nenastalo nepřípustné zvýšení teploty uvnitř rozváděče. Závislost doby života kondenzátoru na provozní teplotě je naznačena v grafu na obr. 5. Maximální přípustná teplota okolí kondenzátorů je pro běžnou teplotní třídu 55 °C (průměrná maxima vztažená na dobu trvání mají být nižší, např. během 24 hodin jen 45 °C a během roku 35 °C). Při těchto podmínkách a při dodržení přípustného proudového zatížení nemá provozní povrchová teplota nádob kondenzátorů přesáhnout 65 °C (udává výrobce) – s jejím růstem se výrazně zkracuje životnost.

Meze přípustného proudového a napěťového přetěžování jsou stanoveny podle EN 60831-1, odstavec 21 a 20.1, takto:

Montážní podmínky
Pro snadnou montáž kondenzátoru má nezanedbatelný význam jeho konstrukce. Válcové kondenzátory s podélnou osou se montují ve svislé i vodorovné poloze, s možností upevnění ke konstrukci rozváděče objímkou nebo uzemňovacím svorníkem ve dně nádoby. Vyšší kapacitní výkon regulačních stupňů je umožněn paralelním zapojováním kondenzátorových jednotek, které je usnadněno konstrukcí průběžných svorkovnic (obr. 6); přizpůsobeny jsou i krycí čepičky svorkovnic (obr. 7) a speciální konstrukce a umístění plochých „fóliových“ vybíjecích odporů.

Při připojování válcových kondenzátorů v hliníkových nádobách se mají dodržovat tyto zásady:

• připojovací vodiče musí umožnit dilataci víka kondenzátoru pro správnou funkci přetlakové odtrhové pojistky,
• šrouby ve svorkách silových přívodů je nutné dotahovat maximálně momentem určeným výrobcem kondenzátorů, aby nebylo poškozeno víko a omezena funkce přetlakové pojistky (obvykle u šroubů M5 a M6 momentem 2 Nm),
• propojovat kondenzátorové jednotky paralelně do baterií pouze na kondenzátorech, jejichž svorky jsou k tomuto účelu upraveny, a přívody k prvnímu kondenzátoru dimenzovat odpovídajícím způsobem s ohledem na celkovou velikost baterie,
• správným způsobem zakončovat připojovací vodiče (oka, dutinky), nejlépe lisováním odpovídajícím nářadím, zásadně se vyhnout pokovování a pájení cínovou pájkou,
• v souladu s ČSN 33 0360 použít jako ochrannou svorku kondenzátoru šroub na dně nádoby (obvykle M12) a pro upevnění kondenzátoru použít objímky dodané výrobcem.

Nové požadavky
Rostoucí nároky na kompenzační výkony a růst instalovaných výkonů nelineárních spotřebičů v sítích vyvolaly nové požadavky na jmenovité technické parametry kondenzátorů. Běžné maximální výkony válcových kondenzátorových jednotek 25 kvar a standardní jmenovitá napětí již nevyhovují. Proto se na trhu objevily kondenzátory s jednotkovými výkony okolo 50 kvar – příklad takového typu je na obr. 8, na obr. 9 je jeho aplikace ve venkovním prostředí pro individuální kompenzaci v síti. Tato „trojúhelníková“ verze (chráněná patentem) má velmi malé rozměry, dobré ochlazování a možnost instalovat je v různých provozních podmínkách.

Aplikace kondenzátorů s předřazenou tlumivkou vedou k potřebě kondenzátorů o jmenovitém napětí 440 V pro sestavu L-C s činitelem tlumení 7 % (jestliže by v tomto případě zůstal jmenovitý instalovaný výkon kondenzátorové jednotky jako celistvé číslo, byl by skutečný kapacitní výkon číslo necelistvé; výrobci proto dodávají kondenzátory se jmenovitými výkony, které v kombinaci s parametry tlumivky pro příslušné zatlumení dávají celistvé číslo, např.: při zatlumení p = 7 % při napětí v síti 400 V odpovídá trojfázovému kapacitnímu výkonu 25 kvar (50 kvar) instalovaný výkon se jmenovitými parametry 28,1 kvar (56,2 kvar) při jmenovitém napětí 440 V).

Dalším inovačním trendem reagujícím na požadavky uživatelů je zmenšování výšky kondenzátorových jednotek, což umožňuje výrobu malých a kompaktních stavebních bloků pro kompletaci regulovaných kompenzačních rozváděčů. Pro tento účel vyrábí např. firma Vishay Roederstein již zmíněné trojúhelníkové kondenzátory 50 kvar s výškou nádoby 210 mm a válcové kondenzátory 25 kvar s výškou nádoby 265 mm (měrný výkon na jednotku objemu je 17 kvar/dm³).

Požadavkem odběratelů je dodání kondenzátorů za přijatelnou cenu, se spolehlivým a bezpečným provozem, dlouhou životností, dodržením garantovaných technických parametrů, malými ztrátami, ekologickou nezávadností a jednoduchou montáží s malými prostorovými nároky. Spolehlivost a bezpečnost provozu i doba skutečného života kondenzátoru jsou však podmíněny nejen jeho konstrukčním řešením, kvalitou výrobní technologie a použitých materiálů, ale i dodržováním předepsaných provozních podmínek i tím, zda byly v projektu a při výběru kondenzátorů zohledněny skutečné a komplexní podmínky sítě v místě, kde má být kompenzátor instalován.