Zkušenosti z kompenzace jalové energie
Ing. Bernard Lukáš, specialista silnoproudé elektrotechniky
V poslední době dodavatelé elektřiny mění podnikajícím firmám původní indukční elektroměry za digitální. Odběratelé jsou následně v mnoha případech překvapeni, že dodavatel navíc požaduje úhradu jalové energie, nebyla-li kvalita odebrané energie v souladu se smluvními podmínkami; účiník cos φ byl mimo stanovený rozsah 0,95 až 1 indukčního charakteru. Odběr elektrické energie s účiníkem i jen mírně menším než 1 kapacitního charakteru (překompenzování – např. cos φ –0,98 kap.) je spojen s dodávkou jalové energie do sítě. Původní indukční elektroměry dodávku jalové energie neměřily, zatímco nové, digitální ji měří. Pro odběratele to pak bývá nepříjemné zjištění, protože za dodávku jalové energie do sítě jsou postiženi sankční platbou ve výši 0,4 Kč/kvar·h. Smluvní podmínky mezi dodavatelem a odběratelem vycházejí z právních aktů (např. energetický zákon 458/2000 Sb.), přičemž „sankční“ platby za nedodržení kvality odebrané elektrické energie (nedodržení stanoveného účiníku cos φ) často nenaplňují původní celospolečenský zájem na snížení energetických, a tedy i ekonomických ztrát. Kompenzační zařízení není pro odběratele levnou záležitostí, navíc není a nikdy nebude dokonalé. Při poruše některého kompenzačního stupně (např. trvale sepnutého „slepeného“ stykače) se může kvalita odběru ještě zhoršit a platba za odebranou energii zvýšit. Vyšší kvality kompenzace při rychle se měnící skladbě a odebíraném výkonu spínaných spotřebičů lze dosáhnout použitím kvalitnějších třífázových nebo impulzně elektroměrově řízených regulátorů s polovodičovým spínáním kompenzačních kondenzátorů. Toto řešení však má ekonomický efekt pouze v případě velkých spínaných výkonů zejména u statických řízených usměrňovačů nebo měničů frekvence. Investice do běžné skladby spotřebičů s odběrem činné energie (tepelné spotřebiče, osvětlení a asynchronní elektromotory nakrátko výkonů do asi 40 kW s hustotou spínání maximálně 40krát za hodinu) se nevrátí.
V tomto příspěvku chci na základě zkušeností upozornit provozovatele statických kompenzačních zařízení na některé jevy a poruchové stavy, které mohou nepříznivě ovlivňovat kvalitu kompenzace se všemi z toho vyplývajícími důsledky.
- Kompenzační zařízení je vhodné doplnit prvkem trvale sledujícím celkový kompenzovaný proud, který má být ve všech fázích stejný. Asymetrie proudu způsobená např. vadnou pojistkou nebo svařením kontaktů ve dvou fázích některého kompenzačního stupně může vést k chybné funkci regulátoru, a tím ke zhoršení smluvní kvality odebírané elektrické energie včetně navýšení plateb (obr. 1).
- Nejporuchovějším prvkem kompenzačního zařízení jsou stykače spínající kondenzátory. Je-li s přihlédnutím k povaze provozu (měnící se odběr a skladba spotřebičů v krátkých časových intervalech) nastavena krátká doba vybíjení kompenzačních stupňů a pro kompenzační stupeň je použit stykač, jehož jmenovitý (mezní) spínací výkon v kvar je stejný jako výkon spínané kondenzátorové baterie, v krátké době se svaří nebo upálí některý silový kontakt stykače. Je proto vhodné používat tyto stykače vždy s mezním štítkovým výkonem o stupeň vyšším, než je výkon kondenzátorové baterie, nebo regulátory jalového výkonu umožňující nastavit vybíjecí čas pro každý stupeň samostatně. Zde platí zásada, že čím větší je výkon kompenzačního stupně, tím delší se nastavuje doba vybíjení (tab. 1).
Klasické stykače je nutné volit s nejméně dvojnásobným jmenovitým proudem, než je jmenovitý proud kondenzátorové baterie. V tomto případě se kompenzační kondenzátory musí navíc doplnit vybíjecími rezistory (obr. 2). - Jsou-li ve skladbě spotřebičů sítě nn (zejména síť TN 400/230 V) spotřebiče připojeny na sdružené napětí pouze mezi dvě fáze (např. bojlery, kalorifery, elektrické trouby, transformátory apod.) a měřicí proud regulátoru je snímán z jedné z uvedených fází, nastane fázový posun proudu k napětí téže fáze a regulátor chybně zapíná nebo vypíná kompenzační stupně. Je proto důležité toto respektovat a měřicí proud regulátoru připojovat na fázi, na níž není připojen uvedený druh spotřebiče, popř. použít regulátor, jehož funkce je řízena impulzy z digitálně čtyřkvadrantního elektroměru, nebo regulátor, jehož měřicí proud je snímán ze všech fází. Nerespektování tohoto jevu připravilo některé odběratele z důvodu překompenzování o 10 až 20 tisíc korun za měsíční fakturované období (obr. 3).
- Co se týče přímé kompenzace kondenzátory připojenými na vývody asynchronních elektromotorů, je nutné respektovat jejich měnící se příkon a fázový posun (účiník cos φ), který se pohybuje po kružnici kruhového diagramu. Příkon a účiník cos φ jsou nejmenší při chodu naprázdno. Příkon je největší (u asynchronních motorů nakrátko) v okamžiku zapnutí, přičemž cos φ je větší (asi 0,4), při jmenovitém výkonovém zatížení je cos φ přibližně 0,82 až 0,87 (tg φ = 0,7 až 0,56). Aby se elektromotor samovolně nenabuzoval při ztrátě napětí, např. v okamžiku, kdy je elektromotor negativně zatížen (režim nadsynchronního brzdění), doporučuje se použít přímý kompenzační kondenzátor s přibližně třetinovým kompenzačním výkonem v kvar, než je štítkový výkon elektromotoru v kW. To je nutné respektovat zejména u asynchronních motorů vyšších výkonů, používaných např. k pohonu těžebních strojů, jeřábů, zdvihadel apod., u nichž při výpadku napětí sítě dojde ke snížení nebo ztrátě výkonového rekuperačního brzdění a zvýší se jeho otáčky. Z připojených kompenzačních kondenzátorů může vzniklé samobudicí napětí ovlivnit funkci podpěťových ochran, výkonový vypínač elektromotoru tím nemusí být samočinně vypnut a motor zabrzděn. Ochranné systémy elektromotorů vyšších výkonů kompenzovaných statickými kondenzátory je někdy vhodné doplnit nadfrekvenčními ochranami (obr. 4).
Obr. 1. Závadná kompenzace
Obr. 2. Příklad zapojení regulátoru s 12°, vybíjení náboje C přídavnými rezistory
Obr. 3. Chybná funkce regulátoru připojením činné zátěže na sdružené napětí
Obr. 4. Samonabuzování asynchronních motorů z kompenzačních kondenzátorů
Tab. 1. Doporučené časy vybíjení – blokování znovuzapnutí kompenzačních kondenzátorů