Zkušenosti s kondenzátory v obvodech s výbojkami

Ing. Ivan Chalupa, Ing. Jan Veselý, Jaroslav Blahuta – ELEKTRO

Normativní úpravy kondenzátorů pro použití v obvodech zářivek a jiných výbojek světla jsou stanoveny v ČSN EN 61048 z roku 1994, změna A1 z roku 1997 a změna Z1 z roku 1999 – všeobecné předpisy a požadavky na bezpečnost, a v ČSN EN 61049 z roku 1994 – požadavky na provedení.

Článek 2 Definice základní normy EN 61048 byl rozšířen změnou Z1 o tyto nové definice:

2.9 – Kondenzátor typu A: samoregenerační paralelní kondenzátor, který nemusí nutně obsahovat přerušovací zařízení,
2.10 – Kondenzátor typu B: samoregenerační kondenzátor používaný v sériových světelných obvodech nebo samoregenerační paralelní kondenzátor, který obsahuje přerušovací zařízení.

Počátkem devadesátých let minulého století došlo k expanzi renomovaných zahraničních firem (i ostatních) vyrábějících osvětlovací techniku, včetně všech komponent pro svítidla, předřadníky, zdroje apod. Nebývalá konkurence na trhu vedla k vyvinutí silného tlaku mimo jiné i na snižování cen nabízených výrobků. Kondenzátory typu A původně byly určeny pro provozy v nenáročných podmínkách, tedy v prostředích, kde bylo takřka vyloučeno zapálení okolních předmětů. V prostředích, kde hrozilo takovéto riziko nebo mohla nastat možnost vznícení určitého okolního zařízení, byly používány kondenzátory typu B. Zmiňované konkurenční tlaky na snižování cen při výběrových řízeních měly kromě jiného za následek postupné nahrazování kondenzátorů typu B levnějším typem A, ale bez záruk v daném prostředí, kde je nebezpečí zahoření při selhání kondenzátorů pravděpodobnější.

Je velmi důležité uvést, že původně šlo o zářivkový kondenzátor typu A, ať již ve výrobě nebo v normativní úpravě. Rozvojem výbojkových vysokotlakých zdrojů a návazně i výrobou svítidel osazovaných těmito zdroji byly zářivkové kondenzátory (malé kapacity obou typů) rozšířeny na kondenzátory pro výbojky (větší kapacity) bez adekvátního posouzení možnosti nebezpečí vyplývajícího z tohoto rozšíření.

Obr. 1. Hlavní rozváděč zimního stadionu s tlumivkami OGLIS 1 000 W a kondenzátory 2 × 45 µF, 250 V

Kondenzátor jako elektrická soustava, v níž jsou dvě elektrody odděleny dielektrikem, se převážně skládá ze snadno vznětlivé polypropylenové fólie (tavení při teplotě přibližně 100 °C), na které je určitým technologickým postupem nanesena vrstva kovu, zpravidla hliníku nebo zinku, popř. kombinace obou. Kondenzátor typu A je jako otevřený systém přímo vystaven negativním vlivům rozvodné sítě a při závadě není od sítě odpojen, dokud je daný výbojový zdroj funkční (napájení není přerušeno). Ve vnitřní části kondenzátoru nastane průraz mezi dvěma vrstvami dielektrika, a je tedy nastartován proces destrukce. Změny vedou ke zvýšenému vývinu tepla a tepelný nárůst lehce tavitelného dielektrika naruší plastové pouzdro kondenzátoru, roztavený polypropylen se dále zahřívá, vznítí se svitek a nastane požár kondenzátoru. O možném rozsahu následných škod vypovídá obr. 1.

Popsaný stav vznikající poruchy kondenzátoru typu A je pravděpodobnější, než se dříve předpokládalo. Příčin, které vedou ke zničení paralelně připojeného kompenzačního kondenzátoru, je několik:

• dlouhotrvající proudové přetížení kondenzátoru, které způsobují především vyšší harmonické složky v napájecí síti; to vede k přehřívání vnitřních částí kondenzátoru a zkrácení jeho životnosti,

• přetížení a „znečištění“ sítě způsobují vysoké pulsní napěťové přetížení kondenzátoru, kde rovněž jde o náhodné přechodové jevy v napájecí síti; to vše činí z kondenzátoru po zkrácení životnosti snadno zranitelné místo,

• nelze vyloučit ani vady technologického charakteru, nadměrné teploty, vysokou vlhkost vzduchu apod.

Závěry vyplývající z popsané možné situace se samy nabízejí a jedním z možných řešení, jak odstranit příčiny zahoření, je odpojení kondenzátoru od napájecí sítě v již uvedených případech. Znamená to tedy použití kondenzátoru typu B, který je ale dražší.

Problém sice není vyřešen, tzn. mechanická přetlaková trhací pojistka, která v podstatě spočívá v zeslabení vnitřního vodiče, kdy kondenzátor je hermeticky uzavřen a zvýšená teplota uvnitř vede k vývinu plynu ze zahřátého dielektrika (polypropylenu), roztahováním plynů se nadzvedne víčko o asi 1 cm a vnitřní elektroda se přetrhne – kondenzátor je odpojen od sítě.

Jde o nevratný proces, který znehodnotí kondenzátor, avšak zamezí následné škody. Je třeba si uvědomit, že pak jde o svítidlo nekompenzované. V případě větší koncentrace svítidel v osvětlovací soustavě a při znehodnocení všech kondenzátorů může vyšší nekompenzovaný proud způsobit jiné problémy.

Autoři považují za nezbytné upozornit na některá znění článků ČSN EN 60923 z roku 1998 – Příslušenství pro světelné zdroje – Předřadníky výbojek (jiné než trubicové zářivky) – Všeobecné požadavky:

• Čl. 6 Účiník – který je změřen, se nesmí lišit od vyznačené hodnoty o více než 0,05 při napájení jmenovitým napětím o jmenovitém kmitočtu. Hodnota naměřená za těchto podmínek musí být 0,85 a v žádném případě nesmí být naměřena hodnota nižší než 0,85. Pozn.: V USA je požadována hodnota 0,9.

• Čl. 7 Napájecí proud – při jmenovitém napětí se nesmí lišit o více než 10 % hodnoty vyznačené na předřadníku.

Tolik jen stručně; zmíněná norma totiž musí být posuzována spolu s několika dalšími navazujícími normami, jejichž seznam je v normě uveden (viz změna A1 z roku 2002).

Pro elementární popsání, resp. pochopení problému je nutné připomenout základy elektrotechniky. Jak indukčnost (L), tak kapacita (C) jsou jalové složky s reaktancí a jalovým výkonem, kdy vstupní jalový kapacitní výkon je ekvivalentní výstupnímu indukčnímu jalovému výkonu a naopak.

Obě reaktance jsou dány vztahy (1)

X_L = 2pfL a X_C = 1/(2pfC)          (1)

Tudíž X_L (indukční reaktance) je přímo úměrná frekvenci f a (kapacitní) X_c je nepřímo úměrná frekvenci f. Z uvedených vztahů je možné odvodit vliv vyšších harmonických na kondenzátory. Při růstu frekvence (např. 5. harmonické = 250 Hz apod.) klesá reaktance kondenzátoru, tedy kondenzátor představuje pro vyšší harmonické menší odpor, v našem případě je reaktance asi pětkrát nižší. Zjednodušeně řečeno, vyšší harmonické se uzavírají přes kompenzační kondenzátory, dochází k jejich proudovému přetěžování a přehřívání, zkrácení životnosti, a jak bylo řečeno v úvodu, kondenzátor paralelně připojený je otevřený systém, a dokud není výbojka (světlo) odpojena od sítě napájení, nepřeruší se a proces destrukce pokračuje.

Přes zmíněné výhrady k paralelním kondenzátorům používaným při zapojení s tlumivkou kondenzátory typu B určitě obsahují prvky kvalitativně odlišné od typu A.

Zpravidla jsou kondenzátoru typu B hermeticky uzavřeny, tedy lépe odolávají vlivům okolního prostředí.

U obou typů, A i B, které jsou samoregenerační, jde o proces, kterým se elektrické vlastnosti kondenzátoru po místním průrazu dielektrika rychle obnoví na hodnoty před průrazem.

Typy B obsahují přerušovací zařízení. Jejich dielektrikum je silnější. Vhodnější jsou zvláště při vyšších kapacitách (40 µF a výše) – s hliníkovým obalem pro lepší ochlazování apod.

Bylo zde ukázáno na problémy, které mohou nastat při používání paralelních kondenzátorů typu A i B pro individuální kompenzaci, přičemž závěr je, že typ B, ač je dražší, je výhodnější používat. Nebylo ale nabídnuto řešení pro eliminaci problémů. To, že moderní elektronické zátěže v dnešní době vyvolávají harmonické proudy, harmonické napěťové rušení, popř. způsobují v sítích vysokofrekvenční šum, bylo již nepřímo zmíněno. Bylo řečeno, že reaktance kondenzátoru je nepřímo úměrná frekvenci, takže vysoké frekvence mohou způsobovat překračování jmenovitého proudu kondenzátoru.

Potlačit zkreslení vyššími harmonickými za předpokladu dosažení dobrého účiníku je možné skupinovou kompenzací. Znamená to instalovat v napájecím místě skupiny spínaných svítidel kompenzační rozváděč a pomocí např. regulátoru jalového výkonu připojovat jednotlivé kondenzátorové baterie vypočítaného jalového výkonu (v kvar nebo v µF). Jako vždy mají zvolená řešení své pro i proti.

Skupinová (centrální) kompenzace je často považována za levnější než individuální. Je tomu tak proto, že zřízení centrálních jednotek může být levnější než rozložení jalového výkonu do individuálních, menších jednotek, protože ne všechna svítidla soustavy jsou vždy v provozu.

Naproti tomu je třeba si uvědomit, že jalový proud v instalaci způsobuje skutečné ztráty. Je-li kompenzace řešena individuálně, každé svítidlo je kompenzováno nezávisle na tom, je-li v provozu či nikoliv. Ztráty se redukují, jelikož jalový proud teče pouze mezi kompenzací a ostatními prvky svítidla, nikoliv zpět do místa skupinové kompenzace (centrální).

Další způsob potlačení nežádoucích prvků v síti je tzv. hrazení. Je to připojení sériové tlumivky ke kompenzačnímu kondenzátoru.

Je nutné si též uvědomit, že kompenzační kondenzátory pro individuální kompenzaci jsou navrženy do obvodů, kde jediným zdrojem vyšších harmonických jsou vysokotlaké výbojky.

Měřeními bylo potvrzeno, že zkreslení proudu výbojky vyššími harmonickými (označení THDI, total harmonic distorsion of current) je asi 10 %, nikdy ne více než 15 %. Pro takový podíl vyšších harmonických kondenzátory pro kompenzaci svítidel vyhoví, i když je předpoklad, že všechny proudy vyšších harmonických produkovaných výbojkou tečou přes kondenzátor (proud každé harmonické se rozdělí na proud přes kondenzátor a proud do sítě v nepřímém poměru impedancí).

Tyto kondenzátory však nevyhoví, je-li činitel zkreslení vyššími harmonickými THDI tekoucí přes kondenzátor vyšší než 15 %. Vyšší hodnoty činitele THDI mohou mít dvě příčiny:

1. Další zdroj vyšších harmonických v obvodu, jako usměrňovače, UPS, kompaktní zářivky apod.

2. Paralelní rezonanci indukčnosti sítě a kapacity kompenzačních kondenzátorů v obvodu, v tomto případě může proud výbojky (n-té harmonické) vybudit na desateronásobek proudu této harmonické přes kondenzátor a síť.

Řešení kompenzace pro vyšší hodnoty THDI je doporučováno takto:

1. Pro THDI vyšší než 15 % a nižší než 30 % lze použít kondenzátory na vyšší napětí, např. kondenzátor 500 V pro síť 400 V.

2. Pro THDI vyšší než 30 % lze použít tzv. hrazené kondenzátory, tj. kondenzátory doplněné do série indukčností. Jednak se tak zmenší podíl proudu tekoucího přes kondenzátor, jednak se upraví rezonanční kmitočet. Nejlepší v tomto případě však je obrátit se na odbornou firmu provádějící kompenzaci účiníku v sítích s vyššími harmonickými.

Autoři jsou si vědomi, že popisovaná problematika rozsahem i obsahem značně přesahuje předkládaný příspěvek. Nechť čtenář poskytované informace bere jako určitý návod, jak postupovat v případech popsaných v článku.