Kompenzační filtry pro průmyslové sítě vysokého napětí

Úvod 

V elektrických sítích velkých průmyslových podniků, napájených většinou z vlastní transformovny 110 kV/vn, se vyskytuje množství spotřebičů, které odebírají ze sítě induktivní jalový výkon a současně jsou zdroji harmonických proudu, které způsobují zkreslení napětí a mohou být příčinou rušení dalších spotřebičů.

Jde zejména o podnikové sítě chemických, hutních a metalurgických, strojírenských a důlních podniků, kde se používají řízené usměrňovače např. pro regulované stejnosměrné pohony, elektrolýzy nebo pro elektrotepelné spotřebiče (indukční a obloukové tavicí pece, indukční ohřevy atd.). V těchto sítích je nutné řešit kompenzaci účiníku na úrovni vysokého napětí od 6 do 35 kV a současně i filtraci harmonických pomocí tzv. kompenzačních filtrů.

Vysokonapěťové kompenzační filtry se někdy používají i v průmyslových sítích, ve kterých je převážná většina spotřebičů napájena ze sítí nízkého napětí, potom fungují jako centrální kompenzace, většinou na vstupní transformovně vvn/vn. V těchto případech není často rozhodující filtrační účinek, ale pouze kompenzace účiníku a kompatibilita filtru s nelineárními spotřebiči na nižších napěťových úrovních.

Elektrické zapojení kompenzačních filtrů

Kompenzační filtry jsou sestaveny z pasivních součástek – tlumivek, kondenzátorů a rezistorů, a plní dvě funkce: pro frekvenci 50 Hz jsou zdrojem kapacitního jalového výkonu a současně, pro frekvenci, na kterou jsou naladěné, mají minimální impedanci, a proto odsávají ze sítě harmonické proudy a snižují tak zkreslení napětí. Jestliže je jejich hlavní funkcí pouze filtrace harmonických a dodávka kapacitního jalového výkonu je omezena pouze na nezbytné minimum, hovoří se o tzv. minimálních filtrech.

Obr. 1. Běžně používaná zapojení filtrů

Používaná zapojení filtrů jsou na obr. 1:
a) úzkopásmový filtr prvního řádu,
b) širokopásmový zatlumený filtr druhého řádu,
c) širokopásmový zatlumený filtr (tzv. C-filtr),
d) širokopásmový zatlumený filtr třetího řádu.

Typické ladění rezonančního obvodu je na frekvence 150, 250, 350, 550 a 650 Hz, filtrační obvod ale může být také širokopásmový, s filtračním účinkem pro určitý rozsah frekvencí, u obloukových pecí se může použít i ladění na 100 a 200 Hz.

Většinou se používají úzkopásmové nezatlumené filtry podle obrázku (a); tyto filtry jsou jednoduché a mají nejmenší činné ztráty, jejich nevýhodou může být vznik málo zatlumených paralelních rezonancí. Například u soustavy filtrů 5. a 7. harmonické vzniknou paralelní rezonance mezi frekvencemi 50 až 250 Hz a mezi frekvencemi 250 až 350 Hz. Kdyby se v blízkosti těchto frekvencí vyskytoval zdroj meziharmonických proudu nebo napětí, může to způsobit zvýšení zkreslení napětí (může může se také jednat o signál hromadného dálkového ovládání).

Výhodou širokopásmových zatlumených filtrů podle obrázku (b), (c), (d) je jejich menší citlivost na změny teploty, frekvence a na výrobní tolerance komponent, rovněž se u nich zmenšuje riziko paralelních rezonancí a při správném návrhu jsou schopné, alespoň částečně, filtrovat harmonické v širokém rozsahu frekvencí. Nevýhodou jsou jejich větší ztráty vlivem použití tlumicích rezistorů, a tudíž i vyšší provozní náklady.

Jestliže je sériový rezonanční obvod naladěný poblíž frekvence, na které je generovaný proud, např. 250, 350, 550 Hz, hovoří se o filtru (např. 5. harmonické), při ladění rezonančního obvodu výrazně pod frekvenci nejnižší generované harmonické (např. na 189 Hz) se hovoří o hrazené kompenzaci (někdy se také nazývá chráněná kompenzace, jde ale o chránění proti paralelní rezonanci, a ne o chránění proti nadproudům).

Mechanické provedení kompenzačních filtrů

Pro kompenzační filtry se používají dva druhy tlumivek: vzduchové nebo s železným jádrem.

Vzduchové tlumivky se vyrábějí jako jednofázové; je přitom možné uspořádání jednotlivých fází vedle sebe nebo na sobě – tři tlumivky tvoří jeden kompaktní celek, vzhledem ke vzájemnému magnetickému ovlivňování fází je při tomto uspořádání tlumivka ve střední fázi vinutá opačně než tlumivky v krajních fázích.

Výhodou vzduchových tlumivek je menší hmotnost, linearita v závislosti na frekvenci (nemůže dojít k přesycení) a možnost umístění ve venkovním prostředí. Nevýhodou je větší potřebný prostor pro instalaci, protože je nutné dodržet předepsané minimální vzdálenosti mezi fázemi a k okolním ocelovým konstrukcím, a silné magnetické pole v jejich okolí.

Vzduchové tlumivky se používají v sítích s napětím 22 kV a vyšším, ale také v sítích 6 a 10 kV při větších výkonech filtrů.

Tlumivky s železným jádrem se vyrábějí jako třífázové (pro sítě 6 a 10 kV) nebo jako jednofázové (pro sítě 22 kV) a používají se pro filtry menších výkonů, od několika stovek kvar do jednotek Mvar.

Výhodou tlumivek s železným jádrem je menší potřebný prostor pro instalaci (pro sítě 6 a 10 kV se často umísťují do skříní s nucenou ventilací) a malé rozptylové magnetické pole, nevýhodou je větší hmotnost a nelineární charakteristika jádra, takže při špatném návrhu může dojít k přesycení a rozladění obvodu.

Kondenzátorové baterie menších výkonů, pro sítě 6 a 10 kV, jsou sestavovány z třífázových kondenzátorů, které jsou jištěné pojistkami vn a přetlakovými čidly na nádobách kondenzátorů. Vhodnější, i u malých kondenzátorových baterií, je použití jednofázových kondenzátorů zapojených do dvojité hvězdy, s proudovým transformátorem pro balanční ochranu mezi uzly. Výkony jednofázových kondenzátorů mohou dosahovat až 1 000 kvar při napětí až 20 kV. Používají se kondenzátory s vnitřními pojistkami nebo bez pojistek, s vestavěnými vybíjecími rezistory.

Kondenzátory mohou být do baterie uspořádány mnoha způsoby, umístění je možné ve vnitřním i venkovním prostoru.

Provedení tlumicích rezistorů závisí hlavně na napětí sítě a na trvalém zatěžovacím výkonu, který může být až několik desítek kilowattů. Jednofázové rezistory je možné umístit vedle sebe, na sobě nebo na izolátorech na rámu kondenzátorové baterie.

Problémy spojené s návrhem kompenzačních filtrů

Při navrhování kompenzačních filtrů je nutné vzít do úvahy mnoho parametrů, které mají vliv na jejich dimenzování, jde např. o:
– maximální dovolené napětí sítě,
– dovolené změny frekvence sítě,
– velikost filtrovaných harmonických proudů,
– požadovanou úroveň harmonických napětí v síti po filtraci,
– výrobní tolerance použitých tlumivek a kondenzátorů,
– frekvenční charakteristiku sítě s filtry a bez filtrů,
– vzájemný vliv signálu hromadného dálkového ovládání a filtrů,
– podmínky prostředí – teplota, znečištění atd.

Pro spolehlivou funkci filtrů jsou důležité správně dimenzované spínací prvky, ochrana proti spínacím přepětím, jištění proti nadproudům a zemním spojením atd.

Příklady instalací kompenzačních filtrů

Firma ELCOM instalovala za 28 let působení na trhu kompenzační filtry vysokého napětí s celkovým instalovaným výkonem několika set Mvar. Šlo o dodávky pro řadu průmyslových podniků v České republice, na Slovensku i v dalších zemích. Filtry přitom byly součástí plynule regulovaných kompenzací nebo šlo o spínané kompenzace bez plynulé regulace výkonu.

V následující části článku jsou ukázky některých realizovaných kompenzačních filtrů pro sítě od 6 do 22 kV, s různým provedením a uspořádáním tlumivek a kondenzátorových baterií.

Obr. 2. Kompenzační filtry 22 kV

Kompenzační filtry 22 kV, 11 Mvar (obr. 2)

Jde o sestavu pěti filtrů, každý s výkonem 2 Mvar, a jednoho filtru s výkonem 1 Mvar, zapojených do průmyslové sítě 22 kV strojírenského podniku. Byly použity jednofázové vzduchové filtrační tlumivky s uspořádáním fází nad sebou, každá kondenzátorová baterie je sestavená ze šesti jednofázových kondenzátorů zapojených do dvojité hvězdy, sériový rezonanční obvod je naladěný na frekvenci 177 Hz (jde tedy o hrazenou kompenzaci). Ke spínání filtrů byly použity vakuové vypínače s magnetickým pohonem, které umožňují velký počet spínacích operací. Rozváděč 22 kV s vypínači je umístěný v kontejneru, mezi kompenzačními stupni.

Obr. 3. Kompenzační filtry 10 kV

Kompenzační filtry 10 kV, 6,6 Mvar (obr. 3)

Jde o sestavu dvou filtrů, každý s výkonem 3,3 Mvar, instalovaných v síti 10 kV chemického závodu. Zařízení je ve venkovním provedení, pro možnost jemného ladění filtru byly použity jednofázové vzduchové tlumivky s odbočkami ve vinutí, jednotlivé fáze jsou uspořádané vedle sebe. V baterii je použito dvanáct jednofázových kondenzátorů uspořádaných do dvojité hvězdy, sériový rezonanční obvod je naladěný na frekvenci 245 Hz. Kromě kompenzace účiníku jsou filtrované harmonické proudy, generované usměrňovači velkých výkonů.

Kompenzační filtry 6 kV, 4,4 Mvar (obr. 4)

Jde o sestavu tří filtrů s výkony 630, 1 250 a 2 500 kvar zapojených do terciárního vinutí 6 kV velkého měničového transformátoru. Filtry byly instalovány v síti velkého chemického závodu a jsou určeny pro kompenzaci účiníku a filtraci harmonických usměrňovače velkého výkonu. Zařízení je ve vnitřním provedení, byly použity třífázové tlumivky s železným jádrem a jednofázové kondenzátory zapojené do dvojité hvězdy, sériový rezonanční obvod všech stupňů byl naladěn na frekvenci 245 Hz. V instalaci byly použity vypínače s plynem SF₆, které mají při spínání kapacitních proudů lepší vlastnosti než vakuové vypínače.

Obr. 4. Kompenzační filtry 6 kV

Kompenzační filtry 22 kV, 4,2 Mvar (obr. 5)

Jde o sestavu čtyř kompenzačních stupňů s výkony 3× 1,0 a 1× 1,2 Mvar zapojených v síti 22 kV velkého průmyslového podniku. Byly použity jednofázové tlumivky s železným jádrem a jednofázové kondenzátory zapojené do dvojité hvězdy, s balanční ochranou v uzlu, sériový rezonanční obvod je naladěn na frekvenci 140 Hz (jde tedy o hrazenou kompenzaci). V každé baterii bylo použito dvanáct kondenzátorů (dva do série na fázi), nádoby kondenzátorů jsou uloženy izolovaně od země, stejně jako jednofázové tlumivky, bylo tak dosaženo snížení jejich napěťového namáhání.

Obr. 5. Kompenzační filtry 22 kV, 4,2 Mvar

Závěr

Firma ELCOM je schopná navrhnout a dodat kompenzační filtry s výkony od jednotek do desítek Mvar pro sítě vysokého napětí od 6 do 35 kV.

Obecně lze konstatovat, že vysokonapěťové kompenzační filtry mohou být při špatném návrhu zdrojem mnoha problémů a jejich poruchy jsou častější než u jiných, standardních zařízení, jako jsou transformátory, rozváděč, motory atd.

Při vypracovávání návrhu filtrů je proto nutné pečlivě dimenzovat všechny prvky. Neexistuje přitom žádné univerzální řešení, ale množství variant zapojení a uspořádání – podle požadovaných elektrických parametrů, prostorových možností a požadavků zákazníka.

---

Vyšlo v časopise Elektro č. 10/2018 na straně 24.
Tištěná verze – objednejte si předplatné: pro ČR zde, pro SR zde.
Elektronická verze vyšlých časopisů zde.