System kompensacji mocy biernej dla biurowca - wyzwanie czy rutyna?

Uważny Czytelnik zauważył, że pisząc o mocach całkowitych nie używam popularnego określenia bateria kondensatorów, a używam określenia system kompensacji lub kompensator. Pod tymi pojęciami kryje się zarówno bateria kondensatorów mocy jak i bateria dławi­ków kompensacyjnych C lub baterie LC czyli taka, której członami wykonawczymi są zarówno kondensatory mocy jak i dławiki kom­pensacyjne. Rodzaj członu wykonawczego będzie zależał od cha­rakteru mocy biernej, którą należy kompensować. Kolejny problem w doborze kompensatorów mocy biernej stwarzają ci użytkownicy, którzy zasilać będą odbiorniki nieliniowe, np. urządzenia multime­dialne, zwłaszcza urządzenia laserowe, wszelkiego rodzaju maszyny poligraficzne, sprzęt medyczny i diagnostyczny, mierniki i inne urzą­dzenia badawczo-pomiarowe. Zasilanie odbiorników nieliniowych sprawia, że napięcie zasilania zostanie odkształcone i pojawią się wyższe harmoniczne. Zmianę tą najbardziej odczują kondensatory mocy zabudowane w bateriach. Prąd płynący przez kondensator zale­ży od częstotliwości, dlatego kondensator mocy jest bardzo narażony na szkodliwy wpływ wyższych harmonicznych. Dobierając wersję baterii kondensatorów dla układu zasilania biurowca trzeba założyć, że w czasie wieloletniego oferowania powierzchni pod wynajem na pewno znajdzie się taki najemca, który będzie miał odbiorniki nieli­niowe, które tak odkształcą napięcie zasilania, że dobrane przez nas baterie kondensatorów bez dławików filtrujących ulegną uszkodze­niu. Aby taka sytuacja nie powstała, dla układów zasilania biurowca musimy projektować baterie Hr, czyli wyposażone w dławiki filtru­jące o współczynniku p = 14%. Tylko takie dławiki umożliwiają pra­widłową pracę baterii przy dowolnym (nie wiemy, jakie odbiorniki zainstaluje najemca) widmie wyższych harmonicznych. Tylko bateria kondensatorów Hr z dławikami o współczynniku p = 14% jest na tyle uniwersalna, że umożliwia wynajem powierzchni najemcom z dowol­nymi odbiornikami nieliniowymi. Projektując konkretny kompensator powinniśmy określić wartości zabezpieczeń umieszczonych w polu zasilającym kompensator oraz podać przekroje kabli zasilających. Je­śli dobierzemy przekroje kabli do mocy kompensatora „pod rozbudo­wę” przed jego rozbudową, to w projekcie musi być komentarz, aby przed każdym zwiększeniem mocy całkowitej kompensatora dokony­wano weryfikacji obciążalności kabli zasilających kompensator. Tekst takiego zalecenia powinien być też umieszczony na elewacji drzwi zastosowanego kompensatora. W przypadku, gdy zakres rozbudowy będzie tak znaczny, że przekroje kabli będą za małe, to powinniśmy zaprojektować dołożenie dodatkowych kabli zasilających. Trzeba też pamiętać, że moc nominalna baterii Hr z dławikami filtrującymi o p = 7% zmniejsza się o ok. 15% a z dławikami o p = 14% o 5%, dla­tego dobierając wartości zabezpieczeń i przekroje kabli powinniśmy uwzględniać to zmniejszenie. To zmniejszenie mocy nominalnej jest wynikiem zastosowania w baterii Hr dławików filtrujących.

Dławiki filtrujące

Niestety producenci kondensatorów mocy o niskiej jakości (kate­goria klimatyczna C) jako antidotum na szkodliwy wpływ wyższych harmonicznych na kondensator zalecają stosować w bateriach kon­densatory na napięcie wzmocnione, czyli o podwyższonym napięciu nominalnym, ostatnio nawet do 525 V. Taki kondensator zasilony na­pięciem 400 V traci ok. 50% swojej mocy nominalnej (określana jest ona przy napięciu zasilania czyli 525 V), a więc moc całkowita baterii będzie o połowę mniejsza od projektowanej. Takie rozwiązanie nie jest racjonalne technicznie. Czynnikiem degradującym kondensator jest wyłącznie temperatura i podnoszenie napięcia nominalnego kon­densatora nie uchroni go przed uszkodzeniem wywołanym przepły­wem prądów wyższych harmonicznych lub zbyt wysoką temperaturą otoczenia Nie ważne jest, co będzie powodem wzrostu temperatury - czy źle wentylowane pomieszczenie rozdzielni, czy też przepływ przez kondensator zbyt dużego prądu, wywołany obecnością w na­pięciu zasilania wyższych harmonicznych. Jeśli temperatura pracy kondensatora trwale przekroczy wartość 55°C, to dojdzie w nim do zwarć międzyokładkowych, efektem których będzie powolna utrata pojemności (mocy) kondensatora. Zjawisko to nazywa się samorege- neracją, a jego źródłem jest zależność stałej dielektrycznej foli poli­propylenowej (dielektryk w kondensatorach MKP) od temperatury.

W temperaturze powyżej 75°C praktycznie przestaje ona być die­lektrykiem i dochodzi do lawinowo przebiegającego zjawiska samo- regeneracji, w efekcie czego dochodzi do zadziałania bezpiecznika antywybuchowego kondensatora, co trwale odłącza kondensator od zasilania. Zapewnienie optymalnej temperatury pracy kondensato­ra, ale także i dławika kompensacyjnego to zadanie dla producenta kompensatora ale także i dla projektanta systemu kompensacji mocy biernej. Trzeba wiedzieć, że nawet najbardziej wydajny system wen­tylacji zamontowany w kompensatorze nie obniży temperatury pracy członów wykonawczych jeśli temperatura w pomieszczeniu, gdzie będzie pracował kompensator będzie zbyt wysoka. Projektując sy­stem wentylacji pomieszczenia rozdzielni należy wiedzieć, że straty mocy kompensatorów to ok. 50-100 W/kvar. Gdy członem wyko­nawczym kompensatora będą dławiki kompensujące (kompensacja mocy biernej pojemnościowej), to dobierając im miejsce posado­wienia trzeba uwzględnić fakt, że nagrzewają się one do temperatu­ry 80-100°C. Istotne jest też uwzględnienie wagi takich dławików, np. dławik o mocy 20 kvar bez obudowy waży ok 90 kg, a 40 kvar - ok. 160 kg. Trzeba pamiętać, że większość producentów osprzętu stosowanego w rozdzielnicach nN określa maksymalną temperaturę pracy na ok. 60-80°C i z tego powodu nie jest wskazane ustawia­nie szaf baterii kondensatorów z dławikami filtrującymi w jednym szeregu z innymi szafami rozdzielnicy. Temperatura pracy dławi­ków może dochodzić nawet do 120°C (powyżej zaczynają działać zabezpieczenia termiczne umieszczone wewnątrz dławika), co przy braku wewnętrznych przegród pomiędzy kolejnymi szafami roz­dzielnicy może mieć negatywny wpływ na trwałość i niezawodność zabezpieczeń i urządzeń z rozbudowaną elektroniką Z powyż­szych danych wynika, że pomieszczenie rozdzielni powinno być wentylowane a przy małych powierzchniach i/lub znacznych mo­cach kompensatorów nawet klimatyzowane. Kompensatory mocy biernej powinny być wykonane jako odrębne urządzenia. Kon­tynuując porady dla projektantów trzeba pamiętać, że dobierając przekroje kabli zasilających i wartości zabezpieczeń baterii kon­densatorów należy stosować w obliczeniach współczynnik zwięk­szający na prądy pojemnościowe x1,4. Dla napięcia zasilania 400 V prąd baterii można obliczyć metodą inżynierską, stosując zależność I(A) = 2,1 * Q [kvar].

Jeśli już uporamy się z obliczeniem mocy całkowitej kompen­satora, przebojów kabli i wartością zabezpieczeń, to następnym krokiem będzie wybór rodzaju członów wykonawczych i wartości mocy pierwszego stopnia. Aby kompensacja była skuteczna, należy dobrać kompensator w zależności od specyfiki i charakteru obcią­żeń, z uwzględnieniem wartości i dynamiki zmian oraz z zawartoś­cią wyższych harmonicznych. O skuteczności prowadzonego proce­su kompensacji mocy biernej decyduje moc kondensatora i dławika kompensacyjnego umieszczonego na pierwszym stopniu kompen­satora. Im dokładniej dobierzemy tę moc do wartości minimalnych zmian w poborze mocy biernej, tym skuteczniejszy będzie proces kompensacji. Od skuteczności tego procesu zależy wielkość opłat za nieskompensowaną energię bierną Projektując baterię trzeba pa­miętać, że wartość mocy jej pierwszego stopnia nie tylko wpływa na dokładność kompensowania małych zmian poboru mocy biernej, ale określa również moce i liczbę kolejnych stopni kompensatora.