Wybór baterii kondensatorów

Gdy najtańsze rozwiązanie może okazać się najdroższym

Każdy technik z minimalną wiedzą z zakresu elektryki bardzo łatwo może określić lub obliczyć moc kompensacji energii reaktywnej. Najczęstszą praktyką jest wykonywanie tego za pomocą "jednej" faktury za energię elektryczną. Podkreślamy tutaj słowo "jednej", ponieważ od tego może rozpocząć się seria błędów, która może zakończyć się - jak zdarza się niestety coraz częściej - poniesieniem dużo wyższych kosztów niż te, które zostałyby poniesione w przypadku prawidłowego określenia baterii.

Obliczenie kompensowanej mocy reaktywnej za pomocą faktur za energię elektryczną dostarcza nam dosyć poprawnego przybliżenia faktycznego rzędu wielkości, naszego punktu wyjścia. W tych przypadkach, ważne jest, aby zapewnić wykonywanie obliczeń w oparciu o maksymalną możliwą liczbę faktur, ponieważ może występować silny wpływ sezonowości, który możemy pominąć (Przykład: biura lub hotele, całkowicie odmienne wielkości poboru energii w lecie w porównaniu z zimą).

Jak wcześniej wspomnieliśmy, powinno to być naszym punktem wyjścia, jednak musimy również uwzględnić inne czynniki, które nie są odzwierciedlone na fakturze za energię elektryczną, a które mają kluczowe znaczenie dla prawidłowej kompensacji:

• Szybkość wahania wielkości poboru energii.
• Zrównoważenie systemu.
• Poziomy odkształceń harmonicznych.

Skoncentrujemy się na tym ostatnim, gdyż coraz częściej występują sieci z odkształceniami harmonicznymi.

Gdy wykonujemy kompensację mocy biernej indukcyjnej, logiczne jest równoległe podłączenie baterii kondensatorów w celu zmniejszenia tego poboru, aby zbliżyć wartość pobieranej mocy pozornej (kVA) do wartości mocy czynnej (kW), która faktycznie jest wykorzystywana do wykonania pracy użytecznej. To zagadnienie jest tak proste, że możemy je streścić w formie obwodu równoległego między cewką indukcyjną (L – Transformator i Sieć) oraz elementem pojemnościowym (C – Bateria kondensatorów).

Gdybyśmy mogli obserwować odpowiedź na częstotliwość tego systemu, moglibyśmy zobaczyć, że przy częstotliwości f_R impedancja systemu jest dużo wyższa niż przy normalnym zachowaniu.

Jak powiedzieliśmy wcześniej, w instalacjach istniejących obecnie występuje coraz więcej obciążeń, których pobór energii jest nieliniowy, powodując większe odkształcenie harmoniczne prądu w instalacji, a tym samym również napięcia.

Występowanie prądów o częstotliwości przekraczającej częstotliwość podstawową 50 lub 60 Hz, powoduje możliwość spełnienia wyżej opisanych warunków rezonansu. Pociągnie to za sobą przede wszystkim:

• Zwiększenie odkształcenia napięcia w całej instalacji (może mieć wpływ na wrażliwe urządzenia i elementy elektryczne)
• Większą absorpcję prądu przez kondensatory wraz z wynikającym z tego przegrzaniem, zmniejszeniem pojemności i żywotności, a w niektórych przypadkach - zniszczeniem kondensatora.

Po przedstawieniu wymienionych argumentów i skutków, zilustrujemy je za pomocą przykładu zaczerpniętego z rzeczywistości.

Zakład znajdujący się w Hiszpanii, którego działalność wpisuje się w branżę metalurgiczną (obróbka elementów metalowych). Instalacja obejmuje transformator 1000 kVA, różne rozdzielnice podrzędne z maszynami rotacyjnymi (tokarki, przenośniki taśmowe, windy itd.) oraz służącymi do obsługi (biuro, magazyn spedycyjny, szatnie itd.).

Technik zajmujący się obsługą instalacji w tej firmie, po sprawdzeniu, że dopłata z tytułu poboru energii biernej była duża, obliczył na podstawie "jednej" faktury za energię elektryczną, jaka powinna być moc baterii, którą należy zainstalować, przy czym nie uwzględnił żadnego innego czynnika.

Podjął decyzję o kupnie zwykłej baterii kondensatorów przełączanej za pomocą styczników o mocy 150 kvar.

Po podłączeniu baterii, po upływie dwóch tygodni, technik zauważył, że z baterii ulatnia się dym. W rezultacie okazało się, że dwa kondensatory uległy zniszczeniu, a dodatkowo włączył się alarm w pobliskim ośrodku produkcyjnym. Po upływie tygodnia wymieniono kondensatory, przy czym ponownie wystąpił ten sam problem, a dodatkowo zadziałały niektóre zabezpieczenia w podrzędnych rozdzielnicach szatni, maszyn pomocniczych oraz w magazynie spedycyjnym. Ponownie wymieniono uszkodzone kondensatory, tym razem na wzmocnione kondensatory 460 V, jednak po upływie krótkiego czasu ponownie zdarzyła się identyczna sytuacja jak przedtem. Ostatecznie zdecydowano się odłączyć baterię kondensatorów, zakładając tym samym konieczność ponownego uiszczania dopłaty za energię bierną.

Technik obsługi instalacji zwrócił się z prośbą do CIRCUTORA, jako firmy będącej liderem w dziedzinie kompensacji mocy biernej, abyśmy spróbowali sprawdzić, jaki problem występuje w tej baterii kondensatorów. Wykonaliśmy podstawowe pomiary w głównym punkcie instalacji. Pomiary polegają po prostu na pomiarze przy podłączonej i odłączonej baterii kondensatorów (zawsze w instalacji działającej pod obciążeniem).

Schemat THD (U)% i THD (I)% ze wskazaniem podłączenia i niepodłączenia baterii

Pomimo, że system wykazywał względnie niski poziom odkształcenia prądu (7-8% THDI% z XX A), tym niemniej poziom odkształcenia napięcia był całkiem wysoki (3,3% THDV%). Z własnego doświadczenia możemy stwierdzić, że ryzyko wystąpienia rezonansu w systemie jest rzędu 15% THDI% oraz 2% THDV% (nie ma żadnych wytycznych w tym zakresie).

Sprawdziliśmy ręcznie każdy z kondensatorów i zaobserwowaliśmy, jak wielkie znaczenie miał wzrost THDV%. Jest to wyraźny wskaźnik, że występuje rezonans równoległy. Po podłączeniu całej baterii, uzyskaliśmy wartości 80% THDI% przy pełnym obciążeniu w fabryce oraz 23% THDV%. Aby uzmysłowić sobie, co to znaczy, należy wiedzieć, że granica wyznaczona przez normę jakości dostawy energii elektrycznej dotycząca napięcia (UNE EN-50160) wynosi 8%. 

Na koniec oceniamy koszty związane ze złym wyborem urządzenia:

Jak możemy się przekonać, rozwiązanie pozornie tańsze staje się rzeczywiście wysokim kosztem ekonomicznym. W przypadku prawidłowej inwestycji technicznej w baterię odstrojoną typu FR, końcowe oszczędności ograniczyłyby się do 60%.

 Pobierz ten artykuł w formacie PDF