Коммутация конденсаторных батарей в заданную точку волны напряжения

включение конденсаторных батарей в заданную точку синусоиды напряжения замыкает каждую ступень конденсатора, когда напряжение шины переменного тока совпадает с напряжением на выводах конденсатора, благодаря чему мгновенная разность напряжений и всплеск пускового тока остаются небольшими. Автоматические установки компенсации реактивной мощности используют такую синхронизированную выдержку времени, чтобы ступени могли переключаться без срабатывания плавких предохранителей, износа контактов и возмущений в сети, которые часто возникают при случайном замыкании контактора.

Это руководство объясняет механизм пусковых токов, конденсаторы для коммутации при нулевом напряжении использовать при разряде батареи конденсаторов, остаточное напряжение конденсатора после отключения, переключение «назад к назду» опасности на одной шине и то, как контакторы соотносятся с составными переключателями и интегрированными интеллектуальными модулями в синхронизированная батарея конденсаторов с коммутацией шкаф. О том, что такое батарея и как она применяется для компенсации реактивной мощности установок, читайте в нашей отдельной статье Блоки конденсаторов; на этой странице нет повторения этого определения или какого-либо пошагового расчета коэффициента мощности.

Что означает включение конденсаторных батарей в заданную точку волны напряжения

Управление коммутацией по точке волны, часто называемое синхронизированной коммутацией или управляемой коммутацией, означает, что контроллер замыкает выключатель в расчетный момент времени на синусоиде переменного тока так, чтобы напряжение на размыкающихся контактах было как можно меньшим.

Конденсаторы препятствуют резкому изменению напряжения. Если шина уже находится под высоким мгновенным напряжением, в то время как клеммы конденсатора все еще близки к нулю, процесс замыкания прикладывает почти всю разницу единовременно. Логика управления моментом включения (PoW) измеряет параметры действующей волны, прогнозирует уровень напряжения в момент завершения механического или гибридного замыкания коммутационного аппарата и подает команду с опережением, достаточным для попадания в целевой угол.

Для полностью разряженного накопителя обычной целью является замыкание при нулевом напряжении. Для накопителя, который был разомкнут мгновенно ранее, целью может быть пиковое напряжение или промежуточный уровень, пока заряд стекает через разрядные резисторы или пока контроллер отслеживает остаточное состояние.

Инженеры по передаче электроэнергии применяют ту же идею к высоковольтным выключателям со специальными устройствами управляемой коммутации. Низковольтные автоматические установки компенсации реактивной мощности реализуют её с помощью комбинированных выключателей, тиристорных реле или интегрированных интеллектуальных конденсаторных модулей. Физические принципы остаются общими, даже когда размеры оборудования различаются.

Почему коммутация конденсаторной батареи создает пусковой ток без управления

Пусковой ток конденсаторной батареи возникает из-за того, что ток заряда должен протекать всякий раз, когда напряжение на выводах начинает изменяться быстрее, чем конденсатор успевает за ним следовать.

В терминах переменного тока эта зависимость хорошо знакома: ток пропорционален скорости изменения напряжения на емкости. Случайное замыкание контактора может поэтому вызывать большой разброс пиковых токов для одной и той же ступени квар (реактивной мощности) в зависимости от того, в какой точке синусоиды находилось напряжение в момент соприкосновения контактов.

Несколько заводских факторов увеличивают этот разброс:

• Системный импеданс — жесткая шина с низким импедансом источника допускает большие переходные пики.
• Предварительный заряд — конденсатор, на котором все еще сохраняется напряжение от недавнего включения, испытывает другой перепад напряжения ($\Delta V$), чем разряженный элемент.
• Параллельные пути — ещё один заряженный банк на той же шине изменяет эффективную LC-цепь.

Неконтролируемое переключение не всегда носит катастрофический характер на отдельной небольшой фиксированной ступени, которая редко включается. Оно становится болезненным в автоматических шкафах, где контроллер может добавлять или удалять несколько ступеней в час в погоне за изменяющейся нагрузкой двигателя.

Подсказка: Размыкание ступени при текущем нуле оставляет конденсаторы заряженными. Контроллер, который пытается повторно замкнуться слишком быстро без учета этого запертого остаточное напряжение конденсатора до сих пор выполняет “случайные” коммутации, даже если в маркетинговых материалах упоминается переход через ноль. — источник: руководства энергокомпаний по управляемой коммутации емкостных нагрузок (выдержка из исследования по целевым показателям остаточного заряда)

Включение при нулевом напряжении и остаточный заряд после отключения

Коммутация конденсаторов при нулевом напряжении — это особый случай, когда батарея полностью разряжена, а контроллер настраивается на замыкание в момент перехода системы через ноль или очень близко к нему.

В этот момент и шина, и выводы конденсатора находятся близко к нулю, поэтому первый ток нарастает по синусоиде естественным образом, а не в виде ступенчатого импульса. Именно это идеальное поведение рекламируют большинство низковольтных составных выключателей и интеллектуальных конденсаторных модулей.

Реальность добавляет два осложнения, которые специалисты по закупкам должны ожидать:

1. Механическая и гибридная задержка — команда на включение должна опережать цель на время срабатывания выключателя. Поэтому контроллеры непрерывно измеряют волну и компенсируют разброс.
2. Остаточное напряжение конденсатора после размыкания — когда ток падает до нуля, конденсаторы остаются заряженными примерно до амплитудного значения напряжения сети, пока разрядные резисторы или естественный спад во времени не уменьшат этот заряд. Повторное замыкание при сохранении заряда означает, что целевой угол уже не соответствует включению при нуле напряжения. Усовершенствованные системы управления коммутацией (PoW) отслеживают, разряжена ли батарея, заряжена полностью или находится в промежуточном состоянии, как описано в руководствах энергосистем по управляемой коммутации емкостных нагрузок.

Без такого понимания состояния шкаф все равно может опускать ступени под неправильным углом, в то время как на метке человеко-машинного интерфейса (HMI) написано “переход через ноль”.”

Включение на ту же шину со смежных присоединений

Коммутация «спина к спине» и включение «спина к спине» описывают замыкание ступени конденсаторов в то время, когда другая батарея или ступень уже подключена к той же шине. Второе включение может производить очень высокий пусковой ток, даже если номинальная мощность в квар каждой ступени выглядит умеренной.

Уже заряженные конденсаторы представляют собой путь с низким импедансом. Входящий импульс видит жесткий источник напряжения в сочетании с накопленной энергией первой батареи, что может вызвать переходные токи, значительно превышающие реактивный ток установившегося режима. В учебных обзорах по коммутации конденсаторов описываются частоты пусковых токов от сотен герц до нескольких килогерц в тяжелых случаях на одной шине.

Примеры сценариев, где это проявляется:

• Контроллер добавляет шаг 3, пока шаг 2 все еще находится в сети, вместо того чтобы менять шаги местами.
• Два независимых автоматических шкафа имеют общий шинопровод компенсации без блокировки.
• Частые включения-выключения (циклирование) после кратковременного отключения электроэнергии, когда несколько ступеней пытаются запуститься одновременно.

Доказательство выполнения работы (PoW) на каждом отдельном шаге помогает, но не заменяет логику координации. Минимальное время между операциями, блокировки и алгоритмы контроллера, предотвращающие перекрывающиеся замыкания, по-прежнему важны. Например, в опубликованной CNBYG таблице спецификаций составных переключателей BYFK указаны минимальные интервалы между включением/выключением и между последовательными подключениями — это параметры, которые покупатели должны согласовывать с программированием контроллера, а не игнорировать.

Управление моментом коммутации на базе контактора, тиристорного коммутатора и выключателя

Три класса оборудования охватывают большинство сфер применения — от низковольтных шкафов до распределительных подстанций.

Технические описания высоковольтного оборудования подчеркивают важность повторяемости срабатывания выключателя в пределах от ±0,5 до ±1,0 мс и достаточной скорости снижения электрической прочности (RDDS) при переходе через ноль. Эти показатели относятся к выбору выключателей для систем передачи электроэнергии, но они объясняют, почему “любой контактор с маркировкой перехода через ноль” не взаимозаменяем с тиристорным модулем, разработанным для работы с емкостной нагрузкой.

При низком напряжении хаub компенсатора реактивной мощности объединяет контроллеры, выключатели и ступени конденсаторов, которые задаются совместно. Коммутационное оборудование должно выбираться с учетом алгоритма синхронизации с нулем (PoW) контроллера, а не в качестве изолированного артикула.

Когда коммутация в точке волны оправдывает себя в распределительных шкафах НН

Включение в заданную точку синусоиды наиболее выгодно тогда, когда ступени конденсаторов переключаются часто и когда пусковые токи в противном случае ограничивали бы способность контроллера следить за нагрузкой.

Идеальные совпадения:

• Многоступенчатые автоматические установки компенсации реактивной мощности на заводах с большой долей электродвигателей, где отстающий реактивный спрос колеблется в течение смен.
• Шаги достаточно крупные, чтобы раскачать автобус при закрытии под неудачным углом — ложные срабатывания предохранителей, эрозия контактов или мерцание напряжения на чувствительных нагрузках.
• Проекты, в которых требования энергоснабющей организации или внутренние требования к качеству электроэнергии ограничивают коммутационные переходные процессы даже если коэффициент мощности в установившемся режиме уже выглядит приемлемым.

Более слабые соответствия:

• A одиночная фиксированная ступень конденсатора которая редко отключается — оборудование с доказательством работы (PoW) увеличивает стоимость при минимальной операционной выгоде.
• Растения где гармонические искажения, несмена угла, является основным видом отказа — см. предел ниже.

Опубликованные исследования сверхвысокого напряжения, сравнивающие неконтролируемое включение с управлением в точке перехода волны через ноль, сообщают о значительных снижениях пикового переходного тока и напряжения в своих тестовых и имитационных случаях. Эти показатели иллюстрируют механизм; они не являются гарантиями на заводской табличке низкого напряжения для вашего объекта.

Автоматические ступенчатые батареи также увеличивают экспозицию: каждое включение представляет собой еще одно переходное событие. В учебных материалах по применению шунтирующих конденсаторов отмечается, что коммутационные перенапряжения и пусковые токи сопровождают автоматические батареи даже тогда, когда коэффициент мощности в установившемся режиме улучшается.

Важно: Коммутация в заданную точку волны ограничивает нагрузку при включении; она не настраивает батарею против гармонического резонанса. В ходе обсуждений на объектах автоматических ступеней коэффициента мощности описываются гудящие реакторы, перегретые конденсаторы и перегоревшие предохранители, когда обычные конденсаторы взаимодействуют с нелинейными нагрузками — симптомы, которые одна лишь коммутация в точку волны не устранит. На шинах с искажениями все еще могут потребоваться расстроенные реакторы, гармонический анализ или активные решения. Гармоники IPQDF и конденсаторы для повышения коэффициента мощности

Выбор коммутационного оборудования и соответствия продукции BYFK для ступеней конденсаторных установок

При выборе аппаратного обеспечения для нового или модернизируемого шкафа подбирайте класс переключателя в соответствии с частотой перемещения ступеней и допустимым пусковым током вашей шины.

Контакторы для конденсаторов общего назначения такие как Контактор для коммутации конденсаторов серии GJ19 остаются уместными там, где переходов немного, переключение происходит медленно, а стратегия контроллера консервативна. Они служат базовым ориентиром при сравнении во многих тендерах, но не являются последним словом для агрессивных автоматических регуляторов.

Составные коммутаторы такие как Интеллектуальный низковольтный комбинированный выключатель серии BYFK управление емкостной нагрузкой с коммутацией при переходе напряжения через ноль и отключением при переходе тока через ноль. В опубликованной спецификации CNBYG для серии BYFK указаны следующие параметры: пусковой ток менее 1,5 номинального тока, время отклика менее одной секунды, минимальный интервал между включением и выключением пять секунд, а между последовательными подключениями — тридцать пять секунд. Эти значения необходимо сопоставить с профилем ступенчатого регулирования вашего контроллера.

Интегрированные интеллектуальные конденсаторы такие как Интеллектуальные конденсаторы серии BY81 встроить измерение, управление и синхронное переключение при переходе через ноль внутрь модуля, когда распределенная пошаговая архитектура подходит лучше, чем центральная батарея контакторов.

Каким бы путем вы ни пошли, согласуйте три пункта с поставщиком и сборщиком щитового оборудования:

1. Контроллер и коммутатор Ethash включая гашение остаточного напряжения.
2. Минимальные интервалы и блокировки предотвращайте непрерывные наложения, с которыми ваша шина не справляется.
3. Гармоническое исследование предшествует подаче питания на предприятиях с преобладанием частотно-регулируемых приводов: коммутация в точке перехода через ноль (PoW) не заменяет расстройку резонанса.

Часто задаваемые вопросы

Включение конденсаторных батарей в заданную точку волны напряжения (коммутация в точке волны)

Это контролируемое замыкание (а иногда и размыкание), синхронизированное с целевым углом волны напряжения переменного тока, благодаря чему разность напряжений на выключателе в момент соприкосновения контактов минимизируется, что ограничивает пусковой ток при подключении ступени.

Почему коммутация конденсаторной батареи вызывает пусковой ток?

Конденсаторам требуется ток всякий раз, когда напряжение на выводах быстро меняется. Замыкание при высоком мгновенном значении $\Delta V$ вызывает большой ток заряда до тех пор, пока напряжение на конденсаторе не сравняется с напряжением в шине.

Является ли коммутация при нуле напряжения тем же самым, что и включение в заданном токе (на точке волны)?

Коммутация при нуле напряжения — это частный случай управления моментом включения для разряженного конденсатора, когда замыкание происходит при нуле вольт или вблизи него. Управление моментом включения также охватывает замыкания на пиковых или промежуточных углах, когда после предыдущего размыкания остается остаточный заряд.

Коммутация конденсаторных батарей «спина к спине»

Происходит подключение второго банка или ступени, в то время как другой уже подключен к той же шине. Объединенная сеть может генерировать значительно более высокий переходный ток, чем любая ступень по отдельности.

Приводит ли выключение к немедленной разрядке конденсаторов?

Нет. Когда ток прерывается при нулевом значении, конденсаторы обычно сохраняют напряжение, близкое к сетевому, до тех пор, пока разрядные резисторы или естественное затухание не уменьшат его. Следующее включение должно учитывать этот остаточный заряд.

Требуется ли расстройка, если используется включение в заданной точке волны?

Часто да, на электроустановках со значительными высшими гармониками. Управление моментом включения (PoW) снижает коммутационные переходные процессы; оно не смещает точки резонанса от характерных гармоник так, как это делает расстроенная батарея реакторов.

Могут ли низковольтные установки использовать коммутацию в заданной точке волны?

Да. В низковольтных автоматических конденсаторных установках компенсации реактивной мощности обычно используются составные переключатели или интегрированные интеллектуальные конденсаторы с управлением при переходе через ноль, а не синхронизированные выключатели (CSD), применяемые в сетях энергоснабжения.

В чем разница между составным переключателем и конденсаторным контактором?

Композитный коммутатор использует интеллектуальное определение времени в сочетании с гибридными коммутирующими элементами для обеспечения включения при переходе напряжения через ноль и отключения при переходе тока через ноль при емкостной нагрузке. Обычный контактор может полагаться на более простые механические средства, если он не сопряжен с контроллером, который действительно синхронизирует каждое замыкание.

Ссылки

1. Путеводитель по технологиям IEEE — Конденсаторные батареи и управляемая коммутация
2. E3S Web of Conferences — Снижение переходных помех для интеграции высоковольтных приложений
3. IEEE SA — Руководство IEEE C37.012-2022 по применению коммутации емкостных токов
4. Электротехника — Характеристики и применение конденсаторных батарей
5. IPQDF — Гармоники и конденсаторы коэффициента мощности: понимание причин выхода из строя, резонанса и решения в виде фильтров