Причины, характеристики и способы ограничения пускового тока переключения конденсаторов

I. Причины пускового тока переключения конденсаторов

Основная причина пускового тока переключения конденсатора заключается в том, что конденсатор является компонентом хранения энергии, и напряжение на его выводах не может резко измениться. В момент включения это эквивалентно «внезапному подключению к цепи емкостной нагрузки» с чрезвычайно низким сопротивлением контура, что приводит к мгновенному сильному току. Конкретные условия подробно описаны следующим образом:

 

1. Первое переключение (незаряженное состояние). В момент первой операции переключения конденсатора его обкладки находятся в незаряженном состоянии, а начальное напряжение на выводах равно 0. После включения в это время к обоим концам конденсатора мгновенно прикладывается системное напряжение. Поскольку напряжение конденсатора не может резко измениться, в цепи возникает мгновенный зарядный ток. Этот ток ограничивается только общим сопротивлением контура (включая индуктивность линии, индуктивность утечки трансформатора и собственное эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора ESR). Поскольку эквивалентное сопротивление контура чрезвычайно мало (близко к состоянию короткого-замыкания) в момент включения, генерируется большой пусковой ток. Максимальный пусковой ток обычно возникает в момент включения (связан с фазой напряжения системы; когда напряжение системы близко к пиковому значению во время включения, амплитуда пускового тока относительно больше).

 

2. Повторное-переключение без достаточного разряда (заряженное переключение): если конденсатор повторно-включается без достаточного разряда после отключения и выведения из строя, амплитуда пускового тока переключения может достигать вдвое большей, чем при первом переключении (незаряженное состояние). Основная причина в том, что после отключения конденсатора на обкладках остаются остаточные заряды (если они не разряжены, остаточное напряжение близко к номинальному фазному напряжению системы). При повторном - включении, если напряжение системы и остаточное напряжение конденсатора находятся точно в противоположном фазовом состоянии «равной величины и противоположного направления», мгновенная разность потенциалов на клеммах конденсатора в два раза превышает номинальное фазное напряжение, что приводит к резкому увеличению зарядного тока и, следовательно, к большему пусковому току переключения. Поэтому, чтобы избежать значительного повреждения оборудования пусковым током, вызванного переключением под зарядом, конденсатор необходимо полностью разрядить (обычно разряжая до уровня ниже безопасного напряжения через разрядный резистор) перед повторным-включением после отключения и вывода из эксплуатации.

 

II. Сопутствующие характеристики пускового тока переключения конденсатора

Амплитуда, кратная пусковому току переключения конденсатора, в основном связана с двумя факторами: во-первых, емкостью подключенного конденсатора (чем больше емкость, тем обычно больше амплитуда пускового тока); во-вторых, емкость короткого-замыкания места установки (чем больше мощность короткого-замыкания системы, тем меньше эквивалентная индуктивность контура, тем больше амплитуда пускового тока и выше частота колебаний). Если конденсатор установлен в цепи с большой емкостью короткого-замыкания, индуктивность контура мала, а полное сопротивление низкое, поэтому пусковой ток имеет не только большую амплитуду, но и значительно более высокую частоту колебаний.

 

Данные измерений показывают, что в обычной энергосистеме амплитуда пускового тока переключения конденсатора обычно в 5–15 раз превышает номинальный ток конденсатора (на конкретное значение влияют параметры контура; например, конфигурация последовательного реактора может значительно уменьшить амплитуду пускового тока); частота колебаний пускового тока обычно составляет 250–400 Гц (принадлежит к высокочастотному пусковому току); в то же время в процессе переключения сопровождается мгновенным перенапряжением, амплитуда которого примерно в 2–3 раза превышает фазное напряжение системы (это перенапряжение представляет собой переходное перенапряжение с чрезвычайно короткой продолжительностью, но оно все равно может воздействовать на изоляцию конденсатора).

Дополнительное профессиональное объяснение: В практической инженерии для подавления пускового тока переключения обычно последовательно подключают небольшой реактор (реактор подавления пускового тока) в контуре конденсатора, который может ограничить амплитуду пускового тока в 2–5 раз больше номинального тока и в то же время уменьшить амплитуду переходного перенапряжения для защиты конденсатора и оборудования контура.

 

III. Методы ограничения пускового тока переключения конденсаторов

Рабочий ток конденсатора не только связан с основным напряжением источника питания, но также положительно связан с частотой напряжения (согласно формуле емкостного реактивного сопротивления X_C= 1/2πfC): когда форма напряжения источника питания искажается и к конденсатору прикладывается напряжение гармоники высокого-порядка, поскольку частота гармоники намного выше основной частоты, емкостное реактивное сопротивление конденсатора будет значительно уменьшено, что приведет к существенному увеличению гармонического тока, проходящего через конденсатор; в то же время ток конденсатора также положительно связан с емкостью. Чем больше емкость, тем меньше емкостное реактивное сопротивление и тем больше проходящий ток (включая основной ток и ток гармоник), что еще больше усугубляет искажение формы сигнала напряжения и образует порочный круг.

 

1. Чтобы эффективно ограничить пусковой ток переключения конденсатора и подавить влияние гармоник высокого-порядка в энергосети на конденсатор, последовательное подключение реактора в контуре конденсатора является наиболее часто используемым и эффективным методом в технике. Его основной принцип:Jinneng Electric Iron-Реакторы фильтра гармоник с сердечникомувеличивают общее индуктивное сопротивление цепи, образуют последовательный резонанс с емкостным реактивным сопротивлением конденсатора (для конкретных гармоник), что позволяет не только уменьшить ток разряда при включении конденсатора, но и подавить вторжение гармонического тока. Если параметры последовательного реактора выбраны правильно, пусковой ток коммутации можно стабильно ограничивать в пределах допустимого диапазона оборудования.

Когда последовательный реактор используется только для ограничения пускового тока переключения, его емкость (коэффициент реактивного сопротивления) следует выбирать как небольшое значение, обычно 0,2–1% от номинальной емкости конденсатора (коэффициент реактивного сопротивления 0,2–1%). Данные инженерной эксплуатации и испытаний показывают, что при подключении реактора с коэффициентом последовательного реактивного сопротивления 0,2% пусковой ток переключения конденсатора может быть значительно подавлен для удовлетворения эксплуатационных требований обычного оборудования; Если необходимо одновременно учитывать подавление гармоник (например, подавление 3-й и 5-й гармоник), коэффициент реактивного сопротивления можно соответствующим образом увеличить (например, 3%, 5%).

 

2.В дополнение к последовательному реактору, переключатель пускового тока-свободного конденсатора (например,тиристорный переключатель) также является широко используемым устройством подавления пускового тока. Этот тип переключателя в основном состоит из двунаправленного тиристора, триггерной схемы, схемы поглощения, схемы защиты и интеллектуального радиатора. Опираясь на независимую запатентованную технологию включения при нулевом-напряжении-и нулевом-токе-выключения, он может осуществлять переключение конденсаторов-без пускового тока и без воздействия-с высокой скоростью отклика и средним временем отклика менее 10 мс. Он может эффективно компенсировать потребность в реактивной мощности ударных нагрузок и вполне может заменить традиционное контакторное коммутационное устройство, избегая воздействия дуги и проблем с пусковым током во время переключения контактора.