Предотвращение больших пусковых токов при коммутации конденсаторов: проверенные стратегии для надежных энергосистем

Как предотвратить высокий пусковой ток при коммутации конденсаторов?

Введение в высокий пусковой ток при коммутации конденсаторов

Применение коммутации конденсаторов не ограничивается только ёмкостными токами — они используются в процессах включения батарей конденсаторов, воздушных линий и кабелей. Коммутация батарей конденсаторов вызывает очень большие переходные перенапряжения на контактах выключателя.

Ёмкостная коммутация характеризуется переключением малых и средних токов в промышленных или общественных сетях и низкой скоростью нарастания восстанавливающегося напряжения. Новые выключатели (ВЫ), претендующие на долгую механическую и электрическую жизнь без обслуживания, лучше приспособлены к этому виду коммутации. Недавно разработанный SF6-пуффер спроектирован для лучшей работы с меньшим числом погасителей на полюс, но идеальный сценарий недостижим.В схемах энергосистем, где выключатели широко применяются для предотвращения повреждений, дисбаланс напряжений на клеммах выключателя может привести к высокому пусковому току — поэтому любое прерывание ёмкостного тока вызывает проблемы в диэлектрике коммутационных устройств. Конденсаторы в батарее конденсаторов могут повредиться из-за большого пускового тока.

В энергосистемах много группированных батарей конденсаторов для регулирования напряжения, улучшения коэффициента мощности (КМ) и фильтрации высоких гармоник в системе.

В процессе распределения энергии есть кабельные сети, создающие ёмкостную нагрузку. При прерывании тока в системе ёмкостная нагрузка заряжается, и этот заряд конденсаторов подвергает цепь риску повреждения повторным пробоем диэлектрика вместе с генерацией высоких перенапряжений.

Когда большой пусковой ток течёт через подстанции, система сталкивается с последствиями в системе защиты, а также при коммутации, когда напряжение в линии начинает осциллировать на немного более низкой частоте, его амплитуда становится равной удвоенному пиковому напряжению в цепи — это может вызвать серьезные опасности. В статье обсуждается, как минимизировать высокий пусковой ток и базовые рекомендации для этого.

Способы включения конденсаторов для предотвращения пускового тока

Существует два способа размещения конденсаторов для минимизации пускового тока до пренебрежимо малого. Оба описаны ниже.

Схема с одной батареей конденсаторов

Первый сценарий

Рассмотрим приведённую схему — однфазная цепь с сосредоточенными параметрами для ёмкостной цепи. В ней выключатель, замыкающий контакты при прерывании, один конденсатор и две катушки индуктивности. Считаем сопротивление цепи примерно нулевым, а индуктивность L₁ больше L₂.

Выключатель определяет прерывание в цепи. Эта форма цепи называется изолированная батарея конденсаторов.

В этом случае ток зависит от параметров цепи и её начального состояния. Допустим, конденсатор заряжен до напряжения v₀ в момент t₀. Ток можно вычислить по выражению:

Где:
В этом сценарии за счёт демпфирования ток уменьшается, и в цепи устанавливается общий ток.

Схема с бак-ту-бак батареей конденсаторов

Второй сценарий:
Это сценарий коммутации батарея-батарея. Рассмотрим схему для него.

Здесь два конденсатора и две катушки. Когда выключатель замыкается при прерывании, если происходит диэлектрический пробой в точке b-b' (разность потенциалов на двух контактах выключателя), выражение тока вычисляется как:
Где:
В этом случае ток может быть в 10 раз больше пикового тока в цепи, но он влияет только на один конденсатор (локально), а остальная система остаётся в безопасности.

Шаги предотвращения высокого пускового тока

Рекомендации для устранения высокого пускового тока:

1. В цепи должен быть резистор — сопротивление увеличит потери тока до некоторого уровня.
2. Дополнительную реактивность можно добавить в систему — за счёт дополнительных энергопотерь уменьшается влияние конденсаторов.

Синхронная коммутация

Так как высокое перенапряжение создаётся пробоем диэлектрика между контактами выключателя, нужно устранить эту проблему навсегда. Для этого при замыкании выключателя в любой ситуации прерывания должно быть обеспечено отсутствие разности потенциалов между контактами ВЫ.

Идеальную ситуацию достичь невозможно (фактор плюс/минус всегда есть), поэтому синхронная коммутация — одно из решений. Было изготовлено устройство под названием SmartClose (умный конденсаторный коммутатор), которое может превратить любую батарею в синхронную с помощью датчиков.

Особенности и работа коммутатора SmartClose

У него 6 датчиков напряжения, фиксирующих форму напряжения на стороне конденсатора и на стороне источника каждого погасителя. Команда на замыкание от отдельного контроллера батареи конденсаторов заставляет SmartClose замыкать каждый погаситель независимо, когда разность потенциалов на нём равна нулю. Затем команда на замыкание выдаётся SC (SmartClose) — запускается замыкание при нулевом напряжении во всей цепи.

Отдельный контроллер каждой батареи конденсаторов решает, когда батарея нужна; SmartClose хватает это и автоматически выполняет синхронное замыкание.