Пример технической трансформации конденсаторов в распределительных шкафах крахмального завода: контроль гармоник и компенсация реактивной мощности за один этап 

Преобразователи частоты и выпрямительное оборудование уже давно являются стандартным оборудованием в крахмальной и пищевой промышленности. Они делают производство более эффективным, но также привносят в систему распределения электроэнергии невидимую проблему «гармоник»: коэффициент мощности не может повыситься, счета за электроэнергию корректируются и оцениваются, а оборудование необъяснимым образом нагревается и повреждается… За этими проблемами часто стоит одна и та же первопричина – сосуществование гармонического загрязнения и нехватки реактивной мощности.

1. Гармоническое загрязнение преобразователя частоты: «скрытые счета за электроэнергию» и убийца оборудования на крахмальных заводах

На линии по производству крахмала преобразователи частоты широко используются в рафинировании, сепарации, сушке и других процессах. Преобразователи частоты являются типичными нелинейными нагрузками. Во время работы они генерируют в основном токи 5-й и 7-й гармоник, постоянно внося гармонические загрязнения в электросеть.

Измеренные данные до трансформации этого проекта весьма показательны: после ввода в эксплуатацию обычной конденсаторной батареи общий коэффициент гармонических искажений напряжения увеличился с 3,9% до 6,3%, а общий коэффициент гармонических искажений тока увеличился с 2,0% до 6,5%. Согласно национальному стандарту «Качество электроэнергии – гармоники электрических сетей общего пользования» (GB/T 14549-93), общий предел коэффициента гармонических искажений сетевого напряжения 0,38 кВ составляет 5,0%, что явно превышено на месте. Другими словами, в ситуациях с сильными гармониками простая компенсация реактивной мощности будет «подпитывать» гармоники.

2. Превышение гармоник таит в себе множество опасностей: оборудование, электросеть и счет «три удара».

Влияние гармоник на заводы выходит за рамки «неприглядных форм напряжения и тока»:

Уровень оборудования: Гармонический ток увеличивает дополнительные потери и повышение температуры двигателей и трансформаторов, ускоряет старение изоляции; конденсаторы имеют низкий импеданс по отношению к гармоникам и легко подвержены перегрузке по току или даже повреждению; устройства релейной защиты могут выйти из строя или отказаться работать.

Уровень сети: гармоники распространяются по шине, загрязняют общественную энергосистему и мешают работе чувствительного оборудования, такого как ПЛК, приборы и преобразователи частоты на той же шине, вызывая нарушения связи и сбои, напрямую влияющие на непрерывность производства.

Экономический уровень: если компенсационный шкаф выйдет из строя и коэффициент мощности будет низким, отдел электроснабжения будет оценивать это в соответствии с правилами корректировки платы за электроэнергию, и каждый месяц будет оплачиваться больше счетов за электроэнергию; частые повреждения оборудования также повлекут за собой скрытые затраты на остановку производства и техническое обслуживание.

3. Почему обычные конденсаторные компенсационные шкафы «становятся тем хуже, чем больше их компенсируют»?

Обычные параллельные конденсаторы действуют как канал с низким импедансом для гармоник в гармонической среде. В конденсатор протекает большое количество тока гармоник: в худшем случае конденсатор нагревается и срок его службы внезапно сокращается, а в худшем — он резонирует параллельно с системой, усиливая гармоники в несколько раз. Именно по этой причине в этом проекте «степень искажений увеличилась после установки обычных конденсаторов». Следовательно, в ситуациях, когда гармоники являются серьезными, конденсаторы нельзя просто добавить, и необходимо использовать схему подавления гармоник с последовательным реактивным сопротивлением, чтобы устройство компенсации могло не только компенсировать реактивную мощность, но и поглощать гармоники.

4. План технической трансформации: низковольтное устройство компенсации реактивной мощности, подавляющее гармонию, решает сразу две основные проблемы.

В этом проекте используется устройство компенсации низковольтной реактивной мощности с подавлением гармоник (модуль компенсации низковольтной реактивной мощности с подавлением гармоник HZS-BKF7M2-40-400 + интеллектуальный контроллер HZS-MRTT) для модернизации и преобразования существующего шкафа компенсации конденсаторов. В плане есть три основных пункта:

(1) Интеллектуальный интегрированный компенсационный модуль с полным набором защитных функций.

Модуль включает в себя ЖК-дисплей, переключение при пересечении нуля, мониторинг тока конденсатора в реальном времени, самодиагностику неисправностей, онлайн-связь RS-485, а также различные функции защиты, такие как перегрев конденсатора, перегрев реактора и защита от затухания. Он имеет несколько встроенных охлаждающих вентиляторов, обращенных к конденсаторам, реакторам и мощным тиристорным композитным переключателям соответственно, чтобы обеспечить контролируемый рост рабочей температуры и предотвратить выход оборудования из-за высокой температуры.

(2) Конструкция с реактивным сопротивлением 7 % для точного подавления 5-й и 7-й гармоник.

В реакторе используется сердечник из медной проволоки Т2, сердечник из кремниевой стали с низкими потерями, изоляция класса H и коэффициент реактивного сопротивления 7%. Он образует последовательную резонансную частоту с конденсатором, чтобы избежать 5-й и 7-й гармоник, и эффективно поглощает гармоники, компенсируя реактивную мощность. Между реактором, конденсатором и мощным композитным переключателем установлен тепловой экран для дальнейшего контроля повышения температуры в шкафу. Корпус конденсатора имеет сухую огнестойкую конструкцию и имеет встроенный термоэлемент для контроля рабочей температуры конденсатора и реактора в режиме реального времени и автоматического отключения цепи при перегреве.

(3) Интеллектуальный контроллер, автоматическое прогнозирование и переключение.

Контроллер комплексно оценивает реактивную мощность, коэффициент мощности, напряжение и другие физические величины. Конденсаторы одинаковой емкости переключаются по циклам, а конденсаторы разной емкости — по зазору реактивной мощности. Он также прогнозирует изменения реактивной мощности и напряжения перед переключением, чтобы избежать повторных переключений. Он имеет защиту от повышенного напряжения, пониженного напряжения, перегрева и затухания, а защитное действие автоматически блокирует выход. Время отклика менее 20 мс, поддержка ручного/автоматического переключения, ЖК-дисплей, интуитивно понятное управление и обслуживание.

Таблица 1. Сравнение обычного шкафа компенсации конденсаторов и низковольтного устройства компенсации реактивной мощности с подавлением гармоник

5. Техническая трансформация без отключения электроэнергии: производство не остановить, как провести трансформацию

Крахмальный завод является непрерывным производственным предприятием, и отключение электроэнергии на шинопроводе приведет к остановке производства всей линии. Таким образом, в этом проекте четко указано, что «главную шину на объекте нельзя отключить», и все существующие шкафы использовались для модернизации под напряжением. Процесс реализации следующий: сначала исполнитель проводит обследование на объекте, замеряет данные работы системы компенсационных шкафов под четырьмя трансформаторами, выдает общий план строительства, а затем реализует его после рассмотрения и утверждения заказчиком. К ключевым моментам трансформации относятся:

Ремонт шкафа и вентиляции: Шкаф (ширина × глубина × высота 1200 мм × 1000 мм × 2200 мм) ремонтируется на месте и устанавливается система охлаждения. После включения вентилятора разница между средней температурой в шкафу и температурой в помещении поддерживается на уровне около 10°С. Он поддерживает ручное/автоматическое управление без ручного вмешательства.

Характеристики процесса подключения: используйте специальные устойчивые к высоким температурам гибкие кабели (16 мм²) для распределительных шкафов, луженые медные наконечники и высокопрочные болты класса 8,8. Поверхность обжима имеет шестиугольную форму и может быть выполнена за одно обжатие, чтобы исключить выделение тепла из-за виртуальных соединений.

Управление безопасностью и строительством: Рабочие должны носить рабочую одежду, изолирующие перчатки и изолирующую обувь и держаться на безопасном расстоянии от живых объектов. Сотрудники специальных операций обязаны работать с удостоверениями, и их ответственность за незаконные операции четко определена.

Срок поставки проекта составляет 30 дней, оборудование прибудет на объект в течение 2 дней и будет установлено и отлажено в течение 8 дней.

6. Результаты преобразования и приемка: коэффициент мощности ≥ 0,92, гармоники на уровне нормы.

Согласно договору, динамическая приемка будет проведена в течение одного месяца после прохождения оборудования статической приемки. Основными показателями являются: при подавлении гармоник с помощью устройства компенсации низковольтной реактивной мощности для подавления гармоник, обеспечивающего нормальный ввод конденсаторов, среднемесячный коэффициент мощности составляет не менее 0,92, а показатели гармоник соответствуют требованиям национального стандарта «Качество электроэнергии – гармоники в общественной сети» (GB/T 14549-93).

Для завода это решение приносит реальную выгоду: после того, как коэффициент мощности достигнет стандарта, плата за корректировку мощности освобождается от налога; после уменьшения гармонического загрязнения срок службы двигателя, трансформатора и конденсатора продлевается; после улучшения качества питания шин производственная линия работает более стабильно, а общая частота отказов значительно снижается.

7. Предложения по выбору заводов.

Сначала тестирование, затем проектирование: перед преобразованием необходимо провести фактические измерения гармоник системы и реактивной мощности, чтобы выяснить основные порядки гармоник и коэффициенты искажений, а затем определить план, позволяющий избежать «чем больше ремонтов, тем хуже».

Обратите внимание на способность подавлять гармоники: при сильных гармониках предпочтительны изделия с коэффициентом реактивного сопротивления 7%. Обратите внимание на то, является ли конденсатор чистым сухим огнестойким типом, на материал реактора и уровень изоляции.

Оцените стоимость полного цикла: включите цикл поставки, установку и ввод в эксплуатацию, гарантийный срок и время реагирования в комплексную оценку, а не просто смотрите на цену за единицу оборудования.

Контроль гармоник и компенсация реактивной мощности не так просты, как «установка конденсаторного шкафа». Необходимо подобрать решение, соответствующее характеристикам нагрузки на основе измерений на месте. Практика технической трансформации конденсаторов в этом проекте показывает, что хорошо спроектированное низковольтное устройство компенсации реактивной мощности для подавления гармоник может решить две основные проблемы: чрезмерных гармоник и низкого коэффициента мощности без остановки производства, а также достичь двойного преимущества: «снижение затрат + стабильное производство».