Высоковольтные конденсаторы в электроэнергетике - это устройства, которые используются для накопления и выдачи электрического заряда при высоком напряжении. Они имеют различные виды, назначение и применение в электрических сетях и установках. Высоковольтные конденсаторы имеют разную конструкцию, материалы и параметры, в зависимости от их функций и условий эксплуатации.
Предыдущие части статьи:
Эволюция конденсаторов и областей их применения в первой половине XX века
Эволюция конденсаторов и развитие конденсаторостроения во второй половине XX века
Параллельно с развитием электроники, уже в 20-е годы XX века распространившейся на такие области техники, как все виды связи, автоматика, управление и др., развивалась электроэнергетика.
Использование конденсаторов в электроэнергетике переменного тока в начале XX века
Самыми главными событиями и поворотным пунктом в электроэнергетике и электротехнике были изобретения: трансформатора, а затем трехфазного асинхронного двигателя и синхронного генератора переменного тока.
Это предопределило судьбу большой электроэнергетики. Уже в конце XIX века она начала превращаться из электротехники и энергетики постоянного тока в энергетику и электротехнику переменного тока.
Преимущества переменного тока — простота генерирования и преобразования величины напряжения, экономичность передачи на высоком напряжении, простота распределения электроэнергии и ее использования с помощью надежных и дешевых асинхронных двигателей — обусловили быстрый рост сторонников этой системы, хотя не обошлось и без курьезных выступлений против нее весьма авторитетных электротехников, в частности Томаса Эдисона.
Руководствуясь интересами фирмы, эксплуатировавшей системы постоянного тока, а возможно, находясь в плену собственных неправильных представлений о переменном электрическом токе, Эдисон утверждал, что использовать подземные кабели для передачи этого тока в городе все равно, что сидеть на пороховой бочке. Но победили сторонники переменного тока, вернее сказать, победили правильные представления.
Опора ЛЭП на почтовй марке Испании
По мере развития электротехники и электроэнергетики увеличивалась мощность электростанций, обусловленная возрастающими потребностями промышленности в электроэнергии, особенно машиностроительной и металлургической (в частности производства алюминия). Росла протяженность линий электропередач (ЛЭП) и повышалось их напряжение с целью сокращения потерь энергии.
Широкое использование конденсаторов в электроэнергетике переменного тока началось в 20-х годах, когда их стали применять для повышения коэффициента мощности.
Устанавливались батареи конденсаторов как на предприятиях, так и у отдельных потребителей. Это необходимо было для обеспечения нужного уровня напряжения, которое падало в интервалах больших нагрузок. Началось серийное производство силовых конденсаторов.
Увеличение длины ЛЭП и связанные с этим потери напряжения и энергии, снижение запаса устойчивости работы системы обусловили одно из важнейших применений конденсаторов для компенсации реактивного сопротивления ЛЭП и реактивной мощности промышленных предприятий.
Характерно было то, что использовались не единичные конденсаторы, а батареи из тысяч и десятков тысяч их, т. е. осуществлялось централизованное генерирование реактивной мощности.
Эти конденсаторы должны были обладать устойчивостью к значительным перенапряжениям — частому явлению в сетях, высокой надежностью. Большие потребности в мощных батареях стимулировали развитие этой группы конденсаторов, укрупнение единичной их мощности, необходимое для уменьшения их числа в батарее.
Гидроэлектростанция и ЛЭП на почтовй марке Румынии
Конструкции конденсаторов для электроэнергетике
Основной конструкцией силового конденсатора промышленной и повышенной частот, применяемых в электроэнергетических системах и электротехнических установках, до самого последнего времени была и остается многосекционная конструкция с бумажным диэлектриком и фольговыми обкладками.
Секции — отдельные конденсаторные элементы — соединяются в них последовательно (для работы при высоких напряжениях), параллельно (для получения большой емкости) или последовательно-параллельно.
Секции наматываются в виде рулонов из нескольких слоев диэлектрика и пары фольговых обкладок.
Рулоны затем прессуются для придания им плоской формы и помещаются в защитный (обычно металлический) корпус, от которого они отделяются несколькими слоями изолирующего материала (бумаги, картона, пленки и т. д.).
Для улучшения теплоотвода и увеличения рабочей напряженности поля секции в корпусе пропитываются различными изолирующими жидкостями.
Для напряжения ниже 400 В были разработаны силовые малогабаритные непропитанные пленочные конденсаторы.
После прогрева и вакуумной обработки конденсаторов пропитывающая жидкость хорошо заполняет зазоры между диэлектриком и обкладками пустоты и поры в диэлектрике. Этим достигается повышение напряжения развития частичных разрядов и соответственно более высокое рабочее напряжение.
Почтовая марка "Электрофикация" Греции
Длительное время для пропитки использовались различные масла, а с 30-х годов — и хлорированные дифенилы. Последние обладают более высокой диэлектрической проницаемостью, чем масло и бумага, благодаря чему достигается значительное повышение удельной мощности конденсаторов.
Хлордифенилы также придают им свойство практически невосгораемых, однако, к сожалению, они токсичны. Такие конденсаторы оказались достаточно дешевыми, технологичными и имели удовлетворительные энергетические и другие характеристики, благодаря чему и получили широкое распространение.
Однако развитие технологии производства синтетических пленок, превосходящих по электрическим характеристикам бумажный диэлектрик и обладающих более высокой однородностью, однозначно предопределило замену бумажного диэлектрика бумажно-пленочным для применения на частотах до нескольких сот герц.
Бумажный диэлектрик длительное время являлся более дешевым материалом, но с 70-х годов произошла замена его на комбинированный, в основном бумажно-полипропиленовый диэлектрик.
Бумажно-пленочные силовые конденсаторы имеют меньшие потери энергии, большую долговечность и удельную мощность.
Особенно эффективно использование бумажно-пленочных диэлектриков для электротермических конденсаторов, работающих на повышенных частотах, где в ряде случаев удается отказаться от водяного охлаждения.
Улучшение характеристик силовых конденсаторов возможно также при диэлектрике только из синтетических пленок.
Австрийская почтовая марка, посвященная электроэнергетике 1947 года
Использование высоковольтных конденсаторов
Введение в практику электроэнергетики высокочастотных систем связи по проводам высоковольтных ЛЭП, применяемых, в частности, для построения специальных видов защит, привело к созданию высоковольтных конденсаторов связи.
Они имеют небольшую емкость (тысячи — десятки тысяч пикофарад) и служат совместно с заградительными реакторами (катушками индуктивности) для отделения низковольтного сигнала высокой частоты от высокого напряжения промышленной частоты.
Близкими по конструкции и величинам емкости к конденсаторам связи являются конденсаторы для емкостных делителей напряжения, служащих, в частности, для измерений в высоковольтных цепях.
Другой специфической группой являются фильтровые конденсаторы, улучшающие формы напряжения или уменьшающие его пульсации в системах энергоснабжения электрического транспорта.
В технике высоких напряжений силовые конденсаторы применяются также в генераторах импульсов тока и напряжения, используемых для испытания различного оборудования, исследовательских целей и т. д. Они служат также для бестрансформаторного отбора мощности.
Для них характерен довольно большой срок службы — до нескольких десятков лет, особенно для последовательных конденсаторов батарей централизованной компенсации реактивной мощности.
Почтовая марка Албании
К силовым конденсаторам предъявляются менее жесткие, учитывающие внешние воздействия (климатические, механические и т. д.), требования, чем к конденсаторам электронной техники. И конструкции их не так разнообразны. Особенность силовых конденсаторов средних частот (от 100 до 20000 Гц) — это применение водяного охлаждения, обязательного в случае бумажного диэлектрика, так как на повышенных частотах тепловыделение становится очень значительным.
Хотя пути развития (соответственно и требования, конструкции и т. п.) "электротехнических" конденсаторов и конденсаторов для электронной техники в начале XX века "разошлись", для них имеются близкие по условиям работы области применения, а также использование конструкций, характерных для одной группы в конденсаторах другой группы.
Например, разработка и применение конденсаторов с металлизированными обкладками, ранее применявшихся в слаботочных цепях, для компенсации реактивной мощности потребителей, пусковых и рабочих конденсаторов электродвигателей однофазного тока и т. д.
Электростанция на почтовой марке Румынии 1963 года
Конденсаторы в силовой полупроводниковой технике
Ярким примером взаимной обусловленности и связи развития и совершенствования конденсаторов с появлением и развитием других элементов электрических устройств является силовая полупроводниковая техника.
К этой отрасли электротехники относятся преобразовательные устройства для бесконтактного преобразования одного рода тока в другой, регулирования напряжения, мощности и тока.
Разработка и промышленное освоение выпуска кремниевых полупроводниковых вентилей (неуправляемых — диодов и управляемых — тиристоров) в 50-х годах XX века обусловили разработку и широкое применение различных преобразовательных устройств: выпрямителей, инверторов, преобразователей частоты, регуляторов мощности и напряжения постоянного и переменного тока, различной коммутационной аппаратуры и т. д.
Высокое быстродействие и импульсный режим работы полупроводниковых вентилей в этих устройствах вызвали необходимость создания специальной группы конденсаторов, способных выдерживать большие импульсные токи и напряжения, следующие с повышенной частотой.
Эта группа получила название "конденсаторы для энергетической электроники", которым подчеркивается их силовое назначение в режимах, характерных для электроники.
Наряду с положительными качествами силовые полупроводниковые устройства имеют недостатки: генерируют широкий спектр высших гармоник токов и напряжений, распространяющихся по сети и оказывающих вредное действие на другое оборудование.
Эти устройства являются источником радиопомех. В связи с этим из-за роста числа и мощности преобразовательных установок все острее становится проблема фильтрации и подавления этих гармоник.
Опоры ЛЭП на почтовой марке Швеции 1959 года
В фильтрах, которые служат данным целям, основным элементом также служат конденсаторы. Используется их свойство уменьшать с частотой свое сопротивление.
Главные требования, предъявляемые к фильтровым конденсаторам, — это способность работать при резко несинусоидальных токах и напряжениях и стабильность величины ёмкости.
Подавление радиопомех, возникающих в преобразователях и другом оборудовании, обеспечивается с помощью высокочастотных фильтров, в состав которых входят специальные (проходные, защитные и др.) конденсаторы, которые должны обеспечить низкое сопротивление высокочастотным составляющим токов.
Силовые полупроводниковые приборы, имеющие уникальные характеристики по мощности, которой они управляют, при достаточно малых размерах и других достоинствах оказались уязвимыми в отношении воздействий перенапряжений. Даже кратковременное их воздействие недопустимой величины приводит к катастрофическому выходу этих приборов из строя.
Для подавления пиков перенапряжений в полупроводниковых устройствах широко применяются конденсаторы, поглощающие энергию, накопленную в индуктивных элементах, которая затем рассеивается в резисторах. Это так называемые демпфирующие конденсаторы, обладающие высокой устойчивостью к импульсным токам и надежностью.