Seleção da taxa de reatância para reatores em série em bancos de capacitores

Introdução

Reatores em série (também conhecidos comoreatores dessintonizados) usados ​​com bancos de capacitores de potência foram amplamente comprovados em sistemas de energia em todo o mundo para melhorar a compensação de potência reativa, reduzir perdas de linha, limitar correntes de partida de comutação de capacitores e suprimir distorções harmônicas.

 

A seleção de uma taxa de reatância de reator apropriada é crítica porque as correntes harmônicas são influenciadas por múltiplos fatores, incluindo fontes harmônicas da rede, impedância do sistema e parâmetros do banco de capacitores. Uma taxa de reatância inadequada pode causar ressonância, sobrecarga do capacitor, superaquecimento ou falha prematura do equipamento.

 

Este artigo explica os princípios por trás da seleção da taxa de reatância e fornece orientação prática para aplicações em bancos de capacitores.

 

1. Limitando a corrente de irrupção de comutação do capacitor

A corrente de partida de comutação do capacitor é uma das causas mais comuns de estresse em dispositivos de comutação ebancos de capacitores. Corrente de partida excessiva pode danificar contatores, disjuntores, capacitores e outros componentes do sistema de energia.

 

Dois tipos de corrente de partida normalmente ocorrem durante a energização do banco de capacitores:

Tipo 1: Comutação de banco de capacitor único

Quando um banco de capacitores autônomo é energizado, a corrente de irrupção resultante geralmente está dentro da capacidade suportável permitida do equipamento de comutação padrão. Na maioria dos casos, nenhuma medida-de limitação atual adicional é necessária.

 

Tipo 2: De volta-para{2}}Voltar Comutação de banco de capacitores

Quando um banco de capacitores adicional é ligado enquanto um ou mais bancos de capacitores já estão conectados ao sistema, pode ocorrer uma corrente de partida muito maior.

 

A experiência de campo mostra que esta corrente transitória pode atingir20 a 250 vezes a corrente nominaldo banco de capacitores.

A corrente de partida pode ser expressa como:

 

Onde:

(Q_C)=Potência reativa do capacitor

(X_L)=Reatância indutiva do circuito

 

A equação mostra que aumentar a reatância indutiva do circuito reduz a corrente de partida. Portanto, a instalação de um reator em série adequadamente selecionado limita efetivamente os surtos de comutação e protege os capacitores e o equipamento de comutação.

 

2. Supressão Harmônica e Seleção da Taxa de Reatância

Os sistemas de energia modernos contêm um grande número de cargas não lineares, tais como:

• Unidades de frequência variável (VFDs)
• Retificadores
• Sistemas UPS
• Fornos de arco
• Conversores de energia renovável

 

Esses dispositivos geram correntes harmônicas que distorcem a forma de onda da tensão e afetam negativamente os bancos de capacitores.

 

Para melhorar a qualidade da energia e proteger os capacitores, os reatores em série são comumente instalados como reatores de supressão de harmônicos.

 

Impacto dos Harmônicos nos Bancos de Capacitores

Uma forma de onda não-senoidal consiste em um componente de frequência fundamental mais frequências harmônicas que são múltiplos inteiros da frequência fundamental.

 

Em sistemas de potência práticos, as ordens harmônicas mais significativas são:

• 3º harmônico
• 5º harmônico
• 7º harmônico
• 11º harmônico
• 13º harmônico

 

Entre estes, o5º harmônicogeralmente é o componente dominante.

 

Considere um sistema contendo apenas a tensão fundamental e uma componente de tensão de 5º harmônico. Se a tensão do 5º harmônico atingir 26,45% da tensão nominal:

• A sobretensão do capacitor atinge aproximadamente 3,4%
• Sobrecorrente do capacitor atinge aproximadamente 65,6%
• Sobrecarga de potência reativa atinge aproximadamente 35%

 

Estes valores demonstram claramente o severo impacto dos harmônicos na operação do banco de capacitores.

 

3. Análise de Ressonância

A corrente harmônica pode ser calculada como:

Onde:

• (E_n)=Tensão harmônica
• (X_B)=Impedância do sistema
• (X_L)=Reatância do reator
• (X_C)=Reatância do capacitor
• (n)=Ordem harmônica

 

A ressonância ocorre quando:

 

As condições de ressonância correspondentes:

Para evitar ressonância e suprimir efetivamente as correntes harmônicas, a seguinte condição deve ser satisfeita:

 

Isto garante que o ramo do capacitor exiba características indutivas na frequência harmônica alvo, evitando assim a amplificação harmônica.

 

4. Determinação da taxa de reatância do reator

Na prática de engenharia, um fator de segurança de 1,5 é comumente aplicado:

 

Para supressão de 5º harmônico:

A taxa de reatância (K) é definida como:

onde:

(K)=Taxa de reatância do reator

(X_L) =Reatância do reator de frequência fundamental-

(X_C) =Reatância do capacitor de frequência fundamental-

 

Portanto, umTaxa de reatância de 6%efetivamente dessintoniza o banco de capacitores abaixo da frequência do 5º harmônico, suprime harmônicos de 5ª-ordem e superiores e limita a corrente de partida de comutação a aproximadamente cinco vezes a corrente nominal.

 

5. Guia de seleção da taxa de reatância padrão

Taxa de reatância de 0,1% – 1%

Aplicativo:

• Somente limitação de corrente de partida
• Nenhum requisito de supressão harmônica

 

Uso típico:

• Sistemas de energia limpos com conteúdo harmônico muito baixo
• Limitação de-corrente de curto-circuito

 

Taxa de reatância de 4,5% – 6%

Aplicativo:

• Supressão de harmônicos-de 5ª ordem e superiores

 

Uso típico:

• Instalações industriais
• Edifícios comerciais
• Sistemas gerais de compensação de potência reativa

 

Taxa de reatância mais comumente selecionada

Taxa de reatância de 12% – 13%

Aplicativo:

• Supressão de harmônicos-de terceira ordem e superiores

 

Uso típico:

• Sistemas com conteúdo significativo de 3ª harmônica
• Projetos especiais de mitigação harmônica

 

Frequência do sistema aplicável

• Sistemas de energia de 50 Hz
• Sistemas de energia de 60 Hz

 

Conclusão

Os reatores em série são um componente essencial dos bancos de capacitores modernos, fornecendo proteção eficaz contra correntes de partida, distorção harmônica e problemas de ressonância, ao mesmo tempo que melhoram a qualidade geral da energia e a eficiência energética.

 

A taxa de reatância deve sempre ser selecionada de acordo com as condições reais do local e medições harmônicas:

• Taxa de reatância de 6%é geralmente recomendado para supressão de harmônicas e proteção de banco de capacitores.
• 0,2%–1% de reatores de núcleo-de arsão adequados quando o objetivo principal é limitar a corrente de partida de comutação e, em menor grau, reduzir a corrente de-curto-circuito.
• Taxas de reatância de 12% a 13%são recomendados para aplicações que exigem supressão de harmônicos significativos de-ordem.

 

A seleção adequada do reator garante operação confiável, vida útil prolongada do capacitor, melhor desempenho de correção do fator de potência e melhor qualidade de energia em todo o sistema elétrico.