Factorul de putere

Generalităţi

Factorul de putere este raportul K dintre puterea activă "P" şi puterea aparentă "S" într-un circuit de curent alternativ.
În regim sinusoidal, în cazul unui circuit, vom avea:

- Puterea activă (reală) este egală cu produsul tensiunii şi curentului în fază cu ea:

Unde reprezintă unghiul de defazaj între curent şi tensiune (fig.1).
- Puterea aparentă reprezintă produsul:

Mărime utilizată pentru dimensionarea anumitor elemente a circuitelor electrice.

- Puterea reactivă este produsul dintre tensiune şi componenta curentului în cuadratură cu ea:

Avem relaţia:

Factorul de putere devine:

Deci, dacă se cunoaşte factorul de putere al unui circuit, se cunoaşte defazajul dintre tensiunea de alimentare (Ul) şi curentul de linie (Il) sau alfel spus, defazajul dintre tensiunea de fază (Uf) şi curentul de fază (If).

Într-un sistem trifazat, echilibrat şi ca tensiune şi ca curent, avem:

- φ - defazajul între tensiunea de fază şi curentul de fază;
- I - curentul;
- Uf - tensiunea de fază;
- Ul - tensiunea de linie sau între faze.

În orice regim, puterea aparentă poate fi definită sub forma:

Deci, într-un regim trifazat echilibrat, factorul de putere se exprimă prin cos φ, în care φ este defazajul pe fază.
Obs! Factorul de putere are ca substrat fizic puterea reactivă. 1.1.

Determinarea factorului de putere

Valoarea factorului de putere nu este constantă; ea variază în timp în funcţie de mărimea sarcinii, variaţiile de tensiune etc., atât pentru fiecare receptor inductiv în parte, cât şi pentru întreaga instalaţie electrică a unei întreprinderi sau a unui sistem energetic.
Se deosebesc:
a. Factorul de putere instantaneu într-un sistem trifazic:

Această mărime se poată măsura direct cu cosfimetru sau se determină în baza citirilor simultane a puterii, a tensiunii între faze şi a intensităţii.
b. Factorul de putere mediu:

care reprezintă media aritmetică a unui număr de „n" valori instantanee ale factorului de putere, luate la intervale egale de timp.

c. Factorul de putere mediu ponderat, determinat pentru un anumit interval de timp pe baza citiri contoarelor de putere activă şi reactivă, unde:

Wr - energia reactivă consumată în perioada considerată;
Wa - energia activă în acelaşi interval.

Factorul de putere mediu ponderat este cel care se stabileşte şi se ia în considerare în mod uzual. El este de două feluri:
- natural, când se stabileşte pentru un consumator care nu are instalaţii de compensare a puterii reactive sau, dacă le are, aceste instalaţii se deconectează în timpul măsurători;
- general, când se stabileşte fără deconectarea eventualelor instalaţii de compensare existente.

În cazul consumatorilor prevăzuţi cu instalaţii de compensare a energiei reactive care nu se pot deconecta la efectuarea măsuratorilor, factorul de putere natural mediu ponderat se determină cu formula:

unde: Wre– este energia reactivă produsă de instalaţiile de compensare în intervalul de timp considerat.

Factorul de putere se poate determina şi cu ajutorul unor diagrame, cum ar fi:

a). Diagrama P, Q, S şi cos φ (fig.3), unde:
- pe ordonată sunt trecute valori ale puterii active P;
- pe abcisă sunt trecute valori ale puterii reactive Q;
- razele cercurilor cu originea în centrul axelor reprezintă valorile puterilor aparente S;
- unghiurile făcute de dreptele ce pleacă din originea axelor, cu axa P, reprezintă unghiurile; în diagramă sunt trasate o serie de drepte corespunzătoare unor unghiuri pentru cos cuprins între 0,7 şi 0,95.

Dacă se cunosc două elemente din cele patru: P, Q, S şi cos φ, se citesc direct din diagrama celelalte două elemente.

Exemplu: Ştiind că puterile medii absorbite într-o instalaţie sunt P=70kW şi Q=70kVAR, obţinem S=100kVA ca urmare a mărimii razei cercului ce trece prin punctul A de intersecţie a celor două paralele duse prin punctele 7 la ordonată şi la abcisă. În acest caz pe raza respectivă se citeşte cosφ =0,7. Pentru determinarea puterii reactive QC necesară a se compensa pentru ridicarea factorului de putere de la 0,7 la 0,85, de exemplu, din punctul de întretăiere A stabilit mai sus, ne deplasăm spre stânga pe dreapta ce duce la P=7. La întâlnirea cu raza ce reprezintă cosφ= 0,85, în punctul B, se coboară o verticală şi se citeşte pe abcisă Q=43kVAR.

Rezultă:

Scările pentru P şi Q sunt în unităţi relative; se pot încadra în limitele diagramei, valori ale puterilor, indiferent de ordinul de mărime a acestora.

b). Diagrama Pa, Wa, Pr şi Wr (fig.4), care se poate utiliza procedându-se ca în exemplu de mai jos.
Dacă se cunosc puterile electrice P=650kW şi Q=500kVAR, se determină punctele A şi B pe cele două scări. Mărimea factorului de putere instantaneu se află la intersecţia dreptei AB cu diagonala ce dă valorile pentru cos φ, în punctul C această valoarea este 0,8.
Dacă se cunoaşte consumul de energie electrică într-un anumit intreval de timp, Wa=70 000 kWh şi Wr= 33 000 kVArh, se determină punctele A1 şi B1 pe cele două scări. Mărimea factorului de putere ponderat se află la intersecţia dreptei A1B1 cu diagonala respectivă (punctul C1) şi anume cosφ=0,95.

Cauzele scăderii factorului de putere.

Scăderea factorului de putere în reţelele electrice este determinată de puterile reactive consumate de diferite receptoare din aceste reţele.

Receptoarele de putere reactivă se pot împărţi în două mari grupe:

a. Receptoare care consumă putere reactivă necesară producerii cămpurilor magnetice:
- maşini sincrone;
- maşini sincrone subexcitate;
- transformatoare;
- linii electrice aeriene funcţionând în sarcină şi având un caracter predominant inductiv.

b. Receptoare care produc putere reactivă:
- maşini sincrone supraexcitate;
- condensatoare statice;
- linii electrice aeriene de înaltă tensiune sau linii electrice în cablu funcţionând cu sarcină redusă şi având un caracter predominant capacitiv.

Principalele cauze ale scăderii factorului de putere în exploatare sunt:
- funcţionarea motoarelor asincrone cu o sarcină medie mai mică decât cea nominală;
- funcţionarea motoarelor asincrone în gol, în anumite perioade;
- modificarea caracteristicilor nominale de funcţionare a motoarelor, datorită reparaţiilor necorespunzătoare etc.;
- funcţionarea cu sarcină redusă a transformatoarelor.

Efectele scăderii factorului de putere

a. Creşterea pierderilor de putere în rezistenţa conductoarelor
Pentru o valoare dată a puterii active P, pierderile ohmice cresc în raport invers proporţional cu pătratul factorului de putere.

Astfel, într-un sistem trifazat echilibrat, valoarea pierderilor este dată de expresia:
unde R reprezintă rezistenţa unui conductor.
Se mai poate scrie:

Pierderile produse de fiecare din puterile P şi Q sunt independente şi acest lucru dă posibilitatea compensării puterii reactive, reducându-se pierderile produse de aceasta, fără a se influenţa pierderile datorate puterii active. De asemenea, se poate calcula amortizarea investiţiilor necesare instalaţiilor de compensare a factorului de putere.

b. Necesitatea supradimensionări instalaţiilor
Puterea electrică nominală a instalaţiilor de producere, transport şi distribuţie a energiei electrice se exprimă prin puterea lor aparentă.

Deci, cu cât valoarea factorului de putere al instalaţiilor este mai mică, cu atât puterea lor nominală trebuie să fie mai mare, pentru o aceeaşi putere activă.Rezultă necesitatea supradimensionării instalaţiilor respective.

c. Reducerea posibilităţilor de încărcare cu putere activă a instalaţiilor
Capacitatea de producere, transport şi distribuţie a energiei electrice este determinată de puterea lor aparentă. În cazul în care factorul de putere realizat efectiv în exploatare este mai mic decât cel avut în vedere la proiectarea instalaţiilor, posibilitatea încărcării lor cu putere activă scade.

2. Mijloace pentru îmbunătăţirea factorului de putere

Regulamentul pentru furnizarea şi utilizarea energiei electrice prevede aplicarea de majorări la valoarea facturii energiei electrice furnizate, în funcţie de valoarea factorului de putere mediu lunar, cu care consumatorul preia energia electrică din reţelele furnizorului conform unui anumit tip de tarif, aşa cum se arată în tabelul alăturat (exemplu: tarif de tip D - monom simplu, joasă tensiune, conform ultimului Ordin ANRE nr.71/2007). Pentru valori intermediare ale factorului de putere, procentul de majorare se stabileşte prin interpolare.

Factorul de putere, care caracterizează de altfel calitatea consumului de energie electrică, poate fi imbunătăţit prin reducerea puterii reactive absorbite de receptoare.

Cele mai indicate mijloace sunt:

a. Mijloace naturale:
- funcţionarea după grafic a transformatoarelor;
- folosirea de motoare sincrone în locul celor asincrone;
- înlocuirea motoarelor asincrone supradimensionate;
- montarea de comutatoare stea-triunghi;
- înlocuirea transformatoarelor slab încărcate;
- montarea de limitatoare de mers în gol la motoarele asincrone, transformatoare de sudură etc.

b. Mijloace speciale (artificiale):
- echiparea motoarelor asincrone cu compensatoare de faza;
- montarea de compensatoare sincrone;
- montarea de condensatoare statice.

Mijloacele speciale se folosesc pentru reducerea puterii de energie reactivă ce nu a putut fi compensată prin mijloace naturale.

Folosirea tuturor acestor mijloace, mai puţin funcţionarea după grafic a transformatoarelor şi folosirea comutatoarelor stea-triunghi, se face în urma unui calcul tehnico economic prin care se compară cheltuielile dinainte şi după îmbunătăţirea factorului de putere.

Pentru evitarea modificării caracteriticilor nominale de funcţionare a motoarelor, este necesară verificarea bunei execuţii a reparaţiilor din punctul de vedere a bobinajului şi a întrefierului. Desfiinţarea transmisiilor conduce de asemenea la îmbunătăţirea factorului de putere, prin evitarea timpului de mers în gol sau cu sarcină redusă, a motoarelor transmisiilor.

3. Utilizarea mijloacelor pentru reducerea consumului de energie reactivă

3.1 Mijloace naturale

a. Funcţionarea după grafic a transformatoarelor

Se utilizează în staţiile sau posturile de transformare cu multe transformatoare în paralel şi unde se înregistrează o variaţie mare a sarcinilor în timpul unei zile. În fig.5 sunt trasate curbele de pierderi totale de putere activă în transformatoare şi în reţeaua consumatorului, funcţie de puterea aparentă absorbit, pentru combinaţiile posibile de funcţionare în paralel a transformatoarelor.

Aceste variante de funcţionare se stabilesc ţinând seama de limitele de variaţie a sarcinii cerute şi de condiţiile de siguranţă în alimentare, impuse de categoria receptoarelor.

Din graficul prezentat rezultă că funcţionarea optimă a transformatoarelor are loc atunci când la sarcina S < S1 vor funcţiona transformatoarele T2 şi T3, iar la sarcina S2 < S < S1 va funcţiona transformatorul T2 etc. Este indicată automatizarea conectării transformatoarelor, funcţie de sarcină.

b. Folosirea motoarelor sincrone în locul celor asincrone
Este un procedeu eficient şi simplu din punct de vedere tehnic, fiind indicat a se utiliza ori de câte ori procesele tehnologice permit acest lucru. Motoarele sincrone se pot folosi pentru acţionarea ventilatoarelor, pompelor, compresoarelor şi în general acolo unde este nevoie de reglarea vitezei mecanismelor acţionate.

Pentru puteri peste 100kW, folosirea motoarelor asincrone se va face numai pe baza considerentelor tehnice.Posibilitatea unui motor sincron de a îmbunătăţi factorul de putere depinde de încărcarea acestuia cu putere activă; ea este cu atât mai mare cu cât sarcina lui activă este mai mică.

c. Înlocuirea motoarelor asincrone supradimensionate
Motoarele asincrone absorb puteri reactive mari atât la mersul în sarcină, cât şi la mersul în gol. Puterea reactivă absorbită la sarcină nominală variază între 0,35...0,70 din puterea activă nominală, iar la mersul în gol între 0,30...0,55, funcţie de mărimea şi modul de construcţie a electromotorului.

Înlocuirea unui motor asincron de putere mai mare printr-unul de putere mai mică, este avantajoasă numai atunci când reducerea pierderilor active de mers în gol al motorului şi reducerea pierderilor de putere activă în reţea, datorită puterii consumate de motorul nou ales, este mai mare decât creşterea pierderilor active în cupru datorită micşorării puterii motorului.

În acest fel:
- dacă motoarele asincrone au o încărcare medie de 70% şi mai mult din puterea lor nominală sau au un timp de funcţionare sub 1500 ore/an, nu se vor înlocui;
- dacă motoarele asincrone au o încărcare medie cuprinsă între 45 şi 70% din puterea lor nominală, înlocuirea lor se poate face în baza calculelor tehnico-economice;
- dacă motoarele asincrone au o încărcare medie sub 45% din puterea lor nominală, vor fi înlocuite cu motoare de putere mai mică, fără efectuarea unui calcul tehnico-economic, dar cu condiţia ca motoarele alese să nu depăşească încălzirea admisă la eventuale suprasarcini.

d. Montarea comutatoarelor stea-triunghi
Creşterea tensiuni de alimentare a motoarelor asincrone peste tensiunea lor nominală, înrăutăţeşte factorul de putere, mărind fluxul rezultant în stator, în cazul motoarelor insuficient încărcate.Micşorarea tensiunii de alimentare se poate face prin:
- modificarea conexiuni statorului din triunghi în stea;
- modificarea numărului de spire a bobinajului statoric;
- reducerea tensiunii prin schimbarea ploturilor la transformatoarele ce alimentează motoare asincrone.

Îmbunătăţirea factorului de putere la motoarele asincrone, care funcţionează în mod normal în conexiunea triunghi şi care merg timp îndelungat cu sarcină mai redusă decât 33% din cea nominală iar în restul timpului cu sarcină mai mare, se realizează (dacă înlocuirea motorului nu este posibilă deoarece există perioade când funcţionează la o sarcină apropiată de cea nominală) prin micşorarea fluxului magnetic în motor în timpul funcţionării cu sarcină redusă, folosind pentru această conexiunea stea, prin realizarea unui comutator stea-triunghi.

Prin această modificare a conexiunilor, tensiunea aplicată fiecărei faze a bobinajului se micşorează cu raportul , concomitent cu scăderea cuplului şi a puterii în raportul 1/3. Menţinerea conexiunii în stea este admisă până la atingerea unui cuplu cerut de 44% din cel nominal, după care se trece la conexiunea în triunghi, pentru a evita funcţionarea instabilă a motorului, supraîncălzirea bobinajului.

Montarea comutatoarelor stea-triunghi la motoarele asincrone conduce la economii de putere activă şi reactivă; cheltuielile implicate sunt mici iar din această cauză nu este necesar un calcul de eficienţă.Secţionarea înfăşurării statorului este în funcţie de condiţiile de pornire şi de mers ale motorului.Reducerea tensiunii transformatoarelor este un procedeu obişnuit în exploatare.

e. Înlocuirea transformatoarelor slab încărcate
Înlocuirea unui transformator de o putere mai mare, lucrând subîncărcat, prin altul de putere mai mică, este eficient atunci când pierderile totale de energie (în transformator, în reţeaua consumatorului şi în sistem) scad ca urmare a acestei înlocuiri.

Este cazul transformatoarelor încărcate peste 1500 ore/an sub 50% din puterea lor nominală.Pentru transformatoare încărcate peste 50% din puterea lor nominală sau care se află sub tensiune sub 1500 ore/an, nu se pune problema înlocuiri.

f. Montarea limitatoarelor de mers în gol
Se face, obişnuit, în cazul motoarelor electrice asincrone şi al transformatoarelor de sudură la care durata de mers în gol între fazele de lucru este mai mare de 20% din întregul timp de folosire a maşinii.

Se întocmeşte calculul de eficienţă pentru a stabili dacă economia de energie activă realizată anual prin oprirea motoarelor pe durata timpului auxiliar, depăşeşte sporul de consum anual datorat numărului majorat de porniri şi dacă valoarea acestei economii justifică cheltuielile pentru montarea limitatoarelor de mers în gol.Introducerea de limitatoare automate de mers în gol reduce atât consumul de putere activă cât şi consumul de putere reactivă, îmbunătăţind factorul de putere al instalaţiilor.

S-a stabilit că pentru durate de mers în gol mai mari de 10 secunde, folosirea limitatoarelor de mers în gol conduce la economii ale energiei active. Pentru durate mai mici, este indicat ca limitatorul de mers în gol să fie prevăzut cu dispozitiv de temporizare reglat în funcţie de regimul motorului, pentru a nu acţiona la opriri prea scurte.

3.2 Mijloace artificiale

Compensarea artificială înseamnă producerea locală de putere reactivă la consumator şi se poate realiza prin:

a. Echiparea motoarelor asincrone cu compensatoare de fază
Se face la motoarele asincrone de 200kW şi mai mari, a căror încărcare medie depăşeşte 40% din puterea lor nominală.Motorului asincron i se adaptează (obişnuit, pe rotorul lui) un compensator de fază, compus dintr-un rotor (indus) de maşină de curent continuu, care primeşte curent de la inelele colectoare ale motorului asincron, la trei perii echidistante ale colectorului compensatorului. Circuitul rotorului asincron se închide deci prin circuitul compensatorului de fază.

Mărimea compensatorului de fază se alege astfel ca factorul de putere al motorului să fie apropiat de unitate. Când motorul asincron are turaţie mică, este indicat ca antrenarea compensatorului de fază să se facă printr-un motor auxiliar de turaţie mai mare.

b. Utilizarea motoarelor asincrone sincronizate
Faţă de motoarele sincrone, motoarele asincrone sincronizate realizează un cuplu mărit de demaraj; ele pornesc ca motor asincron şi după ce primeşte în înfăşurarea trifazată a rotorului său un curent continuu, produs de o excitratice separată, capătă viteză sincronă.Motoarele asincrone sincronizate debitează, ca şi motoarele sincrone, energie reactivă în instalaţie, pe măsură ce se descarcă de sarcina activă în instalaţie.

c. Montarea de compensatoare sincrone
Compensatorul sincron este un motor sincron de tip uşor, care se foloseşte exclusiv pentru îmbunătăţirea factorului de putere, fără sarcină la arbore.Compensatoarele sincrone se construiesc, în general, de puteri de peste 5 000 kVA şi se utilizează în cadrul reţelelor de distribuţie şi mai rar la consumatori, când puterea reactivă de compensat depăşeşte 30MVAr.

Dacă compensatoarele sincrone servesc şi pentru reglarea tensiunii, se pot utiliza chiar şi atunci când puterea reactivă de compensat este sub 30MVAr. Prin variaţia excitaţiei sale, compensatorul sincron poate diminua tensiunea reţelei, când este subexcitat (absorbind energie reactivă) şi poate mări tensiunea, când este supraexcitat (debitând energie reactivă şi ameliorând factorul de putere al sistemului de distribuţie respectiv).

d. Montarea de condensatoare statice
Se utilizează atunci când puterea reactivă de compensat este sub 30MVAr, situaţie întâlnită frecvent în cazul consumatorilor industriali.

Condensatoarele statice se contruiesc pentru diferite puteri:
- până la 25kVAr, se consideră de putere mică;
- de la 25...250kVAr, de putere mijlocie;
- peste 250 kVAr, de putere mare.

Condensatoarele nu se montează în instalaţii individuale, ci sub formă de baterie de condensatoare.

În funcţie de putere, bateriile se pot clasifica astfel:
- până la 500 kVAr, de putere mică;
- de la 500 ... 1000 kVar, de putere mijlocie;
- peste 500 kVAr, de putere mare.

Bateriile de condensatoare prezintă ca avantaje:
- pierderi specifice mici şi constante (cca. 2 ... 5 W/kVAr);
- posibilitatea montării descentralizate;
- posibilitatea măririi treptate a puterii lor prin instalarea de noi unităţi;
- spaţiu de montare restrâns;
- greutate relativ mică;
- lipsa părţilor în mişcare;
- uşurinţa demontării şi remontării.

Ca neajunsuri se menţionează:
- reglarea puterii bateriilor nu se poate face în mod continuu ci numai în trepte şi cu un dispozitiv de reglare complicat;
- puterea condensatoarelor variază odată cu tensiunea conform relaţiei:

Condensatoarele statice se fabrică pentru tensiuni joase şi înalte.

Alegerea compensării puterii reactive prin baterii de condensatoare de înaltă sau joasă tensiune este în funcţie de condiţiile locale şi de necesităţile funcţionării reţelei sistemului energetic sau instalaţiei consumatorului respectiv. De regulă, condensatoarele de înaltă tensiune de puterii mari şi mijlocii, se fabrică atât monofazate cât şi trifazate; cele de putere mică se fabrică monofazate. Condensatoarele pentru tensiunii până la 500V, se execută, de regulă, trifazat. Cele monofazate se întrebuinţează rar, în special la transformatoarele de sudură sau la cuptoarele electrice.Condensatoarele indigene pentru tensiuni de 380 şi 500V sunt trifazate, cu conexiunea în triunghi şi cu o putere unitară de 15kVAr.

4. Instalaţii de condensatoare statice

În cazul cel mai frecvent, al întreprinderilor industriale care utilizează un număr mare de motoare de puterii mijlocii şi mici, cu tensiunile de 500V, 380V şi 220V, se indică folosirea motoarelor asincrone şi micşorarea puterii reactive absorbite prin baterii de condensatoare.Montarea condensatoarelor statice pentru compensarea energiei reactive se poate face folosind următoarele scheme:

a. Schema compensării individuale, care se aplică:
- la receptoarele inductive cu un consum mare de energie reactivă şi funcţionare continuă;
- la instalaţiile de iluminat cu lămpi cu descărcări în gaze, la care compensarea energiei reactive consumate la balasturi trebuie făcută la fiecare corp de iluminat sau, în mod excepţional, la tablourile de distribuţie a circuitelor de iluminat.În cazul îmbunătăţiri locale a factorului de putere la receptoarele de putere mare, condensatoarele se aleg astfel încât curentul capacitiv să fie mai mic decât curentul de mers în gol al receptorului respectiv (motor, transformator etc.).

b. Schema compensării pe grupe se utilizează când receptoarele de energie reactivă sunt amplasate grupat.

c. Schema compensării centralizate, care este de preferat şi în care instalaţia de compensare se montează pe barele de ieşire ale transformatoarelor, pe axul reţelei de distribuţie sau pe barele colectoare ale tabloului general.


În cazul compensării centralizate, bateria de condensatoare va fi prevăzută cu posibilităţi de conectare şi deconectare de la reţea, în trepte – de preferinţă cu comutarea automată – în funcţie de puterea reactivă ce trebuie compensată (fig. 6.1).

La consumatorii cu posturi de transformare proprii, prima treapta se va dimensiona pentru un curent capacitiv mai mic decât curentul de mers în gol a transformatorului. Până la tensiunea de 500V, toate secţiile de condensatoarelor sunt legate în derivaţie pe fiecare fază.

La cele mai multe construcţii de condensatoare se foloseşte protecţia individuală a secţiilor împotriva scurtcircuitelor. Pentru aceasta, armăturile fiecărei secţii se leagă cu alte secţii sau cu bornele condensatorului, prin conductori subţiri cu rol de siguranţe fuzibile. Astfel, în caz de scurtcircuit într-o secţie, prin topirea conductorilor de legătură, aceasta este deconectată, condensatorul ramânând în funcţie.Bateriile de condensatoare se protejează prin siguranţe fuzibile sau prin întreruptoare automate cu relee de protecţie.

Siguranţele fuzibile vor fi de tipul cu rupere lentă iar curentul nominal al fuzibilului se va alege:
- de 1,8 curentul nominal al bateriei, în cazul când aceasta este fără trepte;
- de 1,6 curentul nominal al bateriei, în cazul conectării în trepte a acestei.

Întreruptoarele automate vor fi de tipul cu rupere în aer; curentul releelor termice va fi reglat la cel mult 1,2 ori curentul nominal al bateriei iar a releelor electromagnetice la (4 ... 8)*IN.

În anumite cazuri, bateriile de condensatoare pot fi prevăzute şi cu dispozitve speciale de protecţie împotriva supratensiunilor, a punerilor la pământ sau a creşterii temperaturii mediului înconjurător.

În cazul bateriilor de condensatoare de înaltă tensiune, la care secţiile sau grupele de secţii sunt legate în serie, nu se mai poate realiza o protecţie a secţiilor prin fuzibile individuale. În acest fel se impune ca fiecare condensator să fie protejat prin siguranţă fuzibilă proprie. Bateria de condensatoare se va proteja printr-un întrerupător automat cu relee maximale de curent, sau prin siguranţe fuzibile, când bateria se legă la reţea prin separatoare.

Fenomenele de comutaţie în instalaţiile cu condensatoare prezintă unele particularităţi ce se deosebesc faptului că, la conectarea condensatorului, acesta se încarcă asupra tensiunii aplicate, circuitul lui fiind strabătut de un curent tranzitoriu care depăşeşte de cîteva ori valoarea normală.

Durata acestui curent este foarte redusă însă efectul său termic poate topi fuzibilul siguranţei de protecţie. De asemenea, dacă în circuitul condensatorului se află o inductanţă, bobinajul primar a unui transformator de curent, curentul tranzitoriu poate produce supratensiunii mari. La deconectare, condensatorul îşi menţine o sarcină electrică după întreruperea circuitului, putând produce scântei între contactele întrerupătorului, adica o nouă punere sub tensiune, prin străpungerea dielectricului respectiv.

Pentru evitarea acestor dificultăţi în cadrul instalaţiilor de condensatoare, aparatele de conectare vor fi în carcasă de protecţie şi vor avea curenţii nominali mai mari decât curentul nominal al bateriilor, astfel:
- de 1,2 ... 1,8 ori, în cazul întrerupătoarelor automate;
- de cel puţin 2,5 ori, în cazul întrerupătoarelor manuale.

Aparatele de deconectare vor fi prevăzute cu comandă la distanţă sau cu dispozitiv de acţionare cu părghie, protejat contra atingerii accidentale a părţilor sub tensiune.

Instalaţiile bateriilor de condensatoare se vor echipa cu câte un ampermetru pe fiecare fază şi cu un voltmetru cu comutator voltmetric.Conectarea şi deconectarea bateriei se poate face printr-un întreruptor comun (fig.8) sau poate fi independentă de funcţionarea unui anumit receptor inductiv (fig.9).

Descărcarea normală (autodescărcarea) condensatoarelor de sarcina electrică cu care rămân încărcate la deconectare (tensiunea lor este egală cu tensiunea instalaţiei în momentul întreruperii), durează câteva ore. Este necesară grăbirea acestei descărcări, atât pentru prevenirea accidentelor de personal, cât şi pentru evitarea şocurilor de curent datorate reconectării la instalaţie a condensatoarelor încărcate.

Pentru acestă bateriile de condensatoare vor fi prevăzute cu dispozitive de descărcare, automate sau manuale, astfel dimensionate încât după un minut de la deconectarea bateriei, tensiunea la bornele condensatoarelor să scadă sub 24V.

Pentru descărcare se pot întrebuinţa reactanţe inductive sau rezistenţe active, montate în paralel cu condensatoarele. Este indicată montarea rezistenţelor de descărcare pe toate cele trei punţi (R – S, S – T, T - R), legarea în triunghi asigurând descărcarea condensatoarelor chiar dacă una din rezistenţe este defectă (fig.9).În cazul în care condensatoarele se montează în paralel cu înfăşurările motoarelor sau transformatoarelor, aceste înfăşurări servesc şi ca rezistenţe de descărcare (fig.10).

Valoarea rezistenţei de descărcare se determină cu relaţia:

unde: t - timpul de descărcare în secunde; U - tensiunea între faze în V; ω - pulsaţia; ω = 2πf, unde f este frecvenţa; Uad - tensiunea remanentă a bateriei, admisă la sfâşitul descărcării, în V; QC - puterea reactivă a bateriei (treptei) în kVAr.

Exemplu: Dacă se consideră t = 60s, U=380V, ω=314 (pentru f=50Hz) şi Uad=24V, se obţine:

Pentru bateriile trifazate se va lua QC/3 pentru o punte între două faze. Spre exemplu, pentru o baterie trifazată de 150kVAr, 380V, rezultă ca necesară pe fiecare punte câte o rezistenţă de descărcare de:

Puterea absorbită de una din rezistenţe este:

De regulă, rezistenţele de descărcare sunt conectate permament în paralel cu bateria de condensatoare (fig.9). Pentru economie de energie şi lămpi (când acestea se folosesc ca rezistenţe), conectarea rezistenţelor se poate face numai la deconect

area bateriei, prin contactele auxiliare ale întrerupătorului automat (fig.11).

Puterea reactivă produsă prin baterii de condensatoare se reglează prin variaţia în trepte a numărului de condensatoare în funcţiune, cu ajutorul unor contactoare. Contactoarele pentru reglaj pot fi comandate manual sau automat.În cazul conectării automate a treptelor bateriei de condensatoare, timpul de descărcare trebuie să asigure, pâna la conectarea următoare, reducerea tensiunii la bornele bateriei până la valoarea de 0,1UN.

În acest caz, valoarea rezistenţelor de descărcare se determină în funcţie de modul de conectare a acestora la bateria de condensatoare şi în funcţie de constanta de timp T corespunzător lui t şi Uad (fig.12).

Reglarea automată a capacităţii în funcţionare a bateriei de condensatoare, în funcţie de cererea de putere reactivă, se poate realiza cu ajutorul unui "limitator de putere reactivă", care funcţionează pe principiul contorului monofazat de putere reactivă. Cuplul motor al limitatorului este proporţional cu puterea reactivă măsurată şi acţionează asupra unui arbore cu came. Acesta produce închiderea sau deschiderea circuitelor releelor de comandă a contactoarelor, care introduc sau scot din circuit condensatoare de anumite puteri.

Conectarea automată a bateriei şi reglajul automatizat al acesteia se poate face pe lângă utilizarea releelor varmetrice (fig.7) şi prin relee de tensiune (fig.13) sau prin relee de timp (fig.14).

Temporizarea trebuie să fie reglabilă până la 10 minute, iar variaţia de tensiune datorată conectării bateriei trebuie să nu depăşească diferenţa între reglajele releelor de tensiune maximă şi minimă.Baterii mari de condensatoare se leagă la barele colectoare prin cabluri (nu sunt indicate legăturile aeriene), dimensionate şi la curentul de şoc produs la conectare.

Pentru micşorarea curenţilor care apar la conectarea unei baterii de condensatoare în paralel cu altă baterie, se pot instala bobine de reactanţă în aer (formate din conductor izolat, în 10 - 12 spire cu diametrul de 5 - 6 cm), înaintea fiecărui întreruptor automat (fig.15).

Tensiunea de serviciu a condensatoarelor poate depăşi tensiunea lor nominală cu până 10%, pentru perioade mai mici de 24ore şi cu cel mult 4%, pentru perioade mai mari. Variaţiile de tensiune duc la mărirea proporţională a câmpului şi la creşterea pierderilor în dielectric, proporţională cu pătratul tensiunii.

Se înrăutăţesc astfel condiţiile de funcţionare a condensatoarelor şi se scurtează viaţa lor. Bateriile de condensatoare se instalează în încăperii ventilate, fără praf şi vapori de gaze corozive şi în care temperatura ambiantă nu depăşeşte 350C.Condensatoarele se montează pe stelaje metalice, pe cel mult două rânduri şi trei nivele, asigurându-se spaţiile necesare pentru circulaţia aerului. În cazul instalării condensatoarelor în dulapuri metalice montate în exterior, acestea se vor aşeza deasupra solului, pe postamente de beton şi se vor amplasa de preferinţă în partea de nord a staţiilor electrice, ferite de soare.

Stelajele şi dulapurile metalice, precum şi bornele de legare la pământ ale condensatoarelor, se vor lega la instalaţia generală de protecţie. Temperatura condensatoarelor nu va depăşi 600C; în caz contrar se reduce simţitor durata lor de serviciu. Controlul temperaturii condensatoarelor (obişnuit cu ajutorul termocuplelor instalate la fiecare condensator), permite descoperirea la timp a celor cu secţii stăpunse şi deconectarea lor înainte de a se produce scurtcircuitarea bornelor.

În condiţii normale de exploatare, durata de funcţionare a condensatoarelor se poate aprecia la 10 ani. La unităţile trifazate suspuse la un sistem simetric de tensiuni, curentul pe diferite faze nu trebuie să difere cu mai mult de 10% din valoarea celui mare. Condensatoarele unitare trebuie să poată funcţiona perioade lungi de timp sub o tensiune între borne care să nu depăşească 1,10*UN.

Condensatoarele unitare trebuie să poată funcţiona în mod continuu cu un curent de fază a cărui valoare eficace nu depăşeşte de 1,3 ori curentul de fază la tensiunea şi frecvenţa nominală.

În unităţile trifazate, raportul valorilor maxime şi minime ale capacităţilor, măsurate între două borne de linie (borne la care se conectează conductorii de alimentare) oarecare, nu trebuie să depăşească 1,06.

Puterea reactivă Q a condensatorului se poate calcula cu relaţia:

unde:
- capacităţile măsurate între două borne de linie ale unui condensator trifazat cuplat în triunghi sau în stea, în uF;
- tensiunea nominală de alimentare, în kV;
- pulsaţia corespunzătoare frecvenţei nominale.

Pe eticheta fiecărui condensator se indică tipul de montaj prin următoarele simboluri:
Δ - triunghi;
Y - stea;-
Y- stea cu neutrul accesibil;
III - trei secţiuni fără interconexiuni interne.

Depozitarea condensatoarelor se face în încăperi acoperite şi uscate. Uzual, se folosesc scheme de conexiuni pentru stelaje cu 10 şi 15 condensatoare în module, respectiv trepte de reglaj, de 75; 150 şi 225kVAr, montate pe schelet cu 2 sau 3 nivele. O schemă de conexiuni pentru 15 condensatoare este redată în figura 16.

Cinci condensatoare conectate prin bare formează un modul de reglaj de 75kVAr. Fiecare treaptă de reglaj se leagă obligatoriu separat la dispozitivul cu lămpi pentru descărcare şi semnalizare. Fiecare condensator se leagă separat la bara de nul.

5. Determinarea puterii instalaţiilor de compensare

Factorul mediu ponderat se stabileşte pentru un anumit interval de timp (de obicei, o lună de zile), pe baza citirilor contoarelor de energie activă şi reactivă, cu relaţia:

unde:
- Wa - energia activă consumată în intervalul de timp considerat;
- Wr - energia reactivă consumată în acelaşi interval.

Cantitatea de energie reactivă Wre pe care trebuie să o producă instalaţia de compensare, pentru a realiza un factor de putere mediu cerut, se determină cu relaţia:

unde:
- Wa - energia activă consumată pe timp de un an, în kW;
- tanφ1 - corespunde factorului de putere mediu existent;
- tanφ2 – corespunde factorului de putere mediu îmbunătăţit, propus a se realiza.

Valorile tangentelor se iau din tabele sau se calculează cu relaţia:

Puterea reactivă QC necesară instalaţiei de compensare se obţine cu relaţia:

unde TC este durata de utilizare, în ore, a instalaţiei de compensare, într-un an.

În cele de mai sus nu s-a luat în consideraţie reglarea puterii în instalaţia de compensare.
În cazul în care se dă factorul de putere mediu ponderat la sarcina maximă activă P, determinarea puterii instalaţiei de compensare necesară pentru îmbunătăţirea factorului de putere, de la cosφ1 la cosφ2, se face cu relaţia: