Меню

Гармонические составляющие напряжения по цепям питания

Максимально просто о гармониках и проблемах, возникающих от них

Анонс: Что такое гармонические искажения, гармоники и как они влияют на стабильность электроснабжения и качество электроэнергии в сети. Эмиссия гармонических искажений силовым оборудованием, проблемы технических средств компенсации реактивной мощности и фильтров гармоник.

В идеале любой источник питания, в том числе ТП распределительной сети, должен стабильно давать ток идеально синусоидального напряжения в каждом месте силовой сети абонента-потребителя, однако по ряду причин электросетевым компаниям часто бывает трудно обеспечить такие условия из-за эмиссии и трансмиссии гармонических искажений. Гармонические искажения тока, напряжения далеко не новость, но в настоящее время они представляют собой одну из основных проблем, вызывающих нарушения стабильности электроснабжения и качества электроэнергии в электроэнергетике.

В первых электроэнергетических системах гармонические искажения в основном вызывались насыщением трансформаторов, промышленных дуговых печей, мощных электросварочных аппаратов и т. п., а сами гармоники представляли сравнительно небольшую проблему из-за консервативной конструкции силового оборудования. Сегодня все более широкое использование нелинейных нагрузок в силовых сетях промышленных и непромышленных объектов обуславливает увеличение объемов гармонических искажений в распределительных сетях, причем именно через распределительные сети из-за «перегенерации» искажений трансформаторами ТП электросетевой компании силовые сети абонентов обмениваются гармониками между собой, (трансмиссия).

Наиболее часто используемой нелинейной нагрузкой является, пожалуй, ШИМ-преобразователь, широко используемый в сталелитейной, бумажной и текстильной промышленности, в приводах управление скоростью электродвигателя.

Гистограмма амплитуд гармоник, генерируемых в шестипульсном ШИМ-преобразователе

Наряду с этим, свой вклад в засорение сетей гармониками вносят системы энергосберегающего освещения, электроника центров обработки данных, программно-технических комплексов АСУ, электрические транспортные системы, бытовые электроприборы и т. д. К 2000 году было зафиксировано, что на электронные нагрузки приходилось около половины спроса на электроэнергию в США и развитых странах мира, а за два десятка лет нового века эта доля возросла до 70-80 %, и это вывело проблему гармонических искажений в перечень приоритетных и критических.

Для справки
Упрощенно, нелинейные нагрузки — это нагрузки, в которых форма волны тока не похожа на форму волны приложенного напряжения по ряду причин, например, из-за использования электронных переключателей, которые проводят ток только в течение части периода промышленной частоты и, следовательно, здесь закон Ома не может описать связь между напряжением и током. Среди наиболее распространенных нелинейных нагрузок — все типы выпрямительных устройств, в том числе источники бесперебойного питания, преобразователи напряжения компьютеров, частотно-регулируемые приводы, электрические печи, люминесцентные лампы и т. д. Нелинейные нагрузки вызывают искажение формы сигнала напряжения, перегрев трансформаторов и других силовых устройств, перегрузку по току проводов и клемм соединения оборудования, телефонные помехи, сбои в управлении микропроцессорами и пр.

Сам термин «гармоники» заимствован из области акустики, где он был связан с вибрацией струны или молекул воздуха с частотой, кратной базовой частоте, а гармоническая составляющая в системе питания переменного тока определяется как синусоидальная составляющая периодической формы волны, частота которой равна целому кратному основной частоте системы. Тогда гармоники в формах волны напряжения или тока можно представить, как идеально синусоидальные составляющие частот, кратных основной частоте: fn=(n)·f1, где n — порядок гармоники. Т. е. для наших сетей с f1=50 Гц частота третьей (n = 3) гармоники будет f3=3·50=150 Гц, пятой (n=5) f5=5·50=250 Гц, седьмой (n=7) f7=7·50=350 Гц и т. д. Хотя кривые зависимости тока на фундаментальной частоте и токов гармоник имеют форму синусоиды, результирующая кривая искажена из-за взаимного влияния токов разных частот (см. на рис. ниже).

Синусоиды тока фундаментальной частоты и токов 3, 5 и 7-й гармоник (сверху), результирующая кривая тока в силовой сети из-за взаимного влияния токов разных частот (снизу

Ситуация стала более сложной с применением конденсаторных батарей, используемых на промышленных предприятиях для коррекции коэффициента мощности, и энергокомпаниями для стабилизации напряжения вдоль распределительных линий. Результирующее реактивное сопротивление емкости образует колебательный контур с индуктивным реактивным сопротивлением системы на определенной (резонансной) частоте, которая может совпадать с одной из характеристических гармоник нагрузки, что обуславливает значительный наброс токов гармоник, перенапряжения, способные повредить изоляцию. По факту далеко не решает проблему в полном объеме использование активных фильтров гармоник (АФГ), по сути, тех же ШИМ-преобразователей (инвертеров), которые демпфируют гармоники противофазными токами «ниже» места присоединения, а для силовой сети «выше» остаются источниками эмиссии гармонических искажений.

Такая ситуация ставит перед инженерами сложную задачу по выявлению и исправлению чрезмерных уровней гармонических искажений формы сигналов тока и напряжения от стадии планирования до стадии проектирования энергетических и промышленных установок, что позволит не только поддерживать сети и оборудование в оптимальных условиях эксплуатации, но и предвидеть потенциальные проблемы с интеграцией, модернизацией нелинейных нагрузок, а также технических средств для нивелирования перетоков реактивной мощности и/или фильтров гармоник.

Источник

Гармоники тока и напряжения в электросетях

Проблема гармоник….

Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети. Если вы сталкиваетесь с таким оборудованием или имеете опыт работы в сетях с гармониками, тогда дроссели с конденсаторами или фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) могут прийти вам на помощь. Гармонические искажения и связанные с этим проблемы в электрических сетях, становятся все более превалирующими в распределительных сетях.

Проблемы создаваемые гармониками.

дополнительный нагрев и выход из строя конденсаторов, предохранителей конденсаторов, трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и т.п.;

ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;

наличие третьей гармоники и ее производных 9,12 и т.д. в нейтрали может потребовать увеличения сечения ее проводника;

гармонический шум (частые переходы через 0) может служить причиной неправильной работой компонентов систем контроля;

повреждение чувствительного электронного оборудования;

интерференция систем коммуникации.

Следующие разделы являются описанием гармоник, характеризацией проблемы и поиском решения.

Происхождение гармонических искажений

Постоянно увеличивающиеся требования промышленности и народного хозяйства к стабильности, приспосабливаемости и точности контроля в электрическом оборудовании привело к появлению относительно дешевых силовых диодов, тиристоров, SCR (Silicon Controlled Rectifier) и других силовых полупроводников.

Сейчас, широко используемые в выпрямительных цепях UPS полупроводники, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска пришедшие на смену устаревшим устройствам изменили картину формы тока и напряжения в электросетях. Хотя твердотельные реле, такие как тиристоры привнесли существенные изменения в схемотехнику систем контроля, они, также, создали проблему генерации гармоник тока. Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжающие сети, а также перегружать косинусные конденсаторы служащие для компенсации реактивной мощности (при увеличении частоты, снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него).

Мы сфокусировали наше внимание на таких источниках гармоник, как твердотельные элементы силовой электроники, однако существует много других источников гармонических токов. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных типах:

Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты.

Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы)

Насыщаемые устройства: Трансформаторы, двигатели, генераторы, и т.д. Гармонические амплитуды на этих устройствах являются обычно незначительна по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии что насыщение не происходит.

Форма синусоиды тока

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (т.е 1-я гармоника=50 Гц, 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Переходные возмущения обычно решаются путем установки подавляющих или разделяющих (изолирующих) устройств, таких как импульсных конденсаторов, изолирующих (разделяющих) трансформаторов. Эти устройства помогают устранить переходные возмущения, но они не помогают устранить гармоники низких порядков или устранить проблемы резонанса в связи с присутствием гармоник в сети.

Гармоническое содержание синусоиды

Тиристоры и SCR выпрямители обычно проявляются числом пульсаций постоянного тока которые они производят каждый период. Обычно это 6-и или 12-пульсные выпрямители. Есть много факторов, которые могут влиять на гармоническое содержание, но типичные гармонические токи, показанные как процент от фундаментального тока 50 Гц, показаны в таблице. Другие номера гармоник также будут присутствовать, в небольшой степени, но из практических соображений они не приводятся.

Источник

Влияние гармоник напряжения и тока

За последние 3 года центр электромагнитной безопасности исследовал в Москве состояние систем электроснабжения в крупнейших зданиях, имеющих сети с сотнями и тысячами компьютеров. Анализ собственных данных и зарубежных публикаций, привели специалистов к выводу, что Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой. Ее суть в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях, оснащенных компьютерной техникой, «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками.

Читайте также:  В цепи переменного тока с конденсатором колебания напряжения а совпадают

В случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10-15 %, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения не возникает. При превышении указанного предела появляются различные проблемы в эксплуатации. В зданиях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25%, отдельные проблемы могут проявиться сразу [3,6]. Аналогичная проблема возникает при наличии нелинейных нагрузок типа полупроводниковых [9].

Реальная часто встречающаяся форма напряжения показана на рис. 1, а идеальная, в сравнении с синусоидальной – на рис. 2

Рис. 1. Реальная форма напряжения при нелинейной нагрузке [12]

Рис.2. Искажение синусоидального напряжения и появление гармонических составляющих [15]

Теория

Эффект гармоник кратных третьей:

Высшие гармоники тока кратные трем (т.е. 3, 9, 15, 21 и т. д.), определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах. В сбалансированной (симметричной) трехфазной системе гармонические (синусоидальные) токи во всех трех фазах сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу, и в результате сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю. Следовательно, не возникает и падения напряжения на проводнике нейтрали в кабеле.

Это утверждение остается справедливым для большинства гармоник. Однако некоторые из них имеют направление вращения вектора тока в ту же сторону, что и основная гармоника (первая, «фундаментальная», т.е. 50 Гц), то есть они имеют прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении и, таким образом, имеют обратную последовательность. Это не относится к гармоникам, кратным третьей.

В трехфазных цепях они сдвинуты на 360 градусов друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали. В результате, с учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи.

Гармоники, кратные третьей, приводят к падениям напряжения как в нейтрали, так и в фазных проводниках, вызывая искажения формы напряжения на других нагрузках, подключенных к этой сети [6]

Активный ток Ia совпадает по фазе а напряжением сети. Реактивный ток Ir сдвинут на 90 градусов относительно активного или же отстает при индуктивной нагрузки и опережает для емкостной нагрузки. Полный ток It – результирующий первых двух составляющих, протекающий от источника к потребителю.

Рис. 1. Векторная диаграмма токов [14]

Если умножить ток на общее напряжение, то получаются составляющие по мощности:

полная мощность S = UI (кВа),

активная мощность P = UI cos φ (кВт).

реактивная мощность Q = U I sin φ (квар)

Рис. 2. Векторная диаграмма мощностей

Коэффициент мощности КМ определяется так:

КМ = P/S = активная мощность (кВт) / полная мощность (кВА)

Если токи и напряжения синусоидальны, то КМ = cos φ, а tg φ = Q/P

Если же токи и напряжения искажены, т.е. имеют гармоники, то

произведение UI больше кажущейся мощности при 50 Гц; остаток от вычитания единицы из отношения UI к S называют коэффициентом искажения kи = UI / S — 1

Среднее значение реактивной мощности Q за период равно нулю, так как за это время синусоидальное напряжение меняет направление четыре раза. Искажение формы синусоиды и возникновение гармоник приводит к серьезным техническим и эконмическим последствиям. На рис. 3 показано, что чем больше величина Q, тем больше передаваемая полная мощность и ток.

Рис.3. Связь полной мощности и реактивной

Циркуляция реактивной мощности Q по распределительной сети увеличивает потребляемый ток и вызывает:

  • перегрузку трансформаторов,
  • дополнительный нагрев питающих шинопроводов или кабелей,
  • дополнительные потери электроэнергии,
  • значительные потери напряжения.

Поэтому, рекомендуется производить реактивную мощность как можно ближе к нагрузкам, чтобы избежать её потребление из сети. Такое решение называется «компенсацией реактивной мощности».

Чтобы выработать и поставить реактивную мощность индуктивным потребителям, используются конденсаторы.

Причины искажения формы синусоидального переменного напряжения

Гармонические искажения напряжений и токов возникают из-за наличия в сетях элементов или оборудования с нелинейной вольт-амперной характеристикой . [1]

Источники искажения синусоидального напряжения могут быть сгруппированы по основным типам.

  1. Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители, конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты.
  2. сварочные машины, дуговые печи, системы управления токами наложенной частоты, дуговые плавильные печи, сварочные автоматы; сварочные машины и дуговые сталеплавильные печи генерируют широкий и непрерывный спектр гармоник. частоты гармоник, генерируемых преобразовательным оборудованием.[11]
  3. трансформаторы с нелинейными характеристиками, особенно с насыщением;
  4. статические преобразователи частоты, циклоконверторы, выпрямительные установки;
  5. индукционные двигатели, двигатели, генераторы, и т.д. [5], индукционные двигатели могут генерировать гармоники из-за наличия зазора между статором и ротором, особенно в сочетании с насыщением стали; при нормальной скорости вращения ротора частоты гармоник находятся в диапазоне 500-2000 Гц, но при запуске двигателя «пробегают» весь диапазон частот вплоть до установившегося значения; помехи, создаваемые двигателями, могут быть значительными при установке их в конце длинной линии низкого напряжения (более 1 км); в этих случаях были замерены гармоники величиной до 1%;
  6. бытовая техника: компьютеры, телевизоры, СВЧ-печи,
  7. вращающиеся машины — генераторы и двигатели, вращающееся поле которых не идеально синусоидально. При этом удается погасить гармоники первых порядков, которые более значительны, чем высшие гармоники и имеют меньшие значения и хуже распространяются по системе.
  8. насыщенные магнитные цепи, в первую очередь трансформаторы, в которых отношение между индукцией В и магнитным полем Н нелинейно. Для намагничивающего тока в первом приближении можно принять, что основная гармоника преобладает, а другие гармоники незначительны. Однако при этом магнитный поток, а следовательно, и напряжение на зажимах не могут рассматриваться как синусоидальные.
  9. освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы); газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты [6]

Современные осветительные системы обладают рядом свойств, вредно влияющих на питающую сеть и подключаемые к ней устройства. Наиболее важными из этих свойств являются гармонические искажения потребляемого из сети тока и низкий коэффициент мощности

Основные источники высших гармоник:

  • разрядная плазма;
  • насыщение трансформаторов в низковольтных системах;
  • электронные регуляторы и ограничители напряжения;
  • высокочастотные ПРА;
  • низковольтные устройства питания ГЛН, называемые электронными трансформаторами [4]

Наиболее серьезные нарушения из-за больших амплитуд гармоник в электрической сети получаются при работе мощных управляемых вентильных преобразователей . При этом порядок высших гармонических составляющих тока и напряжения в сети определяется по формуле

где m — число фаз выпрямления;

k — последовательный ряд натуральных чисел (0,1,2…).[8]

Негативное влияние гармонических составляющих напряжения

Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в трансформаторах. Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах увеличение потерь на гистерезис и потерь, связанных с вихревыми токами в стали, а так же потерь в обмотках. Сокращается также срок службы изоляции. Эти потери могут привести к значительным потерям энергии и быть причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева. Протекание по обмоткам трансформатора несинусоидальных токов, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, приводит к увеличению активного сопротивления обмоток трансформатора и, как следствие, к дополнительному нагреву. Срок службы трансформатора зависит от нагрева его частей и не позволяет при несинусоидальном токе использовать трансформатор на всю его номинальную мощность, ее приходится занижать. Например, полная загрузка трансформатора может наступить при использовании лишь 80% номинальной мощности, указанной в его паспортных данных.

Если не учитывать превышение температуры и попытаться использовать трансформатор «в соответствии» с его номинальными данными, срок его службы иногда может сократиться с 40 лет до 40 дней. Кроме того, высокочастотные гармоники тока — это причина появления вихревых токов в обмотках трансформатора, что вызывает дополнительные потери мощности и перегрев трансформатора. Для линейных нагрузок потери на вихревые токи составляют в общих потерях приблизительно 5%, с нелинейной нагрузкой они иногда возрастают в 15-20 раз.

Сокращение срока службы электрооборудования из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции. При рабочих температурах в изоляционных материалах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств. С ростом температуры эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования. В конденсаторах потери энергии пропорциональны частоте, поэтому несинусоидальный ток приводит к их дополнительному нагреву. В электрических машинах токи нулевой последовательности создают дополнительное подмагничивание стали, что приводит к ухудшению их характеристик и дополнительному нагреву сердечников (статоры асинхронных двигателей, магнитопроводы трансформаторов).

Сущность электрического старения состоит в возникновении так называемых частичных разрядов, которые распространяются лишь на часть изоляционного промежутка, например, частичные разряды в газовых включениях. Частичные разряды связаны с рассеянием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействия на окружающий диэлектрик. В результате развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к сокращению срока службы.

Читайте также:  Чел в напряжении мем

Возможен перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий вследствие их перегрузки токами третьей гармоники. Это происходит тогда, когда токи в нулевых рабочих проводниках значительно превосходят токи фазных проводников, а защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводников не предусмотрена (п.1.3.10 ПУЭ). Отметим также ускоренное старение изоляции при повышении рабочей температуре токонесущих проводников. Нулевой рабочий проводник не защищен от перегрева автоматическими выключателями либо предохранителями (п.3.1.17 ПУЭ). «Старые» системы электроснабжения проектировались только под линейную нагрузку, т.е. потребляемый электроприемниками ток содержал лишь основную гармонику (50 Гц). Следовательно, ток в нулевом рабочем проводнике не мог превосходить ток в наиболее нагруженной фазе, т.е. защита на фазных проводниках одновременно защищала от перегрева и нулевой рабочий проводник. Кроме того, в процессе эксплуатации неравномерность распределения токов по фазам должна быть не более 10% (п.6.6 табл.6 Приложение 1, ПЭЭП). Поэтому при определении длительно допустимых токов по условиям нагрева проводов и кабелей нулевой рабочий проводник четырехпроводной системы трехфазного тока, заземляющие и нулевые защитные проводники в расчет не принимаются (п.3.1.10 ПУЭ), поскольку ток в этих проводниках при наличии линейных электропотребителей существенно меньше токов в фазных проводниках. В кабельных линиях гармоники напряжения увеличивают воздействие на диэлектрик пропорционально увеличению максимального значения амплитуды. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабеля и стоимость ремонтов.

В случае нелинейных электропотребителей токи в нулевых рабочих проводниках превышают фазные (предельно — в 1,73 раза, когда ширина импульса тока равна 60 электрическим градусам). Поэтому значения длительно допустимых токов, приведенных в таблицах 1.3.4—1.3.7 ПУЭ, в случае нелинейных электропотребителей должны быть снижены. На корпусах электрооборудования, подключенного к нулевому проводу, могут возникать напряжения, оказывающие при прикосновении раздражающее влияние на человека.

Все сказанное в равной мере относится и к шинопроводам. В ПУЭ еще не прописаны количественные данные по неравномерности распределения токов по шинам (по фазам) и по величинам допустимых гармоник. Однако 10% барьер или предел по гармоникам, указанный для проводников одинаково верен и для шинопроводов.

Резонансные явления на частотах высших гармоник

При наличии высших гармоник в электрических цепях со сосредоточенными и распределенными параметрами, какими могут быть представлены блоки, узлы и распределительные сети системы электропитания, возникает опасность появления резонансных явлений. При возникновении резонансного или близкого к нему режима на какой-либо высшей гармонике тока или напряжения эта составляющая оказывается больше, чем амплитудное значение первой гармоники тока (напряжения) на тех же участках цепи. Это отрицательным образом может отразиться на работоспособности отдельных элементов и узлов системы.

Влияние высших гармоник на устройства защиты энергосистем

Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Цифровые реле и алгоритмы, основанные на анализе выборки данных или точки пересечения нуля, особенно чувствительны к гармоникам. Чаще всего изменения характеристик несущественны. Большинство типов реле нормально работает при коэффициенте искажения до 20%. Однако увеличение доли мощных преобразователей в сетях может в будущем изменить ситуацию.

Проблемы, возникающие из-за гармоник, различны для нормальных и аварийных режимов и ниже рассмотрены отдельно. Происходит ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств. Этот процесс обусловлен протеканием несинусоидальных токов и, следовательно, действием поверхностного эффекта и эффекта близости.

Снижение уровня выпрямленного напряжения. Деформация синусоиды питающего напряжения приводит к снижению значения амплитуды входного напряжения, вследствие этого снижается напряжение на конденсаторе (рис. 2) [3]

Высшие гармонические составляющие в токах нелинейных электропотребителей приводят к негативным, а иногда и катастрофическим последствиям.

Влияние гармоник на измерение мощности и энергии

Измерительные устройства обычно калибруются при чисто синусоидальном напряжении и увеличивают погрешность при наличии высших гармоник. Величина и направление гармоник являются важными факторами, так как знак погрешности определяется направлением гармоник. Погрешности измерения, вызываемые гармониками, сильно зависят от типа измерительной аппаратуры. Обычные индукционные счетчики, как правило, завышают показания на несколько процентов (по 6%) при наличии у потребителя источника искажения. Такие потребители оказываются автоматически наказанными за внесение искажений в сеть, поэтому в их собственных интересах установить соответствующие средства для подавления этих искажений.

Способы уменьшения гармоник

Снижение несинусоидальности напряжения обеспечивается или рациональным построением схемы электрической сети предприятия, при которой коэффициент перекручивания кривой напряжения будет в допустимых границах, или применением специальных схем нелинейных нагрузок, а также корректирующих устройств. На практике, как правило, соединят разные методы [7]

Наиболее эффективными средствами борьбы с гармониками, очевидно, являются те, которые предотвращают явления, генерирующие гармоники. В частности, во вращающихся машинах число, форма и распределение пазов должны быть подобраны так, чтобы уничтожить по крайней мере гармоники низкого порядка (это хорошо удалось сделать в отношении гармоник 3, 5 и 7-го порядков, несколько хуже — гармоник выше 7-го порядка, а гармоники выше 11-го порядка имеют незначительные коэффициенты).

Подобные конструктивные меры не всегда экономичны, поэтому следует искать оптимальное соотношение между стоимостью аппарата и потерями, вызываемыми гармониками. Это, в частности, относится к трансформаторам, в которых при желании избавиться от гармоник (не превосходя, однако, порога насыщения) надо было бы значительно увеличить сечение сердечников и ярма, а следовательно, вес и стоимость этих аппаратов.

Имеются и такие аппараты, в которых нельзя уменьшить гармоники конструктивными средствами (например, в выпрямителях, металлических ртутных выпрямителях). При этом между аппаратом и системой необходимо располагать устройство, способное помешать гармоникам распространиться в систему. Это устройство является фильтром, иногда состоящим из конденсаторов, иногда образованным сочетанием емкостных и индуктивных сопротивлений, включенных последовательно и параллельно таким образом, чтобы получить полосу пропускания необходимой ширины.

Фильтры, включаемые параллельно, представляют собой цепи с большой полной проводимостью, поглощающие мощности гармоник. Они могут быть дополнены другими фильтрами, включаемыми последовательно в систему и образующими фильтрыпробки. В передачах постоянного тока необходимо установить фильтры, чтобы ограничить доступ в систему гармоник. Для люминесцентных ламп большой мощности применяются устройства компаундирования, представляющие собой фильтр гармоник.

Эффективным является способ, препятствующий распространению гармони за счет применения трансформатора, в котором хотя бы одна из обмоток соединена в «треугольник».

В тех случаях, где гармоники становятся вредными, надо прежде всего избежать их усиления, создавая для них настолько «острый» резонанс, чтобы незначительного изменения емкостных (или индуктивных) сопротивлений установки было достаточно для устранения тех или иных гармоник.

Для конденсаторных батарей, которые весьма чувствительны к перегрузкам гармониками, возможно применение последовательно включаемых индуктивностей для создания таким образом низкочастотного фильтра; На практике процент гармоник напряжений, существующих в системе, почти всегда достаточно мал и не вызывает опасного нагрева конденсаторных батарей (при отсутствии других резонансных явлений) [1]

Можно исключить гармоники 3-го порядка, соединяя обмотки в «треугольник» и этим создавая для них короткое замыкание, поскольку они униполярны.

Учитывая, что большинство офисов располагается в зданиях, не рассчитанных на значительный рост нелинейных нагрузок, необходим особый подход к эксплуатации систем электроснабжения этих построек. Действия по предупреждению негативного воздействия высших гармоник:

  1. Выделить полную номенклатуру всех электропотребителей общего назначения, относящихся к категории нелинейных и вызывающих генерацию повышенной доли высших гармоник в сетях электроснабжения.
  2. Провести диагностику состояния сети электропитания для предупреждения пожароопасных и аварийных ситуаций на объектах с долей установленной мощности нелинейных электропотребителей 10% и выше. Дать прогноз работы сети электропитания с точки зрения оценки доли высших гармоник, качества электроэнергии, токовых нагрузок фазных и нулевых рабочих проводников с учетом несинусоидальности токов и напряжений. 3. Учитывать влияние нелинейности нагрузок электропотребителей и наличия высших гармонических составляющих при выполнении проектов реконструкции существующих систем электроснабжения и разработке новых проектов. В том числе при выполнении расчета условий тепловыделения, уровней падения напряжения в кабельных линиях и оценке влияния нелинейных нагрузок на качество питающего напряжения у конечных электропотребителей.
  3. Прогнозировать возможные последствия роста компьютерных нагрузок при расширении компьютерных сетей.
  4. Проводить работы по диагностике и анализу систем электроснабжения, используя в дополнение к действующим российским нормативным документам, и стандарт США IEEE Recommended Practice for Industrial and Commercial Power Systems Analysis (IEEE Brown book) (ANSI) IEEE Std 399—1997. [3]

Основные способы подавления высших гармоник тока путем применения:

    Простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник тока во внешнюю сеть является последовательное включение линейных дросселей. Такой дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. При этом снижается коэффициент амплитуды (крест-фактор) и коэффициент искажения входного тока. Дроссели могут быть установлены как внутри ИБП, так и расположены на выходном конце кабеля (т.е. на стороне нагрузки). Тогда токи третьей гармоники циркулируют между нагрузкой и фильтром, частично снижая суммарный ток в проводнике нейтрали.
Читайте также:  Что является определением термина защита при косвенном напряжении

Обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы

В первую очередь необходимо добиться, насколько это возможно, сбалансированности нагрузок по фазам. При этом обеспечивается минимальный ток в проводнике нейтрали и минимальное содержание гармоник в выходном напряжении ИБП. Соответствующие схемы контроля и управления в ИБП будут поддерживать номинальное действующее значение выходного напряжения, в то же самое время стремясь обеспечить его синусоидальную форму. Не всегда возможно одновременно выполнить обе эти функции.

Применение пассивных фильтров.

Применение последовательно включенных линейных дросселей в ряде случаев не позволяет уменьшить гармонические искажения тока до желаемых пределов. В этом случае целесообразно применение пассивных LC-фильтров, настроенных на определенный порядок гармоник. Для улучшения гармонического состава потребляемого тока такие фильтры нашли широкое применение в системах с источниками бесперебойного питания (UPS). Подключение фильтра на входе шестиполупериодного выпрямителя при 100% нагрузке UPS обеспечивает снижение коэффициента искажения тока до величины 8-10% . Значения этого коэффициента в системе без фильтра может достигать 30% и более.

Различают следующие разновидности пассивных фильтров:

  • нескомпенсированный LC-фильтр;
  • скомпенсированный LC-фильтр;
  • нескомпенсированный LC-фильтр с коммутатором.

Нескомпенсированный фильтр содержит продольную индуктивность Др1 и поперечную цепь, состоящую из последовательно включенных индуктивности Др2 и емкости С, настроенных на определенную гармонику. Если фильтр настроен на 5-ую гармонику, то сопротивление поперечной цепи близко к нулю и ток, потребляемый от источника, не будет содержать эту гармонику. Фильтрующие устройства, разработанные на основе пассивных реактивных элементов, достаточно разнообразны. Для подавления гармонических составляющих используются следующие пассивные фильтрующие устройства:

  • поперечные компенсаторы;
  • продольные заградительные контуры;
  • поперечные резонансные цепи;
  • П-образные фильтрующие звенья.
    [1].

Применение специальных разделительных трансформаторов.

Разделительный трансформатор с обмотками «треугольник-звезда» позволяет эффективно бороться с гармониками, кратными третьей, при сбалансированной нагрузке. Для ослабления влияния несимметрии нагрузки и уменьшения тока нейтрали применяют «перекрестную» (зигзагообразную) систему обмоток, где вторичная обмотка каждой фазы разбита на две части и размещена на разных стержнях магнитопровода трансформатора.

Применение магнитных синтезаторов.

Магнитный синтезатор обеспечивает защиту нагрузки от различных искажений электропитания, в частности, от провалов и выбросов напряжения, импульсных и высокочастотных помех, наличия высших гармоник, вызывающих искажения синусоидальной формы входного напряжения. Выходное напряжение магнитного синтезатора на каждом полупериоде основной частоты генерируется путем объединения шести прямоугольных импульсов от связанных между собой трансформаторов с насыщением, аналогично инверторам со ступенчатым (пошаговым) принципом управления. Однако магнитный синтезатор не содержит каких-либо силовых полупроводниковых элементов, выполняя функцию стабилизатора напряжения.

Применение активного кондиционера гармоник

Активный кондиционер гармоник (Active Harmonic Conditioner — AHC) в отличие от магнитного синтезатора подключается не последовательно с нелинейной нагрузкой, а параллельно ей. Принцип действия активного кондиционера гармоник (АКГ) основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.

Снижение полного сопротивления распределительной сети

Это один из эффективных методов снижения нелинейных искажений. Кабели и сборные шины имеют полное сопротивление, которое прямо связано с длиной линий. Увеличение сечения кабелей (проводов) снижает активное сопротивление распределительной сети, но не снижает ее индуктивность. Максимальное эффективное сечение жил кабелей (проводов) составляет приблизительно 95 кв. мм. С дальнейшим увеличением сечения кабелей их индуктивность остается относительно постоянной. Очевидно, что более эффективным будет использование параллельно соединенных кабелей или шин. [6] выключателей, однако необходимы относительно сложные схемы защит.

Использование электромашинных преобразователей.

Одним из наилучших вариантов исключения влияния нелинейных нагрузок на основную сеть электроснабжения является использование машинного преобразователя переменного напряжения одного уровня в переменное напряжение другого или того же уровня [9]

Пример фильтрации гармоник пассивными фильтрами.

Рис.4. Параллельные фильтры высших гармоник

L-С цепочка, включенная в сеть, образует колебательный контур, реактивное сопротивление которого для токов определённой частоты равно нулю. Подбором величин L и С фильтр настраивается на частоту гармоники тока и замыкает её не пропуская в сеть. Набор таких контуров, специально настроенных на генери¬руемые данной нелинейной нагрузкой высшие гармоники тока, и образует фильтроком-пенсирующее устройство (ФКУ), которое не пропускает в сеть гармоники тока и компенсирует протекание реактивной мощности по сети. [12]

Типы фильтров гармоник

Эффективность фильтра любой формы зависит от его реактивной мощности, точности настройки, и импеданса сети в точке подключения. Гармоники ниже частоты резонанса фильтра будут усиливаться. Схемотехника фильтра важна, чтобы быть уверенным в том что искажения не будут усиливаться до неприемлемых уровней. Когда несколько различных порядков гармоник присутствуют в сети мы можем подавлять одни в то же время усиливая другие. Фильтр 7-ой гармоники создает параллельный резонанс на частоте 5-ой и усиливает ее, поэтому к фильтру 7-ой гармоники необходим фильтр 5-ой гармоники. Поэтому часто необходимо использовать несколько фильтров, настроенных каждый на свою частоту [5]

Стандарты и ГОСТы

    ГОСТ Р 50571-5-52 (МЭК 603654-5-52-2009, 3-е издание). Приложение Е. Учет влияния токов высших гармоник для симметричных трехфазных систем.

Стандарты МЭК (IEC). Впервые ограничения высших гармоник для осветительных устройств были регламентированы стандартом IEC 1000-3-2 «Ограничения гармоник для низковольтных устройств с током до 16 А», в котором осветительные устройства были отнесены к «классу С».

В последней редакции стандарта IEC 61000-3-2 (IEC 61000-3-2, редакция 3b, 2005 г.), в разделе 3-2, устанавливаются ограничения высших гармоник тока небольших однофазных или трехфазных устройств с током менее 16 А на фазу.

Стандарт Европейского комитета по стандартизации в области электротехники (CENELEC). Текст стандарта IEC 61000-3-2 был утвержден CENELEC в качестве евростандарта EN 61000-3-2 «Ограничения высших гармоник (входного тока оборудования не более 16 А на фазу)».

В результате, указанный стандарт МЭК регламентирует общий коэффициент гармоник (ОКГ) и коэффициент мощности (КМ). Для осветительных устройств ОКГ должен быть менее 33%, а КМ – более 0,95.

В стандарте нет ограничений для устройств с активной мощностью менее 25 Вт. Это означает, что для КЛЛ со встроенным ЭПРА регламентация гармоник пока отсутствует.

Регламентация гармоник для устройств с током 16-75 А на фазу оговорена в стандарте IEC/TS 61000-3-12. Методы измерений гармоник приведены в стандарте IEC 61000-4-7.

Директива Евросоюза по электромагнитной совместимости

В соответствии с директивой Евросоюза по электромагнитной совместимости (ЭМС) изготовители осветительного оборудования должны выполнять требования по ЭМС согласно стандартам, указанным в официальном перечне Евросоюза.

Стандарты IEEE 519-1992 («Практические рекомендации и требования по контролю гармоник в системах электропитания») и IEEE Р1495, для однофазных нагрузок с током менее 40 А, не дают конкретных ограничений на содержание высших гармоник.

Модифицированный вариант стандарта IEEE 519-1992 предусматривает ограничение гармоник сетевого напряжения на уровне 5% для ОКГ и 3% для индивидуальных гармоник.

Дальнейшие работы над стандартом IEEE 519-1992 направлены на смягчение ограничений и на введение их зависимости от частоты по типу рекомендаций МЭК, в соответствии с которыми, например, ОКГ для низковольтных устройств ограничивается уровнем 8%, а допустимые значения индивидуальных гармоник уменьшаются с ростом их номера.

Руководящие материалы по расчёту групповых емкостных фильтров приведены в стандарте IEEE Р1531.

Регламентация гармоник тока

Европейские стандарты. Для предприятий Евросоюза обязательны требования стандарта IEC 61000-3-2, касающиеся ограничения гармоник всех однофазных и трехфазных нагрузок с номинальным током менее 16 А на фазу.

Стандарт классифицирует электроприёмники в соответствии с табл. 1. Классификация устройств со специальной формой входного тока (см. рис. 5), представленная в первичной редакции стандарта, приведена в левой части таблицы [4]

Другое важное разъяснение, от ноября 2005 г., состоит в том, что в трехфазных сетях гармоники должны измеряться в фазных проводах, а не в нулевом. В однофазных сетях измерения можно делать в любых проводах. [4]

  • ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно [12]
  • Источник

    Adblock
    detector