Гармоники в силовом трансформаторе

Трансформаторы, как источники гармоник

До появления статических преобразователей основными источниками высших гармоник были электрические машины и трансформаторы.

Трансформаторы — наиболее распространенный элемент электрической сети. Причиной генерации ими высших гармоник в сеть является нелинейность кривой намагничивания их магнитопроводов и наличие петли гистерезиса. Нелинейность кривой намагничивания и наличие петли гистерезиса приводит к искажению синусоидальности намагничивающего тока трансформаторов (тока холостого хода) и как следствие к появлению высших гармоник в токе, потребляемом трансформатором из сети.

Ток холостого хода современных трансформаторов класса 110 кВ не превышает 1%, а класса 6(10) кВ — 2х-3х процентов. При таких малых токах можно пренебречь активными потерями в мангнитопроводе. В этом случае вместо петли гистерезиса можно использовать основную кривую намагничивания. Кривая намагничивающего тока при таком допущении симметрична относительно оси времени. При этом разложение тока холостого хода в ряд Фурье не содержит четных гармоник. Искажение кривой намагничивающего тока в этом случае вызывает только нечетные гармоники, включая кратные трем. Наиболее существенны 3-я, 5-я и 7-я гармоники [ ], особенно третья.

Гармоники, генерируемые синхронными и асинхронными электродвигателями.

Синхронные и асинхронные двигатели могут генерировать как гармоники тока, так и гармоники напряжения (ЭДС).

Гармоники тока, генерируемые электродвигателями, имеют ту же природу, что и гармоники тока трансформаторов и обусловлены нелинейностью кривой намагничивания материала магнитопроводов статора и ротора. При этом частотный спектр гармоник тока, генерируемых электродвигателями, как и в случае трансформаторов, содержит все нечетные гармоники, включая кратные трем. При этом наиболее существенными гармониками тока будут 3-я, 5-я и 7-я. По аналогии с трансформаторами при приближенных расчетах можно принимать содержание токов третьей, пятой и седьмой гармоник, соответственно, 40, 30 и 20% от тока холостого хода.

Источник

Влияние гармоник на трансформаторы, конденсаторы и кабеля силовой сети

Анонс: Негативы гармонических искажений в силовых сетях низкого и низкого среднего напряжения. Влияние гармоник на трансформаторы, конденсаторы и кабели силовой сети.

В последние годы проблема гармоник в силовых потребительских сетях вышла на уровень критических, что связано с использованием более современного оборудования, приводов, технологий. Однако если средне- и высоковольтные сети достаточно проработаны в направлении сокращения гармонических искажений, то низковольтные и сегмента низкого среднего напряжения пока остаются «забытыми», как Росстандартом и монополистами на рынке электроэнергии, так и самими владельцами — абонентами.

Вместе с тем, устранение гармонических возмущений в потребительских сетях de facto выгодно финансово, технически и технологически, поскольку гармоники негативно влияют, как на саму сеть, так и силовое оборудование, кабеля, телекоммуникации, ухудшая состояние, увеличивая потери и сокращая срок службы.

Влияние гармоник на трансформаторы силовых сетей

Гармоники в трансформаторах возникают в результате насыщения, переключения соединений обмоток, высокой плотности потока и на практике трансформаторы являются, как источниками, так и «передатчиками» гармонических возмущений, определяя факт трансмиссии гармоник между участками сети и сетями разного напряжения, балансовой принадлежности.

Срок службы трансформаторов даже при нормированных пределах несимметрии и несинусоидальности (2 и 5 % соответственно) сокращается на 8-10 %, а потери активной энергии растут пропорционально увеличению объемов, амплитуд токов гармоник, увеличивающих среднеквадратическую величину тока нагрузки. При работе на холостом ходу потери на гистерезис пропорциональны частоте, а пиковое значение пускового тока может в 8-15 раз превышать ток полной нагрузки трансформатора.

Гармонические составляющие пускового тока трансформатора

Значительный вклад в потери трансформаторов, как на холостом ходу, так и под нагрузкой оказывает скин-эффект — образуются вихревые токи в обмотках с амплитудой, зависящей от квадрата частоты. Вихревые токи обуславливают неравномерное распределение плотности тока по сечению с концентрацией токов высоких частот в поверхностных слоях, что увеличивает сопротивление провода и потери электрической энергии с преобразованием тепловую. Нагрев обмоток в свою очередь ведет к деструкции изоляции и обуславливает сокращение срока службы, межремонтных периодов и повышение рисков аварийности трансформаторов.

Влияние гармоник на конденсаторы, конденсаторные модуля, батареи, установки

Основное влияние гармонических искажений в сети на конденсаторы заключается в том, что с одной из гармоник может возникнуть состояние резонанса, при котором перенапряжения или токи значительных амплитуд приводят к пробою диэлектрика или, как минимум, к сокращению срока службы. Конденсаторы, конденсаторные модули, батареи, установки компенсации реактивной мощности могут быть расположены на промышленном предприятии с нелинейными нагрузками, ответственными за генерацию гармоник или рядом с ним, но из-за трансмиссии гармонических возмущений одинаково подвергаться рискам резонансных явлений.

Практикой в нашей стране, как и других развитых странах мира уже подтверждено, что силовая сеть потребителя, не имеющая источников гармонических возмущений, может подвергаться гармоническому загрязнению из-за нелинейных нагрузок других потребителей в системе, а риски перегрузки конденсаторов про току или напряжению становятся критическими в потребительских сетях промышленных предприятий низкого и низкого среднего напряжения.

Влияние гармоник на кабеля линий и коммутаций в силовых сетях

Несинусоидальный ток в проводнике обуславливает дополнительные потери энергии, как из-за скин-эффекта, так и «эффекта близости» фазных проводников, причем оба эти эффекта зависят от частоты тока, размера жилы, конструкции кабеля и расстояния между ними (кабелями при прокладке и жилами в кабеле). Данными ряда отечественных и зарубежных исследований подтверждено, что даже при фундаментальной частоте 50 Гц сопротивление проводов переменному току выше, чем сопротивление постоянному, а для гармонических токов эти эффекты более выражены.

Скин-эффект — это явление переменного тока, при котором плотность тока через поперечное сечение проводника неоднородна, и ток имеет тенденцию протекать более плотно около внешней поверхности проводника. Это связано с тем, что поток переменного тока приводит к наведенной ЭДС, которая больше в центре, чем на окружности проводника, а формируемая разность потенциалов обуславливает вихревые токи, которые направлены против вектора основного тока в центре, но имеют аналогичное направление на поверхности, что «вытесняет» поток наружу и уменьшает полезную площадь проводника. Сегодня скин-эффект используется в полых проводниках и трубчатых шинах с высокой допустимой нагрузкой для экономии материальных затрат, однако негативно влияет на энергосбережение и срок службы кабелей в обычных силовых сетях.

Эффект близости возникает из-за искажения распределения тока между двумя проводниками в непосредственной близости, что вызывает концентрацию тока в частях проводов или шин, расположенных близко друг к другу.

Источник

Гармоники в электрических сетях: причины, источники, защита

Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях. При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки. Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.

Что такое гармоники?

Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине.

По кратности гармоники подразделяются на четные и нечетные. То есть гармоника №1 – это 50 Гц, 2 – 100 Гц, 3 -150 Гц и т.д. Каждая из них является одной из составляющих результирующей формы напряжения и тока. А значит, что напряжение и ток в сети можно свободно разложить на гармонические составляющие.

Гармоники и их сложение

Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения. В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале. Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.

По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.

Причины и источники гармоник в электрических сетях

Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях. Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями. Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.

Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник. Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:

• Силовое электрооборудование – приводы постоянного и переменного тока, высокочастотные плавильные печи, полупроводниковые преобразователи, источники бесперебойного питания (ИБП), преобразователи частоты.
• Устройства, работающие по принципу формирования электрической дуги – электросварочные установки, дуговые печи, лампы освещения (ДРЛ, люминесцентные и другие).
• Насыщаемые приборы – двигатели, трансформаторы, обладающие магнитопроводом, который может достигнуть насыщения петли гистерезиса. Без такового насыщения их вклад в формирование гармонической составляющей будет незначительным.

Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.

Категории и принцип разделения

В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания, все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:

• по пути распространения выделяют пространственные либо кондуктивные;
• по прогнозируемости времени возникновения выделяют случайные либо систематические;
• по продолжительности могут быть кратковременными (импульсными) либо длительными.

Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.

Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети. Из которых особо следует выделить:

• Сопутствующий нагрев, выводящий из строя изоляцию двигателей, обмоток трансформаторов, снижающий сопротивление конденсаторов и.т. При нагревании фазного провода или других токопроводящих элементов в диэлектриках возникают необратимые процессы, снижающие их изоляционные свойства.
• Ложное срабатывание в распределительных сетях – приводит к отключению автоматов, высоковольтных выключателей и прочих устройств, реагирующих на изменение режима, обусловленное гармониками.
• Вызывает асимметрию в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе. От чего может нарушаться нормальная работа трехфазных выпрямителей, силовых трансформаторов, трехфазных ИБП и прочего оборудования.
• Возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС. На величину гармоники ЭДС влияет как расстояние между проводниками, так и продолжительность их приближения.
• Приводит к преждевременному электрическому старению оборудования. За счет разрушения чувствительных элементов, высокоточные приборы утрачивают класс точности и подвергаются преждевременному изнашиванию.
• Обуславливает дополнительные финансовые расходы, обуславливаемые потерями от индуктивных нагрузок, остановкой производства, внеочередными ремонтами и преждевременной поломкой.
• Потребность увеличения сечения нулевых проводов в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях.

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Рис. 2. Развитие тока в нейтрали

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник.

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Рис. 3. Схема LC-фильтра

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке R_Н.

При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров, их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.

За счет того, что каждая цепочка L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Рис. 5 Принцип действия активного кондиционера гармоник

Посмотрите на рисунок 5, здесь изображен активный фильтр. Источник питания генерирует ток i_ps, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая i_n. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов i_ahc и выдает в сеть такие же токи, но с противоположным углом. Что позволяет нейтрализовать гармоники и выдать потребителю ток первой гармоники максимально приближенный к синусоиде.

Установка любого из существующих видов защиты требует детального анализа гармонических составляющих, нагрузок, коэффициентов амплитуды и коэффициентов мощности для конкретной сети. Чтобы подобрать наиболее эффективный способ удаления и выполнить соответствующие настройки.

Источник