Влияние высших гармоник на батареи конденсаторов: Высшие гармоники и «косинусные» конденсаторы.

Влияние высших гармоник на различные виды электрооборудования

Подробности

Категория: Разное

• электроснабжение
• исследования
• низковольтное
• сети

Содержание материала

• Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях
• Введение
• Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения
• Влияние высших гармоник на различные виды электрооборудования
• Электромагнитная совместимость
• Моделирование нелинейных нагрузок
• Моделирование и расчет токов и напряжений сетей НН с нелинейными нагрузками
• Модели низковольтных сетей, в которых нелинейные нагрузки задаются источниками токов
• Анализ зависимостей высших гармоник тока и напряжения с помощью традиционных моделей
• Математическая модель электрической сети здания
• Методология определения параметров схемы замещения сети
• Расчет несинусоидальности токов и напряжений в сетях общественных зданий
• Анализ несинусоидальности напряжений с помощью схем замещения с источниками токов высших гармоник
• Метод оценки влияния потерь напряжения в линиях на значение несинусоидальности
• Анализ влияния параметров нагрузки и сети
• Влияние мощности и схемы соединения обмоток трансформатора
• Моделирование и анализ влияния параметров нагрузочных режимов
• Анализ несимметрии нелинейных электроприемников
• Методика определения коэффициента искажения синусоидальности кривых фазных напряжений
• Средства снижения уровня высших гармоник
• Синтез схем корректирующих устройств для трехфазных четырехпроводных сетей
• Моделирование фильтрации высших гармоник
• Анализ эффективности фильтрации с использованием фильтров токов гармоник нулевой последовательности
• Применение средств обеспечения электромагнитной совместимости
• Построение систем электропитания с улучшенной электромагнитной совместимостью
• Организация искусственного нулевого провода
• Технические средства защиты от электромагнитных помех в сетях собственных нужд
• Заключение
• Список литературы

Страница 4 из 29

Отрицательные последствия загрузки сетей высшими гармониками хорошо изучены, этому вопросу посвящена обширная литература [52, 178, 185, 215]. Влияние несинусоидальности напряжений и токов на работу электрооборудования ощущается практически во всех странах с развитой промышленностью и, как правило, приводит, с одной стороны, к увеличению потерь напряжения и мощности в сетях, уменьшению их пропускной способности, а с другой — к нарушению нормальной работы и уменьшению срока службы электрооборудования, снижению производительности труда, а также количества и качества выпускаемой продукции. Например, известно, что при допустимых значениях несимметрии напряжения 2 % и несинусоидальности 5 % срок службы асинхронных двигателей сокращается на 21 %, синхронных — на 32 %, трансформаторов — на 8 %, конденсаторов — на 40%.

При рассмотрении вопроса искажения формы кривой тока и напряжения сети НН следует учитывать некоторые особенности ее построения.

К ним, в частности, относится то, что подавляющее большинство потребителей такой сети, в том числе и нелинейных, являются однофазными (см. параграф 1.1), а сеть выполняется трехфазной с нулевым проводом. В результате в нулевом проводе будут протекать токи всех высших гармоник нулевой последовательности. При этом возникает проблема перегрузки нулевого провода в четырехпроводных сетях НН, вызванная неравномерной загрузкой фазных проводов при подключении к ним однофазных нелинейных потребителей. Иногда величина суммарного действующего значения тока в нулевом проводе может даже превосходить значение тока в фазном проводе [5, 64, 87, 92, 150, 184, 187]. Проведенный в работе (182] анализ свидетельствует, что теоретически максимальный ток нейтрали с учетом гармоник в 1,73, а иногда и в 3 раза превышает фазный. При резкопеременной нагрузке пульсации тока наблюдаются в каждой из фаз в разное время. Поскольку все эти токи протекают в нейтрали, о взаимной компенсации речи быть не может. В случае, если пики нагрузки не пересекаются, ток нейтрали будет равен утроенному фазному току. Эта ситуация достаточно типична для сетей с большим удельным весом электронного оборудования.

Необходимо отметить некоторые конструктивные особенности выполнения сетей НН, оказывающих существенное влияние на величины высших гармоник токов и напряжений. По установившейся практике проектирования наиболее широкое распространение в сетях НН получили распределительные трансформаторы с соединением обмоток по схеме звезда—звезда с нулем. Основной недостаток таких трансформаторов — относительно большое сопротивление нулевой последовательности Z, которое определяется конструктивными особенностями трансформатора, схемой соединения его обмоток, степенью насыщения стержней магнитопровода и др. Следует отметить, что вопросам
определения активного R, индуктивного Z и полного Z сопротивлений трансформатора посвящен ряд работ (69, 70, 76, 80, 129, 134, 155, 168]. При определении этих параметров разными авторами использовались различные методики, вследствие чего результаты значительно различаются между собой. Проведя анализ последних можно сделать вывод, что для типов трансформаторов ТМ, ТМА, ТСМА значение Z в 8—18 раз больше, чем сопротивление прямой последовательности. Такая особенность трансформаторов с соединением обмоток звезда—звезда с нулем делает их весьма чувствительными к несинусоидальности фазных токов.

Необходимо указать на некоторые особенности выполнения воздушных и кабельных линий сетей НН. Это прежде всего то, что сечение нулевого провода воздушной линии в 3—9 раз меньше суммарного сечения фазных проводов, а сечение нулевой жилы кабеля в 5—14 раз меньше суммарного сечения фазных жил. В результате сопротивление нулевой последовательности воздушной линии в 4—10 раз, а кабельной — в 6—15 раз выше, чем сопротивление обратной последовательности. Кроме того, характерной особенностью сетей НН является то, что активные составляющие полных сопротивлений трансформаторов и линий весьма значительны. Это вызывает необходимость учета последних при расчетах режимов и проектировании электрооборудования, в том числе и фильтров, в сетях НН.
Таким образом, в сетях НН возникает значительная несинусоидальность фазных напряжений, обусловленная существенными токами высших гармоник и большими сопротивлениями нулевой последовательности элементов трехфазных четырехпроводных сетей. В результате в низковольтных сетях Украины коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Кu редко бывает меньше 4—5 %. На западе, где сети более мощны, и то предлагается при расчетах функционирования электрооборудования ориентироваться на так называемые источники питания типа SP2, имеющие изначально 1 % несимметрии и 2,5 % предварительно присутствующей пятой гармоники напряжения [176]. Возникающие искажения питающего напряжения, в свою очередь, негативно сказываются на функционировании электроприемников, подключаемых к узлам с повышенным уровнем Ки, замыкая порочный круг отрицательного взаимовлияния гармоник тока и напряжения в сетях с нелинейными нагрузками.

В обзоре, выполненном в 1990 г. в США под руководством профессора Мак-Греди [186], в частности, отмечается: «Сами источники высших гармоник часто очень чувствительны к отрицательному воздействию других источников, например, мощных электронных нагрузок, т. е., они — одновременно и злодеи, и жертвы с энергетической точки зрения». В полной мере это относится к низковольтным нелинейным электроприемникам, которые были рассмотрены в предыдущем параграфе. Следствием характера тока, потребляемого импульсной нагрузкой, является искажение кривой напряжения на ее зажимах. Форма напряжения
становится плоской, так как в момент импульса тока увеличивается падение напряжения на продольном сопротивлении сети.

Напряжение плоской формы, воздействуя на импульсный источник питания, снижает уровень выпрямленного напряжения, увеличивает тепловыделение в элементах импульсного источника питания и снижает его устойчивость к кратковременным провалам напряжения. Следует отметить, что в большинстве импульсных источников питания предусмотрена система стабилизации выходного напряжения. Поэтому снижение уровня входного напряжения в допустимых пределах за счет плоской формы его кривой не вызовет снижения уровня выходного постоянного напряжения. В то же время снижение входного напряжения вызовет увеличение длительности импульсов тока высокочастотного преобразователя по отношению к длительности пауз. Это означает увеличение тока, потребляемого высокочастотным преобразователем, в среднем за период и увеличение скорости разряда конденсатора. Больший ток, потребляемый высокочастотным преобразователем, увеличивает тепловые потери в элементах импульсного источника питания. Так, снижение входного напряжения на 10 % вызовет увеличение тока на 11 %, а тепловых потерь — на 23 %.
В случае провала или даже полного исчезновения напряжения на зажимах импульсного источника питания цепи постоянного тока могут продолжать свою нормальную работу в течение некоторого, очень короткого промежутка времени. Энергия, необходимая для работы в течение этого промежутка времени, — это энергия сглаживающего конденсатора. Несмотря на то, что этот конденсатор имеет весьма большую емкость, запасаемая им энергия зависит еще и от напряжения, до которого он был первоначально заряжен. При синусоидальной форме кривой питающего напряжения конденсатор может зарядиться до напряжения большего, чем при плоской форме питающего напряжения. В случае полного исчезновения напряжения запасенной в конденсаторе энергии может не хватить для поддержания нормальной работы цепей постоянного тока до момента восстановления питающего напряжения при его кратковременном провале или исчезновении.

По данным работы [28] в случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10—15 % суммарной мощности нагрузки сети, каких-либо особенностей в эксплуатации СЭС, как правило, не возникает. При превышении указанного предела следует ожидать появления различных проблем в эксплуатации и последствий, причины которых не являются очевидными. В низковольтных сетях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25 %, отдельные проблемы могут проявиться сразу.
В результате высшие гармоники приводят к отказам систем управления и автоматики, а также к сбою компьютерных сетей и цифровых систем обработки и передачи информации, что приносит наибольший ущерб. Кроме того, гармонические составляющие являются причиной нарушений телевизионных изображений, вызывают нарушения в работе люминесцентных ламп и сокращают срок службы ламп накаливания [5, 82, 95, 216]. В последнее время отмечено негативное влияние высших гармоник на разные бытовые приборы, прежде всего радиоприемники и устройства с высококачественным воспроизведением звука, вызывающих различного рода акустические помехи.

Следует особо отметить, что даже низкие уровни высших гармоник могут вызвать нарушения режимов работы у некоторых видов контрольного, защитного и измерительного оборудования из-за искажений формы кривой измеряемых напряжений и токов на вторичных обмотках измерительных трансформаторов [14, 15, 111]. В результате, например, высшие гармоники приводят к возникновению ложных срабатываний защитных реле на трансформаторных подстанциях [78].
Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в распределительных трансформаторах и трансформаторах для устройств преобразовательной техники. Эти потери могут быть причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева [4, 73, 104, 180]. В частности, потери, обусловленные гистерезисом, пропорциональны частоте, а вихревыми токами — ее квадрату. В синусоидальных режимах потери на вихревые токи невелики и составляют в среднем 5 % номинальных потерь короткого замыкания трансформатора. Однако в случае протекания токов высших гармоник дополнительные потери резко возрастают и могут достигать 30—50 % потерь короткого замыкания.

В работе [127] показано, что потери в трансформаторе возрастают с увеличением мощности трансформатора и увеличения сечения проводников обмоток. При этом существенный рост потерь наблюдается при работе трансформатора на случайную нелинейную нагрузку при наличии нулевого провода, загруженного токами гармоник нулевой последовательности. В результате, при работе трансформатора на симметричные однофазные выпрямители потери больше, чем при работе этого же трансформатора на схему Ларионова. Это связано с наличием в первом случае гармоник тока, кратных трем, которые увеличивают потери в обмотках трансформатора.
В условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов, которые предназначены для компенсации реактивной мощности нагрузки. При этом они изменяют нормальный путь протекания тока высших гармоник от нелинейного потребителя к источнику питания, замыкая часть этого тока через себя. Так как сопротивления элементов сети имеют индуктивный характер, то при применении установок компенсации реактивной мощности и наличии нелинейных электропотребителей возникает вероятность появления резонансных режимов (как по току, так и по напряжению) на отдельных элементах СЭС.

Воздействие высших гармоник на вращающиеся машины во многом идентично воздействию несимметрии напряжений и токов. Они вызывают дополнительные потери в обмотке и стали статора. Кроме того, присутствие в кривой тока статора высших гармоник приводит к появлению в зазоре несинхронных магнитных полей, перемещающихся относительно ротора. При этом высшие гармоники 5-го и 11-го порядков создают поля обратной последовательности, вращающиеся относительно ротора в противоположном направлении, а составляющие 7-го и 13-го порядков создают поля прямой последовательности. Однако, поскольку частота их вращения выше частоты вращения ротора с кратностью порядка гармоники, поля обеих последовательностей наводят в контурах ротора токи повышенной частоты, которые протекают в верхних слоях массивных частей ротора и, замыкаясь по его торцам, вызывают местные перегревы [72, 179, 200, 201].
При несинусоидальности напряжения наблюдается ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, конденсаторов и кабелей. При рабочих температурах в изоляционных материалах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств. С увеличением температуры эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования. В конденсаторах потери энергии пропорциональны частоте, поэтому несинусоидальный ток приводит к их перегреву. Сущность электрического старения заключается 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 изоляции, что приводит к сокращению ее срока службы.
Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока, приводящего к повышенному нагреву наружной поверхности жил кабеля вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости. Исследования [52] показали, что при коэффициенте искажения синусоидальности кривой напряжения в пределах 6—8,5 % (преобладали пятая и седьмая гармоники) токи утечки возросли: через 2,5 года эксплуатации кабелей в среднем на 36 %, а через 3,5 года — на 43 %. Иллюстрацией сокращения срока службы изоляции электродвигателей может служить пример, заимствованный из январского номера журнала IEEE Power Engineering Review за 2000 год. В настоящее время в США установлено более 700 млн. электродвигателей. При среднем сроке службы двигателя 30 лет требуется замена двигателей в объеме 23 млн. единиц в год. При существующем КЭ наблюдается сокращение срока службы двигателя на 2 года, что приводит к необходимости дополнительной замены трех млн. двигателей в год.

Кроме того, при несинусоидальных режимах возрастает уровень дополнительных потерь активной мощности, которые, являясь частью непроизводительных потерь в линиях [130], вызваны перетоками мощности искажения, обусловленной высшими гармониками. Проведенные в 90-х годах XX века расчеты [91] показали, что в сетях НН 40 % общего объема потерь обусловлены отклонениями напряжений, 40 % — несинусоидальностью напряжений и 20 % — несимметрией напряжений.
В низковольтных сетях иногда происходит необоснованное 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. В практике исследований [28] встречались случаи необоснованных срабатываний выбранных в соответствии с требованиями ПУЭ автоматических выключателей, защищающих линии питания компьютерного оборудования. Срабатывание происходило при нагрузке, составляющей 80—85 % уставки теплового расцепителя автоматического выключателя.

В то же время согласно ПУЭ нулевой провод не защищается от перегрева автоматическими выключателями либо предохранителями. Существующие СЭС проектировались с учетом линейной нагрузки, когда потребляемый электроприемниками ток содержал лишь основную гармонику (50 Гц). Следовательно, ток в нулевом проводе не мог превышать ток в наиболее нагруженной фазе, т.е. защита на фазных проводах одновременно защищала от перегрева и нулевой провод. Сегодня, когда токи в нулевых проводах превосходят токи фазных проводов, а защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводов не предусмотрена, возможен перегрев и разрушение нулевых проводов кабельных линий вследствие их перегрузки токами нулевой последовательности.
Помехи в сетях телекоммуникаций могут возникать там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены относительно близко. Вследствие протекания в силовых кабелях высокочастотных гармоник тока в кабелях телекоммуникаций могут наводиться помехи. Магнитные поля токов высших гармоник прямой и обратной последовательности частично компенсируют друг друга, поэтому наибольшее влияние на телекоммуникации оказывают гармоники, кратные трем. Чем выше порядок гармоник, тем больше уровень помех, наведенных ими в телекоммуникационных кабелях [217J.

Таким образом, использование в низковольтных электрических сетях нелинейных электроприемников (в первую очередь, с импульсным характером потребляемого тока), вызывая искажения синусоидальности кривых питающих напряжений, приводит к значительному технико-экономическому ущербу. В течение 2000—2002 гг. Центр электромагнитной безопасности [28] исследовал в г. Москве состояние электрических сетей крупнейших зданий, имеющих компьютерные сети с количеством компьютеров от 20 до 1000 и более. В результате проведенных исследований, анализа отечественных и зарубежных публикаций, а также общения со специалистами в этой области авторы [28] пришли к выводу, что Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой. Ее суть заключается в том, что в настоящее время электрические сети жилых и общественных зданий, оснащенных компьютерной техникой, подвергаются интенсивному воздействию высших гармоник тока и напряжения. Очевидно, что аналогичная ситуация существует и в Украине, что вызывает острую необходимость в улучшении КЭ в указанных низковольтных сетях.

• Назад
• Вперёд

• Назад
• Вперёд

• Вы здесь:  
• Главная
• Книги
• Разное
• Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях

Еще по теме:

• Устройство и монтаж электрических сетей
• Снижение затрат на электроэнергию в Европе возможно за счет расширения межсетевого взаимодействия
• Пассивные резонансные фильтры низковольтных сетей электроснабжения
• Активные DSO в Европе — работа продолжается
• Электрические сети и системы

Надежность энергетических сетей предприятия: расплата за невнимание

Гармоническая составляющая высшего порядка: как ценовой фактор и источники помех в сети

Энергетические сети являются аортами промышленности, однако над их надежностью редко задумываются. Зачастую предприятия знают только одну сторону: либо ток есть, либо его нет. Едва ли кто-нибудь задается вопросом, насколько действительно хорошо качество сети. При ближайшем рассмотрении, однако, оказывается, к каким тяжелым последствиям в работе приводит такая вещь, как высшая гармоника. С представленными здесь помехоподавляющими фильтрами предприятия сейчас разработали действенное средство против гармонической составляющей высшего порядка.

Электрическая энергия используется повсеместно и в большом количестве. Правда, ответа на вопрос о качестве энергетических сетей все еще нет. Либо оборудование выходит из строя все еще редко и без видимых эксплуатационных причин, либо оно удивляет своими сбоями в работе и ложными запусками. Один точный анализ сети является весьма показательным.

Чистое синусоидальное напряжение: редко

Симметричное, чистое синусоидальное напряжение, для которого рассчитывается оборудование, редко в перегруженных современной электроникой сетях переменного тока. Высшие гармоники искажают синусоидальные волны. Они появляются в сетях энергопоставщиков в течение многих лет и имеют возрастающую тенденцию. К тому же причины гармонической составляющей высшего порядка очень разнообразны. Одними из первых были ртутные выпрямители, введенные в действие для преобразования переменного тока в постоянный для электровозов и моторов постоянного тока с регулируемым числом оборотов в промышленности. Сегодня на промышленных предприятиях прежде всего присутствуют моторы с регулируемым числом оборотов, мощное USV (системы бесперебойного питания) оборудование, компьютеры, газоразрядные лампы и силовая полуприводная техника с выпрямительными мостами В 6 (шестифазный диодный мост), которые перегружают сети высшими гармониками.

Как распознать проблемные места

Гармоническая составляющая высшего порядка дает о себе знать в энергетических сетях совершенно разнообразными способами. Некоторые, как, например, вибрация и развитие помех, можно принять за досадные проявления, они не причиняют существенный вред функциям оборудования и машинам. Но если в напряжении питания индукционного электродвигателя присутствуют высшие гармоники, это становится причиной возникновения составляющих на частотах высших гармоник в магнитном потоке. Они, в свою очередь, способствуют наведению гармоник ЭДС, в результате чего на обмотках ротора возникают высшие гармоники тока. Последние взаимодействуют с магнитным потоком, при этом создавая на валу электромашины дополнительные механические моменты. Все это ведет к тому, что на валу двигателя происходят гармонические пульсации вращающего момента. Кроме того, возможны и экстремальные случаи, когда процесс вибрации возникает на резонансной частоте вращающейся массы ротора, что может привести к разрыву вала последнего. Гармонические составляющие могут быть опасны для конструкции электромашин. Так, некоторые пары гармоник (например, 5 и 7) становятся причиной механических колебаний, частота которых равна 6-ой гармонике в двигателе либо генераторе. Подобные колебания возникают вследствие искажения кривой напряжения питания и сопутствующих колебаний вращающего момента.

Если частота таких колебаний будет равной частоте механического резонанса, то конструкция электрической машины подвергается перегрузкам. Также из-за высоких частот гармонических составляющих электрического тока значительно усиливается шум в процессе работы оборудования, что является результатом магнитострикции. Токи, которые были искажены высшими гармониками, могут привести и к интенсивному нагреванию кабелей и проводов. А как результат этого – возникновение эффекта близости и поверхностного эффекта.

Еще одним способом проявления высшей гармоники является перекрестная модуляция. В проводах коммуникаций и в электронных схемах это может привести к сбою в работе или выходу из строя.

Перегрев трансформаторов, моторов и конденсаторов часто также происходит из-за высшей гармонической составляющей тока. Очевидно, что сокращение продолжительности эксплуатации оборудования приводит, как следствие, к затратам.

В добавок из-за высшей гармонической составляющей тока увеличиваются затраты на энергию. В сильно перегруженных сетях в нулевом проводе могут суммироваться потоки высшей гармоники вплоть до 300% общего тока. При вычислении можно легко вывести, что потоки гармонической составляющей высшего порядка имеют долю активного тока. На практике присутствие доли активного тока можно также просто доказать. Первые исходные данные уже показывает измерение температуры на нулевом проводе. Согласно теории только минимальный переходный ток течет по нулевому проводу. В многочисленном промышленном оборудовании нулевые провода нагреваются, что является верным признаком наличия потоков гармонической составляющей.

Так образуется гармоническая составляющая высшего порядка

Выпрямители тока, преобразователи частоты, USV-оборудование и электронные блоки питания сегодня присутствуют в большом количестве во всех энергетических сетях как потребитель электроэнергии. Ток, который они отнимают, является не синусоидальным, а пульсирующим. Одна из причин этого лежит в ударном заряде сглаживающего конденсатора в подобных приборах. Современные промышленные предприятия зачастую используют нагрузки с нелинейными вольт-амперными характеристиками. К оборудованию подобного рода относятся: установки дуговой и контактной сварки, тиристорные преобразователи, газоразрядные лампы, руднотермические и электродуговые сталеплавильные печи и т.д. Для питания они используют ток, кривая которого несинусоидальная, в результате чего возникают такие же (несинусоидальные) режимы либо нелинейные искажения кривой напряжения сети. Несинусоидальные режимы оказывают неблагоприятное воздействие на работу силового электрооборудования, а также системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи. Экономический ущерб, который является результатом такого влияния, обусловлен, прежде всего, падением надежности функционирования электросетей, ухудшением энергетических показателей и значительным сокращением срока эксплуатации электрического оборудования.

Проблема несинусоидальности сводится к решению ряда вопросов. Среди них:

• снижение уровня высших гармоник;
• оценка совместимости (электромагнитной) источников высших гармоник тока и прочих нагрузок;
• количественная оценка высших гармоник, которые генерируются разнообразными нагрузками нелинейного типа, и прогнозирование значений напряжения и высших гармоник в электросети.

Как известно, любая несинусоидальная периодическая функция f(t) с периодом 2, которая удовлетворяет условию Дирихле, может быть представлена как сумма постоянной величины и ряда синусоидальных величин с кратной частотой. Данные синусоидальные составляющие и именуются как гармоники. Если период синусоидальной составляющей равен периоду несинусоидальной, то такая составляющая называется гармоникой. В остальных случаях мы имеем дело с высшими гармониками.

Потоки высшей гармоники в сеть являются неизбежной причиной обратного действия. Хотя соответствующие национальные и международные положения, такие как DIN EN 61000-3-2, DIN EN 61000-3-12, IEEE 519-1992 и ГОСТ 13109-97, устанавливают предельное значение для потоков высшей гармоники, но на производственной практике мы до сих пор встречаемся только с пренебрежением к этой проблеме.

Для надежного энергоснабжения в промышленности с ее преобладающими трехфазными электроприемниками особенно большое значение приобретает богатая энергией пятая гармоническая составляющая высшего порядка в 250 Гц и седьмая гармоническая составляющая высшего порядка в 350 Гц.

Трехфазные нагрузки, как, например, оборудование с непостоянным числом оборотов, а также большое USV-оборудование, располагают трехфазной мостовой схемой (шестипульсовый мост). Порядок гармонической составляющей зависит от числа пульсов выпрямителя тока. При одной шестипульсовой мостовой схеме это означает, что конечный порядок гармонической составляющей равняется v=k*p… 1. Т.е. при трехфазной мостовой схеме появляются гармонические составляющие пятого, седьмого, одиннадцатого, тринадцатого и т.д. порядка. Третья гармоническая составляющая, как правило, исходит только от однофазных потребителей электроэнергии, как, например, компьютер или монитор в административных зданиях, и в промышленном использовании играет второстепенную роль.

Влияние высших гармоник на работу электрооборудования

Наличие высших гармоник в системах электроснабжения различных предприятий – нежелательное явление. Связано это с тем, что в процессе производства возрастают дополнительные потери в трансформаторах, электрических машинах и сетях; происходит затруднение компенсации реактивной мощности при помощи батарей конденсаторов; значительно сокращается срок эксплуатации аппаратов и электрических машин; замедляется и ухудшается работа аппаратов и устройств телемеханики, автоматики и связи. В процессе работы асинхронного двигателя при условии напряжения несинусоидального типа снижается коэффициент мощности последнего и одновременно вращающийся момент на валу. Кроме того, искажение формы кривой напряжения становится причиной и для возникновения ионизационных процессов, протекающих в изоляции электромашин и трансформаторов. Если в изоляции присутствуют газовые включения, то ионизации не избежать. Сущность данного процесса заключается, прежде всего, в образовании объемных зарядов и последующей их нейтрализации. Что касается нейтрализации зарядов, то ее возникновение связано с рассеиванием энергии, результат которого – механическое, химическое, электрическое воздействие на диэлектрик. Все это приводит к дефектам в изоляции (уменьшение ее электропрочности, рост диэлектрических потерь и пр.). Наибольшее влияние оказывают высшие гармоники на батареи конденсаторов. Как известно, многие конденсаторы, которые работают при несинусоидальном напряжении из-за вспучиваний и взрывов быстро выходят из строя. Причина тому – перегрузка токами высших гармоник. Она возникает, когда в сети на частоте одной из гармоник возникает резонансный режим. По всем соответствиям с ГОСТ батареи конденсаторов работают при перегрузках токами высших гармоник лишь на 30%; а длительное использование конденсаторов в таких условиях сокращает срок службы оборудования. Несинусоидальный режим сети приводит к ускорению процессов старения изоляции силовых кабелей. Как показали исследования, при синусоидальном режиме и с высшими гармониками токи утечки во втором случае значительно больше (через 2,5 года – на 36%, через 3,5 года — на 43% ).

Стоит отметить также, что высшие гармоники напряжения и тока влияют и на погрешности, которые могут возникать у электроизмерительных приборов. Например, индукционные счетчики реактивной и активной энергии при работе с несинусоидальным напряжением имеют большую погрешность, которая достигает 10%. Высшие гармоники затрудняют и во многих случаях делают невозможным эксплуатацию силовых цепей, которые выступают в качестве каналов, необходимых для передачи информации. Они также отрицательно сказываются на работе телемеханических устройств и даже способны вызывать сбои в процессе их работы. Это особенно актуально, если как каналы связи между полукомплектами контролируемых пунктов используются силовые цепи. Для работы вентильных преобразователей несинусоидальная форма кривой напряжения также неблагоприятна, т.к. ухудшает качество выпрямления тока.

Потери электроэнергии – это скрытые затраты

В каждом электрическом приборе прохождение тока и процесс перемагничивания влечет за собой потери электроэнергии. При определении размеров проводов, трансформаторов и приводов это учитывается, соответствующие компоненты рассчитываются. Энергетические затраты на эти потери должны быть приняты, т.к. современная техника еще не совсем позволяет их избежать.

Гармоническая составляющая высшего порядка, тем не менее, генерирует дополнительные потери, такие как повышенные потери в меди и железе в трансформаторах и повышенные потери мощности. Если просуммировать эти потери на предприятии, отсюда получатся затраты, которые могут составить дополнительные расходы в размере 5% от ежегодного счета за электроэнергию.

До сих пор этим затратам на энергию уделялось мало внимания. Недостаточные знания и слабая измерительная техника являются основными причинами. Современные же анализаторы сетей заботятся о необходимой прозрачности. С их помощью можно легко определить источники помех, выявить путь распространения потоков и разработать базу для выбора помехоподавляющего фильтра (фильтра, подавляющего высшую гармонику) оптимальных параметров. Немецкая компания BLOCK (Block-Transformatoren-Electronik, Gmbh) оказывает помощь своим клиентам по всей Европе в квалифицированном анализе сетей и в определении параметров помехоподавляющего фильтра, а также является ведущим европейским производителем помехоподавляющего оборудования.

Эффективная защита сети при помощи фильтра

Для того чтобы эффективно защитить сети от гармонической составляющей высшего порядка, до сих пор промышленность предлагала использовать дроссель или активные фильтры. Оба способа позволяли сократить высшую гармонику. Конечно, оба способа имеют определенные недостатки. Результаты фильтрации не всегда удовлетворительные. С активными фильтрами удалось почти полностью устранить гармоническую составляющую, только вот технические издержки и цена, которыми достигался такой результат, были очень высоки.

Компания BLOCK со своими помехоподавляющими фильтрами проложила третий путь между дросселированием и активными фильтрами. По мере своего развития компания сначала просто сконцентрировалась на фильтрах для промышленного использования, главным образом, на пятой и седьмой гармонической составляющей. Помехоподавляющие фильтры позволили описать составные части гармонических составляющих с помощью значения THD (полное искажение гармонической составляющей) для всех преобразователей частоты и схем промежуточных контуров с входным мостом B6.

Модуль фильтра: свободное устанавливаемые

В зависимости от расчетов фильтры могут быть установлены либо напрямую на генератор гармонической составляющей, либо как дополнительный фильтр в распределительный щит низкого напряжения. Обычно они подсоединяются напрямую к устройству и на основании характеристик гармонической составляющей настраиваются. К тому же расчет параметров фильтра, который будет устанавливаться напрямую на источник помех, очень прост. Модули помехоподавляющего фильтра могут приблизительно измерить мощность источника помех. Для оптимального расчета параметров фильтра компания BlOCK использует специальные анализаторы сетей. По требуемой величине значения THD можно свободно определить параметры фильтров.

Выпускаемая линейка оборудования охватывает помехоподавляющие фильтры от 4 до 800 кВт. Фильтры большей мощности могут быть реализованы просто через параллельное подключение.  

На основании точной технологии расчета и применения высококачественных компонентов потери системы с фильтрами минимальны. При сравнении промышленных сетей с фильтрами и без, быстрее приносят положительный результат модули с фильтрами высшей гармоники. Фильтры BlOCK не требуют обслуживания, просты и недороги в установке. Они обеспечивают безопасность работы. Практические знания подтверждают незначительные капиталовложения, такие как выход из строя оборудования и сбои в отключении из-за гармонической составляющей. Дополнительные тепловые нагрузки от трансформаторов и проводов минимизируются помехоподавляющими фильтрами. Это оборудование надежно предотвращает досрочное старение электрических и электронных элементов и установок. Новые установки не нуждаются в каких-либо затратоемких расчетах с повышенным запасом прочности.

Всю интересующую информацию о возможности приобретения и установки помехоподавляющих фильтров компании BLOCK на территории Российской Федерации, а также консультацию по другим линейкам оборудования этой компании Вы можете получить, обратившись в компанию ООО «МИГ Электро». Квалифицированные специалисты компании «МИГ Электро» окажут Вам помощь на всех этапах реализации проекта по защите Вашего оборудования от помех: оценка электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок; количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками; выработка рекомендаций по снижению уровней высших гармоник; поставка, установка, подключение и тестирование помехоподавляющего оборудования.

При подготовке статьи использовались материалы:

1. Статья для журнала KEM, автор Michael Klusmann
2. ГОСТ 13109-97
3. Федеральный закон «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств» от 01.12.1999г. 

Воздействие гармоник на батарею конденсаторов

  Зачем нужны батареи конденсаторов?

Все электрические сети переменного тока потребляют два типа мощности: активную мощность (кВт) и реактивную мощность (квар):

● Активная мощность P (в кВт) — это реальная мощность, передаваемая на такие нагрузки, как двигатели, лампы, обогреватели, компьютеры… Электрическая активная мощность преобразуется в механическую энергию, тепло или свет.

● Реактивная мощность Q (в кВАр) используется только для питания магнитных цепей машин, двигателей и трансформаторов.

● Полная мощность S (в кВА) представляет собой векторную комбинацию активной и реактивной мощности.

В этом представлении коэффициент мощности (P/S) равен cosφ.

Циркуляция реактивной мощности в электрической сети имеет серьезные технические и экономические последствия. При той же активной мощности P более высокая реактивная мощность означает более высокую полную мощность, и, следовательно, должен подаваться более высокий ток.

Из-за этого более высокого потребляемого тока циркуляция реактивной энергии в распределительных сетях приводит к:

● Перегрузка трансформаторов,

● Более высокий нагрев питающих кабелей,

● Дополнительные потери,

● Большие падения напряжения,

● Более высокое энергопотребление и стоимость,

● Меньшая распределенная активная мощность.

По этим причинам имеет большое преимущество генерация реактивной энергии на уровне нагрузки, чтобы предотвратить ненужную циркуляцию тока в сети. Это так называемая «коррекция коэффициента мощности».

Преимущества управления реактивной энергией:

Оптимизированное управление реактивной энергией дает экономические и технические преимущества.

Экономия на счетах за электроэнергию

o  Устранение штрафов за реактивную энергию и снижение потребности в кВА.

o  Уменьшение потерь мощности, возникающих в трансформаторах и проводниках установок.

Увеличение доступной мощности

o  Высокий коэффициент мощности оптимизирует электрическую установку, позволяя лучше использовать компоненты.

o Таким образом, мощность, доступная на вторичной обмотке трансформатора СН/НН, может быть увеличена за счет установки оборудования коррекции коэффициента мощности на стороне НН.

Уменьшение падения напряжения на установке

o  Установка конденсаторов позволяет уменьшить падение напряжения перед точкой подключения устройства коррекции коэффициента мощности.

o  Предотвращает перегрузку сети и позволяет уменьшить гармоники, чтобы не было необходимости в завышении мощности установки.

Влияние гармоник:

Наличие гармоник в электрических системах означает, что ток и напряжение искажаются и отклоняются от синусоидальной формы волны. Гармонические токи — это токи, циркулирующие в сетях, частота которых кратна частоте питающей сети. Гармонические токи вызваны нелинейными нагрузками, подключенными к системе распределения. Нагрузка называется нелинейной, если ток, который она потребляет, не имеет той же формы волны, что и напряжение питания. Протекание гармонических токов через полное сопротивление системы, в свою очередь, создает гармоники напряжения, которые искажают напряжение питания.

Наиболее распространенные нелинейные нагрузки, генерирующие гармонические токи, используют силовую электронику, такую ​​как приводы с регулируемой скоростью, выпрямители, инверторы и т. д.…. Такие нагрузки, как реакторы насыщения, сварочное оборудование, дуговые печи, также генерируют гармоники. Другие нагрузки, такие как катушки индуктивности, резисторы и конденсаторы, являются линейными нагрузками и не генерируют гармоник.

Влияние гармоник в конденсаторах:

Конденсаторы особенно чувствительны к токам гармоник, поскольку их импеданс уменьшается пропорционально порядку присутствующих гармоник.

Поскольку импеданс конденсатора уменьшается с увеличением частоты, в конденсаторы течет большой гармонический ток. Это может привести к перегрузке конденсатора, постоянно сокращая срок его службы. В некоторых экстремальных ситуациях может возникнуть резонанс, приводящий к усилению гармонических токов и очень высоким искажениям напряжения.

Усиление токов гармоник очень велико, когда естественная резонансная частота конденсатора и сети вместе взятых близка к любой из присутствующих частот гармоник. Эта ситуация может привести к серьезным перенапряжениям и перегрузкам, что приведет к преждевременному выходу из строя конденсаторов.

Для обеспечения хорошей и правильной работы электроустановки необходимо учитывать уровень гармоник при выборе оборудования для коррекции коэффициента мощности.

Расстроенные реакторы Обзор:

Реакторы должны быть связаны с батареями конденсаторов для коррекции коэффициента мощности в системах со значительными нелинейными нагрузками, генерирующими гармоники.

Конденсаторы и реакторы объединены в последовательный резонансный контур, настроенный таким образом, чтобы последовательная резонансная частота была ниже частоты самой низкой гармоники, присутствующей в системе. По этой причине эту конфигурацию обычно называют «расстроенным блоком конденсаторов», а реакторы — «расстроенными реакторами».

Таким образом, использование расстроенных реакторов предотвращает проблемы гармонического резонанса, предотвращает риск перегрузки конденсаторов и способствует уменьшению гармонических искажений напряжения в сети. Частота настройки может быть выражена относительным сопротивлением реактора (в %), либо порядком настройки, либо непосредственно в Гц.

Наиболее распространенные значения относительного сопротивления 5,7, 7 и 14%. (14% используется при высоком уровне напряжения 3-й гармоники).

Выбор частоты настройки расстроенного реактора

Расстроенные дроссели (DR) предназначены для защиты конденсаторов, предотвращая усиление гармоник, присутствующих в сети. Они должны быть соединены последовательно с конденсаторами. Расстроенные реакторы создают перенапряжение на клеммах конденсатора. Соответственно должно быть увеличено номинальное напряжение конденсаторов.

Выбор настройки: Частота настройки fr соответствует резонансной частоте сборки L-C.

Мы также говорим о порядке настройки n. Для сети 50 Гц:

Выбранная частота настройки должна гарантировать, что диапазон спектра гармонического тока находится за пределами резонансной частоты. Важно убедиться, что никакие частоты дистанционного управления не нарушены. Наиболее распространенные порядки настройки: 3,8 или 4,3 (2,7 используется для гармоник 3-го порядка).

Моделирование с использованием данных в реальном времени:

Анализ гармонического моделирования был проведен для системы низкого напряжения с TCL 845,45 кВт при D.F-0,9. Вес нелинейной нагрузки, подключенной к системе, составляет около 65% от общей подключенной нагрузки. Так как система оснащена более высокой массой нелинейной нагрузки, использование в системе стандартного конденсатора не рекомендуется. Влияние стандартного конденсатора и расстроенного конденсатора на системную гармонику было смоделировано и показано ниже.

1. Моделирование частоты сканирования без конденсаторов:

1. Моделирование частотного сканирования со стандартным банком конденсаторов (без серийного реактора):

1. Смонилизация частоты с помощью поддержанного банка контента. с последовательным реактором, настроенным на ): 

Реактор настроен на частоту 190 Гц для подавления гармоник 5-го и 7-го порядка в системе

Сравнительная таблица результатов моделирования:

Из приведенного выше результата моделирования мы можем ясно понять влияние гармоник на различную конфигурацию батареи конденсаторов в системе низкого напряжения. Система без конденсаторной батареи генерирует гармоники VTHD-7,66% и THDI-20,79%. Когда та же система питается от конденсаторной батареи без последовательного реактора, конденсаторная батарея усиливает ток 5-й и 7-й гармоник, что приводит к увеличению значения THDI с 20,79 % до 50,08 %, что приводит к увеличению VTHD с 7,66 % до 14,07 %. очень опасно для системы и конденсаторной батареи, подключенной к системе. Теперь, глядя на конфигурацию системы C (т.е. случай-C), конденсатор с расстроенным реактором настроен на 190 Гц. Мы можем заметить, что гармонический ток уменьшается с 20,79% до 16,07%. Также при изучении частотного сканирования смоделированного результата резонанс возникает на более низкой частоте примерно 3,8-го порядка, что приводит к минимизации эффекта резонанса на гармониках более высокого порядка.

Вывод:   

Потоком реактивной мощности на терминале нагрузки системы низкого напряжения необходимо правильно управлять, чтобы обеспечить экономические и технические преимущества. Чтобы управлять потоком реактивной мощности в системе низкого напряжения, конечным потребителям было рекомендовано установить батареи конденсаторов соответствующих номиналов на клеммах нагрузки, чтобы поддерживать коэффициент мощности в соответствии с местными директивами по энергоснабжению. Выбор такой конденсаторной батареи должен быть сделан с особой тщательностью. Перед установкой необходимо провести надлежащий анализ системы, чтобы изучить влияние гармоник на поведение системы с конденсаторной батареей.

Без надлежащего анализа и неправильного выбора конденсаторных батарей может произойти частый выход из строя конденсаторов в конденсаторной батарее, перегрузка кабелей, трансформатора и всего установленного оборудования в системе. Настоятельно рекомендуется провести исследование гармоник и подробное исследование нагрузки перед установкой батареи конденсаторов в систему.

 

ВЛИЯНИЕ ГАРМОНИК НА КОНДЕНСАТОРЫ

Влияние гармоник на конденсаторы
включают дополнительный обогрев — а в тяжелых случаях перегрузку, повышенную
диэлектрическая нагрузка или перенапряжение, а также нежелательные потери. Кроме того, сочетание гармоник
и конденсаторы в системе могут привести к более серьезному состоянию качества электроэнергии, называемому
гармонический резонанс, который может привести к обширным повреждениям. Следовательно,
эти негативные эффекты сокращают срок службы конденсатора.

Конденсаторы обычно устанавливаются в
система электроснабжения – от коммерческой и промышленной до распределительной
и системы передачи – как устройства коррекции коэффициента мощности. Однако даже
хотя это основной компонент фильтра гармоник (помимо
реактор), он не свободен от повреждающего воздействия гармоник. В силе
система, характеризующаяся высоким уровнем гармонических искажений, конденсаторные батареи
уязвимы к неудачам.

Пределы IEEE

IEEE 18-2002
написано что конденсатор
рассчитан на работу не более чем на 135 % реактивной мощности (кВАр)
рейтинги. Кроме того, он должен выдерживать постоянное среднеквадратичное перенапряжение 110%,
пиковое перенапряжение 120 % и перегрузка по току 180 % от номинала, указанного на паспортной табличке. Хотя
в стандарте не указаны пределы для отдельных гармоник, вышеуказанные проценты
можно использовать в качестве основы для определения максимально допустимых уровней гармоник.

Гармонические эффекты

реактивное сопротивление конденсаторной батареи обратно пропорционально частоте, т.к.
можно отметить в формуле,

Xc = 1/(2πfC)

где:

Хс =
Емкостное реактивное сопротивление

С =
Емкость

ф =
Частота

Как
В результате батарея конденсаторов действует как сток, притягивая неотфильтрованные гармоники.
токи. Этот эффект увеличивает термические и диэлектрические напряжения до
конденсаторные блоки (т.е. перегрузка).

К
Для иллюстрации рассмотрим электрическую систему с высоким содержанием гармоник с 5 ^th
гармоническое напряжение около 20% основного. Конденсатор 4160 В, 300 кВАр
батарея имеет реактивное сопротивление 57,7 Ом на основной частоте (например, 60 Гц) и
потребляет емкостной ток 41,6 А по закону Ома. С другой
С другой стороны, реактивное сопротивление конденсатора составляет всего 11,54 Ом на 5-й ^-й -й гармонике (5
х 60 = 300 Гц). Впоследствии эта же батарея конденсаторов была запитана с 5 ^по .
гармоническое напряжение порядка также будет составлять 41,6 А.

Фундаментальный
Текущий:

I ₁
= 4,16 кВ/(√3)(57,7 Ом)

я ₁
= 41,62 А

5 ^-й
Гармонический ток:

I ₅
= (20%)(4,16 кВ)/(√3)(11,54 Ом)

я ₅
= 41,62 А

Общее среднеквадратичное значение
ток:

Irms = √(I ₁ ²
+ I _{H ​​} ² ) = √(41,62 ² + 41,62 ² )

Irms = 58,86
А или 141,4% основного тока (I ₁ ) – могут перегореть предохранители конденсатора
случаях ожидается неприятный перегорание, поскольку размер большинства предохранителей конденсаторов основан на
на пределе 135% кВАр. В противном случае конденсаторный блок будет подвергаться перегрузке и
обогрев. Это показывает, почему перегорает предохранитель конденсатора и/или отключается автоматический выключатель.
указывают на очень высокий уровень гармонических искажений в этом районе.

Более того, частые
переключение нелинейных магнитных компонентов, таких как реакторы и трансформаторы
могут генерировать гармонические токи, которые увеличивают нагрузку на конденсатор.

Гармонический резонанс

Серьезная озабоченность
в результате использования конденсаторов в системе электроснабжения
возможность системного резонанса. Этот эффект налагает напряжения и токи, которые
выше, чем в случае отсутствия резонанса.

Гармонический резонанс в энергосистеме
может быть классифицирован как параллельный или последовательный резонанс, и оба типа присутствуют
в гармонически богатой среде.