Гармоники в электрических сетях: причины, источники, способы защиты

Этот материал подготовлен специалистами компании «ЭлектроАС». Нужен электромонтаж или электроизмерения? Звоните нам!

Появлению эффекта гармонических искажений тока в электрических сетях человечество обязано бурному развитию техники и инновационным технологиям в эволюции электрооборудования. Эти процессы начали массово замещать линейных потребителей электроэнергии и безинверторные электродвигатели оборудованием, принцип работы которого строился на нескольких циклах преобразования поставляемой электрической энергии.

Причины появления гармоник в электросети
По своей физической сути, гармоники являются синусоидальными волнами, суммирующимися с основной частотой 50 Гц. Таким образом, комплексная синусоида представляет собой сумму конкретного числа гармонических искажений тока с большими или меньшими показателями.

Практически все современные устройства влияют на возникновение в сети гармонических искажений. Причиной, вызывающей искажение напряжения и тока в электросети, выступают нелинейные потребители, которые используют ток несинусоидального типа. Среди таких источников стоит выделить:

• электродвигатели с инверторной системой управления, комплексы плавного пуска двигателей, выпрямители управляемого и неуправляемого типа, блоки питания;

• электротермическое оборудование – лазеры, дуговые и индукционные печи с высокой частотой, сварочные агрегаты, микроволновые установки и т.п.;

• осветительные устройства – люминесцентные, дуговые и газоразрядные лампы;

• бытовое оборудование – кондиционеры, телевизоры, аудио и видеосистемы, радиоприёмники, компьютеры, микроволновки, электрочайники и т.д.;

• • офисные устройства – ксероксы, принтеры, серверы, блоки беспрерывного питания, мониторы.
• 
• Способы измерений гармоник
  Чтобы убрать негативные последствия гармонических искажений тока в электросети, необходимо провести комплекс работ по внедрению установок конденсаторного типа, которые будут выполнять компенсаторную функцию по реактивной мощности, а также фильтров гармоник. Но для правильного подбора фильтрующего и компенсирующего оборудования нужно предварительно всесторонне измерить основные параметры электросети:
• • величину и уровни гармонических искажений тока и напряжения;
• • активную реактивную мощность;
• • полную мощность и коэффициент мощности;
• • мощность нелинейных искажений;
• • уровень провалов и перенапряжений в линии;
• • пик-фактор или амплитудный коэффициент;
• • изменение светового потока.
• 

Для определения вышеперечисленных параметров могут использоваться разные приборы. Современные технологии позволяют достаточно точно измерять показатели электрических сетей. Для поверхностного анализа можно использовать осциллографы (посмотреть можно по ссылке http://lab-snab.ru/osczillografyi), компактность и автономность которых позволяет проводить измерения, как на улице, так и внутри помещений. В случае необходимости получения более развёрнутых данных по всем параметрам функционирования электросетей, лучше воспользоваться анализаторами качества электроэнергии (посмотреть можно по ссылке http://lab-snab.ru/analizatoryi_kachestva_elektroenergii). Они имеют более широкий функционал при тех же компактных размерах и полной автономности, что и осциллографы. Возможность перенесения полученных данных на ПК и дальнейшая обработка с помощью специального программного обеспечения значительно облегчают их анализ.

1. 
2. Почему необходимо противодействовать проявлениям гармоник в сети
   Появление гармоник в электросети свидетельствует об искажённых параметрах тока или напряжения, что, в свою очередь, является признаком наличия возмущений в сети распределения и ухудшения качества поступающей электроэнергии. Присутствие гармоник может стать причиной следующих негативных последствий:
3. • увеличение текущего значения тока приводит к перегрузкам в распределительных сетях;
4. • суммирование токов высших гармоник, которые кратные трём и генерируются нагрузками по однофазной сети, способствует перегрузкам в нейтральных проводниках;
5. • возникновение перегрузок, вибраций и преждевременного старения электрооборудования (двигателей, генераторов, трансформаторов);
6. • возникновение повышенного шума трансформаторов;
7. • преждевременное старение и перегрузка конденсаторов, отвечающих за повышение коэффициента мощности;
8. • возникновение помех в телефонных линиях и сетях связи.
9. 

Все эти факторы имеют суммарное экономическое последствие, которое выливается в необходимости замены вышедшего из строя раньше положенного срока оборудования, в повышенном расходовании электроэнергии и её увеличенным потерям, в ложном срабатывании предохранителей и автоматических выключателей, останавливающих производственный процесс. Именно поэтому своевременное выявление и устранение гармоник имеют большое значение в надёжности функционирования электросетей и подаче качественной электроэнергии конечным потребителям.

Источник: http://elektroas.ru/prichiny-poyavleniya-garmonicheskix-iskazhenij-toka-v-elektroseti-i-sposoby-ix-izmereniya

Негативное воздействие токов высших гармоник на элементы системы электроснабжения

Коваленко Д. В., Плотников Д. И., Шакенов Е. Е., Кулинич И. О. Негативное воздействие токов высших гармоник на элементы системы электроснабжения // Молодой ученый. — 2016. — №28. — С. 102-105. — URL https://moluch.ru/archive/132/36981/ (дата обращения: 28.11.2019).



В идеальной электроэнергетической системе (ЭЭС) энергия должна передаваться при неизменных во времени номинальных значениях частоты и напряжения. В реальных энергосистемах эти условия не выполняются, т. к. большинство потребителей электроэнергии имеют нелинейный характер нагрузки.

Отклонения кривых тока и напряжения от синусоидальной формы обычно представляют с помощью гармонических составляющих.

Гармоники можно разделить на следующие группы: основная — гармоника сетевой частоты (в России — 50 Гц) [1]; высшие гармоники — они превышают частоту основной в n раз, т. е. 3n, 5n и т.д.; субгармоники — они меньше частоты основной в n раз, т. е. n/3, n/5; интергармоники — составляющие колебаний, которые не кратны основной частоте сети.

Важной характеристикой, определяющей форму кривой, является угол сдвига фаз гармоники по отношению к гармонике основной частоты.

Одни и те же гармоники от различных источников могут производить различный эффект в зависимости от их относительного положения. В свою очередь, эффекты, вызываемые гармониками, можно разделить на эффекты от кратковременного и от длительного воздействия.

• Эффекты кратковременного воздействия:
• – Искажение формы питающего напряжения;
• – Эффект гармоник, кратных трем (в трехфазных сетях);
• – Падение напряжения в распределительной сети;
• – Резонансные явления на частотах высших гармоник;
• – Наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;
• – Повышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;
• – Вибрация в электромашинных системах.
• Эффекты длительного воздействия:
• – Нагрев и дополнительные потери в электрических машинах;
• – Дополнительные потери в шинопроводах;
• – Нагрев конденсаторов, входящих в состав батарей (БСК);
• – Нагрев кабелей распределительной сети.
• Таким образом, можно сделать вывод, что основными формами воздействия высших гармоник на системы электроснабжения являются: увеличение напряжений и токов в СЭС вследствие возникновения резонансов на частотах гармоник; снижение эффективности процессов генерации, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии; старение изоляции электрооборудования, что влечет за собой повышенный износ и сокращение срока службы; ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики.

Для иллюстрации одного из негативных влияний высших гармоник, а именно искажения формы кривой напряжения, рассмотрим следующий пример.

В качестве исходных данных и упрощения теоретических выкладок рассмотрим систему электроснабжения, изображенную на рис.1, потребители которой (S1 и Sнн) получают питание от генератора через трансформатор по кабельной линии.

Отметим, что потребитель S1 является спокойной (линейной) нагрузкой, а потребитель Sнн — нелинейная нагрузка (12-пульсный выпрямитель).

Рис. 1. схема СЭС

Для создания имитационной модели составляются схемы замещения СЭС на основной частоте (рисунок 2а) и на частотах высших гармоник (ВГ) (рисунок 2б) [3].

Рис. 2. Схема замещения СЭС рис.1 на основной (а) и высших (б) гармониках

При составлении схемы замещения на основной гармонике (50 Гц) принимаются следующие допущения, позволяющие упростить решение задачи.

Генератор и понижающий трансформатор представляется источником ЭДС напряжением 0,38 кВ и комплексным сопротивлением источника Zи, равным 106 Ом. Линейная и нелинейная нагрузки представляются комплексными сопротивлениями.

Модуль комплексного сопротивления линейной нагрузки составляет Z1=24768 Ом, а нелинейной — зависит от частоты (т. е. оно различно для каждой из гармоник).

Схема замещения на высших гармониках представляет собой источник тока, комплексные сопротивления всех нагрузок и внутренне сопротивление источника тока (причем схем замещения существует столько, сколько у нас гармоник в сети; покажем для краткости одну из них, так как остальные схемы замещения аналогичны рассматриваемой, отличаются они только параметрами). Частота источника тока равна произведению основной частоты на номер соответствующей гармоники сети, т. е. I11=11·50=550 Гц, I13=13·50=650 Гц и т.д. для каждой гармоники. Величины сопротивлений также зависят от номеров гармоник.

Для наглядного представления искажения синусоидальности кривой напряжения в программном комплексе MATLAB-Simulink была собрана имитационная модель рассматриваемой СЭС, показанная на рис.3 [4].

Рис. 3. Имитационная модель СЭС, представленной на рис. 1

На рис.4 представлена осциллограмма трехфазного напряжения на источнике. Можно сделать вывод, что форма питающего напряжения имеет синусоидальный характер, искажения отсутствуют (причем это справедливо для всех трех фаз).

Рис. 4. Форма питающего напряжения СЭС

В точке подключения нелинейной нагрузки к системе форма напряжения существенно изменяет свой характер из-за того, что происходит наложение высших гармоник на синусоидальное напряжение источника. Происходит искажение формы кривой напряжения в системе, что и показывает нам рис.5.

Рис. 5. Наложение высших гармоник на основную синусоиду источника

Источниками гармоник в СЭС являются: силовое электронное оборудование, статические преобразователи частоты, выпрямительные установки, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, частотно-регулируемые электроприводы, циклоконверторы, сварочные установки, газоразрядные осветительные приборы, различная бытовая техника и т.д. В нашем случае источником высших гармоник в СЭС оказался двенадцатипульсный выпрямитель [2].

1. Негативное влияние высших гармоник на электрооборудование и другие элементы СЭС заключается в следующем:
2. 1) возникает ускоренный износ электрических машин вследствие ускоренного износа изоляции обмоток и сердечника, который происходит из-за её чрезмерного нагрева токами высших гармоник;
3. 2) возникают дополнительные потери и уменьшение пропускной способности линий электропередачи;
4. 3) затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей статических конденсаторов (БСК) вследствие возможности возникновения резонансных явлений на высших гармониках;
5. 4) ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи.
6. Таким образом, можно сказать, что высшие гармоники напряжений и токов являются негативным фактором, влияющим на энергосистему в целом.
7. Литература:

1. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — Введ. 2014–07–01. — М.: Стандартинформ, 2013. — 62 с.
2. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях / А. Куско, М. Томпсон: пер. с англ. Рабодзея А. Н. — М.: Издательский дом «Додэка — XXI», 2008. — 333 с.
3. Осипов Д. С., Коваленко Д. В., Киселев Б. Ю. Расчет потерь энергии в кабельной линии электропередачи при наличии нелинейной нагрузки методом пакетного вейвлет-преобразования / Д. С. Осипов, Д. В. Коваленко, Б. Ю. Киселев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2016. — № 4(148). — С. 84-89.
4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink/ И.В. Черных — М.: «ДМК Пресс», 2008. — 286 с.

Основные термины (генерируются автоматически): гармоника, схема замещения, питающее напряжение, форма кривой, основная частота, нелинейная нагрузка, имитационная модель, длительное воздействие, распределительная сеть, искажение формы кривой напряжения.

Собрав имитационную модель узла нагрузки системы электроснабжения в Matlab и Simulink.

Анализ симметрии напряжения в распределительных электрических сетях напряжением 0,38 КВ.

U1(1)i — действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i — м наблюдении В, кВ.

– коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения, являющимся количественной оценкой отклонения напряжения от формы синусоиды. Он характеризуется формулой [3]

Искажения формы синусоиды напряжений и токов ведет к возрастанию потерь, быстрому старению изоляции, а, следовательно, и уменьшению срока службы

Схема данного устройства представлена на рисунке 1. Рис. 1. Однофазная схема замещения АФГ.

Основные термины (генерируются автоматически): гармоника, нелинейная нагрузка, гармоника тока, емкость, упрощенная схема замещения фильтра, Амплитудное значение тока, электрическая энергия, реактивная мощность, имитационная модель, MATLAB.

Основные термины (генерируются автоматически): кабельная линия, статический преобразователь частоты, интергармоника, потеря мощности, питающая сеть, гармоника, основная частота, доля потерь, частота, нелинейная нагрузка.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях с электродуговыми печами определяется в основном 2, 3, 4, 5, 7-й гармониками.

В этом случае исследуются воздействия несимметрии напряжения на трехфазный двигатель с треугольной схемой соединения.

Методы измерения наведенного напряжения в сетях 0,38/10 кВ МУП «Рязанские городские распределительные электрические сети».

Основные термины (генерируются автоматически): изолированная нейтраль, земля, напряжение, сеть, ток, поврежденная фаза, фаза А, схема замещения сети, воздушная линия, индуктивный ток.

Имитационная модель одновибратора с перезапуском.

Собрав имитационную модель узла нагрузки системы электроснабжения в Matlab и Simulink.

Анализ симметрии напряжения в распределительных электрических сетях напряжением 0,38 КВ.

U1(1)i — действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i — м наблюдении В, кВ.

– коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения, являющимся количественной оценкой отклонения напряжения от формы синусоиды. Он характеризуется формулой [3]

Искажения формы синусоиды напряжений и токов ведет к возрастанию потерь, быстрому старению изоляции, а, следовательно, и уменьшению срока службы

Схема данного устройства представлена на рисунке 1. Рис. 1. Однофазная схема замещения АФГ.

Основные термины (генерируются автоматически): гармоника, нелинейная нагрузка, гармоника тока, емкость, упрощенная схема замещения фильтра, Амплитудное значение тока, электрическая энергия, реактивная мощность, имитационная модель, MATLAB.

Основные термины (генерируются автоматически): кабельная линия, статический преобразователь частоты, интергармоника, потеря мощности, питающая сеть, гармоника, основная частота, доля потерь, частота, нелинейная нагрузка.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях с электродуговыми печами определяется в основном 2, 3, 4, 5, 7-й гармониками.

В этом случае исследуются воздействия несимметрии напряжения на трехфазный двигатель с треугольной схемой соединения.

Методы измерения наведенного напряжения в сетях 0,38/10 кВ МУП «Рязанские городские распределительные электрические сети».

Основные термины (генерируются автоматически): изолированная нейтраль, земля, напряжение, сеть, ток, поврежденная фаза, фаза А, схема замещения сети, воздушная линия, индуктивный ток.

Имитационная модель одновибратора с перезапуском.

Источник: https://moluch.ru/archive/132/36981/

Гармоники тока и напряжения в электросетях

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.

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:

1. 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.

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

3. 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.

Номер гармоники Типичное содержание в % гармоник тока — 6-ти пульсный выпрямитель 12-ти пульсный выпрямитель

1	100	100
5	20	—
7	14	—
11	9	9
12	8	8
17	6	—
19	5	—
23	4	4
23	4	4

Разложение формы кривой тока на гармонические составляющие

Перегрузка конденсаторов гармониками

Согласно закону Ома сопротивление цепи определяет протекающий по ней ток. Так как сопротивление источника энергии является индуктивным, кроме того, импеданс сети увеличивается с частотой, в то время как сопротивление конденсатора с ростом частоты уменьшается.

Это вызывает рост тока через конденсаторы и оборудование содержащее их. При определенных обстоятельствах, гармонические потоки могут превысить ток фундаментальной гармоники 50 Гц протекающей через конденсатор.

Эти гармонические проблемы могут также вызвать увеличение напряжения на конденсаторе, которое может превысить максимально допустимое значение и привести к пробою конденсатора.

Гармонический резонанс

Резонанс в сети достигается когда сопротивление конденсатора равно сопротивлению источника.

Когда мы применяем конденсаторы для компенсации реактивной мощности в распределительных сетях, которые содержат и емкостную и индуктивную (индуктивность линии, силовых трансформаторов) составляющую, всегда существует частота на которой возможно явление параллельного резонанса конденсатора с источником.

Если это происходит, или частота близка к частоте резонанса, то гармоники генерируемые силовыми полупроводниками (большие токи гармоник) начинают циркулировать между генерирующей сетью  и конденсаторным оборудованием. Эти токи ограничиваются только сопротивлением линии.

Такие токи приводят к возмущениям и искажениям напряжения в сети.

Как результат: повышенное напряжение на конденсаторах, и повышенный ток через них, Резонанс может произойти на любой частоте, но в основном это 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники которые генерируются 6-пульсными системами выпрямления трехфазного напряжения.

Предотвращение резонанса в электросетях

Есть несколько путей, чтобы избежать явлений резонанса в распределительных сетях где установлены конденсаторы.

В больших распределительных сетях, есть возможность установки их в части сети, которая не имеет параллельного резонанса с индуктивностью трансформатора.

Изменяя выходную мощность конденсаторной установки, мы можем отстроиться от опасной резонансной частоты. Резонансная частота с включением каждого шага конденсаторной установки изменяется.

Резонансные явления при использовании конденсаторов в электросетях с нелинейными потребителями

Сдвиг резонансной частоты

Если резонанса нельзя избежать вышеприведенным методом, необходимо альтернативное решение. Последовательно с каждым конденсатором ставится реактор (трехфазный дроссель)  таким образом, чтобы система конденсатор-дроссель имела индуктивный характер на критических частотах, и емкостной характер на основной частоте 50 Гц.

Для этого система конденсатор-дроссель должна иметь резонансную частоту ниже наименьшего частоты гармоники присутствующей в сети, которая обычно бывает 5-ой (250 Гц). Это означает, что частота настройки системы конденсатор дроссель д.б. между значениями 175…270 Гц.

В системе конденсатор дроссель напряжение основной частоты на дросселе повышается, соответственной мы должны использовать конденсаторы на повышенное напряжение.

Снижение гармонических искажений

Гармонические искажения могут подавляться в электрических системах при использовании гармонических фильтров.

В классическом виде фильтр представляет собой последовательно соединенные конденсатор и индуктивность и настроенные на определенную гармоническую частоту.

В теории сопротивление фильтра равно нулю на частоте резонанса, поэтому гармонический ток абсорбируется фильтром. Этот эффект вместе с сопротивлением линии означает, что таким образом можно хорошо подавлять гармоники в сети.

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.

Анализ и измерение гармоник в сети

Прежде чем приступать к внедрению конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности на предприятии, а также фильтров гармоник необходимо провести всесторонние измерения параметров сети: активную реактивную, полную мощность, величину и уровни  гармоник тока и напряжения, провалы и перенапряжения в линии, фликкер.

Для этих целей компания Матик электро имеет в своем штате профессиональных инженеров с анализаторами сети и ноутбуками для обработки информации на месте съема.

Мы проводим выездные измерения по всей России, предоставляем отчет и рекомендации с последующим внедрением энергосберегающего оборудования (конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности) и фильтров гармоник.

Источник: http://www.matic.ru/clients/articles/harmonics-voltage-and-current-in-electrical-networks/

Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях — Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения

Подробности Категория: Разное

Глава первая СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСОБЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения В электроснабжении получил широкое распространение термин «электромагнитная помеха».

Он приобрел формы, обусловленные разнообразием существующих электроприемников, которые могут быть как относительно мощными (силовыми) — синхронные и асинхронные двигатели, статические и машинные преобразователи, сварочные агрегаты и другие электротехнологические установки, так и небольшой единичной мощности — средства компьютерной техники, электробытовые приборы и др.

Все указанные потребители объединены сетью электроснабжения (за исключением автономных систем), что вызывает необходимость определения степени воздействия на сеть электромагнитных помех, возникающих в результате работы отдельных электроприемников.

Под электромагнитной помехой (в дальнейшем помехой) понимаются электрическое и (или) магнитное явления (процессы), созданные любым источником в пространстве или проводящей среде и нежелательно влияющие или способные оказать нежелательное влияние на состояние электроприемника (функционирование, эффективность использования, потери, старение изоляции и т. д.).

Носителями помех выступают постоянные или изменяющиеся во времени значения напряжения, тока, электрического заряда или магнитного потока. Помехи можно классифицировать по разным признакам.

В зависимости от путей распространения помехи подразделяют на пространственные и кондуктивные, по предсказуемости времени появления и формы — на случайные (вероятностные) и регулярные (систематические). Помехи из сети питания переменного тока можно подразделять на импульсные (кратковременные) и длительные.

Исследование электромагнитной обстановки в рассматриваемой точке сети представляет собой определение количественных характеристик длительных и импульсных помех, характерных для данного участка сети. К длительным помехам относят отклонения напряжения от номинального значения длительностью более 5 мс, превышающие допустимые пределы изменения в сторону увеличения или уменьшения.

К импульсным помехам относят импульсы напряжения разной полярности, накладываемые на нормальный уровень мгновенного значения синусоиды или постоянного напряжения длительностью от долей наносекунд до единиц миллисекунд. К помехам также следует отнести провалы напряжения, вызванные, например, срабатыванием автоматического повторного включения или автоматического включения резерва.

Учитывая максимально возможные затяжные пуски мощных двигателей, можно предположить, что самые продолжительные длительные помехи лежат в пределах 10 с. К разряду помех не будут относиться только отключения (аварийные или рабочие), связанные с последующим ручным включением напряжения.

Периодические помехи связаны в основном с импульсно-циклическим характером нагрузки мощных электроприемников. Гармонические помехи (высшие гармоники) возникают с частотой сети или кратной ей и вызываются в основном мощными нелинейными электропотребителями при ограниченной мощности питающей сети.

Гармонические и периодические помехи, как правило, приводят к возникновению несинусоидальности напряжения [13, 18,29,98, 115, 131, 174, 181, 193, 209]. Причины возникновения высших гармоник на разных участках сети также различны.

Если в высоковольтных сетях появление высших гармоник обусловлено наряду с воздействием мощных нелинейных электроприемников коронными разрядами, грозовыми явлениями и аварийными режимами ЛЭП, то в низковольтных сетях они обусловлены преимущественно нестационарными процессами и нелинейными характеристиками отдельных электроприемников.

При этом высшие гармоники, вызываемые низковольтными нелинейными потребителями, в соответствии с приведенной выше классификацией назовем систематическими, гармоническими, кондуктивными помехами. Очевидно, что причиной нарушения КЭ может являться недопустимое ухудшение любого из его параметров, вызванное свойствами одного из потребителей либо их группы при совместной эксплуатации.

Обычно КЭ ухудшает каждый из потребителей и, при некотором их количестве, такое ухудшение достигает граничного значения, вызывающего сбои и отказы аппаратуры. В этом случае конкретного виновника просто не существует. При этом сложно привести пример электроприемника, являющегося по отношению к сети чисто активной нагрузкой.

Даже обычная лампа накаливания за счет разности сопротивления холодной и нагретой нити накаливания создает при включении заметные перегрузки. Значительно проще привести примеры явно искажающих сетевое напряжение электроприемников, таких как сварочные аппараты, управляемый электропривод, компьютерная и другая электронная техника.

Значительная часть этих потребителей генерирует в сеть высшие гармоники, серьезным образом обостряя ситуацию с КЭ в низковольтных сетях [3]. Поэтому в условиях насыщенности указанных сетей нелинейными электропотребителями доминирующим фактором ухудшения КЭ становится несинусоидальность токов и напряжений.

Например, для входящих быстрыми темпами в быт СВЧ-печей, которые удобны и энергоэффективны (в связи с кратковременностью работы вследствие быстрого достижения требуемого теплового эффекта) характерны коэффициенты искажения синусоидальности кривой входного тока от 15 («Электроника», СП23, ЗИЛ, 1300ВА) до 29 % (Daewoo, MOD KOR-8167, 1350ВА).

Эти показатели сами по себе вроде бы и не вызывают опасения, к тому же относительные значения гармоник тока быстро убывают в зависимости от порядкового номера: в первом случае I(3) = 13,5 %, I(5) = 3,6 % , I(7) =2,7 % и т. д., а во втором — I(3) = 25,2% , I(5) = 11,2%, I(7) =5,2% и т. д.

Однако включение этих печей в типовых условиях приводит не только к снижению значения напряжения питающей сети на 2—4 %, но, что значительно серьезнее, и к увеличению коэффициента искажения синусоидальности кривой этого напряжения на 6—18 %.

Современные компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) из-за своей высокой стоимости используются, в первую очередь, в целях демонстрации престижности и, лишь во вторую — как энергоэффективные светильники, которые различаются в 4—5 раз большей светоотдачей и в 5—6 раз большим сроком службы, чем лампы накаливания [203]. Коэффициент искажения синусоидальности кривой питающего тока (К) КЛЛ с электромагнитным балластом (ЭМБ) находится, по свидетельству [203], на том же уровне, что и в СВЧ-печах: для лампы Life Look 50 фирмы NEC (Япония) — 13,1 % (здесь и далее учитываются гармоники по тринадцатую включительно), для лампы Globolux 125 фирмы TUNGSRAM (Австрия) — 18,5 %. Это подтверждают и проведенные нами исследования: для лампы NLS-18W (Р) фирмы RADIUM (Германия) К1 = 25,4%, для лампы ЛЕЦ-20 (Украина) K1= 12,2 %. Желание избавиться от естественных недостатков КЛЛ с ЭМБ (сравнительно большая масса; низкий cos φ; высокое напряжение зажигания, что может не позволить им вообще зажечься при снижении питающего напряжения ниже 190—220 В; длительное время запуска) явилось причиной разработки и внедрения электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭПРА). Однако избавление от указанных недостатков в таких источниках было достигнуто ценой резкого ухудшения формы кривой потребляемого тока. В [83] приведены следующие данные: для лампы PLC Elektronic фирмы Philips (Голландия) 134,9%; для лампы Dulux Elektronic фирмы OSRAM (Германия) К= 162,4 %; для лампы GP-12B фирмы ECONOLAMP (Гонконг) К, = 169,4 %. Необходимо отметить чрезвычайно широкий спектр гармоник тока, потребляемого КЛЛ с ЭПРА, и то, что снижение амплитуды гармоник при увеличении их номера происходит весьма медленно (например, для последней из упомянутых ламп

I(3) = 92,6 % , I(5) = 85,1 %, I(7) = 74,7 %, I(9) = 61,7 % .

 С изменением значения питающего напряжения форма тока и его гармонический состав изменяются мало. Так, для лампы FLE 16 TBX/827/LC фирмы TUNGSRAM при 220В К= 150,5 %, а при 180В К= 152 %.

Однако из-за наличия внутренней системы стабилизации, которая по сути поддерживает неизменным световой поток, при этом резко (примерно в полтора раза) возрастают абсолютные значения токов потребления первой и всех высших гармоник. Следует отметить, что темпы производства КЛЛ с ЭПРА с каждым годом возрастают.

Если ориентироваться на прогноз, данный в [61) о возможной замене 50 % ламп накаливания КЛЛ, то можно ожидать дальнейшего существенного ухудшения ситуации с несинусоидальностью напряжений в сетях НН, ведь на освещение в 1994 году в Украине расходовалось около 17 % всей производимой электроэнергии.

Проведенный анализ показывает, что основными источниками высших гармоник в сетях НН являются потребители энергии, имеющие в своем составе выпрямитель с мощным емкостным фильтром. Это так называемые преобразователи с бестрансформаторным входом или, по международной терминологии, AC/DC Switch Mode Power Supply (SMPS) [172], которые реализуют ту же идеологию, что и ЭПРА.

В настоящее время это самая серьезная проблема, которая порождена развитием электроники и усугубляется по мере расширения масштабов ее использования. В 70-е годы XX века достижения в области электрофизики и технологии производства высокочастотных полупроводниковых приборов позволили повысить их рабочие напряжения до 200— 600 В при токах 10—20 А.

Это определило актуальность работ по созданию сетевых источников вторичного электропитания (ИВЭП) с бестрансформаторным входом, в которых преобразование параметров электроэнергии производилось на высокой частоте (10—20 кГц), а фильтрация и стабилизация напряжения осуществлялась за счет высокочастотной импульсной модуляции.

В середине 80-х годов XX века накопленный опыт проектирования и эксплуатации систем электропитания с широким применением ИВЭП с бестрансформаторным входом позволил выявить их некоторые негативные свойства, в первую очередь, касающиеся существенных искажений синусоидальности кривых входных токов.

В частности, трехфазные нагрузки этого типа (частотно управляемые электроприводы, различные инверторы, в том числе, сварочные выпрямители инверторного типа) генерируют мощные пятую и седьмую гармоники (до 70—80 % амплитуды основной гармоники каждая). При этом форма потребляемого тока значительно искажается и коэффициент искажения синусоидальности кривой тока К=80—90 % [177].

Такие однофазные выпрямительные нагрузки из-за своей массовости (компьютеры, мониторы, серверы, телевизоры, телекоммуникационная и медицинская аппаратура, и т. п.) значительно ухудшают КЗ, генерируя в сеть третью и кратные ей гармоники тока и доводя общий К до 120—150 %.

Например, в [1] приводятся относительные значения амплитуд гармоник входного тока компьютера по тринадцатую включительно, в соответствии с которыми К=146 %. Таким образом, рассмотренные потребители относительно питающей сети являются существенно нелинейной нагрузкой.

При этом, ограниченная магнитная связь между первичной и вторичной обмотками распределительного трансформатора препятствует распространению высших гармоник в высоковольтную питающую сеть, и они в основном циркулируют в низковольтной сети. Проблема усугубляется тем, что за счет продольного активно-индуктивного сопротивления сети несинусоидальный характер кривой входного тока указанных электроприемников вызывает искажения питающего напряжения, которые являются фактором взаимовлияния высших гармоник в сетях НН. Известно, что подавляющее большинство электроприемников, подключаемых к сетям НН, являются однофазными и имеют случайные графики нагрузок. Поэтому в любой момент времени в сети наблюдается несимметрия нагрузок по фазам и соответствующая несимметрия токов. При этом следует различать несимметрию токов, определяемую неравномерным подключением электроприемников по фазам (неслучайная несимметрия), и несимметрию, вызванную случайными обстоятельствами (вероятностная несимметрия) [105].

Проведенные исследования показывают, что в низковольтных электрических сетях в нормальном рабочем режиме вероятностная и неслучайная несимметрии токов являются постоянно действующими факторами, а в случае подключения нелинейных электроприемников возникает так называемая несимметрия высших гармоник.

Известно, что в симметричном режиме токи высших гармоник 3к + 1 (к — любое целое число) имеют прямой порядок следования фаз, токи высших гармоник 3k +2 — обратный и ЗА — нулевой порядок следования фаз.

Тогда при разложении несимметричных гармоник наличие обратной и нулевой последовательностей будет характеризовать несимметрию гармоник 3k + 1, наличие прямой и нулевой — несимметрию гармоник 3k + 2, а прямой и обратной — несимметрию гармоник, кратных трем.

Следует отметить, что вопросам несимметрии нелинейных нагрузок посвящен ряд публикаций [49, 65, 87, 167, 171, 188, 216]. В работах [87, 188], в частности, показано, что сложные формы кривых фазных токов нелинейных потребителей редко имеют одинаковую конфигурацию в каждой из трех фаз.

При этом система питания может иметь разные фазные сопротивления и даже различную схему на каждой фазе. В первую очередь это относится к средствам преобразовательной техники, которые отличаются друг от друга мощностью, числом фаз, размещением, схемой соединения, условиями работы и др.

С одной стороны, в результате их смешанных и суммирующих воздействий величины высших гармоник в сети существенно отличаются от теоретических предсказаний. С другой стороны, вследствие несимметрии нагрузок, различных задержек в работе отдельных фаз выпрямителя, расхождения в значениях коэффициента трансформации и т. д.

не исчезают те гармонические составляющие, которые в соответствии с теорией должны отсутствовать. Нетрудно понять, что возникающая несимметрия высших гармоник является нарушением КЭ в результате совместного воздействия несимметрии и несинусоидальности токов соответствующих нагрузок.

Поэтому в СЭС необходимо выполнять различного рода мероприятия по устранению, а если это не удалось сделать, то по ограничению несимметрии высших гармоник.

Например, в свое время Австралийский стандарт (AS 2279—1979) на содержание высших гармоник в сети [171] даже предлагал ввести ограничения на использование однополупериодного и так называемого полууправляемого оборудования, которое вследствие совместного применения диодов и тиристоров создает несимметричную ситуацию в сети. Можно предположить, что если несимметрию высших гармоник нельзя устранить организационными мероприятиями, то необходимы технические средства уменьшения высших гармонических фазных токов в условиях их несимметрии.

 Кроме того, в последние годы происходит бурный рост количества управленческих структур, банков и финансовых организаций, учебных центров, издательских фирм и т.д., которые чрезвычайно насыщены разнообразной оргтехникой (многочисленные персональные компьютеры и компьютерные сети, множительная и контрольная техника, средства персональной связи).

При этом названные потребители подключаются, как правило, к электрической сети НН соответствующего здания или сооружения. Как было отмечено, характер их электропотребления в значительной степени определяется наличием ИВЭП с бестрансформаторным входом, в качестве входного звена которого используется сетевой выпрямитель с емкостным фильтром.

Таким образом, в настоящее время в низковольтных сетях жилых и общественных зданий получили широкое распространение нелинейные электроприемники сравнительно небольшой мощности, причем существует тенденция к непрерывному увеличению их количества.

Несмотря на малую мощность этих потребителей электроэнергии, их массовое применение является причиной значительных искажений синусоидальности кривых напряжений в сетях НН.

Источник: https://leg.co.ua/knigi/raznoe/vysshie-garmoniki-v-nizkovoltnyh-elektricheskih-setyah-3.html