Влияние гармоник на системы электроснабжения реферат

Обновлено: 02.07.2024

Гармоники – это длительно существующие в энергосистеме синусоидальные волны, которые суммируются с основной частотой 50 Гц, искажая исходную форму сигнала всплесками, провалами и постоянным присутствием шумов. Номер гармоники означает во сколько раз её частота выше основной частоты. Например, 3-я гармоника обладает частотой 150 Гц, а 25-я – частотой 1250 Гц. Любая форма кривой тока или напряжения, насколько сложной бы она не была, всегда может быть разложена только на составляющие её гармонические синусоиды с частотами, кратными 50 Гц.

Гармоники: от чего и почему?

Основными источниками гармоник являются нелинейные нагрузки. Это означает, что полное сопротивление нелинейных нагрузок изменяется в зависимости от величины потребляемого тока, отклоняя тем самым его форму от синусоидальной. Наличие гармоник в потребляемом нагрузкой токе обуславливает возникновение гармоник в напряжении для других нагрузок, подключенных к этому же источнику питания. Ток, потребляемый нелинейными нагрузками, протекает через все сопротивления (проводов, кабелей, переходные в местах контактов, обмоток трансформаторов) питающей сети, вносит свой вклад в падения напряжений на этих сопротивлениях. Характер падения этих напряжений также является нелинейным, т. к. полностью повторяет форму нелинейного тока на простых резистивных нагрузках. Именно из-за такого рода падений напряжений, формы кривых напряжений для других потребителей становятся искаженными. В качестве примера, на рис. 1 представлена однолинейная схема участка распределенной сети с нелинейной нагрузкой Z_НЛ, вызывающей протекание нелинейного тока I_НЛ, который, в свою очередь, вносит вклад в падения напряжений для различных точек подключения других потребителей. Гармонические искажения напряжений, вызванные током I_НЛ, будут сильно отличаться для чувствительных к качеству электропитания потребителей Z_ЧП1, Z_ЧП2, Z_ЧП3, получающих питание соответственно от точек подключения 1, 2 и 3. Гармонические искажения в форме кривой напряжения будут наибольшими для точки подключения 1, поскольку падение напряжения от тока I_НЛ будет происходить на сопротивлениях вторичной обмотки трансформатора T₁ и проводников, а также большем количестве контактных соединений. Для точки подключения 2 гармонические искажения напряжения будут заметно ниже, т. к. падения напряжений от тока I_НЛ будут в основном на вторичной обмотке трансформатора T₁. Точка подключения 3 будет практически вне влияния гармоник от нагрузки Z_НЛ.

Рис. 1. Однолинейная схема участка распределенной сети с нелинейной нагрузкой.

Также причинами возникновения гармоник в энергосистеме могут служить возникающие в ней переходные процессы. На практике это бывает в случаях, когда осуществляются частые коммутации ощутимого по мощности электрооборудования или прямые пуски асинхронных электродвигателей.

Наибольший вклад в гармонический состав токов и напряжений вносят неуправляемые выпрямители, которые обычно являются частью блоков питания бытовых электроприборов или промышленного оборудования.

Наличие следующих типов электрооборудования позволяет заранее предсказать присутствие гармоник в системе электроснабжения, к которой они подключены (т. к. их нагрузки нелинейны):

электроприводы с регулируемой скоростью вращения;
источники бесперебойного питания;
компьютеры;
печатающие и фотокопирующие машины;
телевизоры;
микроволновые печи;
люминесцентные лампы;
газоразрядные лампы;
индукционные варочные поверхности;
сварочное оборудование;
диммеры;
зарядные устройства;
трансформаторы, работающие в зоне магнитного насыщения.

Особенности, свойства и последствия гармоник

Если нагрузки из вышеуказанного перечня потребляют значительную долю мощности, то возникающие от них гармоники в системе электроснабжения могут приводить к следующим негативным последствиям:

более низкому коэффициенту мощности при той же полезной мощности (увеличению протекающего тока);
помехам для оборудования, чувствительного к форме кривой напряжения;
увеличенному току и, как следствие, чрезмерному нагреву нейтральных проводников;
чрезмерному нагреву асинхронных двигателей;
повышенному акустическому шуму от трансформаторов, шин, распределительных устройств и т. д.;
ненормальному нагреву трансформаторов и сопутствующего оборудования;
повреждению конденсаторов устройств компенсации коэффициента мощности;
снижению срока службы люминесцентных ламп;
ложным срабатываниям автоматических выключателей и предохранителей;
необходимости увеличения сечений проводников;
неверным показаниям контрольно-измерительных приборов;
повреждениям электрооборудования, чувствительного к форме питающего напряжения;
асимметрии фазных напряжений;
ускорению процессов старения изоляции проводников.

Важным свойством гармоник является то, что они, как правило, накапливаются в энергосистеме. Вклад различных источников гармоник в некоторой степени суммируется. Этим гармоники сильно отличаются от эффектов высокочастотной электромагнитной совместимости. Высокочастотные помехи, протекая через образовавшиеся паразитные контуры, наибольшее влияние оказывают на линии данных и измерительные цепи. Они имеют тенденцию быть локализованными и незначительно кумулятивными. Важно понимать, что, за редкими исключениями, если гармоники вызывают помехи, то это происходит через прямое электрическое соединение, а не через паразитные пути. Экранирование проводников очень редко является средством устранения гармонических проблем.

Еще одной важной особенностью гармоник является то, что в смеси однофазных и трехфазных нагрузок некоторые из важных гармоник, таких как пятая и седьмая, не совпадают по фазе и фактически взаимно компенсируются. Иногда эта информация может быть очень полезной, даже если нет уверенности в том, что нагрузки будут работать одновременно. Например, установка трехфазных частотно-регулируемых приводов, безусловно, не ухудшит пятую и седьмую гармоники и может даже их уменьшить в офисном здании, которое близко к своему пределу для пятой и седьмой гармоник из-за большого количества однофазных компьютерных нагрузок.

Во входных цепях широкого спектра однофазного электрооборудования, которое характеризуется нелинейными нагрузками, используются неуправляемые выпрямители (диодные мосты). Всё это оборудование вызывает аналогичные гармонические искажения в кривых потребляемого тока. Как уже упоминалось ранее, эффект от гармоник накапливается от всех потребителей с нелинейными характеристиками, подключенных к одной и той же энергосистеме. В этом случае для оценки общего тока гармоник можно прибегнуть к процедуре прямого суммирования токов от всех однофазных устройств с выпрямителями.

На рис. 2 показана форма кривой напряжения, когда распределительный трансформатор (или вся энергосистема) нагружен на 50% своей мощности однофазными выпрямителями. Нелинейные нагрузки в этом случае вызывают характерный эффект плоской вершины.

Рис. 2. Форма кривой напряжения питания при однофазной выпрямительной нагрузке, составляющей 50% мощности.

Несмотря на то, что форма кривой выглядит существенно искаженной, указанное гармоническое влияние не отразится на работоспособности большинства современных электронных устройств, запитанных таким напряжением. Однако, содержание гармоник может вызвать перенапряжение на компонентах электроприборов, особенно на конденсаторах, подключенных непосредственно к источнику питания. Также это приводит к токовым перегрузкам нейтральных проводников, вызванным суммированием гармоник тока, кратных трем. Подобная проблема на практике чаще всего встречается в зданиях с высокой концентрацией компьютеров и аналогичного IT-оборудования.

Измеряем и анализируем показатели

Однако, далеко не всегда характер гармонических искажений от различных нагрузок с нелинейными характеристиками однообразен. Очень часто в энергосистеме встречается большой спектр различных гармоник. Чтобы оценить суммарный эффект влияния гармоник на энергосистему, необходимо прибегнуть к сложным математическим вычислениям, построенным на основе теории рядов Фурье. Для количественной оценки влияния гармоник от отдельно взятой нелинейной нагрузки, суммарного результирующего влияния на энергосистему или её участка, пользуются коэффициентом нелинейных искажений Total Harmonic Distortion (THD). Коэффициент нелинейных искажений равен отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала. Коэффициент THD выражен в процентах. Чем большее значение принимает THD, тем существеннее негативное влияние гармоник на энергосистему. Признанный на международном уровне максимально допустимый THD составляет 8%. Следует отметить, что на этапе проектирования значение максимально допустимого уровня THD обычно принимают равным 5%, оставляя необходимый запас при непосредственной реализации проекта.

Лишь для неуправляемых выпрямителей фазовые углы доминирующих гармоник будут одинаковыми, что позволяет осуществить несложный расчет с достаточной точностью. Очень часто фазовый угол бывает неизвестен или он зависит от условий и режима эксплуатации электрооборудования. На практике обычно не прибегают к столь сложным теоретическим расчетам. В случаях, когда коэффициент THD все же требуется определить (присутствие гармоник в энергосистеме может негативно сказываться на работоспособности других потребителей), его измеряют соответствующими приборами. Например, очень удобно получить реальные значения коэффициентов THD для токов и напряжений по фазам в энергосистеме многофункциональными измерительными приборами EKF: SMH или G33H. Возможности этих измерительных приборов не ограничены лишь указанными выше параметрами, они позволяют получить детальную информацию по всем основным характеристиками качества электроснабжения.

Как снизить влияние гармоник?

Учитывая степень распространения оборудования с нелинейными характеристиками, можно с уверенностью утверждать, что в той или иной степени гармоники присутствуют в любой электросети. Чаще всего их негативное влияние на других потребителей электроэнергии ограничено и не требует дополнительных мер по снижению этого влияния. Однако, если суммарная доля нелинейных нагрузок превышает 40% мощности энергосистемы, могут потребоваться специальные мероприятия, направленные на снижение негативного влияния гармоник на других потребителей. К аналогичным мерам стоит также прибегать, когда измеренное значение коэффициента THD превышает 8% или прослеживаются очевидные негативные последствия гармоник, указанные ранее.

В случае, когда гармоники становятся проблемой для чувствительного к ним оборудования можно воспользоваться методами, нивелирующими это негативное влияние.

Часто решением может стать выбор правильной точки подключения для нелинейных нагрузок. Например, они могут быть подключены к основным шинам, а не к длинным кабелям или проводам, используемым также другим оборудованием (это характерно точке подключения 2 на рис. 1).

Очень действенный метод борьбы с гармониками – применение гальванически развязывающих трансформаторов для нелинейных нагрузок или, наоборот, для чувствительного к гармоникам оборудования (например, точка подключения 3 на рис. 1).

Меры, снижающие переходные сопротивления (улучшение качества соединений) и сопротивления проводников (увеличение сечений), через которые получают питание нелинейные нагрузки, бывают достаточно эффективными на практике.

Применение трехфазных преобразователей частоты, вместо однофазных, где это возможно, снижает токи гармоник примерно на 70% при одинаковой заданной полезной мощности, а также не создает дополнительный ток в нейтральном проводнике.

Для ряда нелинейных нагрузок эффективной мерой снижения гармоник может служить установка сглаживающих реакторов (дополнительной индуктивности) на их входе.

Следует также учитывать, что чем выше пульсность схемы выпрямления, тем меньшее гармоническое влияние оказывает на энергосистему такой выпрямитель.

Применение электрооборудования с активными выпрямителями, вместо неуправляемых, позволяет значительно снизить гармоники в энергосистеме.

В особенно сложных случаях, когда энергосистема сильно перегружена гармониками, могут потребоваться дорогостоящие фильтрокомпенсирующие устройства. Их применение можно рекомендовать, если только не удаётся решить проблемы, вызванные гармониками, другими более доступными способами. К тому же следует учитывать, что применение фильтрокомпенсирующих устройств требует очень тщательного подбора и настройки, а в некоторых случаях может приводить к потенциально опасным условиям возникновения резонансных явлений в сети.

Александр Панов, Руководитель технической дирекции EKF, к.т.н.

Использованная литература:

1. Drives and Controls Handbook, W. Drury, The Institution of Electrical Engineers, UK, 2001

2. AC-DC Power System Analysis, J. Arillaga and B. Smith, University of Canterbury, New Zealand,1998

3. Power system harmonics. Part 1: Harmonic sources, R. Yacamini, Dept. of Eng., Aberdeen University, UK, 1994

4. Григорьев О.А., Петухов В.С., Меркулов А.В. Магнитное поле промышленной частоты в условиях непроизводственного воздействия: источники и методология инструментального контроля // Ежегодник Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений: Сб. тр. – М.: Издательство РУДН, 2003. – с. 85-105.

Гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, могут представлять собой серьезные проблемы для систем электропитания. Гармонические составляющие представляют собой токи с частотами, кратными основной частоте источника питания. Высшие гармоники тока, накладываемые на основную гармонику, приводят к искажению формы тока. В свою очередь искажения тока влияют на форму напряжения в системе электропитания, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки системы.

Наиболее распространенным оборудованием, генерирующим высшие гармоники тока в сеть, являются:

· статические преобразователи (выпрямители, системы бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания и т.д.);

· газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;

· электродуговые печи постоянного и переменного тока;

· устройства с насыщающимися электромагнитными элементами;

· электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения;

· специальные медицинские приборы и т.д.

Указанные устройства являются генераторами высших гармоник тока в системе электропитания. В зависимости от места своего подключения и процентного соотношения с линейными нагрузками в этой системе они тем или иным образом будут оказывать влияние на другие нагрузки. Увеличение общего действующего значения тока при наличие высших гармонических в системе приводит к перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического и механического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономных электроэнергетических установок.

Рассмотрим основные способы подавления высших гармоник тока путем применения:

· активных кондиционеров гармоник.

1. Включение линейных дросселей.

Простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник тока во внешнюю сеть является последовательное включение линейных дросселей (рис. 1). Такой дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. При этом снижается коэффициент амплитуды (крест-фактор) K_a и коэффициент искажения K_и входного тока.

Рис 1. Кривые токов нелинейных нагрузок:
а) без дросселя, б) при последовательном включении дросселя.

В таблице № 1 приведены значения коэффициента искажения тока на входе трехфазного мостового выпрямителя при различных значениях относительного индуктивного сопротивления дросселя на основной частоте (Х_др ) [ 2 ].

Х_др , о.е.	1	2	3	4	5	8
К_и , %	75	52	45	40	35	28

2. Применение пассивных фильтров.

Различают следующие разновидности пассивных фильтров [ 4 ]:

· нескомпенсированный LC-фильтр с коммутатором.

Рис 2. Пассивные фильтры:

a)	некомпенсированный LC-фильтр;
б)	компенсированный LC-фильтр;
в)	некомпенсированный LC-фильтр с коммутатором;
г)	трехфазный вариант LC фильтра.

Нескомпенсированный фильтр содержит продольную индуктивность Др1 и поперечную цепь, состоящую из последовательно включенных индуктивности Др2 и емкости С, настроенных на определенную гармонику (рис. 2а). Если фильтр настроен на 5-ую гармонику, то сопротивление поперечной цепи близко к нулю и ток, потребляемый от источника, не будет содержать эту гармонику. Недостатком такого фильтра является следующее. При использовании в качестве первичного источника питания дизель-генераторную установку (ДГУ) с ограниченной установочной мощностью, последний может обеспечить относительно низкое значение емкостной составляющей тока нагрузки (10-30%).

При включении UPS на ДГУ, когда осуществляется "мягкий" старт выпрямителя, активная мощность, потребляемая нагрузкой, равна нулю и генератор ДГУ оказывается нагруженным только на емкостное сопротивление фильтра. Значительная емкостная составляющая потребляемого от генератора тока может привести к нарушению нормальной работы генераторной системы и отключению ДГУ. Следовательно, возможность использования нескомпенсированных LC-фильтров должна быть проанализирована с точки зрения согласования характеристик генератора и параметров фильтра.

Скомпенсированный фильтр содержит дополнительную поперечную индуктивность Др3, способствующую тому, что фильтр по отношению к генератору имеет индуктивный характер (рис. 2б). Это снижает емкостную составляющую потребляемого тока и облегчает работу генератора в пусковом и установившемся режимах. Однако наличие Др3 приводит к снижению коэффициента мощности системы в целом.

Нескомпенсированный фильтр с коммутатором удобен при использовании ДГУ ограниченной мощности, соизмеримой с мощностью UPS. Поперечная цепь фильтра подключается автоматически только после выхода UPS на номинальный режим (рис. 2в).

Таким образом, не требуется применение ДГУ завышенной мощности и не снижается коэффициент мощности системы.

3. Применение специальных разделительных трансформаторов.

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

4. Применение магнитных синтезаторов.

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

Рис. 3. Блок-схема магнитного синтезатора.

Блок-схема магнитного синтезатора представлена на рис. 3. Линейные дроссели преобразуют входной источник напряжения в источник тока. В этом случае ток блока трансформаторов не зависит от меняющихся в широких пределах (± 40%) значений входного напряжения. Такой способ передачи энергии практически полностью исключает помехи и возможные колебания входного напряжения. Через блок гальванической развязки энергия передается в блок импульсных трансформаторов и блок конденсаторов. Шесть соединенных друг с другом импульсных трансформаторов с насыщением создают форму синтезированного напряжения. Каждый трансформатор генерирует на полупериоде один из шести импульсов с определенной вольт-секундной площадью (рис. 4), обеспечиваемой специальной конструкцией трансформаторов и блоком конденсаторов. Непрерывный обмен энергией, накопленной в блоке импульсных трансформаторов и в блоке конденсаторов, обеспечивает глубокое насыщение сердечников трансформаторов и точную регулировку формируемых импульсов по амплитуде и длительности.

Рис. 4. Процесс формирования выходного напряжения магнитного синтезатора.

Рассмотрим принцип работы магнитного синтезатора. В любой момент времени пять из шести сердечников блока трансформаторов находятся в режиме насыщения и представляют собой короткозамкнутые контуры. Когда сердечник шестого трансформатора насыщается, напряжение на этом трансформаторе падает практически до нуля, при этом изменяется полярность напряжения на очередном трансформаторе на обратную, вызывая переход его сердечника в ненасыщенное состояние и формирование первого импульса в синтезируемом напряжении следующего полупериода. Такое последовательное переключение импульсных трансформаторов производит серию определенных импульсов напряжения, используемых как блоки для формирования синтезированного напряжения (рис. 4). Это напряжение поступает на нагрузку через фильтры, настроенные на вторую и третью гармоники, что обеспечивает коэффициент искажения выходного напряжения не выше 4% независимо от степени искажения напряжения на входе магнитного синтезатора. Трехфазное выходное напряжение подается к нагрузке через Zig-Zag трансформатор, формирующий нейтраль выходной цепи и обеспечивающий снижение влияния асимметрии нагрузки на работу синтезатора. Даже полностью несогласованная но фазам нагрузка (100% асимметрия) не приводит к изменениям выходного напряжения более чем + 5%, ( 2%. При этом выходная цепь, включая нейтраль, полностью изолирована от входной цепи электропитания.

Вариант реализации принципиальной схемы магнитного синтезатора приведен на рис. 5.

Рис. 5. Вариант реализации схемы магнитного синтезатора.

Некоторые технические характеристики магнитных синтезаторов модели Datawave приведены в таблице № 3.

5. Применение активного кондиционера гармоник

Активный кондиционер гармоник (Active Harmonic Conditioner - AHC) [ 8, 9, 10 ] в отличие от магнитного синтезатора подключается не последовательно с нелинейной нагрузкой, а параллельно ей (рис.7).

Рис. 7. Схема включения активного кондиционера гармоник (АКГ).

Принцип действия активного кондиционера гармоник (АКГ) основан на анализе гармоник тока нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник тока, но с противоположной фазой. Как результат этого, высшие гармонические составляющие тока нейтрализуются в точке подключения АКГ. Это означает, что они не распространяются от нелинейной нагрузки в сеть и не искажают напряжения первичного источника энергии.

Ток нелинейной нагрузки содержит основную ( i₁ ) и высшие ( i_n ) гармоники:

Ток АКГ содержит противофазные току нагрузки высшие гармоники:

В результате ток, потребляемый от источника, практически синусоидален, так как содержит только основную (первую) гармонику:

Таким образом, источник обеспечивает только основную гармонику тока нагрузки, а АКГ покрывает практически весь спектр высших гармоник от 2-ой до 25-ой. АКГ может быть установлен в любой точке распределительной сети и способен компенсировать высшие гармоники от одной или нескольких нелинейных нагрузок.

Некоторые модели АКГ могут обеспечить компенсацию действующих значений высших гармоник от 20 до 120 А.

Связь между действующими значениями токов нагрузки и источника устанавливается следующим выражением:

В первом приближении можно считать, что действующие значение тока АКГ, необходимое для компенсации высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой в распределительную систему определяется следующим соотношением:

Повышенное значение тока, получаемое из выражения (10), объясняется тем, что АКГ обеспечивает компенсацию гармоник не выше 25-ой и может быть настроен на компенсацию гармоник ниже указанного порядка, тогда как в составе тока нагрузки могут присутствовать гармоники более высокого порядка.

Блок-схема АКГ "SineWave" приведена на рис. 9. В состав АКГ входят следующие узлы: IGBT-преобразователь, устройство управления и контроля, блок защиты и мягкого пуска и токовые датчики. Преобразователь АКГ содержит трехфазный инвертор на IGBT транзисторах, коммутируемых с тактовой частотой 16 КГц, два конденсатора С1, С2 и линейные дроссели в каждой фазе (Др1). Устройство управления и контроля состоит из блока анализа гармоник тока, блока установки номеров компенсируемых гармоник, блока управления преобразователем и мониторинга.

Рис. 9. Блок-схема АКГ "SineWave" (условно изображена силовая цепь одной фазы).

На анализатор гармоник поступают сигналы с быстродействующих датчиков тока нагрузки (ДТ1) и тока АКГ (ДТ2). Блок защиты и мягкого пуска содержит быстродействующие предохранители и с помощью контактора и балластного сопротивления обеспечивает плавный заряд конденсаторов С1, С2 в период включения АКГ.

Различают следующие способы компенсации гармоник с использованием АКГ:

· каскадный (последовательное включение);

При локальном способе обеспечивается защита критичных нагрузок, подключенных в распределительную сеть, от повышенного уровня гармоник, генерируемых одной из нелинейных нагрузок. В этом случае АКГ подключается как можно ближе к наиболее мощной нелинейной нагрузке (рис. 10 а).

Для увеличения номинального значения тока компенсации и (или) повышения надежности системы возможно параллельное включение АКГ на одну нелинейную нагрузку (рис.10 б). SineWave допускает работу в параллель до 4-х модулей. При этом, если один из модулей выходит из строя или отключается, то остальные остаются в работе.

При глобальном способе обеспечивается компенсация гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, которые подключены к силовому фидеру электропитания и расположены в других зданиях, цехах или зонах технологического процесса. В этом случае АКГ должно подключаться к главному распределительному щиту (рис. 10 в).

В случае группы нелинейных нагрузок целесообразен мультикомпенсационный способ, при котором один модуль АКГ способен компенсировать гармоники от трех нелинейных нагрузок (рис. 10г).

Каскадный способ включения АКГ позволяет избежать взаимовлияние различных кондиционеров в системе (рис. 10 д). Первый кондиционер (АКГ1) обеспечивает защиту от гармоник мощной нелинейной нагрузки, а второй кондиционер малой мощности (АКГ2) осуществляет компенсацию гармоник от других маломощных нелинейных нагрузок. Каскадное включение увеличивает степень компенсации гармоник тока при изменении нагрузки при использовании АКГ с меньшими номинальными значениями тока компенсации.

Многоуровневый способ предусматривает подключение АКГ на нескольких уровнях распределительной сети (рис. 10 е), что может быть сведено к каскадному способу включения АКГ.

а) Локальное включение АКГ.

б) Параллельное включение АКГ.

в) Глобальное включение АКГ.

г) Мультикомпенсационное включение АКГ.

д) Каскадное включение АКГ.

е) Многоуровневое включение АКГ.

Рис. 10. Способы компенсации гармоник.

Заключение

Следует отметить, что для точного решения задачи по кондиционированию гармоник требуется:

· знание условий эксплуатации и технические характеристики источников энергии, распределительной системы и автоматов защиты;

· точного знания характеристик нагрузок (гармонического состава токов, потребляемой мощности, места их подключения в системе электропитания);

· использование специальных измерительных приборов для экспериментального определения гармонического состава тока в различных участках распределительной системы электропитания;

· проведение анализа и моделирования изучаемой системы электропитания.

Комплекс этих мероприятий необходим для правильного проектирования системы электропитания и выбора требуемой спецификации оборудования, способной обеспечить электромагнитную совместимость (ЭМС), соответствующую современным международным стандартам.

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.

Следует различать гармоники в установившихся (стационарных) режимах, когда форма кривой не изменяется, и гармоники в переходных (нестационарных) режимах, когда форма кривой существенно меняется от цикла к циклу.

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 Z_и, равным 10 6 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].

Негативное влияние высших гармоник на электрооборудование и другие элементы СЭС заключается в следующем:

1) возникает ускоренный износ электрических машин вследствие ускоренного износа изоляции обмоток и сердечника, который происходит из-за её чрезмерного нагрева токами высших гармоник;

2) возникают дополнительные потери и уменьшение пропускной способности линий электропередачи;

3) затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей статических конденсаторов (БСК) вследствие возможности возникновения резонансных явлений на высших гармониках;

4) ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи.

Таким образом, можно сказать, что высшие гармоники напряжений и токов являются негативным фактором, влияющим на энергосистему в целом.

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

ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

На современных подземных горных предприятиях все большее распространение получают нагрузки, характеристики которых нелинейные. К их числу относятся, в первую очередь, различного рода вентильные преобразователи, применяемые для регулирования координат электропривода. Широкое применение вентильных преобразователей (ВП) обусловлено высокими технико-экономическими показателями и эксплуатационными достоинствами, соответствующими современным требованиям технологических процессов и поэтому становятся главным средством управляемого преобразования электрической энергии в механическую.

Среди неблагоприятных особенностей ВП, ухудшающих их электромагнитную совместимость с примыкающими сетями электроснабжения, наиболее существенными являются потребление реактивной мощности на основной частоте и искажение формы напряжения, сопровождающееся генерированием в сеть высших гармоник (ВГ).

Обе эти особенности обусловлены коммутацией вентилей, но имеют разный механизм происхождения.

Потребление преобразователями реактивной мощности (РМ) на частоте основной гармоник напряжения происходит из-за того, что коммутация тиристоров приводит к отставанию первой гармоники тока от коммутирующих электродвижущих сил, а искажение формы напряжения – из-за того, что эти же коммутации приводят к появлению ВГ в кривой тока.

ВГ напряжения и тока неблагоприятно влияют на электрооборудование, системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; возрастает аварийность в кабельных сетях; ухудшается качество работы, а иногда появляются сбои в работе систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи.

Отсюда – необходимость и важность решения проблемы ЭМС. Источников ВГ – в данном случае ВП с сетями электроснабжения и другими нагрузками, понимая под ЭМС «способность электроустановки функционировать в заданной электромагнитной среде так, чтобы не вызывать недопустимого электромагнитного воздействия (недопустимых помех) на эту среду и находящихся в ней устройств.

Расчет электрических потерь на частотах гармоник необходим для уточнения потерь в сетях предприятий и энергосистем, а также для оценки срока службы электрооборудования. Эти потери относятся к так называемым добавочным потерям, которые определяются помехами в электрических сетях. Методы расчета потерь в электрооборудовании, представленные различными авторами, являются приближенными в силу различных причин. Так, частотные характеристики активных и реактивных сопротивлений электрооборудования являются усредненными, относящимися к конкретному виду оборудования (электродвигателям, трансформаторам, конденсаторам и др.). Нелинейности этих характеристик учитываются с помощью коэффициентов, которые, как правило, различны для разных частот. Влияние поверхностного эффекта и эффекта близости учитывается коэффициентом, характерным для резкого проявления поверхностного эффекта, т. е., где ν – номер гармоники. Влияние температуры нагрева сопротивления проводников не учитываются.

Предпринимались попытки оценить уровни погрешностей оценки этих добавочных потерь. С этой целью выполнялись расчеты согласно известным методикам для конкретных случаев. Оказалось, что на частотах ВГ до 13-й включительно погрешности расчётов положительны и, как правило, не превышают 7%, а в 95% случаев составляют до 5%. Сказанное относится к расчётам на частотах канонических гармоник. Погрешности расчёта потерь на частотах интергармоник к настоящему времени не достаточно изучены.

Потери в электрических машинах. При работе АД и СД в условиях несинусоидального напряжения возникают добавочные потери мощности, обусловленные временными ВГ тока в обмотках, а также относительно небольшие потери в стали статора и ротора.

Потери в асинхронном двигателе,обусловленные током ν-й ВГ:

где – и соответственно активное сопротивление статора и приведенное активное сопротивление ротора на частоте ν-й гармоники.

Суммарные потери на частотах ВГ:

где и – номинальные потери в обмотках статора и ротора; – относительные значения напряжения ν-й гармоники; - кратность пускового тока.

Для АД средней и большой мощности обычно , поэтому, приняв , получим следующую расчетную формулу:

В синхронных машинах потери, обусловленные ВГ, определяются по выражению, аналогичному выражению для АД:

Практика свидетельствует, что даже в случае недопустимых искажений напряжения (K_U=10÷15 %) добавочные потери от временных гармоник в СД в шихтованными статором и ротором не превосходят нескольких процентов номинальных потерь, поэтому перегрев явнополюсных СД с шихтованными полюсами на промышленных предприятиях не наблюдался.

Потери от ВГ в синхронных двигателях и компенсаторах с массивными полюсами оказываются значительно большими. Работа таких электродвигателей при несинусоидальном напряжении чревата опасностью недопустимого перегрева и повреждения обмотки возбуждения.

Потери в трансформаторах. В трансформаторах добавочные потери на частотах ВГ зависят от конструкции в двухобмоточных трансформаторах. Суммарные потери, обусловленные токами ВГ, составляют:

Потери от высших гармоник в ЛЭП определяются из выражения:

Коэффициент изменения активного сопротивления токоведущих частей на частоте n-й гармоники .

Активное сопротивление проводника на частоте n-й гармоники , где – коэффициенты, учитывающие соответственно поверхностный эффект и эффект близости проводников в линии электропередач.

Общие потери от высших гармоник в электрооборудовании и в линиях электропередачи определяются суммой потерь электроэнергии по элементам.

Иногда добавочные потери от ВГ достигают значительного уровня, что исчисляется миллионными убытками при наличии производстве большого количества электрооборудования средней и большой мощности. В качестве технических средств направленных на снижения уровня гармоник можно выделить два метода: рациональное проектирование схемы электроснабжения; применение специальных технических средств.

Снижение уровней гармоник рациональным построением схемы электроснабжения, при которой обеспечивается допустимый уровень гармоник напряжения на шинах потребителя, осуществляется путем выделения нелинейных нагрузок на секции шин, питающиеся от отдельных двухобмоточных трансформаторов или отдельных обмоток трехобмоточных трансформаторов связи с энергосистемой; подключения параллельно нелинейным нагрузкам синхронных электродвигателей и компенсаторов, асинхронных электродвигателей и других линейных нагрузок. Очевидно, что этот метод может быть успешно применен в стадии проектирования или при капитальной реконструкции.

Метод применения специальных технических средств, прежде всего, предусматривает применение различного рода фильтров и фильтрокомпенсирующих устройств, которые регулируются на определенные гармоники, особенностью работы фильтров является возможность беспрепятственно пропускать к приемникам токи одних частот и задерживать или пропускать, но с большим затуханием, токи других частот.

Список литературы:

Семёнов А.С., Бондарев В.А. Выбор контрольно-измерительной техники для регистрации показателей качества электроэнергии // В сборнике: Студенческий научный форум - 2015 Электронное издание. 2015.

Семёнов А.С., Самсонов А.В., Матул Г.А., Черенков Н.С., Заголило С.А., Мартынова А.Б. Исследование качества электроэнергии при проведении энергоаудита учебного корпуса // Естественные и технические науки. 2015. № 10 (88). С. 331-334.

Семёнов А.С., Самсонов А.В., Бебихов Ю.В., Матул Г.А. Измерение и анализ показателей качества электрической энергии потребителей промышленных предприятий // Естественные и технические науки. 2015. № 6 (84). С. 446-450.

Семёнов А.С., Бондарев В.А. Выбор контрольно-измерительной техники для регистрации показателей качества электроэнергии // Международный студенческий научный вестник. 2015. № 3-4. С. 414-416.

Семёнов А.С., Черенков Н.С. Анализ показателей качества электроэнергии при работе асинхронного двигателя от трёхфазного источника питания // В книге: Наука и инновационные разработки - Северу сборник тезисов докладов международной научно-практической конференции. Северо-Восточный федеральный университете им. М.К. Аммосова. 2014. С. 106-107.

Кузнецов Н.М., Семенов А.С., Бебихов Ю.В., Рыбников А.В. Результаты мониторинга показателей качества электрической энергии потребителей подземного рудника // Горный журнал. 2014. № 1. С. 23-26.

Семенов А.С., Кузнецов Н.М. Анализ результатов мониторинга показателей качества электрической энергии в подземном руднике // Измерительная техника. 2014. № 4. С. 31-34.

Семёнов А.С., Матул Г.А., Хазиев Р.Р., Шевчук В.А., Черенков Н.С. Анализ показателей качества электрической энергии при работе асинхронного двигателя от трёхфазного источника питания // Фундаментальные исследования. 2014. № 9-6. С. 1210-1215.

Semenov A.S. Measurement and analysis parameters quality of electric energy on the mining enterprises // Наука и технологии. 2014. № 3. С. 22-28.

Карташев И.И., Тульский В.Н., Кузнецов Н.М., Семёнов А.С. Мониторинг показателей качества электрической энергии в системах электроснабжения горных предприятий. Монография / Москва, 2013. – 144 с.

Кузнецов Н.М., Семёнов А.С. Разработка системы мониторинга для измерения показателей качества электроэнергии на горных предприятиях // Фундаментальные исследования. 2013. № 4-2. С. 295-299.

Кузнецов Н.М., Бебихов Ю.В., Самсонов А.В., Егоров А.Н., Семёнов А.С. Качество электрической энергии горных предприятий. Монография / Москва, 2012. – 68 с.

Кузнецов Н.М., Семёнов А.С., Шипулин В.С. Теоретические основы выбора показателей качества электрической энергии по обеспечению электромагнитной совместимости в распределительных системах электроснабжения / Отчет о НИР № Код ГРНТИ 52.01.84 (Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова).

Кузнецов Н.М., Семёнов А.С., Бебихов Ю.В., Самсонов А.В., Егоров А.Н., Шипулин В.С., Рушкин Е.И. Разработка и внедрение системы мониторинга показателей качества электрической энергии для снижения энергоемкости производства и повышения эффективности работы электрооборудования / Отчет о НИР № ВКГОКП 96 4830 3 от 01.01.2010 (Министерство образования и науки РФ).

Кузнецов Н.М., Семёнов А.С. Система мониторинга показателей качества электроэнергии применительно к алмазодобывающему подземному руднику // В сборнике: В мире научных открытий материалы IV международной научно-практической конференции (24 июня 2012 г.) : сборник научных трудов. Центр науч. мысли ; под науч. ред. С. П. Акутиной. Москва, 2012. С. 146-149.

Semenov A.S. Development of monitoring system for measuring the quality of electrical energy on the mining industry // В сборнике: Applied and Fundamental Studies Proceedings of the 1st International Academic Conference. Edited by Yan Maximov. 2012. С. 301-304.

Читайте также:

Влияние гармоник на системы электроснабжения реферат

Гармоники: от чего и почему?

Особенности, свойства и последствия гармоник

Измеряем и анализируем показатели

Как снизить влияние гармоник?

1. Включение линейных дросселей.

2. Применение пассивных фильтров.

3. Применение специальных разделительных трансформаторов.

4. Применение магнитных синтезаторов.

5. Применение активного кондиционера гармоник

Заключение

Похожие статьи

Применение вейвлет-преобразования для идентификации.

Анализ симметрии напряжения в распределительных.

Специальные фильтрокомпенсирующие устройства как метод.

Эффективность работы активного фильтра гармоник

Применение пассивных фильтров для компенсации высших.

Расчет доли потерь мощности обусловленных интергармониками.

Определение несинусоидальности тока при работе.

Исследования воздействия несимметрии напряжения на.

Имитационная модель однофазного замыкания на землю в сетях.

Применение вейвлет-преобразования для идентификации.

Анализ симметрии напряжения в распределительных.

Специальные фильтрокомпенсирующие устройства как метод.

Эффективность работы активного фильтра гармоник

Применение пассивных фильтров для компенсации высших.

Расчет доли потерь мощности обусловленных интергармониками.

Определение несинусоидальности тока при работе.

Исследования воздействия несимметрии напряжения на.

Имитационная модель однофазного замыкания на землю в сетях.

Похожие статьи

Применение вейвлет-преобразования для идентификации.

Анализ симметрии напряжения в распределительных.

Специальные фильтрокомпенсирующие устройства как метод.

Эффективность работы активного фильтра гармоник

Применение пассивных фильтров для компенсации высших.

Расчет доли потерь мощности обусловленных интергармониками.

Определение несинусоидальности тока при работе.

Исследования воздействия несимметрии напряжения на.

Имитационная модель однофазного замыкания на землю в сетях.

Применение вейвлет-преобразования для идентификации.

Анализ симметрии напряжения в распределительных.

Специальные фильтрокомпенсирующие устройства как метод.

Эффективность работы активного фильтра гармоник

Применение пассивных фильтров для компенсации высших.

Расчет доли потерь мощности обусловленных интергармониками.

Определение несинусоидальности тока при работе.

Исследования воздействия несимметрии напряжения на.

Имитационная модель однофазного замыкания на землю в сетях.

ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА РАБОТУ ЭЛЕКТРОУСТАНОВОК