Влияние гармоник напряжения и тока

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

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

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

Реальная форма напряжения при нелинейной нагрузке

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

Искажение синусоидального напряжения и появление гармонических составляющих

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

Теория

Эффект гармоник кратных третьей:

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

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

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

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

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

Векторная диаграмма токов

Рис. 1. Векторная диаграмма токов [14]

It = √ Ia² + Ir²

Ia = I cos φ

Ir = I sin φ

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

полная мощность S = UI (кВа),

активная мощность P = UI cos φ (кВт).

реактивная мощность Q = U I sin φ (квар)

Векторная диаграмма мощностей

Рис. 2. Векторная диаграмма мощностей

Коэффициент мощности КМ определяется так:

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

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

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

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

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

Связь полной мощности и реактивной

Рис.3. Связь полной мощности и реактивной

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

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

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

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

Причины искажения формы синусоидального переменного напряжения

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

Источники искажения синусоидального напряжения могут быть сгруппированы по основным типам.

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

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

Основные источники высших гармоник:

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

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

n=mk±1(4.9)

где m — число фаз выпрямления;

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

Негативное влияние гармонических составляющих напряжения

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

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

  2. Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в шинопроводах. Эти потери могут привести к значительным потерям энергии и быть причиной выхода из строя шинопроводов вследствие перегрева. Протекание по сжатым в пакет шинам в изоляции несинусоидальных токов, вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости, приводит к увеличению активного сопротивления и, как следствие, к дополнительному нагреву. Срок службы шинопровода зависит от нагрева его частей и не позволяет при несинусоидальном токе использовать шинопровод на всю его номинальную мощность. В результате приходится занижать мощность и выбирать шинопровод с большим сечением, что существенно увеличивает стоимость объекта. Например, полная загрузка шинопровода может наступить при использовании лишь 80 - 85% номинальной мощности, указанной в его паспортных данных. Если не предпринимать никаких мер, то срок службы шинопровода может сократиться, в зависимости от амплитуды гармоник, в 1,1 – 2 раза.
  3. Сокращение срока службы электрооборудования из-за интенсификации теплового и электрического старения изоляции. При рабочих температурах в изоляционных материалах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств. С ростом температуры эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования. В конденсаторах потери энергии пропорциональны частоте, поэтому несинусоидальный ток приводит к их дополнительному нагреву. В электрических машинах токи нулевой последовательности создают дополнительное подмагничивание стали, что приводит к ухудшению их характеристик и дополнительному нагреву сердечников (статоры асинхронных двигателей, магнитопроводы трансформаторов).

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

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

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

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

  5. Резонансные явления на частотах высших гармоник

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

  6. В условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов. Батареи конденсаторов предназначены для компенсации реактивной мощности нагрузки, то есть для повышения коэффициента мощности электроустановки здания. Однако в условиях несинусоидальности тока батареи конденсаторов одновременно являются элементами, абсорбирующими гармоники со всей сети, так как сопротивление конденсатора обратно пропорционально частоте. Батареи конденсаторов изменяют нормальный путь гармоник тока 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 появляется вероятность проявления резонансных явлений (как по току, так и по напряжению) на отдельных элементах системы электроснабжения. Деформация синусоиды питающего напряжения приводит к снижению значения амплитуды входного напряжения, вследствие этого снижается напряжение на конденсаторе. Снижение уровня напряжения на конденсаторе, с которого осуществляется питание высокочастотного преобразователя, а далее и цепей постоянного тока, должно было бы привести к снижению уровня выпрямленного напряжения. Происходит снижение устойчивости к кратковременным провалам напряжения. 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 обладает весьма большой емкостью, 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 он может зарядиться при «плоской» форме питающего напряжения.
  7. Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельных линий и шинопроводов. Из-за этого учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю, пробиваются конденсаторы.
  8. В электрических машинах возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения KU = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10...15 % [12].
  9. Влияние высших гармоник на устройства защиты энергосистем

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

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

  10. Значительному снижению точности работы, а значит и достоверности показаний электроизмерительных приборов/устройств; нестабильной/неправильной работе ряда видов релейных защит, систем контроля/управления, телемеханики, связи и т.д. [10]. Возрастает недоучёт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.
  11. 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 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.
  12. Вибрация в электромашинных системах. Наличие высших гармоник в напряжении питания индукционных электродвигателей является причиной возникновения в магнитном потоке составляющих на частотах высших гармоник, которые в свою очередь будут наводить гармоники ЭДС и, как следствие этого, в обмотках ротора появляются высшие гармоники тока. Эти гармоники будут взаимодействовать с основным магнитным потоком, создавая дополнительные механические моменты на валу электрической машины. В результате создаются гармонические пульсации вращающего момента на валу двигателя. В экстремальных случаях может возникнуть вибрация на резонансной частоте вращающейся массы ротора, приводящая к накоплению усталости металла и возможному разрыву вала ротора электродвигателя [6]
  13. Снижение уровня выпрямленного напряжения. Деформация синусоиды питающего напряжения приводит к снижению значения амплитуды входного напряжения, вследствие этого снижается напряжение на конденсаторе (рис. 2) [3]

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

  14. Влияние гармоник на вращающиеся машины. Гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, а также в стали статора и ротора. Потери в проводниках статора и ротора из-за вихревых токов и поверхностного эффекта при этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, приводят к дополнительным потерям.
  15. Влияние гармоник в аварийных режимах. Устройства защиты обычно реагируют на напряжение или ток основной частоты, а все гармоники в переходном режиме либо отфильтровываются, либо не воздействуют на устройство. Последнее характерно для электромеханических реле, особенно используемых в максимальной токовой защите. Эти реле имеют большую инерцию, что делает их практически не чувствительными к высшим гармоникам. Более существенным оказывается влияние гармоник на работу защиты, строящейся на измерении сопротивлении.
  16. Влияние высших гармоник на телевизоры. Гармоники, увеличивающие пик напряжения, могут вызвать искажения изображения и изменение яркости.
  17. Влияние высших гармоник на компьютеры. Существуют пределы на допустимые уровни искажений в сетях, питающих компьютеры и системы обработки данных. В некоторых случаях они выражаются в процентах от номинального напряжения (для компьютера IВМ - 5%) либо в виде отношения пика напряжения к действующему значению (СDС устанавливает допустимые его пределы значениями 1,41 ± 0,1).
  18. Влияние гармоник на измерение мощности и энергии

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

Способы уменьшения гармоник

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Основные способы подавления высших гармоник тока путем применения:

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

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

  3. Применение пассивных фильтров.

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

    Различают следующие разновидности пассивных фильтров:

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

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

    • поперечные компенсаторы;
    • продольные заградительные контуры;
    • поперечные резонансные цепи;
    • П-образные фильтрующие звенья.
      [1].
  4. Применение специальных разделительных трансформаторов.

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

  5. 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.

  6. Применение активного кондиционера гармоник

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

  7. Снижение полного сопротивления распределительной сети

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

  8. Использование электромашинных преобразователей.

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

Пример фильтрации гармоник пассивными фильтрами.

Параллельные фильтры высших гармоник

Рис.4. Параллельные фильтры высших гармоник

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

Типы фильтров гармоник

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

Стандарты и ГОСТы

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

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

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

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

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

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

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

  4. Директива Евросоюза по электромагнитной совместимости

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

  5. Стандарты США (ANSI/IEEE)

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

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

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

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

  6. Регламентация гармоник тока

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

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

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

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

Список использованных источников

  1. Гармоники высшего порядка. Энергетические системы. http//rca.ru/knigi/arhivy/energeticheskie-sistemy-14.html
  2. Влияние высших гармоник напряжения и тока на работу электрооборудования. http://electricalschool.info/main/elsnabg/260-vlijanie-vysshikh-garmonik.html
  3. Олег Григорьев, Виктор Петухов, Василий Соколов, Игорь Красилов. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ. http://www.news.elteh.ru/arh/2003/18_19/14.php.
  4. Гармонические искажения в сети от источников света. http://www.dialux-help.ru/stati/garmonicheskie-iskazhenija-v-seti-ot-istochnikov-sveta-upravljaemyh-yelektronymi-priborami.html
  5. Гармоники тока и напряжения в электросетях. http://www.matic.ru/clients/articles/harmonics-voltage-and-current-in-electrical-networks/
  6. Высшие гармоники в сетях 0,4 кВ. http://stroika.biz.ua/articles/605/
  7. Системы производства и обеспечение качества электроэнергии. http://literaturki.net/energetika/sistemy-proizvodstva-i-obespechenie-kachestva-elektroenergii/520-snijenie-nesinusoidalnosti-napryajeniya
  8. Влияние несинусоидальности напряжения. http://www.sonel.ru/ru/biblio/article/quality-voltage/influence-nonsinusoidality-voltage/printable.php
  9. Основные способы управления параметрами энергетических систем для снижения влияния нелинейных нагрузок на показатели качества электрической энергии.http://www.science-education.ru/106-8075
  10. Высшие гармоники в силовых сетях проимышленных предприятий. http://www.elec.ru/articles/vysshie-garmoniki-v-silovyh-setyah-promyshlennyh-p/
  11. Источники помех в электрических сетях. http://www.energoboard.ru/articles/2068-istochniki-pomeh-v-elektricheskih-setyah.html
  12. Несинусоидальность напряжения. http://www.e-audit.ru/quality/no_sinus.shtml
  13. Анализ гармонического состава токов.http://power-e.ru/2010_3_82.php
  14. Руководство по компенсации реактивной мощности с учетом влияния гармоник. Выпуск 21. Техническая коллекция Schneider Electric
  15. Гармонические искажения в электрических сетях. Выпуск 22. Техническая коллек-ция Schneider Electric.
  16. ГОСТ Р 50571-5-52.