Способы борьбы с высшими гармониками

Гармонические составляющие сети. Что это такое и как с ними быть

2020-12-17 Статьи 2 комментария

Как нам хорошо известно, сетевое напряжение имеет синусоидальную форму и частоту равную 50 Гц. Это в идеале, но на практике так бывает далеко не всегда. И дело здесь в гармонических составляющих сети — высших гармониках, представляющих из себя частотные сигналы, отличающиеся от основной частоты, и вносящих искажения в синусоидальную форму питающего напряжения, а это в свою очередь становится причиной ухудшения качества электроэнергии, нарушению нормальной работы электропотребителей и т.д.

Откуда же берутся эти гармонические составляющие?

Дело в том, что в цепях с линейной нагрузкой, к которым можно отнести сопротивление, индуктивность, емкость, протекающий через нагрузку ток пропорционален прикладываемому напряжению и следовательно синусоидальной форме сигнала напряжения соответствует токовая синусоида, поэтому разность фаз между ними равна нулю. А вот в случае, если наблюдается нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения, синусоидальная форма сигнала искажается.

Связано это в первую очередь с ростом количества электрооборудования, имеющего нелинейные характеристики, вызванные наличием в схемотехнике полупроводниковых элементов. Наиболее «проблемными» в этом плане являются тиристорные регуляторы, преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты, электродуговые печи и другое оборудование с импульсными источниками питания.

Это приводит к возникновению импульсных токов, содержащих большое количество гармонических составляющих, так называемых высших гармоник, отличающихся от основной гармоники, которые затем попадают в электрические сети и вносят искажения. Гармоники образуются на частотах, кратных основной. Так, первая (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, частота гармоники 3-го порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники 5-го порядка – 250 Гц и т.д. Получается, что реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного синусоидального сигнала и его гармонических составляющих.

Надо учитывать, что полностью избавиться от влияния гармонических составляющих невозможно, и пока уровень гармоник не превышает допустимых норм, в принципе можно не беспокоиться о каких-то серьезным последствиях. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0,38 кВ составляет 8 %, а предельно допустимое — 12 %. Также в этом ГОСТ приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например для 3-ей гармоники это 5%, для 5-ой гармоники – 6,0 %, для 7-ой гармоники – 5 % и т.д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5, 7 порядка.

Немного расчётов

Параметр, указывающий на уровень влияния нелинейных искажений, или по другому степень отличия формы сигнала от синусоидальной, называется коэффициентом нелинейных искажений Ku (THD — Total Harmonic Distorsions).

U (1) – действующее значение напряжения 1-ой гармоники

U (2), U (3) … U (40) – действующие значения напряжения высших гармоник.

Таким образом можно определить общую долю суммарного напряжения высших гармоник по отношению к напряжению основной частоты.

Еще одним параметром является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения

n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте

По этой формуле вычисляется вклад конкретной гармоники в общие искажения.

Основные характеристики гармоник

Все гармоники можно разделить по трем основным характеристикам — порядковому номеру, частоте и типу последовательности.

• Порядковый номер гармоники — это число,показывающее во сколько раз частота гармонической составляющей превышает частоту основной гармоники.
• Частота гармоники определяется путем умножения порядкового номера гармоники на значение основной частоты — 50 Гц.
• По типу последовательности разделяют гармоники прямой, обратной и нулевой последовательности. Гармоники 4, 7, 10, 13 и т. д. порядка образуют симметричную систему напряжений прямой последовательности, то есть совпадающей с последовательностью фаз первой гармоники. Гармоники 2, 5, 8, 11, 14 и т.д. образуют системы напряжений обратной последовательности по отношению к основной частоте. Гармоники с порядковым номером, кратным третьей гармоники (3, 6, 9, 12 и.д.) имеют нулевой порядок следования фаз, т.е. совпадают, и, следовательно, образуют симметричные системы нулевой последовательности.

Последствия возникновения

Какие же проблемы приносят гармонические составляющие в случае отклонения от предельно допустимых показателей?

На самом деле негативных воздействий немало, это увеличение потерь в сетях, перегрев трансформаторов,перегрузки на нейтральных проводах, гармонические шумы, искажение формы синусоидальной кривой, перегрузка и следовательно уменьшение срока службы конденсаторов коррекции коэффициента мощности, поверхностный эффект. И это еще перечислены не все негативные последствия данного эффекта. Все эти факторы приводят в конечном итоге к экономическим, энергетическим потерям и сокращению срока службы оборудования.

Поэтому в случае увеличения количества гармоник и их выхода за допустимые пределы, необходимо задуматься о принятии решений для снижения их уровня, при этом предварительно проводятся измерения гармонических искажений, по результату которых уже определяются необходимые меры .

Измерение показателей гармоник в сети

Для анализа качества электросети и выявления высших гармоник применяются, в частности, многофункциональные измерительные приборы или по другому анализаторы качества электроэнергии.

Они позволяют получать подробную информацию по всем основным характеристикам качества электроэнергии, таким как:

• коэффициент мощности
• коэффициент амплитуды
• среднеквадратичные значения тока и напряжения
• значения активной, реактивной и полной мощности
• активной и реактивной энергии в прямом и обратном направлении
• суммарный коэффициент гармоник THD тока и напряжения
• коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения
• дисбаланс напряжения

И целый ряд других параметров, которые по совокупности позволяют получить точную оценку не только гармонических величин, но и провести полный анализ состояния сетей.

Кроме этого, анализаторы имеют дополнительные функции, такие как ведение журнала событий, проверка последовательности чередования фаз, передача данных на верхний уровень по интерфейсу RS-485 или Ethernet, светодиодная индикация, дискретные входы и выходы.

Способы уменьшения гармонических составляющих

На основании полученных данных можно принимать решения о внедрении средств, направленных на уменьшение гармонических составляющих.

К основным способам уменьшения гармоник относятся разделение линейных и нелинейных нагрузок, обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы, снижение полного сопротивления распределительной сети за счет увеличения сечения кабелей, применение линейных дросселей, применение изолирующих трансформаторов с обмотками «треугольник» и «звезда», применение пассивных и активных фильтров.

Одним из наиболее простых способов снижения уровня высших гармоник является установка линейных дросселей переменного тока. В частности, такой способ фильтрации широко применяется для подавления помех, возникающих при работе частотных преобразователей.

Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и большое значение сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Помимо дросселей переменного тока, для частотных преобразователей могут применяться и дроссели звена постоянного тока.

Помимо дросселей широко применяются пассивные и активные фильтры.

Пассивный фильтр гармоник

Пассивные фильтры строятся на основе индуктивно-емкостной схемы (LC-фильтры), состоящей из продольных индуктивностей и поперечной цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности и емкости которые образуют последовательный колебательный контур, настроенный на определенную гармонику. Если необходимо уменьшение коэффициента искажения по нескольким гармоникам, можно использовать несколько параллельно включенных фильтров. Такой метод часто используется в цепях с источниками бесперебойного питания ( UPS).

Недостатком такого метода является его ограниченный только определенными гармониками эффект, поэтому для подавления всего спектра гармонических составляющих в сети используются активные фильтры.

Активный фильтр гармоник

Активный фильтр гармоник (АФГ) представляет собой электронное устройство, можно сказать является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники. Принцип действия основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но противофазе. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра и на выходе получается почти синусоидальная форма.

Такой метод благодаря своей эффективности является одним из наиболее действенных способов подавления высших гармоник, но не самым дешевым. Его применение оправдано там, где наблюдается большой уровень искажений.

Источник

Гармоники в силовых сетях и способы их подавления

Анонс: гармонические искажения в силовых сетях и выгоды от подавления гармоник. Способы подавления гармонических возмущений в силовых сетях низкого и низкого среднего напряжения.

Силовые электронные устройства, которым характерны быстрые и частые изменения нагрузки, сегодня широко распространены благодаря их многочисленным преимуществам, связанным с управлением технологическим процессом и экономией энергии. Однако генерируемые таким оборудованием гармоники могут нарушить нормальную работу других устройств и увеличить эксплуатационные расходы, обусловленные перегревом трансформаторов, двигателей и кабелей, тепловыми срабатывания защитных устройств, логическими сбоями цифровых устройств и приводов. Гармоники могут вызывать вибрацию и шум в электрических машинах (двигателях, трансформаторах, реакторах), а срок службы многих устройств может быть сокращен за счет повышения рабочей температуры, бросков напряжения и тока.

Снижение гармонических искажений до нормируемого уровня уже определено отечественными стандартами, но помимо этого, нивелирование гармоник в силовой сети дает прямую финансовую выгоду предприятию, а также целый пакет преимуществ, среди которых:

• разгрузка трансформаторов и распределительных сетей.
• обеспечение соответствия стандартам, определяющим пороговые нормы изменений параметров электросети, электромагнитной совместимости, а также уровней эмиссии и трансмиссии гармоник.
• повышение надежности силовой сети, производственно-технологических процессов и оборудования.
• снижение перегрева трансформаторов, двигателей и кабелей для увеличения срока их службы и снижения затрат на реновацию, замену оборудования и коммуникаций.
• формирование «чистых» силовых сетей, идеальных (теоретически) для работы цифровых АСУ с программно-логическими контроллерами, датчиками, телекоммуникационной связью и аппаратным комплексом для контроля и управления процессами в полностью автоматическом режиме.

Снижение полной мощности гармоник (по IEEE 1459 — harmonic apparent power) снижает нагрузку на распределительную сеть в кВА, так что может быть добавлено дополнительное технологическое оборудование без дополнительных инвестиций в рамках заключенного договора на поставку электроэнергии и ТУ на технологическое присоединение к распределительной сети.

Гармоники, генерируемые нелинейными нагрузками, могут вызывать нарушения в производственно-технологических процессах и работе агрегатов вплоть до аварийной остановки, логические сбои цифровых устройств с чувствительным технологическим оборудованием, что в итоге приводит к простоям, снижению качества продукции/услуг и финансовыми потерям.

Четыре основных способа подавления гармонических возмущений в силовых сетях

Особенности проектировки

Оборудование может быть спроектировано таким образом, чтобы выдерживать воздействие гармоник, например, трансформаторы, кабели, двигатели инверторов с ШИМ-преобразованием могут быть снабжены специальной изоляцией, чтобы выдерживать высокие значения dv=dt, а реле — настраиваться на измерение среднеквадратичных значений.

Пассивные фильтры

В подходящих местах, чаще всего вблизи источника генерации гармонических искажений, могут быть предусмотрены пассивные фильтры, чтобы токи гармоник улавливались колебательным контуром фильтра, уменьшались (теоретически) до нулевой амплитуды и суммарные возмущения, распространяющиеся в системе, уменьшались.

Активные фильтры гармоник

Активные методы фильтрации с помощью технических средств, как правило, располагаемые непосредственно возле источника гармонических искажений или встроенные в само оборудование, генерирующее гармоники. Активные фильтры гармоник (АФГ) создаются на базе ШИМ-инверторов и генерируют в сеть токи в противофазе гармоникам, что нивелирует искажения в сети «выше» места подключения фильтра. Также возможны гибридные комбинации активных и пассивных фильтров, создаваемые для уменьшения мощности и цены АФГ благодаря нивелированию гармоник первых порядков недорогими колебательными контурами.

Альтернативные технологии

Для ограничения гармоник в источнике могут быть задействованы альтернативные технологии, например, работа с более высоким числом импульсов преобразователей, комбинация ШИМ-инверторов, конвертеров с межфазными реакторами, гармоническая компенсация управляемыми реакторами, встроенными в само оборудование, генерирующее гармоники и т. д.

Какая стратегия будет наиболее полезной в данной конкретной ситуации во многом зависит от реальных амплитуд, спектра токов и напряжений, характера нагрузок, уровня короткого замыкания и др. параметров системы электроснабжения.

Наиболее целесообразны в сетях низкого и низкого среднего напряжения пассивные и активные АФГ фильтры гармоник, которые обеспечивают эффективное подавление гармонических искажений, уменьшают колебания напряжения, нивелируют броски токов и тем самым повышают срок службы оборудования и пропускную способность системы. АФГ и пассивный фильтр может быть автономным устройством, частью системы коррекции коэффициента мощности и гибридного технического средства фильтрации гармоник, а оптимальное решение находится при профессиональном проектировании и только на базе полного анализа силовой сети по максимальному числу параметров в часы пиковых нагрузок.

Источник