Руководство по устройству электроустановок - Обнаружение и устранение гармоник

1 Проблема: Зачем нужно обнаруживать и устранять гармоники?
Возмущения, вызываемые гармониками
Гармоники, протекающие по распределительным сетям, вызывают снижение качества электрической энергии, что может иметь ряд негативных последствий:
перегрузки в распределительных сетях из-за увеличения действующего значения тока
перегрузки в нулевых (нейтральных) проводниках из-за суммирования токов высших гармоник, кратных трем, которые генерируются однофазными нагрузками
перегрузки, вибрация и преждевременное старение генераторов, трансформаторов и электродвигателей, а также повышенный шум трансформаторов
перегрузки и преждевременное старение конденсаторов для повышения коэффициента мощности
искажение формы питающего напряжения, которое может повлиять на «чувствительные» нагрузки
помехи в сетях связи и телефонных линиях Экономические последствия гармонических возмущений
Гармоники имеют значительные экономические последствия:
преждевременное старение оборудования означает необходимость его замены раньше запланированного срока, если в нем с самого начала не был предусмотрен запас мощности
перегрузки в распределительной сети могут привести к более высоким уровням потребления энергии и увеличению потерь
Искажение формы кривой тока способно вызывать ложное срабатывание автоматических выключателей, что может приводить к остановке производственного процесса.
Нарастание степени серьезности последствий
Всего десять лет назад гармоники еще не считались реальной проблемой, поскольку их влияние на распределительные сети было в целом незначительным. Однако массовое внедрение силовой электроники в различные виды оборудования привело к тому, что наличие гармоник стало серьезно сказываться во всех секторах экономической деятельности. Кроме того, оборудование, порождающее такие гармоники, часто является критически важным для компании или организации.
Какие гармоники нужно измерять и устранять?
Чаще всего в трехфазных распределительных сетях встречаются гармоники нечётного порядка. С увеличением частоты амплитуды гармоник обычно снижаются. Гармоники выше 50-ого порядка имеют незначительную амплитуду, и дальнейшие измерения не имеют смысла. Достаточно точные результаты измерений получаются при измерении гармоник до 30-ого порядка. Энергоснабжающие компании контролируют содержание 3-ей, 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоник в питающих сетях. В целом, достаточным является устранение гармоник низших порядков (до 13- ого). При более тщательном контроле учитываются гармоники до 25-ой включительно.

2 Стандарты
Вопросы гармонических искажений в электрических сетях регламентируются различными стандартами и нормами:
стандартами обеспечения совместимости распределительных сетей
нормативными требованиями к оборудованию, порождающему гармоники
рекомендациями энергоснабжающих компаний, применимыми к электроустановкам
В настоящее время действует тройная система стандартов и норм, направленная на быстрое ослабление влияния гармоник и основанная на перечисленных ниже документах.
Стандарты, регламентирующие совместимость распределительных сетей и изделий:
Эти стандарты устанавливают необходимую совместимость распределительных сетей и электрооборудование:
гармоники, порождаемые каким-либо устройством, не должны создавать в распределительной сети возмущений выше определенного уровня
каждое устройство должно сохранять работоспособность при наличии в питающей сети возмущений определенного уровня
стандарт IEC 61000-2-2 для низковольтных систем энергоснабжения общего применения
стандарт IEC 61000-2-4 для промышленных электроустановок низкого и среднего напряжения
Стандарты, регламентирующие качество электрической энергии, обеспечиваемой распределительными сетями
стандарт EN 50160 устанавливает характеристики электроэнергии, подаваемой распределительными сетями общего назначения
стандарт IEEE 519 представляет общий подход энергоснабжающих компаний и потребителей к ограничению влияния нелинейных нагрузок. Энергоснабжающие компании стимулируют принятие превентивных мер, призванных повысить качество электроэнергии, снизить рост температуры и уменьшить влияние на коэффициенты мощности. Они намерены в будущем штрафовать потребителей, являющихся основными источниками гармоник в питающей сети.
Стандарты, устанавливающие требования к оборудованию
стандарт IEC 61000-3-2 или EN 61000-3-2 для низковольтного оборудования с номинальным током менее 16 А
стандарт IEC 61000-3-12 или EN 61000-3-4 для низковольтного оборудования с номинальным током более 16 А и менее 75 А
Максимально допустимые уровни гармоник
Проведенные международные исследования позволили собрать данные и оценить типичное содержание гармоник в распределительных электрических сетях. В таблице на рис. L1 представлены уровни, которые, по мнению большинства энергоснабжающих компаний, не должны превышаться.

Рис. L . Максимально допустимые уровни гармоник

3 Общие положения
Присутствие гармоник говорит об искаженной форме тока или напряжения. Искажение же формы тока или напряжения означает наличие возмущений в распределительной сети и ухудшение качества поставляемой электроэнергии.
Источниками гармоник токов являются нелинейные нагрузки, подсоединенные к распределительной сети. Протекание гармоник токов по сети, имеющей некоторое полное сопротивление, приводит к появлению гармоник напряжений и соответственно к искажению формы питающего напряжения.
Происхождение гармоник
Устройства и системы, порождающие гармоники, имеются во всех секторах экономики, т.е. в промышленности, коммерческом секторе и жилищном хозяйстве. Гармоники порождаются нелинейными нагрузками, т.е. нагрузками, потребляющими ток с формой волны, отличающейся от формы волны питающего напряжения. Примеры нелинейных нагрузок:
промышленное оборудование (сварочные машины, электродуговые печи, индукционные печи, и выпрямители)
приводы с регулируемой скоростью с асинхронными двигателями или двигателями постоянного тока
источники бесперебойного питания
офисное оборудование (компьютеры, фотокопировальные машины, факсимильные аппараты, и
др.)
бытовые электроприборы (телевизоры, микроволновые печи, люминесцентные лампы)
некоторые приборы с магнитным насыщением (трансформаторы)
Возмущения, создаваемые нелинейными нагрузками: гармоники тока и напряжения
Нелинейные нагрузки потребляют токи гармоник, которые поступают в распределительную сеть. Гармоники напряжения вызываются протеканием токов гармоник по сопротивлениям питающих цепей (по трансформатору и распределительной сети для случаев аналогичных тому, который показан на рис. L2).

Рис. L Однолинейная схема, показывающая сопротивление питающей цепи для гармоники h-ого порядка
Реактивное сопротивление проводника возрастает с увеличением частоты тока, протекающего по этому проводнику. Поэтому для каждой гармоники тока (h-ого порядка) в цепи питания существует некоторое полное сопротивление Zh.
Когда по сопротивлению Zh протекает ток гармоники h-ого порядка, то по закону Ома он создает напряжение гармоники Uh = Zh x Ih. В результате этого форма напряжения в точке B искажается и отличается от синусоидальной. Все нагрузки, питающиеся через точку B, получают напряжение искаженной формы.
Для тока данной гармоники, это искажение пропорционально сопротивлению распределительной сети.
Протекание несинусоидальных токов в распределительных сетях
Можно считать, что нелинейные нагрузки генерируют токи высших гармоник в распределительную сеть в направлении источника питания.
На рис. L3 и L4 показана схема электроустановки, «загрязненной» гармониками. В схеме, изображенной на рис. L3, протекает ток частотой 50 Гц, а на рис. L4 - ток частотой гармоники h- ого порядка.

Рис. L Схема электроустановки, питающей нелинейную нагрузку, в которой протекает только ток основной частоты 50 Гц

Рис. L4. Схема той же электроустановки, в которой протекает только ток h-ной гармоники
При питании нелинейной нагрузки возникает ток частотой 50 Гц (как показано на рис. L3), к которому добавляются токи Ih (рис. L4), соответствующие каждой h-ной гармонике. По-прежнему считая, что нагрузки генерируют токи высших гармоник в распределительную сеть в направлении источника питания, можно построить схему протекания токов разных гармоник в этой сети (рис. L5).

Примечание: Хотя на данной схеме определенные нагрузки генерируют токи гармоник в распределительную сеть, другие нагрузки могут поглощать такие токи
Рис. L5. Протекание токов гармоник в распределительной сети
Основные экономические последствия гармоник для электроустановок:
повышенный расход энергии
преждевременное старение оборудования
производственные убытки