4 Основные последствия Ih гармоник для электроустановок
4.1 Резонанс
Одновременное использование емкостных и индуктивных устройств в распределительных сетях приводит к параллельному или последовательному резонансу, который проявляется соответственно в очень больших и очень малых значениях полного сопротивления. Изменения сопротивления вызывают изменения тока и напряжения в распределительной сети. В данном разделе будет рассматриваться только параллельный резонанс, как наиболее распространенный.
Рассмотрим следующую упрощенную электрическую схему (рис. L6) электроустановки, состоящей из:
питающего трансформатора
линейных нагрузок
нелинейных нагрузок, потребляющих токи высших гармоник
конденсаторов для повышения коэффициента мощности
Ниже представлена эквивалентная схема для гармонического анализа (рис. L7). Если пренебречь активным сопротивлением R, то полное сопротивление Z определяется по формуле:
где:
Ls = индуктивность питающей сети (вышерасположенный участок сети + трансформатор + линия) C = емкость конденсаторов для повышения коэффициента мощности R = активное сопротивление линейных нагрузок Ih = ток гармоники
Резонанс наступает тогда, когда знаменатель 1-LsCm2 стремится к нулю. Соответствующая частота называется резонансной частотой цепи. При этой частоте полное сопротивление достигает максимума, и возникают напряжения гармоник большой величины, приводящие к значительным искажениям формы питающего напряжения. Искажение формы напряжения сопровождается протеканием в цепи Ls+C токов гармоник, превышающих токи, потребляемые нагрузками.
Рис. L6. Схема электроустановки
В результате такая распределительная сеть и конденсаторы для повышения коэффициента мощности повергаются воздействию больших токов гармоник и перегрузкам. Чтобы избежать резонанса, последовательно с такими конденсаторами можно установить дроссели для компенсации гармоник.
4.2 Увеличенные потери Потери в проводниках
Активная мощность, переданная нагрузке, зависит от составляющей (I1) тока основной сетевой частоты.
Когда ток, потребляемый нагрузкой, содержит гармоники, действующее значение тока Irms превышает основной ток I1.
Рис. L7. Эквивалентная схема электроустановки, показанной на рис. L6
Cуммарный коэффициент гармонических искажений (THD) определяется выражением:
На рис. L8 показаны графики изменения следующих двух параметров в зависимости от суммарного коэффициента гармонических искажений:
действующего значения тока Irms для нагрузки, потребляющей некоторый основной ток;
джоулевых потерь без учета скин-эффекта
(точкой отсчета для обоих параметров является 1, соответствующая случаю отсутствию гармоник) Токи гармоник вызывают увеличение джоулевых потерь во всех проводниках, в которых они протекают, и дополнительное повышение температуры в трансформаторах, устройствах, кабелях и др.
Потери в асинхронных машинах
Напряжения гармоники h-ого порядка, поступающие к асинхронным машинам, генерируют в роторе токи с частотами выше 50 Гц, являющиеся причиной дополнительных потерь.
Джоулевы потери — — Действующее значение тока
Рис. L8. Увеличение действующего тока и джоулевых потерь в зависимости от суммарного коэффициента искажений
Порядки величин
питающее напряжение фактически прямоугольной формы вызывает 20-процентный рост потерь
питающее напряжение, содержащее гармоники u5 = 8% (от основного напряжения U1), u7 = 5%, u11 = 3%, и u13 = 1%, т.е. с суммарным коэффициентом искажений THDu = 10%, приводит к дополнительным потерям в 6%.
Потери в трансформаторах
Токи гармоник, протекающие в трансформаторах, вызывают увеличение потерь в «меди» вследствие эффекта Джоуля и увеличенных потерь в «железе» из-за вихревых токов. Напряжения гармоник являются причиной потерь в «железе» вследствие гистерезиса. Обычно считается, что потери в обмотках возрастают пропорционально квадрату THDi, а потери в сердечнике - пропорционально THDu.
В распределительно-сетевых трансформаторах, в которых уровни искажений ограничены, рост потерь составляет 10-15%.
Потери в конденсаторах
Напряжения гармоник, приложенные к конденсаторам, приводят к появлению токов, пропорциональных частотам этих гармоник. Эти токи вызывают дополнительные потери.
Пример
Питающее напряжение содержит следующие гармоники:
Основное напряжение U1, гармонические напряжения u5 = 8% (от U1), u7 = 5%, u11 = 3%, u13 = 1%, т.е. суммарный коэффициент искажений THDu = 10%. Ток увеличивается в 1,19 раз, а джоулевы потери - в 1.192, т.е. в 1,4 раза.
4.3 Перегрузки оборудования
Генераторы
Номинальные характеристики (параметры) генераторов, питающих нелинейные нагрузки, должны быть снижены из-за дополнительных потерь, обусловленных протеканием токов высших гармоник.
Уровень снижения рабочих параметров генератора, 30% общей нагрузки которого приходится на нелинейные нагрузки, составляет около 10%. В связи с этим необходимо использовать генератор повышенной мощности.
Источники бесперебойного питания (UPS)
Ток, потребляемый компьютерными системами, имеет очень большой коэффициент амплитуды (пик-фактор). Поэтому источник бесперебойного питания, параметры которого выбирались с учетом только действующего значения тока, может не обеспечить необходимый максимальный ток и оказаться перегруженным.
Трансформаторы
■ кривая, показанная ниже ( ic. L ), отображает типичное требуемое снижение мощности трансформатора, питающего электронные нагрузки.
Рис. L Снижение мощности трансформатора, питающего электронные нагрузки
Пример
Если трансформатор питает суммарную нагрузку, 40% которой приходится на электронные нагрузки, его мощность должна быть снижена на 40%.
■ стандарт UTE C15-112 устанавливает зависимость коэффициента снижения мощности трансформаторов от токов гармоник.
L8
Типовые значения:
ток прямоугольной формы (амплитуда гармоник - 1/h* ): k = 0.86
ток преобразователя частоты (THD = 50%): k = 0.80
Асинхронные машины
Стандарт IEC 60892 вводит понятие взвешенного коэффициента гармоник HVF (коэффициента гармоник напряжений), формула и максимальное значение которого приведены ниже.
Пример
Питающее напряжение имеет основное напряжение U1 и гармонические напряжения u3 = 2% (от U1), u5 = 3%, u7 = 1%. Суммарный коэффициент искажений THDu = 3,7%, а HVF = 0,018. Это значение HVF очень близко к максимальному значению, при превышении которого необходимо проводить занижение рабочих характеристик рассматриваемой машины. В практическом смысле, при питании асинхронной машины THDu не должен превышать 10%.
Конденсаторы
В соответствии со стандартом IEC 60831-1, действующее значение тока, протекающего через конденсаторы, не должно превышать номинальный ток более чем в 1,3 раза.
Возвращаясь к приведенному выше примеру, напряжения гармоник составляют: u5 = 8% (от основного напряжения U1), u7 = 5%, u11 = 3% и u13 = 1%, т.е. суммарный коэффициент
искажений THDu равен 10%, где при номинальном напряжении Irj1p = 1.19 . При напряжении, превышающем номинальное напряжение на 10%, достигается предельное
значение тока = 1.3 и необходимо использовать конденсаторы с повышенными I1
*факторов коррекции (режима установки, температуры и т.д.). Расчет сделан для однофазных кабелей проложенных открыто при температуре окружающей среды 30 °C.
Фактически, эта форма тока близкая к прямоугольной. Это характерно для всех выпрямителей тока (трехфазных выпрямителей, индукционных печей).
Нулевые (нейтральные) проводники
Рассмотрим систему, состоящую из сбалансированного трехфазного источника питания и трех одинаковых однофазных нагрузок, подсоединенных между фазами и нейтралью ( с. L1 ). На рис. L11 показаны примерные формы токов, протекающих в этих фазах, и результирующий ток в нулевом проводнике.
Рис. L10. Протекание токов в разных проводниках, соединенных с трехфазным источником питания
В этом примере ток в нулевом проводнике имеет действующее значение, которое превышает действующее значение тока в фазном проводнике в 3 раза. Поэтому нулевой проводник должен иметь увеличенное сечение.
Рис. L11 Примеры токов, протекающих в разных проводниках, подсоединенных к трехфазной нагрузке (In = Ir + Is + It)
4.4 Возмущения, влияющие на чувствительные нагрузки
Влияние искажения формы питающего напряжения
Искажение формы питающего напряжения может сказаться на работе чувствительного оборудования:
устройств регулирования (температуры)
компьютерного оборудования
устройств управления и контроля (защитных реле)
Искажение телефонных сигналов
Гармоники создают помехи в слаботочных цепях управления. Уровень искажений зависит от длины параллельно идущих силовых и управляющих кабелей, расстояния между этими кабелями и частоты гармоник.
4.5 Экономические последствия Потери энергии
L10
Гармоники вызывают дополнительные потери энергии в проводниках и оборудовании (эффект Джоуля).
Повышенные затраты на электроэнергию
Наличие токов гармоник может потребовать увеличения потребляемой мощности и, следовательно, более высоких затрат.
Кроме того, энергоснабжающие компании намерены взимать повышенные тарифы с потребителей, которые выдают большое количество гармоник.
Необходимость использования оборудования с повышенными номинальными характеристиками
снижение мощности источников питания (генераторов, трансформаторов и источников бесперебойного питания) вследствие наличия гармонических искажений означает необходимость использования устройств с более высокими номинальными характеристиками.
сечение проводников должно выбираться с учетом протекания токов гармоник. Кроме того, из-за скин-эффекта сопротивление этих проводников возрастает с частотой. Чтобы избежать чрезмерных тепловых потерь, необходимо использовать проводники большего сечения.
Протекание гармоник в нулевом проводнике означает, что его сечение тоже должно быть увеличено.
Уменьшение срока службы оборудования
Когда уровень искажений питающего напряжения приближается к 10%, срок службы оборудования значительно снижается. Это снижение было оценено на уровне:
32,5% для однофазных машин
18% для трехфазных машин
5% для трансформаторов
Для того чтобы сроки службы оборудования соответствовали номинальной нагрузке, должно использоваться оборудование с завышенными параметрами (номинальная мощность, сечение проводников и т.д.).
Ложное срабатывание автоматических выключателей и отключение электроустановки
Автоматические выключатели, используемые в электроустановке, подвергаются воздействию пиков тока, создаваемых гармониками.
Эти пики токов вызывают их ложное срабатывание, что приводит к производственным потерям и затратам времени на повторный запуск электроустановки.
Примеры
Учитывая экономические последствия для перечисленных ниже электроустановок, оказалось необходимым установить фильтры подавления гармоник.
Вычислительный центр страховой компании
Было подсчитано, что стоимость часа простоя, вызванного ложным срабатыванием автоматического выключателя в этом центре, составляет 100000 евро.
Фармацевтическая лаборатория
Гармоники привели к выходу из строя генераторной установки и прерыванию продолжительных испытаний нового лекарственного средства. Соответствующие убытки были оценены в 17 миллионов евро.
Металлургический завод
Комплекс индукционных печей вызвал перегрузку и разрушение в течение одного года трех трансформаторов мощностью от 1500 до 2500 кВА. Стоимость нарушений производственного процесса была оценена в 20000 евро в час.
Фабрика, производящая садовую мебель
Выход из строя регулируемых приводов приводил к остановкам производства, оцененным в 10000 евро в час.
