Влияние высших гармоник на батареи конденсаторов: Влияние высших гармоник на батареи конденсаторов — Студопедия

Влияние высших гармоник на различные виды электрооборудования

Подробности

Категория: Разное

• электроснабжение
• исследования
• низковольтное
• сети

Содержание материала

• Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях
• Введение
• Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения
• Влияние высших гармоник на различные виды электрооборудования
• Электромагнитная совместимость
• Моделирование нелинейных нагрузок
• Моделирование и расчет токов и напряжений сетей НН с нелинейными нагрузками
• Модели низковольтных сетей, в которых нелинейные нагрузки задаются источниками токов
• Анализ зависимостей высших гармоник тока и напряжения с помощью традиционных моделей
• Математическая модель электрической сети здания
• Методология определения параметров схемы замещения сети
• Расчет несинусоидальности токов и напряжений в сетях общественных зданий
• Анализ несинусоидальности напряжений с помощью схем замещения с источниками токов высших гармоник
• Метод оценки влияния потерь напряжения в линиях на значение несинусоидальности
• Анализ влияния параметров нагрузки и сети
• Влияние мощности и схемы соединения обмоток трансформатора
• Моделирование и анализ влияния параметров нагрузочных режимов
• Анализ несимметрии нелинейных электроприемников
• Методика определения коэффициента искажения синусоидальности кривых фазных напряжений
• Средства снижения уровня высших гармоник
• Синтез схем корректирующих устройств для трехфазных четырехпроводных сетей
• Моделирование фильтрации высших гармоник
• Анализ эффективности фильтрации с использованием фильтров токов гармоник нулевой последовательности
• Применение средств обеспечения электромагнитной совместимости
• Построение систем электропитания с улучшенной электромагнитной совместимостью
• Организация искусственного нулевого провода
• Технические средства защиты от электромагнитных помех в сетях собственных нужд
• Заключение
• Список литературы

Страница 4 из 29

Отрицательные последствия загрузки сетей высшими гармониками хорошо изучены, этому вопросу посвящена обширная литература [52, 178, 185, 215]. Влияние несинусоидальности напряжений и токов на работу электрооборудования ощущается практически во всех странах с развитой промышленностью и, как правило, приводит, с одной стороны, к увеличению потерь напряжения и мощности в сетях, уменьшению их пропускной способности, а с другой — к нарушению нормальной работы и уменьшению срока службы электрооборудования, снижению производительности труда, а также количества и качества выпускаемой продукции. Например, известно, что при допустимых значениях несимметрии напряжения 2 % и несинусоидальности 5 % срок службы асинхронных двигателей сокращается на 21 %, синхронных — на 32 %, трансформаторов — на 8 %, конденсаторов — на 40%.

При рассмотрении вопроса искажения формы кривой тока и напряжения сети НН следует учитывать некоторые особенности ее построения.

К ним, в частности, относится то, что подавляющее большинство потребителей такой сети, в том числе и нелинейных, являются однофазными (см. параграф 1.1), а сеть выполняется трехфазной с нулевым проводом. В результате в нулевом проводе будут протекать токи всех высших гармоник нулевой последовательности. При этом возникает проблема перегрузки нулевого провода в четырехпроводных сетях НН, вызванная неравномерной загрузкой фазных проводов при подключении к ним однофазных нелинейных потребителей. Иногда величина суммарного действующего значения тока в нулевом проводе может даже превосходить значение тока в фазном проводе [5, 64, 87, 92, 150, 184, 187]. Проведенный в работе (182] анализ свидетельствует, что теоретически максимальный ток нейтрали с учетом гармоник в 1,73, а иногда и в 3 раза превышает фазный. При резкопеременной нагрузке пульсации тока наблюдаются в каждой из фаз в разное время. Поскольку все эти токи протекают в нейтрали, о взаимной компенсации речи быть не может. В случае, если пики нагрузки не пересекаются, ток нейтрали будет равен утроенному фазному току. Эта ситуация достаточно типична для сетей с большим удельным весом электронного оборудования.

Необходимо отметить некоторые конструктивные особенности выполнения сетей НН, оказывающих существенное влияние на величины высших гармоник токов и напряжений. По установившейся практике проектирования наиболее широкое распространение в сетях НН получили распределительные трансформаторы с соединением обмоток по схеме звезда—звезда с нулем. Основной недостаток таких трансформаторов — относительно большое сопротивление нулевой последовательности Z, которое определяется конструктивными особенностями трансформатора, схемой соединения его обмоток, степенью насыщения стержней магнитопровода и др. Следует отметить, что вопросам
определения активного R, индуктивного Z и полного Z сопротивлений трансформатора посвящен ряд работ (69, 70, 76, 80, 129, 134, 155, 168]. При определении этих параметров разными авторами использовались различные методики, вследствие чего результаты значительно различаются между собой. Проведя анализ последних можно сделать вывод, что для типов трансформаторов ТМ, ТМА, ТСМА значение Z в 8—18 раз больше, чем сопротивление прямой последовательности. Такая особенность трансформаторов с соединением обмоток звезда—звезда с нулем делает их весьма чувствительными к несинусоидальности фазных токов.

Необходимо указать на некоторые особенности выполнения воздушных и кабельных линий сетей НН. Это прежде всего то, что сечение нулевого провода воздушной линии в 3—9 раз меньше суммарного сечения фазных проводов, а сечение нулевой жилы кабеля в 5—14 раз меньше суммарного сечения фазных жил. В результате сопротивление нулевой последовательности воздушной линии в 4—10 раз, а кабельной — в 6—15 раз выше, чем сопротивление обратной последовательности. Кроме того, характерной особенностью сетей НН является то, что активные составляющие полных сопротивлений трансформаторов и линий весьма значительны. Это вызывает необходимость учета последних при расчетах режимов и проектировании электрооборудования, в том числе и фильтров, в сетях НН.
Таким образом, в сетях НН возникает значительная несинусоидальность фазных напряжений, обусловленная существенными токами высших гармоник и большими сопротивлениями нулевой последовательности элементов трехфазных четырехпроводных сетей. В результате в низковольтных сетях Украины коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Кu редко бывает меньше 4—5 %. На западе, где сети более мощны, и то предлагается при расчетах функционирования электрооборудования ориентироваться на так называемые источники питания типа SP2, имеющие изначально 1 % несимметрии и 2,5 % предварительно присутствующей пятой гармоники напряжения [176]. Возникающие искажения питающего напряжения, в свою очередь, негативно сказываются на функционировании электроприемников, подключаемых к узлам с повышенным уровнем Ки, замыкая порочный круг отрицательного взаимовлияния гармоник тока и напряжения в сетях с нелинейными нагрузками.

В обзоре, выполненном в 1990 г. в США под руководством профессора Мак-Греди [186], в частности, отмечается: «Сами источники высших гармоник часто очень чувствительны к отрицательному воздействию других источников, например, мощных электронных нагрузок, т. е., они — одновременно и злодеи, и жертвы с энергетической точки зрения». В полной мере это относится к низковольтным нелинейным электроприемникам, которые были рассмотрены в предыдущем параграфе. Следствием характера тока, потребляемого импульсной нагрузкой, является искажение кривой напряжения на ее зажимах. Форма напряжения
становится плоской, так как в момент импульса тока увеличивается падение напряжения на продольном сопротивлении сети.

Напряжение плоской формы, воздействуя на импульсный источник питания, снижает уровень выпрямленного напряжения, увеличивает тепловыделение в элементах импульсного источника питания и снижает его устойчивость к кратковременным провалам напряжения. Следует отметить, что в большинстве импульсных источников питания предусмотрена система стабилизации выходного напряжения. Поэтому снижение уровня входного напряжения в допустимых пределах за счет плоской формы его кривой не вызовет снижения уровня выходного постоянного напряжения. В то же время снижение входного напряжения вызовет увеличение длительности импульсов тока высокочастотного преобразователя по отношению к длительности пауз. Это означает увеличение тока, потребляемого высокочастотным преобразователем, в среднем за период и увеличение скорости разряда конденсатора. Больший ток, потребляемый высокочастотным преобразователем, увеличивает тепловые потери в элементах импульсного источника питания. Так, снижение входного напряжения на 10 % вызовет увеличение тока на 11 %, а тепловых потерь — на 23 %.
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 имеет весьма большую емкость, 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 при плоской форме питающего напряжения. В случае полного исчезновения напряжения запасенной в конденсаторе энергии может не хватить для поддержания нормальной работы цепей постоянного тока до момента восстановления питающего напряжения при его кратковременном провале или исчезновении.

По данным работы [28] в случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10—15 % суммарной мощности нагрузки сети, каких-либо особенностей в эксплуатации СЭС, как правило, не возникает. При превышении указанного предела следует ожидать появления различных проблем в эксплуатации и последствий, причины которых не являются очевидными. В низковольтных сетях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25 %, отдельные проблемы могут проявиться сразу.
В результате высшие гармоники приводят к отказам систем управления и автоматики, а также к сбою компьютерных сетей и цифровых систем обработки и передачи информации, что приносит наибольший ущерб. Кроме того, гармонические составляющие являются причиной нарушений телевизионных изображений, вызывают нарушения в работе люминесцентных ламп и сокращают срок службы ламп накаливания [5, 82, 95, 216]. В последнее время отмечено негативное влияние высших гармоник на разные бытовые приборы, прежде всего радиоприемники и устройства с высококачественным воспроизведением звука, вызывающих различного рода акустические помехи.

Следует особо отметить, что даже низкие уровни высших гармоник могут вызвать нарушения режимов работы у некоторых видов контрольного, защитного и измерительного оборудования из-за искажений формы кривой измеряемых напряжений и токов на вторичных обмотках измерительных трансформаторов [14, 15, 111]. В результате, например, высшие гармоники приводят к возникновению ложных срабатываний защитных реле на трансформаторных подстанциях [78].
Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в распределительных трансформаторах и трансформаторах для устройств преобразовательной техники. Эти потери могут быть причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева [4, 73, 104, 180]. В частности, потери, обусловленные гистерезисом, пропорциональны частоте, а вихревыми токами — ее квадрату. В синусоидальных режимах потери на вихревые токи невелики и составляют в среднем 5 % номинальных потерь короткого замыкания трансформатора. Однако в случае протекания токов высших гармоник дополнительные потери резко возрастают и могут достигать 30—50 % потерь короткого замыкания.

В работе [127] показано, что потери в трансформаторе возрастают с увеличением мощности трансформатора и увеличения сечения проводников обмоток. При этом существенный рост потерь наблюдается при работе трансформатора на случайную нелинейную нагрузку при наличии нулевого провода, загруженного токами гармоник нулевой последовательности. В результате, при работе трансформатора на симметричные однофазные выпрямители потери больше, чем при работе этого же трансформатора на схему Ларионова. Это связано с наличием в первом случае гармоник тока, кратных трем, которые увеличивают потери в обмотках трансформатора.
В условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов, которые предназначены для компенсации реактивной мощности нагрузки. При этом они изменяют нормальный путь протекания тока высших гармоник 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 возникает вероятность появления резонансных режимов (как по току, так и по напряжению) на отдельных элементах СЭС.

Воздействие высших гармоник на вращающиеся машины во многом идентично воздействию несимметрии напряжений и токов. Они вызывают дополнительные потери в обмотке и стали статора. Кроме того, присутствие в кривой тока статора высших гармоник приводит к появлению в зазоре несинхронных магнитных полей, перемещающихся относительно ротора. При этом высшие гармоники 5-го и 11-го порядков создают поля обратной последовательности, вращающиеся относительно ротора в противоположном направлении, а составляющие 7-го и 13-го порядков создают поля прямой последовательности. Однако, поскольку частота их вращения выше частоты вращения ротора с кратностью порядка гармоники, поля обеих последовательностей наводят в контурах ротора токи повышенной частоты, которые протекают в верхних слоях массивных частей ротора и, замыкаясь по его торцам, вызывают местные перегревы [72, 179, 200, 201].
При несинусоидальности напряжения наблюдается ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, конденсаторов и кабелей. При рабочих температурах в изоляционных материалах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств. С увеличением температуры эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования. В конденсаторах потери энергии пропорциональны частоте, поэтому несинусоидальный ток приводит к их перегреву. Сущность электрического старения заключается 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 изоляции, что приводит к сокращению ее срока службы.
Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока, приводящего к повышенному нагреву наружной поверхности жил кабеля вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости. Исследования [52] показали, что при коэффициенте искажения синусоидальности кривой напряжения в пределах 6—8,5 % (преобладали пятая и седьмая гармоники) токи утечки возросли: через 2,5 года эксплуатации кабелей в среднем на 36 %, а через 3,5 года — на 43 %. Иллюстрацией сокращения срока службы изоляции электродвигателей может служить пример, заимствованный из январского номера журнала IEEE Power Engineering Review за 2000 год. В настоящее время в США установлено более 700 млн. электродвигателей. При среднем сроке службы двигателя 30 лет требуется замена двигателей в объеме 23 млн. единиц в год. При существующем КЭ наблюдается сокращение срока службы двигателя на 2 года, что приводит к необходимости дополнительной замены трех млн. двигателей в год.

Кроме того, при несинусоидальных режимах возрастает уровень дополнительных потерь активной мощности, которые, являясь частью непроизводительных потерь в линиях [130], вызваны перетоками мощности искажения, обусловленной высшими гармониками. Проведенные в 90-х годах XX века расчеты [91] показали, что в сетях НН 40 % общего объема потерь обусловлены отклонениями напряжений, 40 % — несинусоидальностью напряжений и 20 % — несимметрией напряжений.
В низковольтных сетях иногда происходит необоснованное 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. В практике исследований [28] встречались случаи необоснованных срабатываний выбранных в соответствии с требованиями ПУЭ автоматических выключателей, защищающих линии питания компьютерного оборудования. Срабатывание происходило при нагрузке, составляющей 80—85 % уставки теплового расцепителя автоматического выключателя.

В то же время согласно ПУЭ нулевой провод не защищается от перегрева автоматическими выключателями либо предохранителями. Существующие СЭС проектировались с учетом линейной нагрузки, когда потребляемый электроприемниками ток содержал лишь основную гармонику (50 Гц). Следовательно, ток в нулевом проводе не мог превышать ток в наиболее нагруженной фазе, т.е. защита на фазных проводах одновременно защищала от перегрева и нулевой провод. Сегодня, когда токи в нулевых проводах превосходят токи фазных проводов, а защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводов не предусмотрена, возможен перегрев и разрушение нулевых проводов кабельных линий вследствие их перегрузки токами нулевой последовательности.
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 токов 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 [217J.

Таким образом, использование в низковольтных электрических сетях нелинейных электроприемников (в первую очередь, с импульсным характером потребляемого тока), вызывая искажения синусоидальности кривых питающих напряжений, приводит к значительному технико-экономическому ущербу. В течение 2000—2002 гг. Центр электромагнитной безопасности [28] исследовал в г. Москве состояние электрических сетей крупнейших зданий, имеющих компьютерные сети с количеством компьютеров от 20 до 1000 и более. В результате проведенных исследований, анализа отечественных и зарубежных публикаций, а также общения со специалистами в этой области авторы [28] пришли к выводу, что Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой. Ее суть заключается в том, что в настоящее время электрические сети жилых и общественных зданий, оснащенных компьютерной техникой, подвергаются интенсивному воздействию высших гармоник тока и напряжения. Очевидно, что аналогичная ситуация существует и в Украине, что вызывает острую необходимость в улучшении КЭ в указанных низковольтных сетях.

• Назад
• Вперёд

• Назад
• Вперёд

• Вы здесь:  
• Главная
• Книги
• Разное
• Технический уровень и качество продукции

Еще по теме:

• Устройство и монтаж электрических сетей
• Снижение затрат на электроэнергию в Европе возможно за счет расширения межсетевого взаимодействия
• Пассивные резонансные фильтры низковольтных сетей электроснабжения
• Активные DSO в Европе — работа продолжается
• Электрические сети и системы

Гармоники тока и напряжения в электросетях

Проблема гармоник….

Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети. Если вы сталкиваетесь с таким оборудованием или имеете опыт работы в сетях с гармониками, тогда дроссели с конденсаторами или фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) могут прийти вам на помощь. Гармонические искажения  и связанные с этим проблемы в электрических сетях, становятся все более превалирующими в распределительных сетях.

Проблемы создаваемые гармониками.

• дополнительный нагрев и выход из строя конденсаторов, предохранителей конденсаторов, трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и т.п.;

• ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;

• наличие третьей гармоники и ее производных 9,12 и т.д. в нейтрали может потребовать увеличения сечения ее проводника;

• гармонический шум (частые переходы через 0) может служить причиной неправильной работой компонентов систем контроля;

• повреждение чувствительного электронного оборудования;

• интерференция систем коммуникации.

Следующие разделы являются описанием гармоник, характеризацией проблемы и поиском решения.

Происхождение гармонических искажений

Постоянно увеличивающиеся требования промышленности и народного хозяйства к стабильности, приспосабливаемости и точности контроля в электрическом оборудовании привело к появлению относительно дешевых силовых диодов, тиристоров, SCR (Silicon Controlled Rectifier) и других силовых полупроводников.

Сейчас, широко используемые в выпрямительных цепях UPS полупроводники, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска пришедшие на смену устаревшим устройствам изменили картину формы тока и напряжения в электросетях. Хотя твердотельные реле, такие как тиристоры привнесли существенные изменения в схемотехнику систем контроля, они, также, создали проблему генерации гармоник тока. Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжающие сети, а также перегружать косинусные конденсаторы служащие для компенсации реактивной мощности (при увеличении частоты, снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него).

Мы сфокусировали наше внимание на таких источниках гармоник, как твердотельные элементы силовой электроники, однако существует много других источников гармонических токов. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных типах:

1. Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты.

2. Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы)

3. Насыщаемые устройства: Трансформаторы, двигатели, генераторы, и т.д. Гармонические амплитуды на этих устройствах являются обычно незначительна по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии что насыщение не происходит.

Форма синусоиды тока

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся  с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (т.е 1-я гармоника=50 Гц, 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена  на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Переходные возмущения обычно решаются путем установки подавляющих или разделяющих (изолирующих) устройств, таких как импульсных конденсаторов, изолирующих (разделяющих) трансформаторов. Эти устройства помогают устранить переходные возмущения, но они не помогают устранить гармоники низких порядков или устранить проблемы резонанса в связи с присутствием гармоник в сети.

Гармоническое содержание синусоиды

Тиристоры и SCR выпрямители обычно проявляются числом пульсаций постоянного тока которые они производят каждый период. Обычно это 6-и или 12-пульсные выпрямители. Есть много факторов, которые могут влиять на гармоническое содержание, но типичные гармонические токи, показанные как процент от фундаментального тока 50 Гц, показаны в таблице. Другие номера гармоник также будут присутствовать, в небольшой степени, но из практических соображений они не приводятся.

Разложение формы кривой тока на гармонические составляющие

Перегрузка конденсаторов гармониками

Согласно закону Ома сопротивление цепи определяет протекающий по ней ток. Так как сопротивление источника энергии является индуктивным, кроме того, импеданс сети увеличивается с частотой, в то время как сопротивление конденсатора с ростом частоты уменьшается. Это вызывает рост тока через конденсаторы и оборудование содержащее их. При определенных обстоятельствах, гармонические потоки могут превысить ток фундаментальной гармоники 50 Гц протекающей через конденсатор. Эти гармонические проблемы могут также вызвать увеличение напряжения на конденсаторе, которое может превысить максимально допустимое значение и привести к пробою конденсатора.

Гармонический резонанс

Резонанс в сети достигается когда сопротивление конденсатора равно сопротивлению источника. Когда мы применяем конденсаторы для компенсации реактивной мощности в распределительных сетях, которые содержат и емкостную и индуктивную (индуктивность линии, силовых трансформаторов) составляющую, всегда существует частота на которой возможно явление параллельного резонанса конденсатора с источником.

Если это происходит, или частота близка к частоте резонанса, то гармоники генерируемые силовыми полупроводниками (большие токи гармоник) начинают циркулировать между генерирующей сетью  и конденсаторным оборудованием. Эти токи ограничиваются только сопротивлением линии. Такие токи приводят к возмущениям и искажениям напряжения в сети. Как результат: повышенное напряжение на конденсаторах, и повышенный ток через них, Резонанс может произойти на любой частоте, но в основном это 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники которые генерируются 6-пульсными системами выпрямления трехфазного напряжения.

Предотвращение резонанса в электросетях

Есть несколько путей, чтобы избежать явлений резонанса в распределительных сетях где установлены конденсаторы. В больших распределительных сетях, есть возможность установки их в части сети, которая не имеет параллельного резонанса с индуктивностью трансформатора. Изменяя выходную мощность конденсаторной установки, мы можем отстроиться от опасной резонансной частоты. Резонансная частота с включением каждого шага конденсаторной установки изменяется.

Резонансные явления при использовании конденсаторов в электросетях с нелинейными потребителями

Сдвиг резонансной частоты

Если резонанса нельзя избежать вышеприведенным методом, необходимо альтернативное решение. Последовательно с каждым конденсатором ставится реактор (трехфазный дроссель)  таким образом, чтобы система конденсатор-дроссель имела индуктивный характер на критических частотах, и емкостной характер на основной частоте 50 Гц. Для этого система конденсатор-дроссель должна иметь резонансную частоту ниже наименьшего частоты гармоники присутствующей в сети, которая обычно бывает 5-ой (250 Гц). Это означает, что частота настройки системы конденсатор дроссель д.б. между значениями 175…270 Гц. В системе конденсатор дроссель напряжение основной частоты на дросселе повышается, соответственной мы должны использовать конденсаторы на повышенное напряжение.

Снижение гармонических искажений

Гармонические искажения могут подавляться в электрических системах при использовании гармонических фильтров. В классическом виде фильтр представляет собой последовательно соединенные конденсатор и индуктивность и настроенные на определенную гармоническую частоту. В теории сопротивление фильтра равно нулю на частоте резонанса, поэтому гармонический ток абсорбируется фильтром. Этот эффект вместе с сопротивлением линии означает, что таким образом можно хорошо подавлять гармоники в сети.

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.

Анализ и измерение гармоник в сети

Прежде чем приступать к внедрению конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности на предприятии, а также фильтров гармоник необходимо провести всесторонние измерения параметров сети: активную реактивную, полную мощность, величину и уровни  гармоник тока и напряжения, провалы и перенапряжения в линии, фликкер. Для этих целей компания Матик электро имеет в своем штате профессиональных инженеров с анализаторами сети и ноутбуками для обработки информации на месте съема. Мы проводим выездные измерения по всей России, предоставляем отчет и рекомендации с последующим внедрением энергосберегающего оборудования (конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности) и фильтров гармоник.

Воздействие гармоник на батарею конденсаторов

  Зачем нужны батареи конденсаторов?

Все электрические сети переменного тока потребляют два типа мощности: активную мощность (кВт) и реактивную мощность (квар):

● Активная мощность P (в кВт) — это реальная мощность, передаваемая на такие нагрузки, как двигатели, лампы, обогреватели, компьютеры… Электрическая активная мощность преобразуется в механическую энергию, тепло или свет.

● Реактивная мощность Q (в кВАр) используется только для питания магнитных цепей машин, двигателей и трансформаторов.

● Полная мощность S (в кВА) представляет собой векторную комбинацию активной и реактивной мощности.

В этом представлении коэффициент мощности (P/S) равен cosφ.

Циркуляция реактивной мощности в электрической сети имеет серьезные технические и экономические последствия. При той же активной мощности P более высокая реактивная мощность означает более высокую полную мощность, и, следовательно, должен подаваться более высокий ток.

Из-за этого более высокого потребляемого тока циркуляция реактивной энергии в распределительных сетях приводит к:

● Перегрузка трансформаторов,

● Более высокий нагрев питающих кабелей,

● Дополнительные потери,

● Большие падения напряжения,

● Более высокое энергопотребление и стоимость,

● Меньшая распределенная активная мощность.

По этим причинам имеет большое преимущество генерация реактивной энергии на уровне нагрузки, чтобы предотвратить ненужную циркуляцию тока в сети. Это так называемая «коррекция коэффициента мощности».

Преимущества управления реактивной энергией:

Оптимизированное управление реактивной энергией дает экономические и технические преимущества.

Экономия на счетах за электроэнергию

o  Устранение штрафов за реактивную энергию и снижение потребности в кВА.

o  Уменьшение потерь мощности, возникающих в трансформаторах и проводниках установок.

Увеличение доступной мощности

o  Высокий коэффициент мощности оптимизирует электрическую установку, позволяя лучше использовать компоненты.

o Таким образом, мощность, доступная на вторичной обмотке трансформатора СН/НН, может быть увеличена за счет установки оборудования коррекции коэффициента мощности на стороне НН.

Уменьшение падения напряжения на установке

o  Установка конденсаторов позволяет уменьшить падение напряжения перед точкой подключения устройства коррекции коэффициента мощности.

o  Предотвращает перегрузку сети и позволяет уменьшить гармоники, чтобы не было необходимости в завышении мощности установки.

Влияние гармоник:

Наличие гармоник в электрических системах означает, что ток и напряжение искажаются и отклоняются от синусоидальной формы волны. Гармонические токи — это токи, циркулирующие в сетях, частота которых кратна частоте питающей сети. Гармонические токи вызваны нелинейными нагрузками, подключенными к системе распределения. Нагрузка называется нелинейной, если ток, который она потребляет, не имеет той же формы волны, что и напряжение питания. Протекание гармонических токов через полное сопротивление системы, в свою очередь, создает гармоники напряжения, которые искажают напряжение питания.

Наиболее распространенные нелинейные нагрузки, генерирующие гармонические токи, используют силовую электронику, такую ​​как приводы с регулируемой скоростью, выпрямители, инверторы и т. д.…. Такие нагрузки, как реакторы насыщения, сварочное оборудование, дуговые печи, также генерируют гармоники. Другие нагрузки, такие как катушки индуктивности, резисторы и конденсаторы, являются линейными нагрузками и не генерируют гармоник.

Влияние гармоник в конденсаторах:

Конденсаторы особенно чувствительны к токам гармоник, поскольку их импеданс уменьшается пропорционально порядку присутствующих гармоник.

Поскольку импеданс конденсатора уменьшается с увеличением частоты, в конденсаторы течет большой гармонический ток. Это может привести к перегрузке конденсатора, постоянно сокращая срок его службы. В некоторых экстремальных ситуациях может возникнуть резонанс, приводящий к усилению гармонических токов и очень высоким искажениям напряжения.

Усиление токов гармоник очень велико, когда естественная резонансная частота конденсатора и сети вместе взятых близка к любой из присутствующих частот гармоник. Эта ситуация может привести к серьезным перенапряжениям и перегрузкам, что приведет к преждевременному выходу из строя конденсаторов.

Для обеспечения хорошей и правильной работы электроустановки необходимо учитывать уровень гармоник при выборе оборудования для коррекции коэффициента мощности.

Расстроенные реакторы Обзор:

Реакторы должны быть связаны с батареями конденсаторов для коррекции коэффициента мощности в системах со значительными нелинейными нагрузками, генерирующими гармоники.

Конденсаторы и реакторы объединены в последовательный резонансный контур, настроенный таким образом, чтобы последовательная резонансная частота была ниже частоты самой низкой гармоники, присутствующей в системе. По этой причине эту конфигурацию обычно называют «расстроенным блоком конденсаторов», а реакторы — «расстроенными реакторами».

Таким образом, использование расстроенных реакторов предотвращает проблемы гармонического резонанса, предотвращает риск перегрузки конденсаторов и способствует уменьшению гармонических искажений напряжения в сети. Частота настройки может быть выражена относительным сопротивлением реактора (в %), либо порядком настройки, либо непосредственно в Гц.

Наиболее распространенные значения относительного сопротивления 5,7, 7 и 14%. (14% используется при высоком уровне напряжения 3-й гармоники).

Выбор частоты настройки расстроенного реактора

Расстроенные дроссели (DR) предназначены для защиты конденсаторов, предотвращая усиление гармоник, присутствующих в сети. Они должны быть соединены последовательно с конденсаторами. Расстроенные реакторы создают перенапряжение на клеммах конденсатора. Соответственно должно быть увеличено номинальное напряжение конденсаторов.

Выбор настройки: Частота настройки fr соответствует резонансной частоте сборки L-C.

Мы также говорим о порядке настройки n. Для сети 50 Гц:

Выбранная частота настройки должна гарантировать, что диапазон спектра гармонического тока находится за пределами резонансной частоты. Важно убедиться, что никакие частоты дистанционного управления не нарушены. Наиболее распространенные порядки настройки: 3,8 или 4,3 (2,7 используется для гармоник 3-го порядка).

Моделирование с использованием данных в реальном времени:

Анализ гармонического моделирования был проведен для системы низкого напряжения с TCL 845,45 кВт при D.F-0,9. Вес нелинейной нагрузки, подключенной к системе, составляет около 65% от общей подключенной нагрузки. Так как система оснащена более высокой массой нелинейной нагрузки, использование в системе стандартного конденсатора не рекомендуется. Влияние стандартного конденсатора и расстроенного конденсатора на системную гармонику было смоделировано и показано ниже.

1. Моделирование частоты сканирования без конденсаторов:

1. Моделирование частотного сканирования со стандартным банком конденсаторов (без серийного реактора):

1. Смонилизация частоты с помощью коннизированного банка контента. с последовательным реактором, настроенным на ): 

Реактор настроен на частоту 190 Гц для подавления гармоник 5-го и 7-го порядка в системе

Сравнительная таблица результатов моделирования:

Из приведенного выше результата моделирования мы можем ясно понять влияние гармоник на различную конфигурацию батареи конденсаторов в системе низкого напряжения. Система без конденсаторной батареи генерирует гармоники VTHD-7,66% и THDI-20,79%. Когда та же система питается от конденсаторной батареи без последовательного реактора, конденсаторная батарея усиливает ток 5-й и 7-й гармоник, что приводит к увеличению значения THDI с 20,79 % до 50,08 %, что приводит к увеличению VTHD с 7,66 % до 14,07 %. очень опасно для системы и конденсаторной батареи, подключенной к системе. Теперь, глядя на конфигурацию системы C (т.е. случай-C), конденсатор с расстроенным реактором настроен на 190 Гц. Мы можем заметить, что гармонический ток уменьшается с 20,79% до 16,07%. Также при изучении частотного сканирования смоделированного результата резонанс возникает на более низкой частоте примерно 3,8-го порядка, что приводит к минимизации эффекта резонанса на гармониках более высокого порядка.

Вывод:   

Потоком реактивной мощности на терминале нагрузки системы низкого напряжения необходимо правильно управлять, чтобы обеспечить экономические и технические преимущества. Чтобы управлять потоком реактивной мощности в системе низкого напряжения, конечным потребителям было рекомендовано установить батареи конденсаторов соответствующих номиналов на клеммах нагрузки, чтобы поддерживать коэффициент мощности в соответствии с местными директивами по энергоснабжению. Выбор такой конденсаторной батареи должен быть сделан с особой тщательностью. Перед установкой необходимо провести надлежащий анализ системы, чтобы изучить влияние гармоник на поведение системы с конденсаторной батареей.

Без надлежащего анализа и неправильного выбора конденсаторных батарей может произойти частый выход из строя конденсаторов в конденсаторной батарее, перегрузка кабелей, трансформатора и всего установленного оборудования в системе. Настоятельно рекомендуется провести исследование гармоник и подробное исследование нагрузки перед установкой батареи конденсаторов в систему.

ВЛИЯНИЕ ГАРМОНИК НА КОНДЕНСАТОРЫ

Влияние гармоник на конденсаторы
включают дополнительный обогрев — а в тяжелых случаях перегрузку, повышенную
диэлектрическая нагрузка или перенапряжение, а также нежелательные потери. Кроме того, сочетание гармоник
и конденсаторы в системе могут привести к более серьезному состоянию качества электроэнергии, называемому
гармонический резонанс, который может привести к обширным повреждениям. Следовательно,
эти негативные эффекты сокращают срок службы конденсатора.

Конденсаторы обычно устанавливаются в
система электроснабжения – от коммерческой и промышленной до распределительной
и системы передачи – как устройства коррекции коэффициента мощности. Однако даже
хотя это основной компонент фильтра гармоник (помимо
реактор), он не свободен от повреждающего воздействия гармоник. В силе
система, характеризующаяся высоким уровнем гармонических искажений, конденсаторные батареи
уязвимы к неудачам.

Пределы IEEE

IEEE 18-2002
написано что конденсатор
рассчитан на работу не более чем на 135 % реактивной мощности (кВАр)
рейтинги. Кроме того, он должен выдерживать постоянное среднеквадратичное перенапряжение 110%,
пиковое перенапряжение 120 % и перегрузка по току 180 % от номинала, указанного на паспортной табличке. Несмотря на то что
в стандарте не указаны пределы для отдельных гармоник, вышеуказанные проценты
можно использовать в качестве основы для определения максимально допустимых уровней гармоник.

Гармонические эффекты

реактивное сопротивление конденсаторной батареи обратно пропорционально частоте, т.к.
можно отметить в формуле,

Xc = 1/(2πfC)

где:

Хс =
Емкостное реактивное сопротивление

С =
Емкость

ф =
Частота

Как
В результате батарея конденсаторов действует как сток, притягивая неотфильтрованные гармоники.
токи. Этот эффект увеличивает термические и диэлектрические напряжения до
конденсаторные блоки (т.е. перегрузка).

К
Для иллюстрации рассмотрим электрическую систему с высоким содержанием гармоник с 5 ^th
гармоническое напряжение около 20% основного. Конденсатор 4160 В, 300 кВАр
батарея имеет реактивное сопротивление 57,7 Ом на основной частоте (например, 60 Гц) и
потребляет емкостной ток 41,6 А по закону Ома. С другой
С другой стороны, реактивное сопротивление конденсатора составляет всего 11,54 Ом на 5-й ^-й -й гармонике (5
х 60 = 300 Гц). Впоследствии эта же батарея конденсаторов была запитана с 5 ^по .
гармоническое напряжение порядка также будет составлять 41,6 А.

Фундаментальный
Текущий:

I ₁
= 4,16 кВ/(√3)(57,7 Ом)

я ₁
= 41,62 А

5 ^-й
Гармонический ток:

I ₅
= (20%)(4,16 кВ)/(√3)(11,54 Ом)

я ₅
= 41,62 А

Общее среднеквадратичное значение
ток:

Irms = √(I ₁ ²
+ I _{H ​​} ² ) = √(41,62 ² + 41,62 ² )

Irms = 58,86
А или 141,4% основного тока (I ₁ ) – могут перегореть предохранители конденсатора
случаях ожидается неприятный перегорание, поскольку размер большинства предохранителей конденсаторов основан на
на пределе 135% кВАр. В противном случае конденсаторный блок будет подвергаться перегрузке и
обогрев. Это показывает, почему перегорает предохранитель конденсатора и/или отключается автоматический выключатель.
указывают на очень высокий уровень гармонических искажений в этом районе.

Более того, частые
переключение нелинейных магнитных компонентов, таких как реакторы и трансформаторы
могут генерировать гармонические токи, которые увеличивают нагрузку на конденсатор.

Гармонический резонанс

Серьезная озабоченность
в результате использования конденсаторов в системе электроснабжения
возможность системного резонанса. Этот эффект налагает напряжения и токи, которые
выше, чем в случае отсутствия резонанса.

Гармонический резонанс в энергосистеме
может быть классифицирован как параллельный или последовательный резонанс, и оба типа присутствуют
в гармонически богатой среде.