Блог » Высшие гармоники в электросетях
Постоянный рост количества нелинейных потребителей в наших электрических сетях приводит к повышенному «загрязнению электросетей». Обратное воздействие на сеть является для энергетики такой же проблемой, как загрязнение воды и воздуха для экологии.
В идеальном случае на выходных клеммах генераторы выдается чисто синусоидальный ток. Синусоидальное напряжение рассматривается как идеальная форма переменного напряжения, любое отклонение от него считается сетевой помехой.
Рис.1 Обратные воздействия на сеть, вызванные преобразователями частоты.
Все больше потребителей получают из сети несинусоидальный ток. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) этих «загрязненных» токовых волн показывает наличие широкого спектра колебаний с гармониками различного порядка, которые обычно называют высшими гармониками.
Рис.2 Анализ высших гармоник (Быстрое преобразование Фурье)
Высшие гармоники
Они приводят к перегрузкам, снижают срок службы и, при определенных условиях могут вызывать преждевременный выход из строя электрических и электронных потребителей.
Нагрузка высшими гармониками является основной причиной невидимых проблем с качеством напряжения, приводящих к огромным расходам на ремонт или покупку нового оборудования взамен поврежденного. Недопустимо высокое обратное воздействие на сеть и вызванное им низкое качество напряжения могут, таким образом, вызвать сбои производственного процесса вплоть до остановки производства.
Высшие гармоники – это токи или напряжения, частота которых превышает основное колебание 50/60 Гц и кратна этой частоте основного колебания. Высшие гармоники тока не вносят вклад в активную мощность, но оказывают только термическую нагрузку на сеть. Поскольку токи высших гармоник протекают в дополнение к «активным» синусоидальным колебаниям, они обеспечивают электрические потери в рамках электроустановки, что может привести к термической перегрузке.
Дополнительные потери в потребителе электроэнергии приводят, кроме того к нагреву и перегреву, а также к сокращению срока службы оборудования.
Оценка нагрузки высшими гармониками, как правило, выполняется в точке подключения (или передачи в сеть электроснабжения общего пользования) соответствующей организации по энергоснабжению. Все чаще эти точки называют Point of Common Coupling (PCC). При определенных условиях может потребоваться определение и анализ нагрузки высшими гармониками со стороны определенного оборудования или групп оборудования для выявления внутренних проблем с качеством электрической сети и их причин, их вызывающих.
Рис.3 Поврежденные высшими гармониками конденсаторы
Для оценки нагрузки высшими гармониками используются следующие параметры:
Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD)
Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD) или общее гармоническое искажение позволяет квалифицировать размер долей, возникающих в результате нелинейного искажения электрического сигнала.
Это отношение эффективного значения высших гармоник к эффективному значению первой гармоники. Значение THD используется в сетях низкого, среднего и высокого напряжения. Обычно для искажения тока используется коэффициент THDi , а для искажения напряжения – коэффициент THDu.
Коэффициент искажения для напряжения
- M = порядковый номер высшей гармоники
- M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
- M = 63 (UMG 605, UMG 511)
- Основная гармоника fund соответствует n = 1
Коэффициент искажения для тока
- M = порядковый номер высшей гармоники
- M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
- M = 63 (UMG 605, UMG 511)
- Основная гармоника fund соответствует n = 1
Общее искажение тока (TDD)
Особенно в Северной Америке термин TDD регулярно используется в связи с проблемами, вызванными высшими гармониками. Это величина, связанная с THDi, но в этом случае определяется отношение доли высших гармоник к доле основных колебаний номинального значения тока.
TDD (I)
- TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (THDi) эффективным значением
- тока при полной нагрузке.
- IL = полный ток нагрузки
- M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
- M = 63 (UMG 605, UMG 511)
Анализ гармоник (тока и напряжения) могут проводить практически все анализаторы ПКЭ Janitza, за исключением UMG 96L.
Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях
Страница 1 из 29
НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ
ИНСТИТУТ ЭЛЕКТРОДИНАМИКИ
А.К. ШИДЛОВСКИЙ
А.Ф. ЖАРКИН
ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ В НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
В монографии получили дальнейшее развитие методы анализа сетей низкого напряжения с нелинейными нагрузками с использованием математических моделей.
Разработаны модели электрических сетей зданий с учетом параметров их основных элементов, характерных электропотребителей и фильтров. Предложены методики определения несинусоидальности фазных напряжений в низковольтных электрических сетях. Определены количественные и качественные характеристики влияния параметров нагрузки и сети на значение высших гармоник в электрических сетях зданий. На основе полученных результатов сформулированы требования к элементам сети и разработаны рекомендации по использованию фильтрующих устройств для обеспечения электромагнитной совместимости потребителей низковольтных электрических сетей.
У монографії одержали подальший розвиток методи аналізу мереж низької напруги з нелінійними навантаженнями з використанням математичних моделей.
Монография посвящена проблеме электромагнитной совместимости нелинейных потребителей (в первую очередь, с импульсным характером потребляемого тока) низковольтных электрических сетей.
В настоящее время в условиях насыщенности электрических сетей зданий и сооружений такими нелинейными электроприемниками, как средства компьютерной техники, решение проблемы высших гармоник в указанных сетях является не просто актуальным, а злободневным. В монографии некоторые теоретические положения и идеи, которые были изложены в ранних публикациях авторов, получили дальнейшее развитие. Это, в первую очередь, относится к разработке новых методов анализа и усовершенствованию моделей сетей низкого напряжения с нелинейными нагрузками путем дополнительного учета параметров основных элементов электрических сетей зданий.
Первая глава монографии посвящена анализу современного состояния исследований проблемы электромагнитной совместимости в сетях низкого напряжения с нелинейными потребителями. Рассмотрены характерные нелинейные потребители, особенности построения низковольтных сетей, примеры отрицательного влияния высших гармоник, а также подходы к оценке электромагнитной совместимости.
В третьей главе приведены результаты расчетов несинусоидальности токов и напряжений в электрических сетях общественных зданий с помощью разработанной модели. Проведен анализ не синусоидальности напряжении с использованием развернутых схем замещения с источниками токов высших гармоник.
В четвертой главе проанализировано влияние параметров нагрузки и сети на значение высших гармоник в низковольтных сетях. Предложена методика определения несинусоидальности фазных напряжений по известной доле нелинейной нагрузки в различных элементах сети здания.
В пятой главе монографии проведен анализ использования различных средств снижения уровня высших гармоник в сетях низкого напряжения. Более подробно рассмотрены фильтры токов гармоник нулевой последовательности, проанализирована эффективность и сформулированы рекомендации по использованию указанных фильтров в низковольтных электрических сетях.
В шестой главе рассмотрено применение на практике разных способов обеспечения электромагнитной совместимости в сетях низкого напряжения. При этом рассмотрены примеры использования фильтрующих устройств различных модификаций, а также некоторые принципы построения систем электропитания с улучшенной электромагнитной совместимостью.
Авторы выражают искреннюю благодарность В.
Ф. Евдокимову и В.Г. Кузнецову, взявшим на себя нелегкий труд по рецензированию работы.
Основные условные обозначения и сокращения
ВТ — вычислительная техника
ГРЩ — главный распределительный щит
ИБП — источник бесперебойного питания
ИВЭП — источник вторичного электропитания
КЛЛ — контактная люминесцентная лампа
КУ — корректирующее устройство
КЭ — качество электроэнергии
Н — нагрузка
НН — низкое напряжение
ОТ — оперативный ток
ПКЭ — показатель качества электроэнергии
ПП — полупроводниковый преобразователь
ПУЭ — правила устройства электроустановок
РЗ и А — релейная защита и автоматика
РЩ — распределительный щиток
РЭК — радиоэлектронный комплекс
СВЭП — система вторичного электропитания
СГЭ — система гарантированного электропитания
С и ТМ — связь и телемеханика
СН — собственные нужды
СФВЧ — специальный фильтр высоких частот
— система электроснабжения
Ф — фильтр
ФНЧ — фильтр низких частот
ФТНП — фильтр токов нулевой последовательности
ЭДС — электродвижущая сила
Э МО _ электромагнитная обстановка
ЭМП — электромагнитная помеха
МС _ электромагнитная совместимость
_ — электронная пускорегулирующая аппаратура
Αвыпр — емкость фильтра и активное сопротивление нагрузки выпрямителя
I __ ток и напряжение нулевой последовательности
Iэк — экономическая плотность тока
к — коэффициент, учитывающий неидеальность элементов фильтра
K0U — коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности
KU — коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения
KI — коэффициент искажения синусоидальности кривой тока
КU — коэффициент n -й гармонической составляющей напряжения
— коэффициент n-й гармонической составляющей тока
n — номер гармонической составляющей
Ζκ, Ζτ — сопротивления короткого замыкания и нулевой последовательности трансформатора
Ζ0, Ζ, — сопротивления нулевого и фазного проводов линии
а — доля нелинейной нагрузки
Р — коэффициент загрузки
∆U — потери напряжения
∆U — падение напряжения от тока n-й гармонической составляющей
γ — доля осветительной нагрузки
- Вперёд
Как проверить наличие гармоник в электроэнергетических системах
Гармоники — это электрические напряжения и токи в системе электроснабжения, которые могут вызывать проблемы с качеством электроэнергии.
Поскольку оборудование и механизмы могут работать со сбоями или выходить из строя при наличии высоких уровней гармоник напряжения и/или тока, гармонические искажения становятся все более серьезной проблемой для руководителей предприятий, пользователей средств автоматизации и инженеров. Хотя наличие гармоник не сделает работу завода или офиса невозможной, степень их воздействия зависит от того, насколько энергосистема может выдержать и насколько оборудование восприимчиво к гармоническим искажениям.
Что вызывает гармоники?
Гармоники создаются электронным оборудованием с нелинейными нагрузками, потребляющими ток резкими короткими импульсами. Короткие импульсы вызывают искажение формы волны тока, что, в свою очередь, заставляет гармонические токи течь обратно в другие части энергосистемы. Гармоники особенно распространены при наличии множества персональных компьютеров, лазерных принтеров, факсимильных аппаратов, копировальных аппаратов или медицинского контрольно-измерительного оборудования, флуоресцентного освещения, источников бесперебойного питания (ИБП) и приводов с регулируемой скоростью в одной и той же электрической системе.
Гармоники ухудшают уровень качества электроэнергии и ее эффективность, особенно в коммерческих зданиях или промышленных объектах. В целом, большинство зданий могут без проблем выдерживать нелинейные нагрузки до 15% от общей мощности электрической системы. Если нелинейные нагрузки превышают 15 %, могут возникнуть некоторые неочевидные негативные последствия.
Распространенные проблемы, вызванные гармониками
Перегрузка нейтральных проводников
Трехфазная система состоит из трех отдельных фазных проводников и нейтрального проводника. Если все фазные проводники пропускают один и тот же ток, фазные токи имеют тенденцию компенсировать друг друга при условии сбалансированной нагрузки. Такая сбалансированная нагрузка позволяет уменьшить размер нейтрального проводника. К сожалению, импульсные источники питания, используемые в компьютерах, имеют очень высокий ток третьей гармоники. В то время как гармонические токи на нейтральном проводе компенсируются, ток третьей гармоники в нейтрали суммируется.
В зданиях с большим количеством установленных персональных компьютеров нейтральный провод может пропускать гораздо более высокие токи, чем он рассчитан, что создает потенциальную опасность возгорания.
Перегрев трансформаторов и увеличение сопутствующих потерь
Для трансформаторов, питающих нагрузки, создающие гармоники, потери на вихревые токи в обмотках являются наиболее доминирующей составляющей потерь в трансформаторе. Эти потери на вихревые токи увеличиваются пропорционально квадрату гармонического тока продукта и его соответствующей частоты. Общие потери трансформатора при полной нагрузке трансформатора, питающего нелинейную нагрузку, в два раза выше, чем при эквивалентной линейной нагрузке. Это приводит к чрезмерному нагреву трансформатора и разрушению изоляционных материалов в трансформаторе, что в конечном итоге приводит к выходу трансформатора из строя.
Мешающее срабатывание автоматических выключателей
Все цепи, содержащие емкость и индуктивность, имеют одну или несколько резонансных частот.
Когда любая из резонансных частот соответствует частоте гармоники, создаваемой нелинейными нагрузками, может возникнуть гармонический резонанс. Напряжение и ток на резонансной частоте могут сильно искажаться. Это искажение может вызвать ложное срабатывание в системе электроснабжения, что в конечном итоге может привести к производственным потерям.
Как диагностировать и устранять гармоники
Анализатор гармоник является наиболее эффективным инструментом для детального анализа качества электроэнергии с целью определения формы волны напряжения и тока в соответствующих частотных спектрах. Анализатор гармоник также полезен в тех случаях, когда отсутствие очевидных симптомов не позволяет определить, являются ли гармоники поводом для беспокойства.
Анализатор гармоник используется для детального анализа подозрительного источника. Используя эти данные, функция коэффициента гармоник вычисляет значение от 0% до 100%, чтобы указать отклонение несинусоидальной и синусоидальной формы сигнала.
Это значение указывает на наличие гармоник.
Портативный цифровой мультиметр Agilent серии U1242 со встроенной функцией измерения коэффициента гармоник помогает техническим специалистам и инженерам быстро проверять наличие гармоник в сигналах переменного тока. Эта информация может быть использована для предотвращения или сокращения времени простоя оборудования и затрат на ремонт.
Статья любезно предоставлена Agilent Technologies
Основы гармоник в электрических системах: ~ Изучение электротехники
Гармоники — это, по сути, искажения в системах электроснабжения. Электроэнергетическая система может быть представлена синусоидальной формой волны, которая меняется со временем. Гармоника с частотой, соответствующей периоду исходной формы волны, называется основной, а гармоника с частотой, в n раз превышающей частоту основной, называется гармонической составляющей порядка «n». Наличие гармоник в электрической системе свидетельствует об искажении формы волны напряжения или тока, а это означает, что такое распределение электроэнергии может привести к неисправности оборудования и защитных устройств.
Гармоники являются не чем иным, как компонентами искаженной формы волны, и их использование позволяет анализировать любую периодическую несинусоидальную форму волны через различные компоненты синусоидальной формы волны.
| Форма волны гармонических искажений. Фото: ABB |
Причины гармоник в электрических системах
Гармоники генерируются нелинейными нагрузками. При подаче синусоидального напряжения на нагрузку такого типа мы получим ток с несинусоидальной формой волны.
Основным оборудованием, генерирующим гармоники, являются:
1. персональный компьютер
2. люминесцентные лампы
3. статические преобразователи
4. группы непрерывности
5. частотно-регулируемые приводы
6. сварочные аппараты.
7. Трансформаторы (преимущественно третья гармоника, которая становится незначительной при увеличении нагрузки трансформатора).
Как правило, искажение формы волны связано с наличием внутри этого оборудования мостовых выпрямителей, полупроводниковые устройства которых пропускают ток только в течение части всего периода, что приводит к возникновению прерывистых кривых с последующим введением многочисленных гармоник.
Влияние гармоник в электрических системах
Влияние гармоник может ощущаться как в токе, так и в напряжении.
Основными проблемами, вызываемыми гармоническими токами, являются:
1) перегрузка нейтрали
2) увеличение потерь в трансформаторах
3) увеличение скин-эффекта.
Основные эффекты гармоник напряжения:
4) искажение напряжения
5) нарушение крутящего момента асинхронных двигателей (поскольку крутящий момент пропорционален напряжению питания)
Суммарные гармонические искажения (THD) в электрической системе
Если известны среднеквадратичные значения гармонических составляющих, общее среднеквадратичное значение можно легко рассчитать по следующей формуле:
Суммарные гармонические искажения (THD)
Общее гармоническое искажение определяется как:
Коэффициент гармонических искажений является очень важным параметром, который дает информацию о гармоническом содержании сигналов напряжения и тока и о необходимых мерах, которые следует предпринять, если эти значения будут высокими.
