Введение в гармоники - влияние гармоник на энергосистему

Что такое гармоники и как их фильтровать и устранять.

(Мануэль Болотинья)

Введение в гармоники

Качество электроснабжения является важным вопросом как для коммунальных предприятий, так и для пользователей, но на это качество могут влиять электромагнитные помехи. .

Среди этих нарушений необходимо выделить гармоники это происходит при всех уровнях напряжения и чье исследование, расчет допустимых значений и методы коррекции определены в IEC ^[1] Стандарт 61000-2-4: Электромагнитная совместимость (ЭМС) ^[2] – Окружающая среда – Уровни совместимости в промышленности установки для низкочастотных кондуктивных помех .

Что такое гармоники?

Генератор переменного тока вырабатывает переменное напряжение (В ) и токи (Я ) с синусоидальной формой волны и частота (ж ) 50 Гц или 60 Гц (эта частота, первая гармоника , обычно обозначается промышленной частотой или фундаментальные ), что можно наблюдать на рисунке 1.

Рисунок 1. Синусоидальное переменное напряжение

Однако из-за некоторых характеристик оборудования , которые установлены в сети, напряжения и/или токи с разными частотами , целые нечетные кратные промышленной частоты , могут быть наведены в сети, гармоники , я. e.:3-я гармоника – 150 Гц или 180 Гц; 5-я гармоника – 250 Гц или 300 Гц; 7-я гармоника – 350 Гц или 420 Гц; и т.д.

Тогда мы можем сказать, что гармоники представляют собой непрерывные (установившиеся) возмущения или искажения в электрической сети и являются совершенно другая тема или проблема от всплесков, всплесков, просадок, импульсов и т. д., которые классифицируются как временные помехи .

На рисунке 2 показаны примеры 1-й гармоники, 3-й гармоники и 5-й гармоники.

Рисунок 2. Фундаментальные волны, волны 3-й и 5-й гармоник

Наличие гармоник создает искаженную волну напряжения (или текущий ), что видно на рис. 3, принимая во внимание, что все сложные сигналы можно разложить на серию синусоидальных волн различной частоты , поэтому любой сложный сигнал это сумма ряда гармоник меньшей или большей ценности .

Ряд Фурье ^[3] выражает мгновенное значение этой суммы – и(т) – по уравнению:Где :

• t время [с ]
• ω =2πf [с ^-1 ]
• Т период [с]
• f₀ основная частота [Гц ]
• s(t) — периодическая функция, интегрируемая в интервале [0, T]

Рисунок 3. Гармонические искажения

Обычно 3-я гармоника является самым вредным , но при определенных условиях 5-я и 7-я гармоники нельзя не заметить .

Гармоническое искажение

Согласно Стандарту IEC 61000-2-4 гармонические искажения характеризуется параметром THD – Общее гармоническое искажение – рассчитывается по уравнению:

Где Q₁ представляет среднеквадратичное значение напряжения или текущего на промышленной частоте и Q_i гармоническая волна заказа “ я ” (2-я гармоника – i=2; 3-я гармоника i=3; и т.д.) напряжения или тока.

Тот же стандарт IEC также определяет следующие параметры:

• ВМТ (Общее гармоническое содержание ), которое среднеквадратичное значение рассчитывается по уравнению:

Где Q₁ представляет среднеквадратичное значение напряжения или текущего на промышленной частоте и Вопрос среднеквадратичное значение напряжения или текущего .

• TDR (Общий коэффициент гармоник ) – отношение между среднеквадратичным значением TDC и среднеквадратичное значение напряжения или текущего на промышленной частоте (В₁ ), который рассчитывается по уравнению:

Обычно расчеты производятся для напряжения. , учитывая минимальную мощность трехфазного короткого замыкания (С”_К ) сети и максимальные значения (в Ом ) импеданса короткого замыкания в точках, где THD рассчитывается (Z_K; Р_К; Х_К ^[4] ); конкретное программное обеспечение требуется для выполнения этих расчетов.

Упомянутый выше Стандарт IEC определяет 3 класса для электромагнитной среды ^[5] :

1. Класс 1 :этот класс применяется к защищенным источникам питания и имеет более низкие уровни совместимости, чем уровни совместимости в общедоступных сетях. Это касается использования оборудования, очень чувствительного к помехам в электроснабжении, например электрических приборов в лабораториях, некоторых средств автоматизации и защиты, некоторых компьютеров и т. д.
2. Класс 2 :этот класс обычно применяется к PCC. ^[6] и к IPC ^[7] в средах промышленных и других электросетей необщего пользования. Уровни совместимости этого класса в целом идентичны уровням общедоступных сетей. Поэтому компоненты, предназначенные для питания от сетей общего пользования, могут использоваться в промышленной среде этого класса.
3. Класс 3 :этот класс применяется только к IPC. в промышленных условиях. Он имеет более высокие уровни совместимости, чем класс 2, для некоторых явлений помех. Например, этот класс следует учитывать при выполнении любого из следующих условий:большая часть нагрузки питается через преобразователи; сварочные аппараты присутствуют; часто запускаются большие моторы; нагрузки быстро меняются.

Гармонический совместимость уровни ^[8] (U_ч [%] ) для нечетных частот несколько из 3 указаны в таблице 1, а для нечетных частот не кратно из 3 указаны в таблице 2.

Таблица 1. Уровни совместимости гармоник для нечетных частот, кратных 3

Таблица 2. Уровни совместимости гармоник для нечетных частот, кратных 3

Уровни совместимости THD для каждого из классов:

• Класс 1 – 5 % .
• Класс 2 — 8 % .
• Класс 3 – 10 % .

Источники гармоник и их влияние

Гармоники являются постоянным источником проблем в электрическом оборудовании и системах.

Следующие типы нагрузок (нелинейные нагрузки ^[9] ) являются основными источниками гармоник:

• Силовое электронное оборудование (пример:выпрямители, а именно те, которые используются в системах электрической тяги – и статические преобразователи).
• Дуговое оборудование (пример:дуговые печи, переменный ток или машины для дуговой сварки постоянным током ).
• Насыщающиеся устройства (пример:волна тока без нагрузки, поглощаемая трансформатором с недостаточно большой номинальной мощностью).

Чтобы свести к минимуму генерацию гармоник выпрямители предпочтительно шестимпульсные и эти типы агрегатов для электрических тяговых систем обычно генерируют гармоники тока 5-го, 7-го, 17-го и 19-го порядка , в результате разбалансировки диодов и от сопротивления сети .

Хотя меньшее значение , при нормальных условиях работы оборудования и сети , необходимо учитывать риск резонанса для этих частот .

Операции переключения банков конденсаторов и силовые трансформаторы с постоянной перегрузкой также являются важным источником гармоник .

Силовые трансформаторы для напряжения выше 60 кВ с звездным соединением (Гд ) в равной степени являются источником гармоник . Чтобы компенсировать эти гармоники, указанные силовые трансформаторы должна быть третичная обмотка, соединенная треугольником .

Помимо искажения волны напряжения , гармоники являются источником ошибочной операции систем управления и защиты, из-за электромагнитных помех <эм>, увеличитьэффект кожи ^[10] <эм>, вызывать механические колебания и вибрации электрических машин, а именно силовых трансформаторов и вращающихся машин, уменьшить коэффициент мощности (потому что Φ ), ведут к преждевременному старению изоляционных материалов , что приводит к потере их диэлектрических характеристик , источник перегрев и увеличение потерь , а именно силовые трансформаторы и кабели, и уменьшить срок службы оборудования .

Гармоники , которые являются причиной искажения волны напряжения , циркулирующие в нелинейных нагрузках , например моторы , при воздействии переменного магнитного потока , индуцировать циркулирующие токи (Токи Фуко ) в токопроводящих материалах, что уменьшает крутящий момент .

В несбалансированных системах , гармоники может вызвать нейтральный ток выше чем векторная сумма фазных токов на основной частоте , что приводит к перегрузке нейтрального проводника .

Эффект кожи увеличивается сопротивление проводников и, следовательно, падение напряжения и потери на эффекте Джоуля . Эта проблема особенно деликатна в воздушных линиях с напряжением выше 150 кВ и длина 800 км и более . Распространенным решением этой проблемы является использование DC. воздушные линии , в котором эффект кожи не существует .

Механические колебания и вибрации вращающихся электрических машин может быть вызвано перекосом вала и разрушение статора, ротора и подшипников .

Потери увеличиваются в силовых трансформаторах происходит при потерях в железе , из-за токов Фуко и гистерезис ^[11] , которые пропорциональны частоте и в потерях меди , из-за скин-эффекта .

Компенсация гармоник и типы фильтров

Когда батареи конденсаторов используются для коррекции коэффициента мощности , значительная составляющая гармоник попадает в конденсаторную батарею; в этих ситуациях необходимо временно отключить батареи конденсаторов чтобы обеспечить точное определение местоположения источников гармоник .

В такой установке это важно чтобы проверить, есть ли какой-либо риск гармонического резонанса вызвано специфическими гармониками батареи конденсаторов . Это первый шаг определить правильное решение для компенсации гармоник .

После подтверждения существования гармоник и это значение THD превышает лимит определяется стандартом IEC 61000-2-4 и/или установлены коммунальной компанией это обязательно перейти к компенсации гармоник; решение, которое будет реализовано, зависит от характеристик установки .

Простейшее решение, используемое в низком напряжении. (В ≤ 1 кВ ) является использование медных катушек. (см. рис. 4), которые действуют как высокочастотный фильтр , ограничить пусковой ток выпрямителей и воздерживаться от взаимного вмешательства .

Рис. 4. Реактивное сопротивление для компенсации гармоник

Индуктивность (L ) каждой фазы рассчитывается по уравнению:Где:

• ΔV_L я s внутреннее падение напряжения на реактивном сопротивлении [% ]
• В_н межфазное напряжение сети [В ]
• ф_н промышленная частота сети [Гц ]
• Я_н текущий [A ]

В сетях и установках с сильным электрическим загрязнением (более высокий уровень гармоник ), где G_h /S_н> 60 % (G_ч полная мощность всех нелинейных нагрузок отвечает за производство гармоник и S_n полная мощность всех восходящих трансформаторов подключены к той же шине, к которой подключены нагрузки ) рекомендуется установить фильтры гармоник , как показано на рисунке 5).

Рисунок 5. Фильтр гармоник

Компенсация гармоник может быть централизованным , с гармоническими фильтрами подключен в главный распределительный щит или децентрализованное или локальное , установив фильтры гармоник рядом с оборудованием которые являются основными источниками гармоник . Оба решения показаны на рисунке 6.

Рисунок 6. Расположение фильтров подавления гармоник

Фильтры гармоник делятся на три категории:

Пассивные фильтры

Они состоят из ассоциативных цепей серии LC. , настроены для каждой из частот что они предназначены для компенсации , обычно 5-я, 7-я и 11-я гармоники . Их основные характеристики:

• Нет ограничений на гармоники тока, которые необходимо устранить.
• Они выполняют коррекцию коэффициента мощности.
• Они рискуют усилить гармоники при модификации сети.
• Существует риск перегрузки из-за внешнего электромагнитного загрязнения.

Активные фильтры

Они состоят из электронных и микропроцессорных блоков. , контролируя гармоники в пределах диапазона между 2-м и 50-м заказами; для каждого диапазона частот генерируется текущий , который имеет фазовый сдвиг 180° и такое же значение гармонический ток, подлежащий компенсации .

Фильтры этого типа хорошо подходят для модификаций сети, нагрузок и диапазона гармоник , что особенно подходит для децентрализованной или местной компенсации .

Гибридные фильтры

Это комбинация активных и пассивных фильтров , контролируя гармоники в пределах диапазона между 2-м и 25-м заказами , выполняя также коррекцию коэффициента мощности .

Полезно знать:

Полезно знать:

^[1] МЭК :Международная электротехническая комиссия.

^[2] Электромагнитная совместимость определяется как способность электрического оборудования правильно работать в «электромагнитной среде», не создавая каких-либо электромагнитных помех в другом оборудовании и системах, которые могут существовать в этой среде.

^[3] Ряд Фурье являются сходящимися тригонометрическими рядами используется для представления суммы синусоидальных функций .

^[4] Если значения R_K е Х_К из сети обычно в качестве приближения рассматриваютR_K /Х_К =0,1 и уравнение

Z_K =√(R_K ² +Х_К ² ).

^[5] Определение классов является транскрипцией Стандарта IEC 61000-2-4. .

^[6] ПКК :Точка в сети электроснабжения общего пользования, электрически ближайшая к определенной нагрузке, к которой подключены или могут быть подключены другие нагрузки.

^[7] МПК :точка на сети внутри системы или установки, электрически ближайшая к определенной нагрузке, к которой подключены или могут быть подключены другие нагрузки.

^[8] Уровень совместимости определяет указанный уровень электромагнитных помех используется в качестве эталонного уровня в определенной среде для координации при установке пределов излучения и помехоустойчивости.

^[9] загрузка говорят нелинейный если его сопротивление различаться с приложенным напряжением .

^[10] Эффект кожи это явление, которое можно охарактеризовать отталкиванием линий электромагнитного тока, следствием которого является тенденция переменного тока течь только по поверхности проводников.

^[11] Гистерезис это то, по которому, когда магнитное поле наносится на ферромагнитный материал , как основа трансформаторов , материал остается постоянно намагниченным , даже если магнитного поля нет.

Об авторе:Мануэль Болотинья

- Степень лиценциата в области электротехники – Энергетика и энергетические системы (1974 г. – Instituto Superior Técnico/Лиссабонский университет)
– Степень магистра электротехники и вычислительной техники (2017 г. – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Новый университет Лиссабона)
– Старший консультант по подстанциям и энергосистемам; Профессиональный инструктор