Стартовая >> Книги >> Разное >> Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях

Анализ несимметрии нелинейных электроприемников - Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях

Оглавление
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

Очевидно, что при насыщенности однофазными нелинейными электроприемниками в электрических сетях зданий очень часто возникает несимметрии высших гармоник тока и напряжения. Причем в процессе эксплуатации данных сетей трудно качественно оценить гармоническое содержание токов электрических нагрузок с точки зрения вызываемой ими указанной несимметрии. Местные организационные мероприятия по ее устранению ограничиваются количественным равномерным распределением потребителей по фазам и часто не приносят желаемого результата. Кроме того, предварительный анализ показывает, что в условиях несимметрии высших гармоник использование симметричных фильтрующих устройств для снижения уровня гармонических составляющих токов и напряжений в низковольтных сетях имеет свои особенности симметрии напряжений в сетях НН представляет несомненный интерес. Дополнительным подтверждением актуальности указанных исследований является наличие работ, например [90, 103], в которых предлагается при разработке обоснованных рекомендаций по поддержанию уровней несимметрии и несинусоидальности учитывать их совместное влияние на различные виды электрооборудования.

Для проведения указанного анализа рассчитаем токи и напряжения в рассмотренных выше вариантах исполнения сети, но с учетом несимметричного подключения электропотребителей. При этом рассмотрим четыре случая возникновения несимметрии высших гармоник.

Случай 1. Предположим, что соотношение фазных нагрузок осветительной сети здания равно 1 : 0,8 : 0,6. Следует отметить, что согласно [167] указанное соотношение является типичным для городских распределительных сетей НН. Хотя при этом нарушается известное нормативное требование о том, что нагрузки между фазами сети освещения общественных зданий должны распределяться равномерно. Согласно как разрабатываемых ДБН «Проектування електрообладнання житлових та громадських будинкiв i споруд», так и действующих ВСН 59-88 «Электрооборудование жилых и общественных зданий. Нормы проектирования» разница в токах наиболее и наименее нагруженных фаз не должна превышать 30 % в пределах одного щитка и 15 % — в начале питающих линий. В расчетной схеме замещения сети указанные нагрузочные соотношения моделируются соответствующим пропорциональным изменением параметров элементов нагрузки стояков и групповой сети в фазах и С. С учетом того, что силовая нагрузка принимается симметричной, соотношение фазных нагрузок всей сети здания составляет 1 : 0,9 : 0,8. При этом значение а, в каждой из трех фаз остается неизменным.
В результате проведенных расчетов токов первой и высших гармоник определено, что в рассматриваемом случае несимметрии высших гармоник при а1= 0,116 соотношение действующих значений первых гармоник токов стояка и внешней питающей линии

(относительно первой гармоники соответствующего тока в симметричном режиме) примерно соответствует данному случаю несимметричного подключения нагрузок.

 Что касается аналогичных соотношений для высших гармоник тока, то говорить о каком-то соответствии не представляется возможным. Например, соотношения действующих значений указанных токов третьей, пятой, седьмой и девятой гармоник выглядят следующим образом:

Как и в случае первых гармоник тока высшие гармоники приведены к значениям токов соответствующих гармоник для симметричного режима. Амплитуды гармоник более высоких порядков при такой несимметрии изменяются в еще больших пределах по сравнению со случаем симметричных нагрузок.
Из приведенных результатов видно, что искажения синусоидальности кривых анализируемых токов наиболее загруженной фазы (на 100%) примерно соответствуют симметричному режиму рассматриваемого варианта исполнения сети. В то же время в двух других фазах с уменьшением загрузки значение указанных искажений, в основном, уменьшается. Очевидно, что закон изменения для разных гармоник различается и не соответствует закону изменения первой гармоники. В результате возникшей несимметрии высших гармоник ток в нулевом проводе содержит токи нулевой последовательности всего гармонического спектра. Причем токи гармоник, кратных трем, преобладают, хотя их значение существенно меньше (примерно на 20 %) утроенного тока указанных гармоник в симметричном режиме.

Кроме того, в нулевом проводе протекает ток нулевой последовательности первой гармоники, значение которого приблизительно равно значению тока нулевого провода соответствующего несимметричного режима линейных электроприемников (около 12 % тока наиболее загруженной фазы для нулевого провода внешней питающей линии и около 30 % — для нулевой жилы кабеля стояка). При этом действующее значение тока в нулевом проводе незначительно увеличивается (примерно на 15 %) при существенном изменении формы его кривой по сравнению с симметричным режимом.
Очевидно, что при несимметричном подключении нелинейных электроприемников наряду с несимметрией токов первой и высших гармоник возникает несимметрия соответствующих напряжений. При этом, в первую очередь, происходит нарушение симметрии напряжений первых гармоник. В результате коэффициент несимметрии напряжения по нулевой последовательности на ГРЩ K0u1 превышает 2 %, а соответствующий коэффициент напряжения на зажимах электроприемников групповой сети К0u4 — 4 %, т. е. значения, которые являются нормально и предельно допустимыми согласно ГОСТ 13109—97.
При возникшей существенной несимметрии напряжений первых гармоник фазные напряжения высших гармоник незначительно уменьшаются с уменьшением загрузки фазы. В целом в рассматриваемом случае несимметрии значение напряжения высших гармоник меньше, чем в соответствующем симметричном режиме. За счет уменьшения напряжения третьей гармоники (напряжения остальных гармоник возрастают) Кu4 на 10—15 % меньше Ku4 в случае симметричных нагрузок.
Следует отметить, что аналогичные расчеты были проведены для варианта исполнения сети, при котором а, = 0,333. Полученные результаты показывают, что при увеличении а, изменяются лишь некоторые количественные характеристики несимметрии высших гармоник, касающиеся, в частности, изменения соотношений между токами нулевой последовательности первой и высших гармоник в сторону увеличения последних, а также относительного увеличения Кu4. В то же время установленные ранее общие зависимости и закономерности формирования искажений синусоидальности кривых токов и напряжений в условиях несимметрии нелинейных электроприемников остаются неизменными.
Таким образом, проведенный анализ показывает, что в случае несимметричного подключения нелинейных электроприемников возникает несимметричное изменение формы кривых фазных токов. Указанное изменение происходит в соответствии с режимом работы конкретных нелинейных электроприемников под воздействием фазного напряжения, которое также изменяет свою форму. Очевидно, что изменения в искажении синусоидальности формы кривой фазного напряжения формируются не только за счет падения напряжения в фазных проводах, но и за счет падения напряжения в нулевом проводе. При этом ток в нулевом проводе существенно изменяет форму своей кривой вследствие несимметрии нелинейных нагрузок. В результате совместного воздействия и взаимного влияния указанных режимных параметров возникает несимметрия высших гармоник.

 

Случай 2. Предположим, что соотношения фазных нагрузок электрической сети здания такие, как в случае 1. Однако при этом уменьшение загрузки соответствующих фаз происходит за счет уменьшения только линейной составляющей фазной нагрузки, а именно, части осветительной нагрузки. В этом случае происходит отмеченное в параграфе 4.3 скрытое увеличение а, в двух фазах рассматриваемой сети, т.е. а1A = 0,116; а1A= 0,129; а1С = = 0,144. В результате совместного воздействия двух факторов — несимметрии нелинейных нагрузок и скрытого увеличения а1B и а, с параметры несимметрии высших гармоник тока изменяются. При этом параметры несимметрии первых гармоник примерно соответствуют анализируемым случаям несимметричного подключения нагрузок. Соотношения действующих значений токов стояка и внешней питающей сети первой и определяющих высших гармоник, приведенных к значениям соответствующих токов в симметричном режиме, выглядят следующим образом:


Из приведенных результатов видно, что в рассматриваемом случае при уменьшении загрузки фазы и уменьшении токов первой гармоники искажения синусоидальности кривых фазных токов возрастают за счет увеличения а1. Особенно это касается токов гармоник, кратных трем, которые, как известно, определяют ток в нулевом проводе. В результате при сохранившемся в тех же пределах значении тока нулевой последовательности первой гармоники (12 и 30 % соответственно) ток в нулевом проводе внешней питающей сети увеличивается примерно до 20 %, а ток в нулевой жиле кабеля стояка — до 55 соответствующего тока наиболее загруженной фазы.
В соответствии с несимметрией токов первых гармоник возникает несимметрия напряжений первых гармоник.  
Таким образом, в рассмотренных случаях несимметрия высших гармоник возникает за счет как несимметрии фазных нагрузок, так и скрытого изменения значения а в отдельных фазах по сравнению с симметричным режимом. Причем в случае 2 наблюдается увеличение Ки по сравнению с симметричным режимом. Очевидно, что количественные характеристики возможного увеличения Ки будут определяться параметрами несимметрии и распределением нелинейных электроприемников по фазам сети НН. В связи с этим, вызывают несомненный интерес случаи возникновения несимметрии высших гармоник при еще большем скрытом возрастании а1.

Рассмотрим еще два случая распределения нелинейных нагрузок по фазам при сохранении реальной ситуации подключения конкретных электроприемников к сети здания. В одном случае (случай 3) все нелинейные электроприемники подключены к двум фазам групповой сети, а в другом (случай 4) — только к одной, причем нагрузка распределена равномерно по фазам. Можно предположить, что такая ситуация вполне может возникнуть в процессе эксплуатации электрической сети здания.
При этом персонал, с одной стороны, борясь с несимметрией, не учитывает существующую нелинейность отдельных групп электроприемников, а с другой — возможно проявляя некомпетентность и старательно освобождая одну или даже две фазы от нелинейных электроприемников, безуспешно пытается добиться абсолютного отсутствия высших гармоник на каком-то отдельном участке сети НН. Следует отметить, что в первых двух рассмотренных случаях (случаи 1 и 2) возникновения несимметрии высших гармоник в первую очередь проявлялось влияние несимметрии на несинусоидальность. В то же время во вторых двух случаях (случаи 3 и 4) с учетом равномерного распределения нагрузки по фазам следует ожидать некоторое обратное влияние несинусоидальности на несимметрию.

Случай 3. Предположим, что к двум фазам подключаются компьютеры, принтеры, обогреватели и небольшая часть осветительной нагрузки, а к третьей фазе — только линейная осветительная нагрузка. При этом суммарная установленная мощность всех электроприемников и доля нелинейной нагрузки а, здания остались прежними. В результате указанного перераспределения электроприемников возрастает значение а, в соответствующих фазах.  Проведенные расчеты показывают, что в рассматриваемом случае возникает несимметрия токов первых гармоник по амплитуде (больше для а1= 0,333) и по фазе (больше для а1= 0,116). Это можно объяснить тем, что при условии одинаковой мощности, но при разной форме кривой ток первой гармоники линейной и нелинейной нагрузки различается. Кроме того, за счет возрастания а1A и а1В увеличиваются соответствующие токи высших гармоник (в 1,4—1,6 раза по сравнению с симметричным режимом), а токи высших гармоник в фазе С (при линейной нагрузке) составляют 40—60 % соответствующего значения симметричного режима. В результате ток в нулевом проводе содержит ток нулевой последовательности первой гармоники (7— 10 % тока наиболее загруженной фазы для нулевого провода внешней питающей сети и 20—25 % — для нулевой жилы кабеля стояка), а также соответствующие токи высших гармоник, значение которых несколько меньше, чем в симметричном режиме. Тогда действующее значение тока в нулевом проводе при различающемся гармоническом содержании примерно равно действующему значению соответствующего тока в случае симметричных нагрузок.

Несмотря на равномерное распределение электропотребителей по фазам за счет несимметрии токов первой и высших гармоник возникает несимметрия напряжений первых гармоник. В рассматриваемом случае K0u в различных нагрузочных узлах электрической сети здания составляет 1—2 %. На рис. 4.8 показаны зависимости Кu4 от а1 в симметричном режиме (кривая 1) и при несимметрии высших гармоник (кривые Из рисунка видно, что в фазе В (верхняя кривая 2) за счет увеличения a1. Кu4 возрастает на 6—8 % Кu в симметричном режиме. Кроме того, в фазе С (нижняя кривая 2) при отсутствии нелинейных электроприемников возникают довольно значительные искажения синусоидальности кривой напряжения (при а, > 0,15 Кu4 > 8 %).
Следует отметить, что увеличение в фазе А ( ) происходит за счет увеличения напряжения гармоник, некратных трем (в 2—3 раза больше, чем в случае симметричных нагрузок), при почти неизменяющемся значении напряжений гармоник 3.

Случай 4. Рассматриваемый случай сосредоточения всей нелинейной нагрузки в одной фазе при условии симметричной 100%-ной загрузки фаз трансформатора возможен только при а1< 0,176. В результате за счет увеличения значение токов высших гармоник в фазе А увеличивается в 2—3 раза (в основном за счет гармоник, кратных трем) по сравнению с соответствующими симметричными режимами. Причем при а= 0,34 (а1=0,116) значение токов высших гармоник увеличивается в 1,4—1,6 раза по сравнению с симметричным режимом при а, = 0,333. При этом в фазах В и С ток приобретает незначительные искажения (К, составляет 3—5 %). За счет повышенной амплитуды токов первой гармоники в фазах с линейными электроприемниками возникает несимметрия токов первых гармоник. В связи с этим ток нулевой последовательности первой гармоники составляет 6—8 % тока наиболее загруженной фазы для нулевого провода внешней питающей сети и 15—20 % — для нулевой жилы кабеля стояка. Тогда с учетом токов высших гармоник действующее значение тока в нулевом проводе примерно равно действующему значению соответствующего тока в симметричном режиме.

Как в случае 3 К0и в разных узлах сети здания составляет 1—2 %. На рис. 4.9 показаны кривые, аналогичные кривым, приведенным на рис. 4.8.

Рис. 4.8. Зависимости Кш от а, в симметричном режиме (I) и при несимметрии высших гармоник (2). Случай 3


Рис. 4.9. Зависимости Кu4 от а1 в симметричном режиме (I) и при несимметрии высших гармоник ( 2). Случай 4.
Из рисунка видно, что в фазе А (верхняя кривая 2) Кu4 увеличивается на 20—25 % по сравнению с соответствующим Кu4 в симметричном режиме. При этом в фазах В и С (нижняя кривая 2) при отсутствии нелинейных нагрузок возникает примерно одинаковая довольно значительная несинусоидальность напряжений (при а1> 0,15, Кu4 > 8 %).
Таким образом, рассмотренные случаи возникновения несимметрии высших гармоник подтвердили тот факт, что при неравномерном распределении нелинейных потребителей по фазам может возникнуть существенное увеличение (за счет скрытого увеличения а, в отдельных фазах) в различных узлах электрической сети здания. Очевидно, что в этом случае нарушение требований ГОСТ 13109—97 наступит при меньших значениях а.



 
« Ведение оперативной документации на подстанциях   Защита шин 6-10 кВ »
электрические сети