Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях - Применение средств обеспечения электромагнитной совместимости

Глава шестая
ПРИМЕНЕНИЕ СРЕДСТВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СОВМЕСТИМОСТИ В СЕТЯХ НИЗКОГО НАПРЯЖЕНИЯ РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
В предыдущих главах были рассмотрены вопросы моделирования и анализа режимов, которые являются элементами теории ЭМС в сетях НН с нелинейными потребителями. В данной главе представлены полученные в работе результаты практического применения способов и средств обеспечения ЭМС в указанных сетях. При этом рассмотрим примеры экспериментальной проверки эффективности специальных фильтрующих устройств по снижению несинусоидальности фазных напряжений, принципы построения и практическое использование предложенных подходов к анализу современных систем электропитания с улучшенной ЭМС, а также предложения по организации систем гарантированного электропитания электронных устройств на электростанциях и подстанциях.

6.1. Снижение несинусоидальности напряжений в низковольтных электрических сетях общего и специального назначения

В 80—90 гг. XX века в отделах стабилизации параметров электромагнитной энергии и оптимизации систем электроснабжения Института электродинамики НАН Украины были разработаны и прошли экспериментальную проверку в сетях НН общего и специального назначения электромагнитные фильтрующие устройства разных модификаций [63, 87, 91, 95, 136, 137, 152, 165, 167]. К ним относятся различные фильтросимметрирующие или фильтрующие корректирующие устройства, фильтры токов нулевой последовательности или токов гармоник, кратных трем, и, наконец, устройства подавления высших гармоник тока [126].

Работа таких фильтрующих устройств основана на взаимной компенсации несбалансированных магнитных потоков нулевой последовательности. Это достигается вследствие включения обмоток электромагнитного аппарата по схеме встречный зигзаг (см. параграф 5.2), которая является базовой для рассматриваемых фильтров, а также особенностей конструкции катушек и магнитопровода. Все шесть полуобмоток должны быть абсолютно симметричными, т.е. содержать равное количество витков. Кроме того, необходимо максимально уменьшить магнитные потоки рассеяния, вызванные токами нулевой последовательности. Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили получить такую конструкцию магнитопровода и обмоток, которая позволяет до минимума снизить сопротивление рассеяния двух магнитосвязанных обмоток, расположенных на одном стержне магнитопровода.
Известно, что наименьшим сопротивлением рассеяния обладают магнитосвязанные обмотки, выполненные в виде однослойной двухходовой спирали. Однако в результате проведения расчетов и экспериментальных исследований разных вариантов устройств установлено, что наиболее целесообразным с технико-экономической точки зрения является исполнение обмотки в виде шестислойной двухходовой спирали. Это позволяет уменьшить высоту окна магнитопровода, т.е. улучшить массогабаритные показатели всего устройства, сохранив при этом его фильтрующие свойства.
В результате фильтр, выполненный по базовой схеме, имеет следующие основные технические характеристики.

Из приведенных характеристик видно, что кроме фильтрации высших гармоник рассмотренные устройства осуществляют эффективное симметрирование напряжений в низковольтных электрических сетях. Кроме того, опыт эксплуатации показал, что они также обеспечивают демпфирование несимметричных перенапряжений и провалов фазных напряжений вплоть до обрыва
Работа таких фильтрующих устройств основана на взаимной компенсации несбалансированных магнитных потоков нулевой по — одной из фаз. Таким образом, указанные корректирующие устройства являются многофункциональными с точки зрения воздействия на несколько параметров КЭ и обеспечения ЭМС в сетях НН.
Рассмотрим результаты экспериментальной проверки работы фильтров в реальных СЭС. В частности, исследования были проведены в сети, питающей стенды регулировки и поверки счетчиков на одном из киевских предприятий энергонадзора. Для стабилизации напряжения на этих стендах применяются стабилизаторы напряжений, которые являются источниками высших гармоник. В результате коэффициент искажения синусоидальности кривой фазного напряжения доходит до 8 %. Применение фильтра позволяет уменьшить его до 2—3 %.
Кроме того, были проведены исследования возможностей разработанных фильтров на ряде производственных объединений (ПО) Украины в цехах, где проходят испытания, например, цифровые измерительные приборы с ИВЭП с бестрансформаторным входом. В ПО «Микропроцессор» (г. Киев) в одном из цехов отдела испытаний подключение фильтра обеспечивало снижение Ки от 12,1 до 3,7 %, т.е. более, чем в 3 раза. Главное, что практически прекратились сбои цифрового оборудования, которые до этого были систематическими.
Следует отметить, что приведенные результаты являются наиболее успешными, так как во многих других случаях эффективность фильтрации была ниже. Причем одним из факторов, снижающих указанную эффективность, была несимметрия высших гармоник при довольно ощутимых значениях токов гармоник, некратных трем. Например, в одной из организаций при подключении фильтра на РЩ электропитания вычислительного комплекса от автономной системы двигатель—генератор мощностью 50 кВт коэффициент искажения синусоидальности кривых фазных напряжений уменьшился примерно в 2 раза (до подключения фильтра Κu = 7—8 %). В табл. 6.1 приведены действующие значения напряжений гармоник для двух вариантов схемы: без фильтра (левая графа) и при его подключении (правая графа). Из таблицы видно, что его применение позволяет снизить уровень некоторых высших гармоник.
Однако, анализируя представленные в таблице результаты, можно выявить особенности распределения симметричных составляющих гармонического спектра, о которых говорилось в предыдущих главах.

ТАБЛИЦА 6.1
Результаты измерений действующих значений напряжений различных гармоник на РЩ электропитания вычислительного комплекса

Если бы системы фазных напряжений высших гармоник были симметричными, то фильтровались бы только третья и девятая гармоники. По данным же, которые приведены в таблице, видно, что существует несимметрия высших гармоник. Например, третья гармоника фильтруется не полностью и в разной степени по фазам. Уровень пятой гармоники в фазе А уменьшается, а в фазе В — увеличивается; пятая гармоника в фазе С и седьмая в фазе В уменьшаются до нуля и т. д.
Вторым аналогичным примером, характеризующим влияние состава гармонического спектра и несимметрии высших гармоник на эффективность фильтрации, служат результаты исследований, которые проводились в 90-е годы XX века на ПО «Горизонт» (г. Минск) в цеху, где проходили термоиспытания телевизоры. На стеллажах термоиспытаний в трехфазную сеть с нулевым проводом включается большое количество телевизоров одновременно. Причем телевизоры содержат блоки питания как с трансформаторным, так и бестрансформаторным входом. При этом телевизионная нагрузка является не только источником возникновения высших гармоник, но и несимметрии напряжений. В табл. 6.2 приведены значения коэффициентов искажения синусоидальности кривых и действующие значения третьей и пятой гармоник фазных напряжений на одном из участков этого цеха для двух случаев: без фильтра и при его подключении. Низкая эффективность фильтрации объясняется наличием существенных токов гармоник, некратных трем, источником которых, в основном, являются телевизоры с трансформаторным блоком питания. Из анализа значений напряжений гармоник видно наличие небольшой несимметрии высших гармоник, так как фильтр неравномерно фильтрует третью гармонику, для которой преобладающей является нулевая последовательность.

Результаты измерений Ки и действующих значений третьей и пятой гармоник фазных напряжений (ПО «Горизонт»)

Пятая гармоника фильтруется слабо, так как для нее основной будет обратная последовательность.               
На другом участке этого цеха для стабилизации напряжения сети питания используются стабилизаторы СТС, которые вносят дополнительные искажения в форму кривой напряжения. Кроме того, здесь сильнее проявляется несимметрия напряжений. В табл. 6.3 приведены значения коэффициента искажения синусоидальности кривой фазных напряжений Ки для двух вариантов схемы питания этого участка.
Из таблицы видно, что Ки снижается несущественно (меньше, чем в 2 раза) и неравномерно по фазам из-за эффекта несимметрии высших гармоник и недостаточно большого относительного значения токов гармоник, кратных трем. Кроме того, в фазе А уменьшенное значение Κu не удовлетворяет требованиям ГОСТ 13109—97, а в фазе С коэффициент искажения синусоидальности кривой фазного напряжения изменяется незначительно. Очевидно, что говорить об успешной фильтрации высших гармоник в таких условиях весьма проблематично.
ТАБЛИЦА 6.3
Результаты измерений Кu (ПО «Горизонт», участок со стабилизаторами)

Таким образом, теоретически рассмотренные фильтры токов гармоник нулевой последовательности являются эффективным средством снижения уровня высших гармоник и обеспечения ЭМС в сетях НН. Однако для достижения указанной эффективности на практике необходимо выполнять разработанные в пятой главе рекомендации по использованию указанных фильтрующих устройств для обеспечения ЭМС потребителей низковольтных электрических сетей. В результате рассмотренные фильтры могут стать обязательным элементом сети НН при ее организации с точки зрения соответствия требованиям ЭМС. Так, в свое время на объектах Минобороны СССР предлагалось в составе вновь разрабатываемых комплексов средств связи и автоматизации, автоматизированных систем управления и электронно-вычислительной техники использовать фильтросимметрирующие устройства для обеспечения ЭМС радиоэлектронной аппаратуры с питающей сетью, автономными источниками электроснабжения и другими электропотребителями. При этом кроме защиты от ЭМП указанные устройства должны были обеспечивать снижение потерь электроэнергии и требуемой мощности автономного источника питания.
В настоящее время в условиях насыщенности электрических сетей зданий, рассмотренных в предыдущих главах, нелинейными электроприемниками стала существенной тенденция к организации пользователями собственной системы энергообеспечения. Причем это характерно не только для структур, занимающих отдельные строения и сооружения, но и для фирм, размещающихся в жилых зданиях. В результате становится актуальным вопрос построения указанной СЭС, которую можно назвать локальной системой питания [99]. Под локальной системой питания понимается система питания потребителей электроэнергии переменного тока, которая ограничена по территории (здание, сооружение), мощности электроприемников, которые объединены общностью выполняемых функций в пределах предприятия (организации), требованиями к электропитанию, а также общими подводом электроэнергии и системами распределения, контроля и защиты.
Очевидно, что этому определению в полной мере соответствует электрическая сеть здания, исполнение основных элементов которой (в том числе, с использованием дополнительных технических средств) обеспечивает ЭМС ее потребителей. При организации такой низковольтной сети следует рассматривать два этапа.

На этапе проектирования можно с учетом прогнозирования роста доли нелинейной нагрузки проводить организационно-технические мероприятия, направленные, в частности, на снижение эквивалентного сопротивления нулевой последовательности сети (см. четвертую главу). На этапе эксплуатации сети, когда ее конструктивные элементы существуют много лет и реконструкцию очень часто проводить нет возможности, в условиях роста уровня ЭМП необходимо применение дополнительных технических средств (кстати, их установку можно предусмотреть еще на этапе проектирования сети).
Следует отметить, что для обеспечения требований к качеству и надежности электропитания локальные системы питания, как правило, комплектуются ИБП. Однако по экономическим соображениям их использование не всегда является целесообразным. Поэтому с учетом многофункциональности рассмотренных фильтрующих устройств предлагается использовать их (в соответствии с рекомендациями настоящей работы) в качестве дополнительных технических средств обеспечения ЭМС потребителей сетей НН.