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

Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения - 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

Глава первая
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСОБЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения
В электроснабжении получил широкое распространение термин «электромагнитная помеха». Он приобрел формы, обусловленные разнообразием существующих электроприемников, которые могут быть как относительно мощными (силовыми) — синхронные и асинхронные двигатели, статические и машинные преобразователи, сварочные агрегаты и другие электротехнологические установки, так и небольшой единичной мощности — средства компьютерной техники, электробытовые приборы и др. Все указанные потребители объединены сетью электроснабжения (за исключением автономных систем), что вызывает необходимость определения степени воздействия на сеть электромагнитных помех, возникающих в результате работы отдельных электроприемников.
Под электромагнитной помехой (в дальнейшем помехой) понимаются электрическое и (или) магнитное явления (процессы), созданные любым источником в пространстве или проводящей среде и нежелательно влияющие или способные оказать нежелательное влияние на состояние электроприемника (функционирование, эффективность использования, потери, старение изоляции и т. д.). Носителями помех выступают постоянные или изменяющиеся во времени значения напряжения, тока, электрического заряда или магнитного потока.
Помехи можно классифицировать по разным признакам. В зависимости от путей распространения помехи подразделяют на пространственные и кондуктивные, по предсказуемости времени появления и формы — на случайные (вероятностные) и регулярные (систематические). Помехи из сети питания переменного тока можно подразделять на импульсные (кратковременные) и длительные. Исследование электромагнитной обстановки в рассматриваемой точке сети представляет собой определение количественных характеристик длительных и импульсных помех, характерных для данного участка сети. К длительным помехам относят отклонения напряжения от номинального значения длительностью более 5 мс, превышающие допустимые пределы изменения в сторону увеличения или уменьшения. К импульсным помехам относят импульсы напряжения разной полярности, накладываемые на нормальный уровень мгновенного значения синусоиды или постоянного напряжения длительностью от долей наносекунд до единиц миллисекунд. К помехам также следует отнести провалы напряжения, вызванные, например, срабатыванием автоматического повторного включения или автоматического включения резерва. Учитывая максимально возможные затяжные пуски мощных двигателей, можно предположить, что самые продолжительные длительные помехи лежат в пределах 10 с. К разряду помех не будут относиться только отключения (аварийные или рабочие), связанные с последующим ручным включением напряжения.
По характеру протекания процесса во времени различают помехи одиночные, периодические, гармонические и шумы. Одиночные помехи вызваны коммутацией сетей и электроприемников, короткими замыканиями, статическими или атмосферными разрядами либо другими процессами, вызывающими кратковременные независимые друг от друга возмущения тока и напряжения в сети. Периодические помехи связаны в основном с импульсно-циклическим характером нагрузки мощных электроприемников. Гармонические помехи (высшие гармоники) возникают с частотой сети или кратной ей и вызываются в основном мощными нелинейными электропотребителями при ограниченной мощности питающей сети. Гармонические и периодические помехи, как правило, приводят к возникновению несинусоидальности напряжения [13, 18,29,98, 115, 131, 174, 181, 193, 209].
Причины возникновения высших гармоник на разных участках сети также различны. Если в высоковольтных сетях появление высших гармоник обусловлено наряду с воздействием мощных нелинейных электроприемников коронными разрядами, грозовыми явлениями и аварийными режимами ЛЭП, то в низковольтных сетях они обусловлены преимущественно нестационарными процессами и нелинейными характеристиками отдельных электроприемников. При этом высшие гармоники, вызываемые низковольтными нелинейными потребителями, в соответствии с приведенной выше классификацией назовем систематическими, гармоническими, кондуктивными помехами.
Очевидно, что причиной нарушения КЭ может являться недопустимое ухудшение любого из его параметров, вызванное свойствами одного из потребителей либо их группы при совместной эксплуатации. Обычно КЭ ухудшает каждый из потребителей и, при некотором их количестве, такое ухудшение достигает граничного значения, вызывающего сбои и отказы аппаратуры. В этом случае конкретного виновника просто не существует. При этом сложно привести пример электроприемника, являющегося по отношению к сети чисто активной нагрузкой. Даже обычная лампа накаливания за счет разности сопротивления холодной и нагретой нити накаливания создает при включении заметные перегрузки. Значительно проще привести примеры явно искажающих сетевое напряжение электроприемников, таких как сварочные аппараты, управляемый электропривод, компьютерная и другая электронная техника. Значительная часть этих потребителей генерирует в сеть высшие гармоники, серьезным образом обостряя ситуацию с КЭ в низковольтных сетях [3]. Поэтому в условиях насыщенности указанных сетей нелинейными электропотребителями доминирующим фактором ухудшения КЭ становится несинусоидальность токов и напряжений.
Проведенный анализ показывает, что вызываемые такими электроприемниками искажения синусоидальности кривых токов в сетях НН могут быть весьма существенными [30, 97]. Например, для входящих быстрыми темпами в быт СВЧ-печей, которые удобны и энергоэффективны (в связи с кратковременностью работы вследствие быстрого достижения требуемого теплового эффекта) характерны коэффициенты искажения синусоидальности кривой входного тока от 15 («Электроника», СП23, ЗИЛ, 1300ВА) до 29 % (Daewoo, MOD KOR-8167, 1350ВА). Эти показатели сами по себе вроде бы и не вызывают опасения, к тому же относительные значения гармоник тока быстро убывают в зависимости от порядкового номера: в первом случае
I(3) = 13,5 %, I(5) = 3,6 % , I(7) =2,7 % и т. д., а во втором — I(3) = 25,2% , I(5) = 11,2%, I(7) =5,2% и т. д. Однако включение этих печей в типовых условиях приводит не только к снижению значения напряжения питающей сети на 2—4 %, но, что значительно серьезнее, и к увеличению коэффициента искажения синусоидальности кривой этого напряжения на 6—18 %.
Современные компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) из-за своей высокой стоимости используются, в первую очередь, в целях демонстрации престижности и, лишь во вторую — как энергоэффективные светильники, которые различаются в 4—5
раз большей светоотдачей и в 5—6 раз большим сроком службы, чем лампы накаливания [203]. Коэффициент искажения синусоидальности кривой питающего тока (К) КЛЛ с электромагнитным балластом (ЭМБ) находится, по свидетельству [203], на том же уровне, что и в СВЧ-печах: для лампы Life Look 50 фирмы NEC (Япония) — 13,1 % (здесь и далее учитываются гармоники по тринадцатую включительно), для лампы Globolux 125 фирмы TUNGSRAM (Австрия) — 18,5 %. Это подтверждают и проведенные нами исследования: для лампы NLS-18W (Р) фирмы RADIUM (Германия) К1 = 25,4%, для лампы ЛЕЦ-20 (Украина) K1= 12,2 %.
Желание избавиться от естественных недостатков КЛЛ с ЭМБ (сравнительно большая масса; низкий cos φ; высокое напряжение зажигания, что может не позволить им вообще зажечься при снижении питающего напряжения ниже 190—220 В; длительное время запуска) явилось причиной разработки и внедрения электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭПРА). Однако избавление от указанных недостатков в таких источниках было достигнуто ценой резкого ухудшения формы кривой потребляемого тока. В [83] приведены следующие данные: для лампы PLC Elektronic фирмы Philips (Голландия) 134,9%; для лампы Dulux Elektronic фирмы OSRAM (Германия) К= 162,4 %; для лампы GP-12B фирмы ECONOLAMP (Гонконг) К, = 169,4 %. Необходимо отметить чрезвычайно широкий спектр гармоник тока, потребляемого КЛЛ с ЭПРА, и то, что снижение амплитуды гармоник при увеличении их номера происходит весьма медленно (например, для последней из упомянутых ламп
I(3) = 92,6 % , I(5) = 85,1 %, I(7) = 74,7 %, I(9) = 61,7 % .

 С изменением значения питающего напряжения форма тока и его гармонический состав изменяются мало. Так, для лампы FLE 16 TBX/827/LC фирмы TUNGSRAM при 220В К= 150,5 %, а при 180В К= 152 %. Однако из-за наличия внутренней системы стабилизации, которая по сути поддерживает неизменным световой поток, при этом резко (примерно в полтора раза) возрастают абсолютные значения токов потребления первой и всех высших гармоник.
Следует отметить, что темпы производства КЛЛ с ЭПРА с каждым годом возрастают.
Если ориентироваться на прогноз, данный в [61) о возможной замене 50 % ламп накаливания КЛЛ, то можно ожидать дальнейшего существенного ухудшения ситуации с несинусоидальностью напряжений в сетях НН, ведь на освещение в 1994 году в Украине расходовалось около 17 % всей производимой электроэнергии.
Проведенный анализ показывает, что основными источниками высших гармоник в сетях НН являются потребители энергии, имеющие в своем составе выпрямитель с мощным емкостным фильтром. Это так называемые преобразователи с бестрансформаторным входом или, по международной терминологии, AC/DC Switch Mode Power Supply (SMPS) [172], которые реализуют ту же идеологию, что и ЭПРА. В настоящее время это самая серьезная проблема, которая порождена развитием электроники и усугубляется по мере расширения масштабов ее использования.
В 70-е годы XX века достижения в области электрофизики и технологии производства высокочастотных полупроводниковых приборов позволили повысить их рабочие напряжения до 200— 600 В при токах 10—20 А. Это определило актуальность работ по созданию сетевых источников вторичного электропитания (ИВЭП) с бестрансформаторным входом, в которых преобразование параметров электроэнергии производилось на высокой частоте (10—20 кГц), а фильтрация и стабилизация напряжения осуществлялась за счет высокочастотной импульсной модуляции. Подобные работы проводились практически во всех развитых странах и привели к повышению КПД устройств электропитания до 0,75—0,9 при увеличении удельной выходной мощности до 100 Вт/дм3 [7, 16, 33, 67, 112]. В середине 80-х годов XX века накопленный опыт проектирования и эксплуатации систем электропитания с широким применением ИВЭП с бестрансформаторным входом позволил выявить их некоторые негативные свойства, в первую очередь, касающиеся существенных искажений синусоидальности кривых входных токов.
В частности, трехфазные нагрузки этого типа (частотно управляемые электроприводы, различные инверторы, в том числе, сварочные выпрямители инверторного типа) генерируют мощные пятую и седьмую гармоники (до 70—80 % амплитуды основной гармоники каждая). При этом форма потребляемого тока значительно искажается и коэффициент искажения синусоидальности кривой тока К=80—90 % [177]. Такие однофазные выпрямительные нагрузки из-за своей массовости (компьютеры, мониторы, серверы, телевизоры, телекоммуникационная и медицинская аппаратура, и т. п.) значительно ухудшают КЗ, генерируя в сеть третью и кратные ей гармоники тока и доводя общий К до 120—150 %. Например, в [1] приводятся относительные значения амплитуд гармоник входного тока компьютера по тринадцатую включительно, в соответствии с которыми К=146 %.
Таким образом, рассмотренные потребители относительно питающей сети являются существенно нелинейной нагрузкой. При этом, ограниченная магнитная связь между первичной и вторичной обмотками распределительного трансформатора препятствует распространению высших гармоник в высоковольтную питающую сеть, и они в основном циркулируют в низковольтной сети. Проблема усугубляется тем, что за счет продольного активно-индуктивного сопротивления сети несинусоидальный характер кривой входного тока указанных электроприемников вызывает искажения питающего напряжения, которые являются фактором взаимовлияния высших гармоник в сетях НН.
Известно, что подавляющее большинство электроприемников, подключаемых к сетям НН, являются однофазными и имеют случайные графики нагрузок. Поэтому в любой момент времени в сети наблюдается несимметрия нагрузок по фазам и соответствующая несимметрия токов. При этом следует различать несимметрию токов, определяемую неравномерным подключением электроприемников по фазам (неслучайная несимметрия), и несимметрию, вызванную случайными обстоятельствами (вероятностная несимметрия) [105].
Проведенные исследования показывают, что в низковольтных электрических сетях в нормальном рабочем режиме вероятностная и неслучайная несимметрии токов являются постоянно действующими факторами, а в случае подключения нелинейных электроприемников возникает так называемая несимметрия высших гармоник. Известно, что в симметричном режиме токи высших гармоник 3к + 1 (к — любое целое число) имеют прямой порядок следования фаз, токи высших гармоник 3k +2 — обратный и ЗА — нулевой порядок следования фаз. Если система фазных токов каждой из гармоник становится несимметричной по амплитуде и фазе и может быть разложена в общем случае на симметричные составляющие всех трех последовательностей, будем считать, что имеется несимметрия высших гармоник тока. Тогда при разложении несимметричных гармоник наличие обратной и нулевой последовательностей будет характеризовать несимметрию гармоник 3k + 1, наличие прямой и нулевой — несимметрию гармоник 3k + 2, а прямой и обратной — несимметрию гармоник, кратных трем.

Следует отметить, что вопросам несимметрии нелинейных нагрузок посвящен ряд публикаций [49, 65, 87, 167, 171, 188, 216].
В работах [87, 188], в частности, показано, что сложные формы кривых фазных токов нелинейных потребителей редко имеют одинаковую конфигурацию в каждой из трех фаз. При этом система питания может иметь разные фазные сопротивления и даже различную схему на каждой фазе. В первую очередь это относится к средствам преобразовательной техники, которые отличаются друг от друга мощностью, числом фаз, размещением, схемой соединения, условиями работы и др. С одной стороны, в результате их смешанных и суммирующих воздействий величины высших гармоник в сети существенно отличаются от теоретических предсказаний. С другой стороны, вследствие несимметрии нагрузок, различных задержек в работе отдельных фаз выпрямителя, расхождения в значениях коэффициента трансформации и т. д. не исчезают те гармонические составляющие, которые в соответствии с теорией должны отсутствовать.
Нетрудно понять, что возникающая несимметрия высших гармоник является нарушением КЭ в результате совместного воздействия несимметрии и несинусоидальности токов соответствующих нагрузок. Поэтому в СЭС необходимо выполнять различного рода мероприятия по устранению, а если это не удалось сделать, то по ограничению несимметрии высших гармоник. Например, в свое время Австралийский стандарт (AS 2279—1979) на содержание высших гармоник в сети [171] даже предлагал ввести ограничения на использование однополупериодного и так называемого полууправляемого оборудования, которое вследствие совместного применения диодов и тиристоров создает несимметричную ситуацию в сети. Можно предположить, что если несимметрию высших гармоник нельзя устранить организационными мероприятиями, то необходимы технические средства уменьшения высших гармонических фазных токов в условиях их несимметрии.
В настоящее время наблюдается начавшийся еще в 90-е годы прошлого века рост электропотребления коммунально-бытовым хозяйством и населением Украины. Это объясняется, с одной стороны, спадом энергопотребления промышленными отраслями национальной экономики, а с другой — значительным ростом использования разнообразных электробытовых приборов, очень часто достаточно большой единичной мощности.

 Кроме того, в последние годы происходит бурный рост количества управленческих структур, банков и финансовых организаций, учебных центров, издательских фирм и т.д., которые чрезвычайно насыщены разнообразной оргтехникой (многочисленные персональные компьютеры и компьютерные сети, множительная и контрольная техника, средства персональной связи). При этом названные потребители подключаются, как правило, к электрической сети НН соответствующего здания или сооружения. Как было отмечено, характер их электропотребления в значительной степени определяется наличием ИВЭП с бестрансформаторным входом, в качестве входного звена которого используется сетевой выпрямитель с емкостным фильтром.
Таким образом, в настоящее время в низковольтных сетях жилых и общественных зданий получили широкое распространение нелинейные электроприемники сравнительно небольшой мощности, причем существует тенденция к непрерывному увеличению их количества. Несмотря на малую мощность этих потребителей электроэнергии, их массовое применение является причиной значительных искажений синусоидальности кривых напряжений в сетях НН.



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