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

Влияние высших гармоник на различные виды электрооборудования - 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

Отрицательные последствия загрузки сетей высшими гармониками хорошо изучены, этому вопросу посвящена обширная литература [52, 178, 185, 215]. Влияние несинусоидальности напряжений и токов на работу электрооборудования ощущается практически во всех странах с развитой промышленностью и, как правило, приводит, с одной стороны, к увеличению потерь напряжения и мощности в сетях, уменьшению их пропускной способности, а с другой — к нарушению нормальной работы и уменьшению срока службы электрооборудования, снижению производительности труда, а также количества и качества выпускаемой продукции. Например, известно, что при допустимых значениях несимметрии напряжения 2 % и несинусоидальности 5 % срок службы асинхронных двигателей сокращается на 21 %, синхронных — на 32 %, трансформаторов — на 8 %, конденсаторов — на 40%.

При рассмотрении вопроса искажения формы кривой тока и напряжения сети НН следует учитывать некоторые особенности ее построения.

К ним, в частности, относится то, что подавляющее большинство потребителей такой сети, в том числе и нелинейных, являются однофазными (см. параграф 1.1), а сеть выполняется трехфазной с нулевым проводом. В результате в нулевом проводе будут протекать токи всех высших гармоник нулевой последовательности. При этом возникает проблема перегрузки нулевого провода в четырехпроводных сетях НН, вызванная неравномерной загрузкой фазных проводов при подключении к ним однофазных нелинейных потребителей. Иногда величина суммарного действующего значения тока в нулевом проводе может даже превосходить значение тока в фазном проводе [5, 64, 87, 92, 150, 184, 187]. Проведенный в работе (182] анализ свидетельствует, что теоретически максимальный ток нейтрали с учетом гармоник в 1,73, а иногда и в 3 раза превышает фазный. При резкопеременной нагрузке пульсации тока наблюдаются в каждой из фаз в разное время. Поскольку все эти токи протекают в нейтрали, о взаимной компенсации речи быть не может. В случае, если пики нагрузки не пересекаются, ток нейтрали будет равен утроенному фазному току. Эта ситуация достаточно типична для сетей с большим удельным весом электронного оборудования.
Необходимо отметить некоторые конструктивные особенности выполнения сетей НН, оказывающих существенное влияние на величины высших гармоник токов и напряжений. По установившейся практике проектирования наиболее широкое распространение в сетях НН получили распределительные трансформаторы с соединением обмоток по схеме звезда—звезда с нулем. Основной недостаток таких трансформаторов — относительно большое сопротивление нулевой последовательности Z, которое определяется конструктивными особенностями трансформатора, схемой соединения его обмоток, степенью насыщения стержней магнитопровода и др. Следует отметить, что вопросам
определения активного R, индуктивного Z и полного Z сопротивлений трансформатора посвящен ряд работ (69, 70, 76, 80, 129, 134, 155, 168]. При определении этих параметров разными авторами использовались различные методики, вследствие чего результаты значительно различаются между собой. Проведя анализ последних можно сделать вывод, что для типов трансформаторов ТМ, ТМА, ТСМА значение Z в 8—18 раз больше, чем сопротивление прямой последовательности. Такая особенность трансформаторов с соединением обмоток звезда—звезда с нулем делает их весьма чувствительными к несинусоидальности фазных токов.
Необходимо указать на некоторые особенности выполнения воздушных и кабельных линий сетей НН. Это прежде всего то, что сечение нулевого провода воздушной линии в 3—9 раз меньше суммарного сечения фазных проводов, а сечение нулевой жилы кабеля в 5—14 раз меньше суммарного сечения фазных жил. В результате сопротивление нулевой последовательности воздушной линии в 4—10 раз, а кабельной — в 6—15 раз выше, чем сопротивление обратной последовательности. Кроме того, характерной особенностью сетей НН является то, что активные составляющие полных сопротивлений трансформаторов и линий весьма значительны. Это вызывает необходимость учета последних при расчетах режимов и проектировании электрооборудования, в том числе и фильтров, в сетях НН.
Таким образом, в сетях НН возникает значительная несинусоидальность фазных напряжений, обусловленная существенными токами высших гармоник и большими сопротивлениями нулевой последовательности элементов трехфазных четырехпроводных сетей. В результате в низковольтных сетях Украины коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения Кu редко бывает меньше 4—5 %. На западе, где сети более мощны, и то предлагается при расчетах функционирования электрооборудования ориентироваться на так называемые источники питания типа SP2, имеющие изначально 1 % несимметрии и 2,5 % предварительно присутствующей пятой гармоники напряжения [176]. Возникающие искажения питающего напряжения, в свою очередь, негативно сказываются на функционировании электроприемников, подключаемых к узлам с повышенным уровнем Ки, замыкая порочный круг отрицательного взаимовлияния гармоник тока и напряжения в сетях с нелинейными нагрузками.
В обзоре, выполненном в 1990 г. в США под руководством профессора Мак-Греди [186], в частности, отмечается: «Сами источники высших гармоник часто очень чувствительны к отрицательному воздействию других источников, например, мощных электронных нагрузок, т. е., они — одновременно и злодеи, и жертвы с энергетической точки зрения». В полной мере это относится к низковольтным нелинейным электроприемникам, которые были рассмотрены в предыдущем параграфе. Следствием характера тока, потребляемого импульсной нагрузкой, является искажение кривой напряжения на ее зажимах. Форма напряжения
становится плоской, так как в момент импульса тока увеличивается падение напряжения на продольном сопротивлении сети.
Напряжение плоской формы, воздействуя на импульсный источник питания, снижает уровень выпрямленного напряжения, увеличивает тепловыделение в элементах импульсного источника питания и снижает его устойчивость к кратковременным провалам напряжения. Следует отметить, что в большинстве импульсных источников питания предусмотрена система стабилизации выходного напряжения. Поэтому снижение уровня входного напряжения в допустимых пределах за счет плоской формы его кривой не вызовет снижения уровня выходного постоянного напряжения. В то же время снижение входного напряжения вызовет увеличение длительности импульсов тока высокочастотного преобразователя по отношению к длительности пауз. Это означает увеличение тока, потребляемого высокочастотным преобразователем, в среднем за период и увеличение скорости разряда конденсатора. Больший ток, потребляемый высокочастотным преобразователем, увеличивает тепловые потери в элементах импульсного источника питания. Так, снижение входного напряжения на 10 % вызовет увеличение тока на 11 %, а тепловых потерь — на 23 %.
В случае провала или даже полного исчезновения напряжения на зажимах импульсного источника питания цепи постоянного тока могут продолжать свою нормальную работу в течение некоторого, очень короткого промежутка времени. Энергия, необходимая для работы в течение этого промежутка времени, — это энергия сглаживающего конденсатора. Несмотря на то, что этот конденсатор имеет весьма большую емкость, запасаемая им энергия зависит еще и от напряжения, до которого он был первоначально заряжен. При синусоидальной форме кривой питающего напряжения конденсатор может зарядиться до напряжения большего, чем при плоской форме питающего напряжения. В случае полного исчезновения напряжения запасенной в конденсаторе энергии может не хватить для поддержания нормальной работы цепей постоянного тока до момента восстановления питающего напряжения при его кратковременном провале или исчезновении.
По данным работы [28] в случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10—15 % суммарной мощности нагрузки сети, каких-либо особенностей в эксплуатации СЭС, как правило, не возникает. При превышении указанного предела следует ожидать появления различных проблем в эксплуатации и последствий, причины которых не являются очевидными. В низковольтных сетях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25 %, отдельные проблемы могут проявиться сразу.
В результате высшие гармоники приводят к отказам систем управления и автоматики, а также к сбою компьютерных сетей и цифровых систем обработки и передачи информации, что приносит наибольший ущерб. Кроме того, гармонические составляющие являются причиной нарушений телевизионных изображений, вызывают нарушения в работе люминесцентных ламп и сокращают срок службы ламп накаливания [5, 82, 95, 216]. В последнее время отмечено негативное влияние высших гармоник на разные бытовые приборы, прежде всего радиоприемники и устройства с высококачественным воспроизведением звука, вызывающих различного рода акустические помехи.
Следует особо отметить, что даже низкие уровни высших гармоник могут вызвать нарушения режимов работы у некоторых видов контрольного, защитного и измерительного оборудования из-за искажений формы кривой измеряемых напряжений и токов на вторичных обмотках измерительных трансформаторов [14, 15, 111]. В результате, например, высшие гармоники приводят к возникновению ложных срабатываний защитных реле на трансформаторных подстанциях [78].
Гармоники, генерируемые нелинейной нагрузкой, создают дополнительные потери в распределительных трансформаторах и трансформаторах для устройств преобразовательной техники. Эти потери могут быть причиной выхода из строя трансформаторов вследствие перегрева [4, 73, 104, 180]. В частности, потери, обусловленные гистерезисом, пропорциональны частоте, а вихревыми токами — ее квадрату. В синусоидальных режимах потери на вихревые токи невелики и составляют в среднем 5 % номинальных потерь короткого замыкания трансформатора. Однако в случае протекания токов высших гармоник дополнительные потери резко возрастают и могут достигать 30—50 % потерь короткого замыкания.
В работе [127] показано, что потери в трансформаторе возрастают с увеличением мощности трансформатора и увеличения сечения проводников обмоток. При этом существенный рост потерь наблюдается при работе трансформатора на случайную нелинейную нагрузку при наличии нулевого провода, загруженного токами гармоник нулевой последовательности. В результате, при работе трансформатора на симметричные однофазные выпрямители потери больше, чем при работе этого же трансформатора на схему Ларионова. Это связано с наличием в первом случае гармоник тока, кратных трем, которые увеличивают потери в обмотках трансформатора.
В условиях несинусоидальности тока ухудшаются условия работы батарей конденсаторов, которые предназначены для компенсации реактивной мощности нагрузки. При этом они изменяют нормальный путь протекания тока высших гармоник от нелинейного потребителя к источнику питания, замыкая часть этого тока через себя. Так как сопротивления элементов сети имеют индуктивный характер, то при применении установок компенсации реактивной мощности и наличии нелинейных электропотребителей возникает вероятность появления резонансных режимов (как по току, так и по напряжению) на отдельных элементах СЭС.
Воздействие высших гармоник на вращающиеся машины во многом идентично воздействию несимметрии напряжений и токов. Они вызывают дополнительные потери в обмотке и стали статора. Кроме того, присутствие в кривой тока статора высших гармоник приводит к появлению в зазоре несинхронных магнитных полей, перемещающихся относительно ротора. При этом высшие гармоники 5-го и 11-го порядков создают поля обратной последовательности, вращающиеся относительно ротора в противоположном направлении, а составляющие 7-го и 13-го порядков создают поля прямой последовательности. Однако, поскольку частота их вращения выше частоты вращения ротора с кратностью порядка гармоники, поля обеих последовательностей наводят в контурах ротора токи повышенной частоты, которые протекают в верхних слоях массивных частей ротора и, замыкаясь по его торцам, вызывают местные перегревы [72, 179, 200, 201].
При несинусоидальности напряжения наблюдается ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, конденсаторов и кабелей. При рабочих температурах в изоляционных материалах протекают химические реакции, приводящие к постепенному изменению их изоляционных и механических свойств. С увеличением температуры эти процессы ускоряются, сокращая срок службы оборудования. В конденсаторах потери энергии пропорциональны частоте, поэтому несинусоидальный ток приводит к их перегреву. Сущность электрического старения заключается в возникновении так называемых частичных разрядов, которые распространяются лишь на часть изоляционного
промежутка, например, частичные разряды в газовых включениях. Частичные разряды связаны с рассеянием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействия на окружающий диэлектрик. В результате развиваются местные дефекты изоляции, что приводит к сокращению ее срока службы.
Старение изоляции проводников и кабелей обусловлено протеканием несинусоидального тока, приводящего к повышенному нагреву наружной поверхности жил кабеля вследствие поверхностного эффекта и эффекта близости. Исследования [52] показали, что при коэффициенте искажения синусоидальности кривой напряжения в пределах 6—8,5 % (преобладали пятая и седьмая гармоники) токи утечки возросли: через 2,5 года эксплуатации кабелей в среднем на 36 %, а через 3,5 года — на 43 %. Иллюстрацией сокращения срока службы изоляции электродвигателей может служить пример, заимствованный из январского номера журнала IEEE Power Engineering Review за 2000 год. В настоящее время в США установлено более 700 млн. электродвигателей. При среднем сроке службы двигателя 30 лет требуется замена двигателей в объеме 23 млн. единиц в год. При существующем КЭ наблюдается сокращение срока службы двигателя на 2 года, что приводит к необходимости дополнительной замены трех млн. двигателей в год.
Кроме того, при несинусоидальных режимах возрастает уровень дополнительных потерь активной мощности, которые, являясь частью непроизводительных потерь в линиях [130], вызваны перетоками мощности искажения, обусловленной высшими гармониками. Проведенные в 90-х годах XX века расчеты [91] показали, что в сетях НН 40 % общего объема потерь обусловлены отклонениями напряжений, 40 % — несинусоидальностью напряжений и 20 % — несимметрией напряжений.
В низковольтных сетях иногда происходит необоснованное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей вследствие дополнительного нагрева внутренних элементов защитных устройств. Этот процесс обусловлен протеканием несинусоидальных токов и, следовательно, действием поверхностного эффекта и эффекта близости. В практике исследований [28] встречались случаи необоснованных срабатываний выбранных в соответствии с требованиями ПУЭ автоматических выключателей, защищающих линии питания компьютерного оборудования. Срабатывание происходило при нагрузке, составляющей 80—85 % уставки теплового расцепителя автоматического выключателя.
В то же время согласно ПУЭ нулевой провод не защищается от перегрева автоматическими выключателями либо предохранителями. Существующие СЭС проектировались с учетом линейной нагрузки, когда потребляемый электроприемниками ток содержал лишь основную гармонику (50 Гц). Следовательно, ток в нулевом проводе не мог превышать ток в наиболее нагруженной фазе, т.е. защита на фазных проводах одновременно защищала от перегрева и нулевой провод. Сегодня, когда токи в нулевых проводах превосходят токи фазных проводов, а защита от токовых перегрузок в цепях нулевых проводов не предусмотрена, возможен перегрев и разрушение нулевых проводов кабельных линий вследствие их перегрузки токами нулевой последовательности.
Помехи в сетях телекоммуникаций могут возникать там, где силовые кабели и кабели телекоммуникаций расположены относительно близко. Вследствие протекания в силовых кабелях высокочастотных гармоник тока в кабелях телекоммуникаций могут наводиться помехи. Магнитные поля токов высших гармоник прямой и обратной последовательности частично компенсируют друг друга, поэтому наибольшее влияние на телекоммуникации оказывают гармоники, кратные трем. Чем выше порядок гармоник, тем больше уровень помех, наведенных ими в телекоммуникационных кабелях [217J.
Таким образом, использование в низковольтных электрических сетях нелинейных электроприемников (в первую очередь, с импульсным характером потребляемого тока), вызывая искажения синусоидальности кривых питающих напряжений, приводит к значительному технико-экономическому ущербу. В течение 2000—2002 гг. Центр электромагнитной безопасности [28] исследовал в г. Москве состояние электрических сетей крупнейших зданий, имеющих компьютерные сети с количеством компьютеров от 20 до 1000 и более. В результате проведенных исследований, анализа отечественных и зарубежных публикаций, а также общения со специалистами в этой области авторы [28] пришли к выводу, что Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой. Ее суть заключается в том, что в настоящее время электрические сети жилых и общественных зданий, оснащенных компьютерной техникой, подвергаются интенсивному воздействию высших гармоник тока и напряжения. Очевидно, что аналогичная ситуация существует и в Украине, что вызывает острую необходимость в улучшении КЭ в указанных низковольтных сетях.



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