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.
