Исследование ущерба, обусловленного высшими гармониками, показало, что он максимален при значительных напряжениях гармоник и уменьшается с их снижением в зависимости, близкой к квадратичной. Поэтому необходимость полного снижения уровней гармоник практически отсутствует. Достаточно снизить их до предела, определяемого техническими требованиями, например, в пределах допустимого значения согласно ГОСТ 13109—97 [52]. Следовательно, можно предположить, что фильтры токов гармоник, кратных трем (в общем случае, нулевой последовательности), являются достаточно эффективным средством снижения несинусоидальности фазных напряжений в низковольтных сетях.
Рассмотрим возможность использования указанных фильтров для фильтрации высших гармоник в разных вариантах исполнения сети НН. При этом, в первую очередь, следует определить оптимальные места их установки. На рис. 5.6 представлены зависимости, которые показывают, как изменяется эффективность фильтрации при изменении места подключения фильтра. Кривая 1 показывает изменение Кш от а, в сети с трансформатором мощностью 1000 кВ А без подключения фильтров, кривая 2 — при подключении фильтра на РЩ, кривая 3 — при подключении фильтра на ГРЩ и кривая 4 — при подключении двух фильтров на РЩ и ГРЩ. Из рисунка видно, что только при подключении двух фильтров (на ГРЩ и РЩ) можно обеспечить значение Кu4, удовлетворяющее требованиям ГОСТ 13109—97. При этом Кu4 уменьшается в 2,3—2,5 раза по сравнению с вариантом исполнения сети без подключения фильтров.
Следует отметить, что варианты исполнения электрической сети здания с трансформатором мощностью 1000 кВ-A предусматривают наличие нескольких осветительных стояков, к каждому из которых подключается существенная нелинейная нагрузка. В этом случае эквивалентный источник токов высших гармоник всей сети здания будет находиться в узле ГРЩ. Очевидно, что для обеспечения наибольшей эффективности фильтрации фильтр должен подключаться на зажимах источника токов высших гармоник. В результате за счет значительных токов высших гармоник суммарной нелинейной нагрузки здания ток, проходящий через фильтр, будет чрезмерно большим. Проведенный анализ показал, что в рассмотренных вариантах действующее значение тока в нулевом проводе фильтра будет составлять 300— 350 А (при а1= 0,113) и 800—900 А (при а1= 0,355).
Кроме того, для осуществления эффективной фильтрации с учетом значения эквивалентного сопротивления нулевой последовательности сети с трансформатором мощностью 1000 кВ А сопротивление нулевой последовательности фильтра должно составлять 0,005—0,01 Ом, что технологически осуществить затруднительно, а по экономическим соображениям — нецелесообразно. В связи с этим создать фильтрующее устройство для подключения на ГРЩ сети с трансформатором мощностью 1000 кВ А практически не представляется возможным. Поэтому рекомендуется устанавливать фильтры на РЩ в каждом стояке. При этом каждый фильтр будет фильтровать токи высших гармоник только от нелинейных электропотребителей, подключенных к соответствующему стояку, а все вместе — обеспечивать нормальный уровень несинусоидальности фазных напряжений электрической сети здания.
Очевидно, что в случае сети с трансформатором мощностью 100 кВ-A и наличия одного осветительного стояка оптимальной является установка фильтра на РЩ первого этажа. На рис. 5.7 представлены зависимости, которые иллюстрируют эффективность фильтрации высших гармоник при подключении фильтра на РЩ в разных вариантах исполнения указанной низковольтной электрической сети.
Рис. 5.6. Зависимости Кш от а, для разных вариантов подключения фильтров
Рис. 5.7. Зависимости Кu4 от a1 для разных вариантов исполнения элементов сети без подключения (1) и при подключении (2) фильтра
При этом кривые 1 отражают изменение Кu от а1 для трех вариантов исполнения сети без подключения фильтра: с трансформатором со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем и кабелем стояка сечением 3 χ 50 +1 х 16 мм2 (верхняя кривая 1), с трансформатором со схемой соединения обмоток треугольник—звезда с нулем и кабелем стояка того же сечения (средняя кривая 1), а также с трансформатором со схемой соединения обмоток треугольник—звезда с нулем и кабелем стояка сечением 4x50 мм2 (нижняя кривая 1). Кривые 2 показывают изменение Кu от a1 для двух вариантов исполнения сети при подключении фильтра: с трансформатором со схемой соединения обмоток звезда—звезда с нулем и кабелем стояка сечением 3 χ 50 + 1 χ 16 мм2 (верхняя кривая 2), а также с трансформатором со схемой соединения обмоток треугольник—звезда с нулем и кабелем стояка сечением 4x50 мм2 (нижняя кривая 2).
Из рисунка видно, что использование фильтра (без проведения организационно-технических мероприятий по снижению эквивалентного сопротивления нулевой последовательности сети) обеспечивает существенное снижение Кu (в 2,4—2,5 раза). При этом действующее значение тока в нулевом проводе устройства во всех рассмотренных вариантах не превышает 100 А, а его установленная мощность составляет 12,5 кВ А при мощности защищаемой нагрузки 100 кВ А. Стоимость фильтра с такими характеристиками составляет не более 1500 дол., что значительно меньше стоимости современного ИБП соответствующей мощности.
Продолжая анализ, рассмотрим, как влияют на эффективность фильтрации параметры нагрузочного режима и несимметрии электрических нагрузок. В результате проведенных исследований определено, что при использовании фильтра в сети с трансформатором мощностью 1000 кВ А и нагрузкой мощностью 100 кВ А Кu снижается в 2,5—3 раза. Иными словами, при совместном применении двух средств снижения уровня высших гармоник (трансформатора завышенной мощности и фильтра) эффективность фильтрации несколько повышается.
При проведении анализа влияния несимметрии высших гармоник рассмотрим случаи ее возникновения в соответствии с нумерацией четвертой главы. Так, в случае 1 эффективность фильтрации практически не изменяется по сравнению с симметричным режимом. В случае 2 при скрытом увеличении а, и соответствующем увеличении токов нулевой последовательности в отдельных фазах эффективность фильтрации возрастает. При подключении фильтра Kw снижается в 2,5—3,5 раза (большее снижение соответствует большему значению a1) и, кроме того, происходит эффективное симметрирование напряжений по нулевой последовательности. Таким образом, рассматриваемые фильтры обеспечивают комплексное решение задачи снижения несимметрии и несинусоидальности напряжений в сетях НН.
В четвертой главе были рассмотрены случаи возникновения несимметрии высших гармоник, когда несинусоидальность напряжений возникает в фазах низковольтной сети, где отсутствуют нелинейные электроприемники.
Рис.5.8. Зависимости Кu4 от a1 в случае несимметрии нелинейных потребителей без подключения (1) и при подключении (2) фильтра
Проведенный анализ показывает, что только при использовании фильтров в этих случаях можно обеспечить по желанию заказчика минимальный уровень высших гармоник на определенных участках электрической сети здания. На рис. 5.8 показаны зависимости Ки4 от а1 для случая 3 несимметрии высших гармоник без подключения (кривые 1) и при подключении (кривые 2) фильтра. При этом верхние кривые в обоих вариантах отражают изменение Кu в фазе А (В) с нелинейными потребителями, а нижние — в фазе С, где указанные потребители отсутствуют. Из рисунка видно, что подключение фильтра обеспечивает минимальный уровень напряжений высших гармоник в фазе С.
Аналогичные результаты получены при подключении фильтра в случае 4 несимметрии высших гармоник, когда вся нелинейная нагрузка сосредоточена в одной фазе сети. Только в этом случае обеспечивается низкий уровень несинусоидальности напряжений в двух фазах, а в третьей (с нелинейной нагрузкой) — удовлетворяющий требованиям ГОСТ 13109—97. Таким образом, с помощью рассматриваемых фильтров, предварительно проведя целенаправленное перераспределение нелинейных электроприемников по фазам, можно добиться практически синусоидальной формы кривых фазных напряжений на отдельных участках низковольтной сети здания.
С учетом проведенного анализа эффективности фильтрации с использованием фильтров токов гармоник нулевой последовательности можно сформулировать рекомендации по их использованию для обеспечения ЭМС потребителей низковольтных электрических сетей.
- Наиболее эффективным является использование фильтров токов гармоник нулевой последовательности в электрических сетях зданий и сооружений с большим содержанием средств компьютерной техники, которые являются мощным источником токов указанных гармоник.
- Для повышения эффективности фильтрации следует подключать фильтры как можно ближе к источнику токов высших гармоник (на зажимах нелинейных электроприемников), препятствуя их распространению по сети здания. При определении количества и параметров фильтров должны учитываться суммарная мощность нелинейных электроприемников и значение эквивалентного сопротивления нулевой последовательности сети.
- Для существенного снижения несинусоидальности фазных напряжений на отдельных участках сети здания можно перед подключением фильтров создавать несимметрию высших гармоник путем перераспределения нелинейных электроприемников по фазам. При этом фильтры обеспечивают на отдельных участках Ки < 1 % (даже при a1> 0,3), снижая Κu на других участках сети до уровня нормально допустимых значений согласно ГОСТ 13109-97.
- Наиболее эффективным является применение фильтров токов гармоник нулевой последовательности в электрических сетях 2—4-этажных общественных зданий с 1 или 2 осветительными стояками и трансформатором мощностью 100 кВ А. При этом, учитывая места подключения нелинейных электроприемников наибольшей суммарной мощностью, рекомендуется подключать фильтр (фильтры) на РЩ, ближайших к источнику токов высших гармоник. Причем в случае равномерного распределения нелинейных потребителей по этажам здания достаточным для обеспечения ЭМС является подключение одного фильтра на РЩ первого этажа.
- С учетом прогноза роста нелинейных нагрузок установку фильтров можно заранее предусмотреть на этапе проектирования электрической сети здания наряду с проведением организационно-технических мероприятий по снижению эквивалентного сопротивления нулевой последовательности сети.
Во всех случаях при решении вопроса выбора средств обеспечения ЭМС решающим фактором являются финансовые и технические возможности пользователей.
Очевидно, что рекомендации по применению фильтров в электрической сети конкретного объекта должны базироваться на результатах ее предварительных исследований, которые включают в себя анализ состава, характера и мест подключения нелинейных электроприемников, определение варианта исполнения основных элементов сети, а также проведение расчетов или измерений уровней высших гармоник в характерных нагрузочных узлах. При этом желательно также прогнозировать рост нелинейных нагрузок и учитывать перспективы развития электрической сети здания.
