1. Гуру ПНР : Сайт для наладчиков 
  2. Список рубрик 
  3. Электрооборудование 
29 2023

Вредное влияние гармоник на электрооборудование

Как известно, нелинейный потребитель в сети переменного тока искажает синусоидальную форму тока и, при малой мощности источника, способен искажать форму напряжения. Это искажение влияет на всех остальных потребителей сети. Давайте попытаемся разобраться, как же влияет искаженное напряжение на различных участников сети.

§1. Двигатели и генераторы

Причиной наличия несинусоидального напряжения подводимого к двигателю или генератору являются:

  1. Повышенный нагрев из-за потерь в железе и меди от воздействия частот гармоник;
  2. Более высокий шум;
  3. Наведение токов от гармонических составляющих в роторе

Наличие искажений в сети передаётся в статор. В статоре гармоники 5-го и 7-го порядков наводят гармоники 6-го порядка в роторе, а 11-го и 13-го порядка в статоре наводят 12-го порядка в роторе. Неприятным последствием наличия таких гармоник будет повышенный нагрев ротора и пульсирующий или ослабленный момент.

Следует отметить, что небаланс в сети (или замыкания на землю), выраженные в токах обратной последовательности, так же могут отразиться в появлении гармоник в токах, которые добавляются к упомянутым выше гармоникам.

Если случилось так, что генератор искажает форму вырабатываемого напряжения, и в нём содержатся гармоники кратные трём, то при схеме соединения обмоток "звезда с заземлённым нулём" и непосредственном присоединении генератора к распределительной шине с нагрузкой, они способны циркулировать через трансформаторы. Опасность этих токов в том, что они алгебраически складываются в нейтральном проводе, что может вызвать его существенный нагрев. А вот соединение обмоток генератора по схеме "треугольник" лишено этого недостатка.

§2. Трансформаторы

Как известно, потери зависят от квадрата тока и квадрата частоты. У гармоник частота выше основной, поэтому и потери для них увеличиваются. Несмотря на то, что с увеличением порядка гармоник их вклад в искажение формы становится всё меньше, но их термическое действие может оказаться ощутимым.

Гармоники, вызванные нелинейной нагрузкой, например преобразователями частоты, будут создавать несинусоидальную форму тока питающего трансформатора, которая вызовет увеличение потерь и повышение его температуры.

Если для питания таких нелинейных нагрузок не учитывать дополнительный нагрев от наличия высших гармоник и использовать классический метод выбора трансформатора по мощности, как для линейной нагрузки, есть вероятность получить нагрев изоляции сверх допустимой для данного класса изоляции. Выходом их этой ситуации является выбор трансформатора с запасом или применение специального трансформатора, имеющего в своих характеристиках так называемый "К-фактор".

"К-фактор" – это коэффициент, отражающий способность трансформатора выдерживать нагрев от гармонических составляющих в рамках заданных стандартом температурных пределов и класса изоляции трансформатора. Например,

Согласно ANSI/IEEE C57.110 рассчитывается К-фактор следующим образом:

Формула

"K-фактор" устанавливается производителем трансформатора или лабораторией андеррайдеров - некоммерческой организацией, проводящей испытания безопасности различных изделий с целью ответить на вопрос возможности эксплуатации трансформатора в условиях нелинейности тока нагрузки без превышения допустимой температуры.

§3. Конденсаторы

Любая емкостная составляющая в сети переменного тока может вступить в резонанс при совпадении с индуктивной составляющей этой же сети. Хотя сети проектируются так, чтобы на основной частоте резонанс не происходил, всё равно существует риск возникновения системного резонанса из-за наличия частот различных гармоник.

Наличие гармоник оказывает на конденсаторы следующие негативные влияния:

  1. Непредвиденный резонанс вызывает появление значительного высокого напряжения или токов в конденсаторах (так называемое явление резонанс токов или напряжений);
  2. Для гармоник высокой частоты конденсаторы действуют как низкоомные пути для замыкания, вызывая тем самым нагрев и напряжение в диэлектрике.
  3. Потери в конденсаторе пропорциональны их мощности (кВар), которые в свою очередь пропорциональны частоте. С увеличением гармоник потери увеличиваются, тем самым сокращая срок службы конденсаторов.

Чтобы избежать или минимизировать эти проблемы, конденсаторы включаются с реакторами.

В большинстве промышленных предприятий первичная причина установки конденсаторов - это привести коэффициент мощности к требуемому значению, и, следовательно, к нужному тарифному диапазону для оплаты электроэнергии. Дополнительная польза - это лучшая регулировка напряжения и уменьшение потерь.

Варианты установки конденсаторных батарей
Варианты установки конденсаторных батарей

Однако, любой конденсатор может стать источником параллельного резонанса (резонанса токов) с индукционной составляющей питающей системы.

Лучшее решение, чтобы избежать появление резонанса это установить конденсаторы большой ёмкости на основной системе шин, откуда начинается распределение по потребителям. Такое решение имеет следующие преимущества:

  1. Больше реактивной мощности, доступной всей системе.
  2. Проще управление гармониками напряжения и тока.
  3. Ниже затраты, так как конденсаторы большей ёмкости экономически более выгоднее с точки зрения стоимости.
  4. Добавление реакторов позволяет сдвинуть резонансные частоты для всей системы питания предприятия.

Конденсаторы могут быть включены с реакторами для фильтрации гармоник на резонансных частотах. Резонансная частота на шинах конденсаторов может быть рассчитана:

Формула

§4. Силовые кабельные линии

Силовые кабели по своей сути схожи с конденсаторами и, как упоминалось выше для конденсаторов, их ёмкость может стать причиной резонанса с индуктивными частями сети.

Этот резонанс и наличие гармоник могут повлечь следующие проблемы для кабельных систем:

  1. Кабели вовлечённые в резонанс системы могут подвергаться стрессовому напряжению и коронированию.
  2. Увеличение нагрева из-за увеличения тока, эффекта поверхностного распределения заряда и эффекта близкого расположения проводников. Эффект поверхностного распределения заряда будет меняться в зависимости от частоты и геометрического размера проводника.

Проводники в силовом кабеле, как правило, лежат близко друг к другу, и, следовательно, токи высокой частоты наводят  токи высокой частоты в примыкающих проводниках, усиливая явление близкого расположения проводников.

Эффект поверхностного распределения заряда и близкого расположения проводников пропорционален квадрату частоты. Поэтому при выборе кабеля его характеристики должны быть снижены, при значительном искажении гармониками (при ITHD больше, чем 10%).

Кабель от ПЧ до двигателя

При питании от преобразователя частоты в силовом кабеле присутствует основная частота (50 Гц) синусоидального тока плюс токи гармоник. Выбор типоразмера ячейки основывается на нагреве от полного среднеквадратичного тока (основной частоты плюс гармоники) и поверхностного распределения заряда от гармоник высшего порядка.

Характеристики кабеля, должны быть снижены из-за компенсации дополнительного нагрева, вызванного токами гармоник и связанного с ними эффекта поверхностного распределения заряда.

Эффект поверхностного распределения заряда так же зависит от размера проводника, и, следовательно, следует избегать проводников большого размера.

Графики, показывающие степень снижения характеристик кабелей, при наличии гармоник
Графики, показывающие степень снижения характеристик кабелей, при наличии гармоник

На рисунке выше показаны кривые, отражающие степень снижения характеристик кабеля в зависимости от доли в процентах тока гармоник в типовой шестипульсной схеме ПЧ. Из-за эффекта поверхностного распределения заряда для больших проводников требуется предусматривать больший запас.

Работа Аджита К Хиранандани описывает метод выполнения расчётов запаса прочности кабеля с учётом гармоник. Некоторые производители кабеля используют своё внутреннее программное обеспечение и таким образом могут помочь потребителю при заказе, если есть информация о составе гармоник генерируемых преобразователем частоты.

С точки зрения проектирования кабельных линий, для преобразователей частоты или других значимых источников гармоник должны быть выполнены следующие рекомендации:

  1. Использование трёхпроводного кабеля вместо однопроводного позволяет компенсировать влияние гармоник.
  2. Избегать больших проводников для минимизации потерь из-за эффекта поверхностного распределения заряда. Не желательно использование проводников свыше 185 мм2.
  3. Использовать экранированный кабель для оборудования выше 600 В.

§5. Электронное оборудование

Оборудование силовой электроники чувствительно к сбоям, если присутствуют значительные уровни гармоник. Например, для управления коммутацией полупроводниковыми ключами некоторые системы управления используют определение перехода величины измеряемого сигнала через ноль.

Искаженный гармониками сигнал может иметь смещённые моменты перехода через ноль, что может быть критичными для большинства электронных цепей управления. Случающиеся из-за этого неправильные переключения силовых ключей, порождают еще больше гармоник, усугубляя тем самым проблему.

§6. Распределительные устройства и релейная защита

Наличие гармоник в элементах распределительного устройства создаёт проблемы, рассмотренные выше: повышенный нагрев проводников и кабельной продукции, силовых и измерительных трансформаторов; искажение первичного напряжения трансформаторов напряжения оказывает влияние на трансформированное вторичное напряжение и, как следствие, на питаемые от них реле напряжения. Искажение формы первичного тока трансформаторов тока оказывает влияние на питаемые от них реле тока.

Так, например, электромеханические реле максимального тока срабатывают медленнее, характеристики статических реле минимальной частоты, которые используют переход через ноль для измерения частоты, могут существенно измениться по той же причине, которая упоминалась для электронных цепей управления.

В современных цифровых реле применяются различные способы фильтрации для выделения основной частоты, так что на цепи измерения токов и напряжений аварийных режимов гармоники не оказывают существенных воздействий. Правильная фильтрация требует от алгоритма реле отслеживать частоту системы, поэтому реле могут иметь ограниченный диапазон рабочих частот.

В таких условиях для обеспечения защитных функций способность правильно измерять и определять аварийные состояния оборудования зависит от способности измерять правильно эффект так называемого эквивалентного нагрева, т. е. полное среднеквадратичное значение.

Поэтому из-за наличия ограниченного диапазона рабочих частот важно учитывать, что частота среза измерительных органов микропроцессорного реле будет способна полностью защитить устройства, например, такие как высокочастотные фильтры.

§7. Предохранители

Генерируемый дополнительный нагрев из-за наличия гармоник так же понижает и характеристики предохранителей, что вызовет их ложное срабатывание. Эти особенности должны учитываться при выборе номиналов предохранителей.

Необоснованное и частое перегорание предохранителей - это показатель наличия непредвиденных гармоник или изменений в составе гармоник системы.

§8. Системы связи

Системы связи восприимчивы к наличию гармоник, в частности тех, которые присутствуют в пределах "слышимого" диапазона. Любое увеличение помех в диапазоне слышимых частот нужно исследовать, потому что это часто показатель наличия гармоник.

Когда рассчитывается влияние гармоник и связанных с ними частот на смежные цепи связи, используют два показателя: показатель веса W и показатель телефонных помех TIF.

Показатель W веса основывается на чувствительности человеческого уха. Помехи в линиях связи из-за влияние силового оборудования или силовых кабельных линий на слаботочные оценивается с использованием TIF:

Показатель распределения TIF (Telephone Interference Factor)
Весовой показатель распределения TIF (Telephone Interference Factor)

Формула

§9 Воздействие нелинейных нагрузок

Гармонические составляющие - это удобный способ выражения искажения формы волны из-за нелинейной нагрузки в силовых электрических системах. Прежде, чем настала эра силовой электроники, большинством нелинейных нагрузок были статические выпрямительные системы или работа трансформаторов или шунтирующих реакторов на напряжениях за пределами их точки намагничивания, т.е. за пределами их линейной области.

Со внедрением силовой электроники в промышленность, искажения стали более распространённым явлением, и появилась потребность в анализе гармоник, оказывающих воздействие на форму волны.

Другие типы искажений возникают во время включения трансформатора, но сгенерированные этим явлением гармоники носят временный характер. Гармоники так же могут быть результатом резонанса или перегрузки устройств, предназначенных для функционирования только на основных частотах.

Для контроля уровня гармоник в любой системе важно знать источник гармоник и устройства чувствительные к этим гармоникам для ограничения воздействия на сеть.

Еще некоторые факты о гармониках

Оказывается, у гармоник есть определённые свойства. Например, гармоники чётные (2, 4, 6 и т. д.) возникают только в результате спонтанного изменения нагрузки. Например, они возникают в момент включения трансформатора на холостой ход. И о влиянии таких гармоник на форму волны можно судить, по форме волны - она не симметрична.

Гармоники кратные трём (3, 9, 15, и т. д.) возникают при наличии несимметричной нагрузки. Они образуют в трёхфазной системе токи нулевой последовательности, которые суммируются алгебраически в нулевом проводе, и тем самым оказывают на него дополнительное термическое воздействие.

Пояснение влияния гармоник, кратных трём (3, 9, 15, ...) на нулевой проводник
Пояснение влияния гармоник, кратных трём (3, 9, 15, ...) на нулевой проводник

Чётные гармоники, не делимые на три (5, 7, 11, 13, ...) возникают, например, при работе выпрямителей: 5-е и 7-е при шестипульсной схеме, а 11-е и 13-е - при двеннадцатипульсной схеме выпрямления. Опасность этих гармоник в том, что они передаются через трансформатор и влияют на коэффициент мощности системы (об этом ниже).

Нечётные гармоники обладают еще одним интересным свойством: гармоники из ряда 1, 7, 13, ... - это гармоники, образующие в трёхфазной системе величины прямой последовательности. Это хорошо видно из диаграммы ниже:

Гармоники 1, 7, 13, образующие прямую последовательность
Гармоники 1, 7, 13, образующие прямую последовательность

Пример приведён для 7-ой гармоники. Видно, что синусоиды следуют друг за другом последовательно "Ж"→"З"→"К". Тогда, как гармоники из ряда 5, 11, 17, ... - гармоники, которые образуют величины обратной последовательности:

Гармоники 5, 11, 17, ..., образующие обратную последовательность
Гармоники 5, 11, 17, ..., образующие обратную последовательность

Нетрудно заметить, что последовательность синусоид изменена на "Ж"→"К"→"З", что является обратной последовательностью. Наличие этих гармоник, например, в асинхронных электродвигателях ослабляет магнитное поле, что в свою очередь влечёт ослабление момента.

Как влияют гармоники на коэффициент мощности cosφ?

Из всего вышесказанного видно, что искажения бывают у питающего напряжения и у потребляемого тока. Это два разных понятия. Искажения напряжения принято обозначать показателем Total Harmonic Distortion (THD). TDH - это соотношение среднеквадратичного содержания гармонических составляющих до 50-го порядка без учёта интергармоник, выраженное в процентах от основной гармоники. Составляющие гармоник выше 50-ой могут быть при необходимости тоже включены. Как правило этим показателем выражается степень искажения напряжения, потому что сравнение идёт с основной гармоникой.

Формула

Но при мощном источнике питания и нелинейной нагрузке кривая напряжения может не искажаться, а форма волны потребляемого тока может быть искажена существенно. Тогда, если оценивать искажения только параметром THD, получается, что гармоники отсутствуют.

Чтобы учесть эти искажения, был введён второй параметр - Total Demand Distortion (TDD) - это соотношение среднеквадратичного значения гармонических составляющих до 50-го порядка без учёта интергармоник, выраженное в процентах от максимального потребляемого тока. Гармоники 50-го порядка так же могут быть включены при необходимости.

Формула

Раз есть гармоники, то они тоже не берутся из ниоткуда. Они потребляют от источника некоторую мощность. Таким образом понятие полной мощности несколько расширяется: теперь в расчёте её значения появляется третий компонент - D (мощность искажения).

Формула

Теперь и коэффициент мощности определяется с учётом новых условий:

cosφ=cosφL•cosφD

То есть, полный коэффициент мощности системы cosφ состоит из cosφL, определяемого классическим способом, как для линейной нагрузки:

Формула

и cosφD, представляющего собой нелинейную составляющую в системе:

Формула

Диаграмма полной мощности для системы, в которой присутствуют гармоники представлена на рисунке ниже:

Коэффициент мощности при наличии гармонических составляющих
Коэффициент мощности при наличии гармонических составляющих

Думаю, теперь понятно, почему и для чего нужны все эти меры для учёта запаса мощности трансформаторов и силовых кабелей. Причиной всего является наличие мощности искажения D, которая тоже циркулирует  в силовой цепи.

Какие меры применимы для уменьшения влияния гармоник?

Это достаточно обширная тема, и мы когда-нибудь поговорим о ней более подробно. Остановимся лишь на общих понятиях: о том, что технически можно сделать.

Трансформаторы

Сами по себе трансформаторы способны к снижению влияния гармонических составляющих при определённых технических условиях:

  • Трансформаторы с обмотками Δ/Y: Токи гармоник, кратные трём (3, 9, 15, ...), циркулирующие во вторичных обмотках, не передаются в первичные;
  • Трансформаторы с обмотками Зигзаг: Сами по себе они конструктивно устроены так, что компенсируют несимметричную нагрузку. Поэтому их применяют для питания выпрямителей и преобразователей;
  • Трансформаторы Δ/Y/Δ: При  питании двумя его вторичными обмотками (Δ и Y) нелинейной нагрузки дают эффект уменьшения 5-ой и 7-ой гармоники в первичной обмотке Δ.

Реакторы

Сократить гармоники из-за нелинейной нагрузки (например, ПЧ) можно с помощью реакторов, устанавливая их на входе преобразователя на стороне переменного тока, в звене постоянного тока или и там, и там сразу. Для сравнения, при отсутствии реактора у ПЧ TDD = 138%, если включить реактор со стороны входного напряжения, TDD становится равным 48%, а при наличии реактора еще и в звене постоянного тока TDD = 34%.

Преимущество реактора - фильтрация питающего тока от присутствующих там гармоник и ограничение пиковых токов, возникающих за ним. Но у них есть и недостатки - падение напряжения и, что еще более важно, реакторы разрабатываются для работы на определённых точках (близких к максимальному току нагрузки), за пределами которых снижение TDD становится мало эффективным.

Пассивные фильтры гармоник

Пассивные фильтры гармоник представляют собой резонансные фильтры, состоящие из индукционных катушек и конденсаторов (и иногда из демпфирующих резисторов). Они подбираются для отсечения определённых частот гармоник, обычно низкого порядка (5-ой, 7-ой, 11-ой, ...). Если требуется фильтровать другую частоту, то нужно подбирать для неё компоненты фильтра отдельно.

Как и в случае с реакторами, работают резонансные фильтры гармоник только вблизи определённых точек, для которых они рассчитаны. При уходе с этих точек (как правило это происходит при снижении нагрузки), уровень гармоник не минимизируется. Более того, если не предусмотрены отдельные меры (например, дополнительные катушки индуктивности), пассивные фильтры снижают коэффициент мощности сети. Ну, и вероятность возникновения резонанса в сети они тоже повышают.

Активные фильтры гармоник

Принцип работы активных фильтров гармоник основан на анализе состава гармонических составляющих в нагрузке и генерации таких же гармоник, только в противофазе. Таким образом, для питания нагрузки подводится только основная частота, а TDD снижается ниже 5%.

Заключение

Кроме теоретического интереса к теме гармоник, для наладчика эта информация полезна еще и тем, что уже довольно давно внедряются в новых проектах системы контроля качества электроэнергии (ККЭ), которые нужно уметь настраивать и анализировать. И тема искажения напряжения уже недалека и практически находится на пороге, потому что всё больше и больше применяется преобразовательная техника. Новое оборудование и новые стандарты неизбежно войдут в наш обиход. Поэтому нам рано или поздно придётся научится понимать, что же это такое и что с этим делать.

Поделиться:
Присоединиться:
Поддержать:
 
 


РАСПРОСТРАНЕНИЕ


Материалы данного сайта предназначены для специалистов в области пусконаладочных работ.

Использование материалов данного сайта разрешается с указанием ссылки на источник.

РАССКАЖИТЕ О НАС