Гармоники в электрических сетях что это

Гармоники в электрических сетях: причины, источники, способы защиты

Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях.

При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки.

Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.

Что такое гармоники?

Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине [ 1 ].

По кратности гармоники подразделяются на четные и нечетные. То есть гармоника №1 – это 50 Гц, 2 – 100 Гц, 3 -150 Гц и т.д. Каждая из них является одной из составляющих результирующей формы напряжения и тока. А значит, что напряжение и ток в сети можно свободно разложить на гармонические составляющие [ 2 ].

Гармоники и их сложение

Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения.

В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале.

Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.

По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.

Причины и источники гармоник в электрических сетях

Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях.

Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями.

Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.

Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник. Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:

Силовое электрооборудование – приводы постоянного и переменного тока, высокочастотные плавильные печи, полупроводниковые преобразователи, источники бесперебойного питания (ИБП), преобразователи частоты.
Устройства, работающие по принципу формирования электрической дуги – электросварочные установки, дуговые печи, лампы освещения (ДРЛ, люминесцентные и другие).
Насыщаемые приборы – двигатели, трансформаторы, обладающие магнитопроводом, который может достигнуть насыщения петли гистерезиса. Без такового насыщения их вклад в формирование гармонической составляющей будет незначительным.

Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.

Категории и принцип разделения

В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания, все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:

по пути распространения выделяют пространственные либо кондуктивные;
по прогнозируемости времени возникновения выделяют случайные либо систематические;
по продолжительности могут быть кратковременными (импульсными) либо длительными.

Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.

Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети. Из которых особо следует выделить:

Сопутствующий нагрев, выводящий из строя изоляцию двигателей, обмоток трансформаторов, снижающий сопротивление конденсаторов и.т. При нагревании фазного провода или других токопроводящих элементов в диэлектриках возникают необратимые процессы, снижающие их изоляционные свойства.
Ложное срабатывание в распределительных сетях – приводит к отключению автоматов, высоковольтных выключателей и прочих устройств, реагирующих на изменение режима, обусловленное гармониками.
Вызывает асимметрию в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе. От чего может нарушаться нормальная работа трехфазных выпрямителей, силовых трансформаторов, трехфазных ИБП и прочего оборудования.
Возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС. На величину гармоники ЭДС влияет как расстояние между проводниками, так и продолжительность их приближения.
Приводит к преждевременному электрическому старению оборудования. За счет разрушения чувствительных элементов, высокоточные приборы утрачивают класс точности и подвергаются преждевременному изнашиванию.
Обуславливает дополнительные финансовые расходы, обуславливаемые потерями от индуктивных нагрузок, остановкой производства, внеочередными ремонтами и преждевременной поломкой.
Потребность увеличения сечения нулевых проводов в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях.

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Рис. 2. Развитие тока в нейтрали

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник [ 3 ].

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Рис. 3. Схема LC-фильтра

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке RН.

При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров, их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.

Рис. 4. Шунтирующий фильтр

За счет того, что каждая цепочка L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Источник: https://www.asutpp.ru/garmoniki-v-elektricheskih-setyah.html

Влияние гармоник напряжения и тока на показатели качества электроэнергии

За последние 3 года центр электромагнитной безопасности исследовал в Москве состояние систем электроснабжения в крупнейших зданиях, имеющих сети с сотнями и тысячами компьютеров. Анализ собственных данных и зарубежных публикаций, привели специалистов к выводу, что Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой. Ее суть в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях, оснащенных компьютерной техникой, «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками.

В зданиях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25%, отдельные проблемы могут проявиться сразу [3,6]. Аналогичная проблема возникает при наличии нелинейных нагрузок типа полупроводниковых [9].

Реальная часто встречающаяся форма напряжения на нелинейной нагрузке [12] показана на рис.

1, а идеальная, в сравнении с синусоидальной [15] – на рис. 2

Эффект гармоник кратных третьей:

Высшие гармоники тока кратные трем (т.е. 3, 9, 15, 21 и т. д.), определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах.

В сбалансированной (симметричной) трехфазной системе гармонические (синусоидальные) токи во всех трех фазах сдвинуты на 120 градусов по отношению друг к другу, и в результате сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю.

Следовательно, не возникает и падения напряжения на проводнике нейтрали в кабеле.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Как избавиться от статического электричества

Это утверждение остается справедливым для большинства гармоник. Однако некоторые из них имеют направление вращения вектора тока в ту же сторону, что и основная гармоника (первая, «фундаментальная», т.е. 50 Гц), то есть они имеют прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении и, таким образом, имеют обратную последовательность. Это не относится к гармоникам, кратным третьей.

В трехфазных цепях они сдвинуты на 360 градусов друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали. В результате, с учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи.

Гармоники, кратные третьей, приводят к падениям напряжения как в нейтрали, так и в фазных проводниках, вызывая искажения формы напряжения на других нагрузках, подключенных к этой сети [6]

Активный ток Ia совпадает по фазе а напряжением сети. Реактивный ток Ir сдвинут на 90 градусов относительно активного или же отстает при индуктивной нагрузки и опережает для емкостной нагрузки. Полный ток It – результирующий первых двух составляющих, протекающий от источника к потребителю.

Векторная диаграма токов [14]:

It = √ Ia² + Ir²

Ia = I cos φ

Ir = I sin φ

Если умножить ток на общее напряжение, то получаются составляющие по мощности:

полная мощность S = UI (кВа),

активная мощность P = UI cos φ (кВт).

реактивная мощность Q = U I sin φ (квар)

Векторная диаграма мощностей:

Коэффициент мощности КМ определяется так:

Источник: http://www.220-test.ru/news/331/

Высшие гармоники в электросетях

Постоянный рост количества нелинейных потребителей в наших электрических сетях приводит к повышенному «загрязнению электросетей». Обратное воздействие на сеть является для энергетики такой же проблемой, как загрязнение воды и воздуха для экологии.

В идеальном случае на выходных клеммах генераторы выдается чисто синусоидальный ток. Синусоидальное напряжение рассматривается как идеальная форма переменного напряжения, любое отклонение от него считается сетевой помехой.

Рис.1 Обратные воздействия на сеть, вызванные преобразователями частоты.

Все больше потребителей получают из сети несинусоидальный ток. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) этих «загрязненных» токовых волн показывает наличие широкого спектра колебаний с гармониками различного порядка, которые обычно называют высшими гармониками.

Рис.2 Анализ высших гармоник (Быстрое преобразование Фурье)

Высшие гармоники наносят вред электрическим сетям, они опасны для подключенных потребителей так же, как загрязненная вода вредна для организма человека. Они приводят к перегрузкам, снижают срок службы и, при определенных условиях могут вызывать преждевременный выход из строя электрических и электронных потребителей.

Нагрузка высшими гармониками является основной причиной невидимых проблем с качеством напряжения, приводящих к огромным расходам на ремонт или покупку нового оборудования взамен поврежденного. Недопустимо высокое обратное воздействие на сеть и вызванное им низкое качество напряжения могут, таким образом, вызвать сбои производственного процесса вплоть до остановки производства.

Высшие гармоники – это токи или напряжения, частота которых превышает основное колебание 50/60 Гц и кратна этой частоте основного колебания. Высшие гармоники тока не вносят вклад в активную мощность, но оказывают только термическую нагрузку на сеть.

Поскольку токи высших гармоник протекают в дополнение к «активным» синусоидальным колебаниям, они обеспечивают электрические потери в рамках электроустановки, что может привести к термической перегрузке.

Дополнительные потери в потребителе электроэнергии приводят, кроме того к нагреву и перегреву, а также к сокращению срока службы оборудования.

Оценка нагрузки высшими гармониками, как правило, выполняется в точке подключения (или передачи в сеть электроснабжения общего пользования) соответствующей организации по энергоснабжению. Все чаще эти точки называют Point of Common Coupling (PCC).

При определенных условиях может потребоваться определение и анализ нагрузки высшими гармониками со стороны определенного оборудования или групп оборудования для выявления внутренних проблем с качеством электрической сети и их причин, их вызывающих.

Рис.3 Поврежденные высшими гармониками конденсаторы

Для оценки нагрузки высшими гармониками используются следующие параметры:

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD)

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD) или общее гармоническое искажение позволяет квалифицировать размер долей, возникающих в результате нелинейного искажения электрического сигнала. Это отношение эффективного значения высших гармоник к эффективному значению первой гармоники. Значение THD используется в сетях низкого, среднего и высокого напряжения. Обычно для искажения тока используется коэффициент THDi , а для искажения напряжения – коэффициент THDu.

Коэффициент искажения для напряжения

M = порядковый номер высшей гармоники
M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
M = 63 (UMG 605, UMG 511)
Основная гармоника fund соответствует n = 1

Коэффициент искажения для тока

M = порядковый номер высшей гармоники
M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
M = 63 (UMG 605, UMG 511)
Основная гармоника fund соответствует n = 1

Общее искажение тока (TDD)

Особенно в Северной Америке термин TDD регулярно используется в связи с проблемами, вызванными высшими гармониками. Это величина, связанная с THDi, но в этом случае определяется отношение доли высших гармоник к доле основных колебаний номинального значения тока. Таким образом, TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (аналогично THDi) и возникающим на протяжении определенного периода эффективным значением тока при полной нагрузке. Обычно период равен 15 или 30 минутам.

TDD (I)

TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (THDi) эффективным значением
тока при полной нагрузке.
IL = полный ток нагрузки
M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
M = 63 (UMG 605, UMG 511)

Анализ гармоник (тока и напряжения) могут проводить практически все анализаторы ПКЭ Janitza, за исключением UMG 96L.

Источник: https://neokip.ru/blog/vysshie-garmoniki-v-elektrosetyakh/

Способы подавления гармоник тока в системах электропитания

Настоящая публикация является продолжением темы, поднятой в предыдущей статье [ 1 ].

Гармоники тока, создаваемые нелинейными нагрузками, могут представлять собой серьезные проблемы для системэлектропитания. Гармонические составляющие представляют собой токи с частотами, кратными основной частоте источника питания.Высшие гармоники тока, накладываемые на основную гармонику, приводят к искажению формы тока. В свою очередь искажения токавлияют на форму напряжения в системе электропитания, вызывая недопустимые воздействия на нагрузки системы.

Наиболее распространенным оборудованием, генерирующим высшие гармоники тока в сеть, являются:

статические преобразователи (выпрямители, системы бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания и т.д.);
газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;
электродуговые печи постоянного и переменного тока;
сварочные аппараты;
устройства с насыщающимися электромагнитными элементами;
электродвигатели переменного тока с регулируемой скоростью вращения;
специальные медицинские приборы и т.д.

Указанные устройства являются генераторами высших гармоник тока в системе электропитания. В зависимости от местасвоего подключения и процентного соотношения с линейными нагрузками в этой системе они тем или иным образом будут оказыватьвлияние на другие нагрузки.

Увеличение общего действующего значения тока при наличие высших гармонических в системе приводитк перегреву всего оборудования распределенной сети электропитания, снижению коэффициента мощности, снижению электрического имеханического КПД нагрузок, ухудшению характеристик защитных автоматов и завышению требуемой мощности автономныхэлектроэнергетических установок.

Рассмотрим основные способы подавления высших гармоник тока путем применения:

линейных дросселей,
пассивных фильтров,
разделительных трансформаторов,
магнитных синтезаторов,
активных кондиционеров гармоник.

1. Включение линейных дросселей

Простейшим способом снижения уровня генерируемых нелинейными нагрузками высших гармоник тока во внешнюю сеть являетсяпоследовательное включение линейных дросселей (рис. 1). Такой дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основнойчастоте 50 Гц и значительные величины сопротивлений для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. При этом снижаетсякоэффициент амплитуды (крест-фактор) Ka и коэффициент искажения Kи входного тока.

— коэффициент амплитуды,

(1)

где:	— амплитуда импульса тока,
— действующее значение несинусоидального тока.

(2)

где:	— действующее значение основной (первой) гармоники тока,
— действующее значение «n»-ой гармоники тока.

— коэффициент искажения тока.

(3)

Рис 1. Кривые токов нелинейных нагрузок:
а) без дросселя, б) при последовательном включении дросселя.

В таблице № 1 приведены значения коэффициента искажения тока на входе трехфазного мостового выпрямителя при различныхзначениях относительного индуктивного сопротивления дросселя на основной частоте (Хдр) [ 2 ].

Taблица 1.

Хдр % Ки %

1	2	3	4	5	8
75	52	45	40	35	28

2. Применение пассивных фильтров

Источник: https://www.tensy.ru/article02.html

Danfoss Drives

Гармонические колебания – искажения синусоидальной формы напряжения и тока. Эти явления возникают в сетях переменного тока при переходных процессах, подключении нелинейной нагрузки. Появление гармоник вызывают:

Мощные промышленные выпрямители.
Индукционные и дуговые плавильные печи.
Люминесцентные и газоразрядные лампы.
Трансформаторы.
Оборудование для электросварки.
Источники бесперебойного электропитания.
Электродвигатели.
Микроволновые печи и другая бытовая техника.
Преобразователи частоты.

В процессе работы этого оборудования возникает паразитная ЭДС, которая накладывается на синусоидальный сигнал. В результате появляются провалы, скачки и другие искажения.

Влияние гармоник на электрооборудование

Гармонические колебания в сети оказывают негативное влияние на работу электрооборудования. К ним относятся:

Асимметрия в трехфазных сетях при возникновении искажений на одной или двух фазах. Это вызывает ненормальные режимы работы двигателей, другой электротехники.
Ложное срабатывание защиты. На гармоники реагируют автоматические выключатели, релейные схемы защиты, отключающие напряжение в распределительной сети.
Избыточный нагрев обмоток электрических машин, трансформаторов, проводов.
Увеличение уровня шума в слаботочных сетях. Про частом переходе синусоиды через ноль в соседних контрольных кабелях возникают наводки, искажающие сигнал.
Увеличение тока нейтрали. Гармонические искажения вызывают падение напряжения в нейтральном и фазных проводах, нагреву нулевого проводника.

Последствия влияния гармоник

Искажения формы переменного тока и напряжения снижают срок службы изоляции, конденсаторов, качество напряжения в сети, увеличиваиют погрешности средств измерений. Это приводит:

К уменьшению межремонтных промежутков электрооборудования и увеличению эксплуатационных затрат.
К частым остановкам технологического оборудования. В результате ложного срабатывания схем защиты прерываются производственные процессы.
К авариям электроустановок. В результате падений напряжения и избыточного нагрева возникает пробой изоляции и короткие замыкания.

Высшие гармоники вызывают значительные экономические убытки.

Способы защиты от высших гармоник для частотных преобразователей

Преобразователи частоты содержат инверторы и ШИМ-модуляторы, которые являются источниками искажения напряжения в сети. Это отрицательно сказывается как на работе электродвигателей, так и на качестве электроэнергии в сети. Для защиты от этого явления используют различные фильтры.

Эти устройства устанавливают во входной и выходной цепях преобразователей частоты. Для защиты от искажений формы напряжения и тока применяют:

Сетевые дроссели. Эти устройства защищают от импульсных перепадов напряжения, несимметричной нагрузке, продлевают срок службы конденсаторов звена постоянного тока.
Электромагнитные фильтры. Устанавливаются во входной силовой цепи преобразователя. Защищают сеть от гармоник, генерируемых инвертором ПЧ.
Синусные и dU/dt фильтры. Эти устройства устанавливают в частотно-регулируемом приводе с возможностью рекупации электроэнергии, в цепях электрических машин с частыми пусками, отключениями и реверсами, при использовании для подключения неэкранирумых кабелей.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Сколько электроэнергии потребляет теплый пол

При выборе фильтра необходимо убедиться, что конкретная модель преобразователя частоты совместима с типом защитного устройства. Эта информация указана в технической документации ПЧ. Компания «Данфосс» выпускает несколько линеек частотных преобразователей со встроенными фильтрами высших гармоник. Это избавляет от необходимости рассчитывать характеристики устройств и расходов на покупку дополнительного оборудования.

FAQ по гармоникам

Что такое гармоники?

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной. Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Основной частотой 50 Гц(т.е. 1-я гармоника = 50 Гц 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Когда возникают гармоники?

Гармонические искажения возникают при работе нелинейных потребителей тока (в том числе частотных преобразователей).

Какие гармоники не появляются от работы ПЧ?

При работе от преобразователя частоты не появляются четные гармоники.

Чем опасны гармоники по току?

Гармонические искажения тока вызывают перегрев силового трансформатора, повышенное потребление реактивной мощности, увеличение потерь в меди силовых проводов и трансформатора. Они являются причиной появления гармоник по напряжению.

Чем опасны гармоники по напряжению?

Наличие гармонических искажений по напряжению приводят к выходу из строя оборудования.

Как бороться с гармониками?

Гармонические искажения можно уменьшать при помощи входных фильтров. Например, в серии VLT HVAC Basic FC 101 имеется встроенный фильтр гармоник на звене постоянного тока.

Источник: https://drives.ru/vopros/garmoniki/

Статьи

Анализ собственных данных и зарубежных публикаций, привели специалистов к выводу, что Россия столкнулась с новой серьезнейшей проблемой.

Ее суть в том, что сети электроснабжения 0,4 кВ в зданиях, оснащенных компьютерной техникой, «заражены» высшими по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармониками.

В случаях, когда мощность нелинейных электропотребителей не превышает 10-15 %, каких-либо особенностей в эксплуатации системы электроснабжения не возникает. При превышении указанного предела появляются различные проблемы в эксплуатации. В зданиях, имеющих долю нелинейной нагрузки свыше 25%, отдельные проблемы могут проявиться сразу [3,6]. Аналогичная проблема возникает при наличии нелинейных нагрузок типа полупроводниковых [9].

Реальная часто встречающаяся форма напряжения показана на рис. 1, а идеальная, в сравнении с синусоидальной – на рис. 2

Рис. 1. Реальная форма напряжения при нелинейной нагрузке [12]

Рис.2. Искажение синусоидального напряжения и появление гармонических составляющих [15]

Эффект гармоник кратных третьей:

Следовательно, не возникает и падения напряжения на проводнике нейтрали в кабеле.

Рис. 1. Векторная диаграмма токов [14]

It = √ Ia² + Ir²

Ia = I cos φ

Ir = I sin φ

Если умножить ток на общее напряжение, то получаются составляющие по мощности:

полная мощность S = UI (кВа),

активная мощность P = UI cos φ (кВт).

реактивная мощность Q = U I sin φ (квар)

Рис. 2. Векторная диаграмма мощностей

Коэффициент мощности КМ определяется так:

Источник: http://klmengineering.ru/ru/engineers/articles/vliyanie-garmonik-napryazheniya-i-toka/

Низкочастотные помехи: качество напряжения тоже можно измерить

Для дистрибьюторов электроэнергии поставка высококачественного продукта подразумевает в первую очередь обеспечение 3-фазного сбалансированного синусоидального напряжения определенной величины с частотой 50 Гц в соответствии с требованиями заказчика.

Медленные изменения: выбросы напряжения, провалы напряжения и пропадание напряжения

Амплитуда напряжения — решающий фактор качества, первое требование в контракте с поставщиком.

В процессе передачи и распределения электроэнергии по сети амплитуда напряжения подвергается непредсказуемым воздействиям (например, в системах слежения за мощностью, в распределительных системах, в системах автоматической защиты), приводящим к отклонениям амплитуды напряжения вплоть до уровней, близких к нулю. Для характеристики этих процессов обычно используют два параметра: амплитуду и продолжительность отклонений.

Можно определить следующие варианты: выброс напряжения, провал напряжения и пропадание напряжения. Номинальное изменение напряжения, которое оговаривается поставщиком, обычно составляет ±10% от напряжения, измеренного между фазами. Провал напряжения — понижение уровня напряжения ниже допустимого (рис. 1). Чаще всего такие провалы длятся менее 0,2 с в низковольтных и высоковольтных сетях. В течение года бывает от нескольких провалов до тысячи.

Рис. 1. Провалы напряжения

В нормальных условиях кратковременные пропадания напряжения бывают от единиц до нескольких сотен раз в год и длятся не более 1 с.

Имеется несколько причин, вызывающих колебания напряжения. На участке ответственности поставщика это могут быть молнии и случайные короткие замыкания (нарушение изоляции, дефект в кабеле, падение деревьев на воздушные линии передач). Со стороны потребителя причиной могут стать его неправильные действия.

Подключение больших нагрузок приводит к колебанию напряжения, если мощность нагрузки превышает возможную выходную мощность сети в данной точке. Мощные электромоторы, трансформаторы, группы конденсаторов — это нагрузки, которые наиболее часто приводят к колебаниям напряжения в сети. Эффект усиливается, если такие нагрузки подключены к одной ветви. Колебания напряжения могут вывести из строя роторные электродвигатели.

Если в сети в определенном месте имеются колебания амплитуды напряжения, то колебания будут воздействовать на всех потребителей, подключенных на этом уровне сети.

Наибольшая трудность состоит в точном измерении колебаний амплитуды напряжения, особенно если колебания присутствуют на всех трех фазах, имея при этом различную амплитуду и длительность.

Быстрые изменения — краткосрочные выбросы

Выбросы, длящиеся меньше 10 мс, известны как «краткосрочные выбросы» (рис. 2). Они могут вызываться молниями или, гораздо чаще, работой электрооборудования (переключение нагрузок большей или меньшей индуктивности приводит к краткосрочным высокочастотным выбросам напряжения).

Эти кратковременные выбросы также появляются, когда при переключении двух тиристоров возникает кратковременное короткое замыкание между фазами. Время выброса находится в пределах от нескольких микросекунд до нескольких миллисекунд.

Обычно эти выбросы меньше 800 В, но могут превысить и 1000 В в результате смешивания.

Рис. 2. Краткосрочные выбросы

Рис. 3. Анализатор электрических сетей С.Д8352

Измерение краткосрочных выбросов требует специальных анализаторов, использующих цифровую технологию и высокую тактовую частоту.

Мерцания (фликер) или быстрые флуктуации напряжения

Мерцания освещенности, вызываемые быстрыми флуктуациями напряжения (рис. 4), весьма неприятны для глаз человека. Они приводят к головным болям, раздражительности, а иногда даже вызвать приступ эпилепсии.

Рис. 4. Быстрые флуктуации напряжения

Величину мерцания можно получить, измерив флуктуации напряжения и проведя статистические расчеты. Мерцания напряжения могут вызываться изменениями величины нагрузки у дуговых печей, лазерных принтеров, микроволновых печей или систем кондиционирования.

Метод измерения должен быть таким, чтобы уровень мерцания адекватно отражал степень дискомфорта, а значит, учитывал механизм зрения. Для этого уровень мерцания должен определяться в течение достаточно долгого времени. Более того, вследствие неизвестных причин мерцаний, вызываемых конкретной нагрузкой, мгновенное значение мерцаний может существенно и непредсказуемо меняться в течение периода измерения.

Период измерения 10 минут является хорошим компромиссом для определения краткосрочного фликера. Этого времени вполне достаточно, чтобы изолироваться от крайне нежелательного влияния колебаний, не относящихся к мерцаниям.

Этого времени также вполне достаточно, чтобы неопытный человек заметил помеху и ее постоянство. С другой стороны, это время минимально необходимо, чтобы охарактеризовать помехи оборудования с большим циклом работы.

Период 10 минут позволяет правильно отделить краткосрочный фликер от помех, вызываемых такими источниками, как мельницы, насосы или различные электроприборы.

В случаях, когда необходимо рассчитать фликер, вызванный работой нескольких нагрузок неопределенного характера (например, сварочные аппараты или электромоторы) или когда нагрузки имеют большой или непостоянный рабочий цикл, необходимо наблюдать помеху в течение более долгого периода.

Время измерения может быть увеличено до 2 часов. Оно должно соответствовать рабочему циклу нагрузки или времени, в течение которого наблюдатель может воспринять долгосрочный фликер. Долгосрочный фликер может быть рассчитан из уровней краткосрочного фликера.

Это стандартная функция некоторых анализаторов сети.

Гармоники и интергармоники

Во многих случаях ток нагрузки далек от синусоидального. Искажение тока вызывает искажение напряжения. Величина искажения напряжения также зависит от импеданса источника.

ЭТО ИНТЕРЕСНО: Что такое шунт в электричестве

Гармонические искажения вызваны нелинейными нагрузками, подключенными к электросети. Нелинейной нагрузкой является различная силовая электроника (вариаторы, инверторы, статические преобразователи и т. п.), подключенная к электросети. В целом любое электроустройство, содержащее выпрямитель и переключающую электронику, искажает потребляемый ток и создает напряжение помех в электросети. Такое устройство — источник многочисленных гармонических помех в сети.

Гармониками называют суперпозицию основной волны частотой 50 Гц и других волн с частотами, кратными основной частоте (рис. 5).

Для определения гармоник тока или напряжения используется преобразование Фурье, с помощью которого разлагают исходный периодический сигнал на сумму гармонических сигналов с частотами, кратными основной частоте.

Если в сигнале имеется компонента, не кратная основной частоте, например 175 Гц, мы говорим об интергармониках (продуктах интермодуляции). Уровень интергармоник повышается по мере все большего применения преобразователей, быстродействующих вариаторов и подобного управляемого оборудования.

Рис. 5. Гармоники

Уровень гармоник можно охарактеризовать коэффициентом гармонических искажений THD (total harmonic distortion). Обычно рассматриваются гармоники, лежащие в диапазоне 100-2000 Гц, то есть гармоники от 2-го до 50-го порядка. Современные средства измерений должны быть способны анализировать гармоники вместе и по отдельности, чтобы провести точную диагностику установки.

У некоторых электронных приборов спектры могут быть непостоянными, моментальными: нарушение функционирования (синхронизации, коммутации), несвоевременные сбросы, ошибки измерения в измерителях энергии и т. п.

Разбалансировка

Разбалансированная трехфазная нагрузка или однофазная нагрузка, подключенная к сбалансированной трехфазной сети, может привести к разбалансировке напряжения (рис. 6). Разбалансировка напряжения возникает благодаря разбалансированным токам, протекающим по сети.

Рис. 6. Разбапансировка напряжения

Напряжение можно задержать методом симметричного, прямого отрицательного фазового сдвига или методом гомополярных компонентов. Хорошо известно, что компонент, вносящий отрицательный фазовый сдвиг, вызывает ложное запаздывание и повышение температуры в двигателях переменного тока. Дополнительное повышение температуры приводит к уменьшению срока службы электродвигателей, конденсаторов, трансформаторов и нулевых проводников.

Анализатор сети, имеющий соответствующую функцию, измеряет уровень разбалансировки и три ее компоненты.

Считается, что проблем с разбалансировкой не будет, если уровень разбалансировки меньше 2%.

Частота

Колебания частоты обычно наблюдаются в автономных сетях или в сетях, работающих от автономного генератора. В нормальных условиях средняя частота находится в пределах 50 Гц ± 1% (рис. 8).

Рис. 7. Портативный анализатор электрических сетей С.Д 8334

Рис. 8. Флуктуации частоты

Проблема кратковременных провалов и пропаданий напряжения становится все более актуальной в силу большой чувствительности некоторых частей оборудования к этому явлению.

Тот факт, что качество электрической энергии зависит не только от поставщика, но и от потребителя, может неприятно удивить. Проверка качества электропитания требует эффективных устройств для измерения описанных выше параметров.

Новые анализаторы трехфазных сетей позволяют сделать исчерпывающий анализ параметров, определяющих качество электропитания и точно определить проблемы, наблюдаемые в сети.

Источник: https://power-e.ru/quality/nizkochastotnye-pomehi-kachestvo-napryazheniya-tozhe-mozhno-izmerit/

Система мониторинга и анализа качества электроэнергии «Гармоника»

Существенные отклонения показателей качества электроэнергии от нормативных значений возникают в связи с происходящими в настоящее время изменениями структуры потребления электроэнергии, массового внедрения средств регулирования нагрузки и электрооборудования с резкопеременной, несимметричной и нелинейной нагрузкой.

Это в свою очередь может приводить к изменению режимов работы электрических сетей, повышенным потерям электроэнергии, росту числа отказов электротехнического оборудования, нарушению технологических процессов потребителей электроэнергии и возникновению взаимных претензий электроснабжающих организаций и потребителей ЭЭ.

Система мониторинга и управления качеством электроэнергии (СМиУКЭ) «Гармоника» предназначена:

для контроля показателей качества электроэнергии (ПКЭ) по классу А измерений ГОСТ 30804.4.30;
для регистрации отклонения качества электроэнергии в отдельных узлах сетей электроснабжения путем мониторинга ПКЭ;
для анализа влияния качества электроэнергии на работу магистральных и распределительных сетей, сетей промышленных предприятий и энергоустановок потребителей;
для обеспечения решения задач по выбору методов повышения и управления качества электроэнергии, расчета параметров технических средств, реализующих эти методы.

Возможности системы позволяют выявить причины отклонения ПКЭ от норм, оценить надежность системы электроснабжения и работы технологического оборудования потребителей, а также выбрать эффективные средства для повышения качества электроэнергии.

Область применения

СМиУКЭ «Гармоника» обладает высокой степенью масштабируемости и может применяться:

в транспортных (магистральных) и распределительных электрических сетях;
в крупных инфраструктурных компаниях («Транснефть», «РЖД», «Газпром»);
в сетях промышленных предприятий;
в сетях коммунальных предприятий;
в сетях муниципальных и независимых сетевых компаний.

ТЕХНИЧЕСКАЯ ИНФОРМАЦИЯ

Базовые функции

СМиУКЭ «Гармоника» осуществляет следующие базовые функции:

Источник: http://www.rtsoft.ru/project-cards/iuse/sistemy-monitoringa-parametrov-elektricheskoy-seti/sistema-monitoringa-i-analiza-kachestva-elektroenergii-pke.php

Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения — нормируемый показатель по ГОСТ 13109-97 (нормы качества электрической энергии).

Характеризуется следующими показателями:

коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;
коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения.

Причины выхода показателей за пределы норм состоят в использовании различных нелинейных приемников электрической энергии, таких как:

вентильные преобразователи;
силовое электрооборудование с тиристорным управлением;
дуговые и индукционные электропечи;
люминесцентные лампы;
установки дуговой и контактной сварки;
преобразователи частоты;
бытовая техника (компьютеры, телевизоры и др.).

В процессе работы эти устройства потребляют энергию основной частоты, которая расходуется не только на совершение полезной работы и покрытие потерь, но еще и на образование потока высших гармонических составляющих, которые «выбрасывается» во внешнюю сеть.

Влияние несинусоидальности напряжения на работу потребителей электрической энергии

В двигателях гармоники напряжения и тока приводят к появлению добавочных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в стали статора и ротора. Из-за вихревых токов и поверхностного эффекта потери в проводниках статора и ротора больше, чем определяемые омическим сопротивлением.

Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, также приводят к дополнительным потерям. Все это приводит к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе, что может привести к серьезным последствиям.

Также следует отметить, что при определенных условиях наложения гармоник может возникнуть механическая вибрация ротора.

В трансформаторах гармоники напряжения вызывают увеличение потерь на гистерезис, потери, связанные с вихревыми токами в стали, и потери в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в случае преобразовательного трансформатора, так как наличие фильтра, присоединенного обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоник тока в трансформаторе. Кроме того, могут наблюдаться локальные перегревы трансформаторного бака.

В батареях конденсаторов гармоники тока также приводят к добавочным потерям энергии. Вследствие этого происходит дополнительный нагрев конденсатора, который может привести к выходу последнего из строя. Также возможно повреждение конденсатора при возникновении гармонических резонансов в сети.

Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Наиболее распространенными являются ложные срабатывания, которые наиболее вероятны в работе систем защиты, основанных на измерении сопротивлений.

Влияние гармоник на индукционные приборы измерения мощности и учета электроэнергии приводит к увеличению погрешности результатов их измерений.

Также следует отметить влияние гармоник, возникающих в силовых цепях, на сигналы в линиях связи (в частности, в телефонных линиях). Малый уровень шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть передаваемой информации теряется, в исключительных случаях связь становится вообще невозможной.

Ответственность и меры компенсации

По ГОСТ 13109-97 поставщиками гармонических искажений являются потребители с нелинейными нагрузками. Способы снижения несинусоидальности напряжения можно разделить на три группы:

схемные решения: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин, группирование вентильных преобразователей по схеме умножения фаз, подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью короткого замыкания;
применение оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник, например «не насыщающихся» трансформаторов и многофазных вентильных преобразователей;
использование фильтровых устройств: параллельных узкополосных резонансных фильтров, фильтрокомпенсирующих и фильтросимметрирующих устройств.

Влияние высших гармоник и их фильтрация

Развитие современных технологий полупроводников ведет все к более возрастающему количеству потребителей, управляемых тиристорами и конверторами. К сожалению, конверторы увеличивают значение индуктивной реактивной мощности и ухудшают несинусоидальную форму токовой кривой. Это помехи питаемой сети ведут к повреждениям и ошибочным включениям оборудования и приборов.

Типичный ток конвертора представляет собой наложения различных синусоидальных составных тока, т.е. основной сетевой частоты и определенного числа так называемых высших гармоник (в трехфазной сети в первую очередь гармоники 5-го, 7–го и 11-го порядков).

высших гармоник в трехфазной сети ведет к повышению тока в конденсаторах, т.к. реактивное сопротивление конденсаторов с возрастанием частоты уменьшается.

Загрязнение сетей переменного тока высшими гармониками может вести к следующим последствиям:

снижение срока службы конденсаторов
преждевременное срабатывание защитной аппаратуры
выход из строя или ошибочная деятельность компьютеров, приводов двигателей, устройств освещения и др. чувствительных потребителей

Параллельно с возрастанием тока в конденсаторах, который можно регулировать с помощью конструктивных мер, в неблагоприятных случаях в сетях могут возникнуть резонансные явления.

Компенсационные конденсаторы и индуктивности трансформатора и сети представляют собой резонансный контур.

Если собственная частота такого контура совпадет с частотой высших гармоник, то возможно возникновение колебаний со значительными сверхтоками и перенапряжениями. Это ведет к перем и повреждениям в электрических установках.

Целью подключения дросселя (реактора) к конденсатору служит снижение резонансной частоты сети до значения, величина которого ниже значения наименьшей высшей гармоники данной сети.

Этим предотвращается резонанс между конденсаторами и сетью, а значит и возрастание токов высших гармоник. Кроме того, такое включение имеет эффект фильтра, при котором уменьшается степень искажения напряжения.

Рекомендуется в тех случаях, где доля потребителей, загрязняющих сеть высшими гармониками, составляет более 20 % всех потребителей сети.

Фильтр высших гармоник

Для токов высших гармоник цепь фильтра представляет собой очень низкое полное сопротивление. Поэтому большая часть таких токов направляется в этот контур. Резонансная частота конденсатора, включенного последовательно с дросселем, всегда лежит ниже частоты 5-ой гармоники.

Источник: https://www.nucon.ru/reactive-power/nesinusoidalnost-voltage.php