Якість електроенергії та проблеми, викликані гармоніками

Прихована таємниця викликає в електроустановці для використання виробничих підрозділів та адміністративних будівель незрозумілі явища, які впливають на якість електроенергії:

Перевантаження провідника нульовою роботою
Небажана експлуатація захисних пристроїв
Перегрів трансформаторів при помірних навантаженнях
Деформація кривої напруги
Перевантаження конденсатора для корекції коефіцієнта потужності
Перегрів провідників, спричинений ефектом плівки
Ненавантаження двигуна, спричинене асиметрією напруги

Проблема? гармонік.

Гармоніки - побічні продукти сучасної електроніки. Вони широко поширені, особливо там, де існує велика кількість обчислювальних технік та накопичувачів зі змінною швидкістю.

Практично все сучасне електричне та електронне обладнання має комутаційні джерела або регулює потужність, що поглинається тим чи іншим способом, що призводить до нелінійних навантажень.

Ідеальне джерело живлення - це завжди доступне джерело напруги та частоти в межах допустимих меж та ідеально синусоїдальна крива напруги.

Відключення електроенергії є найважливішою складовою якості електроенергії, що постачається.

Неякісна напруга - це приховані витрати. Зазвичай він не виявляється і не діагностується, якщо не виникають дорогі несправності.

Причини та наслідки, породжені гармоніками

Коли ми говоримо про гармонік в електроустановках ми маємо на увазі в основному струми, оскільки гармоніки виникають внаслідок струмів, і більшість шкідливих наслідків викликані цими струмами.

Гармонійні частоти є цілими кратними основній частоті живлення. Перекриття гармонічних струмів над основним струмом викликає несинусоїдальні форми хвиль, пов'язані з нелінійними зарядами.

Лінійні навантаження зустрічаються порівняно рідко, і єдиними прикладами є неконтрольовані лампи розжарювання та неконтрольовані системи опалення.

Рис. 1 - Проблеми, породжені гармоніками

На скріншоті, зображеному на малюнку вище, зелена крива відповідає поточним гармонікам, які присутні в установці.

Червона крива вказує на спотворений сигнал напруги мережі. Зрозуміло, що гармонічний сигнал струму досягає високих амплітуд, що породжує падіння напруги.

Види обладнання, що генерують гармоніки

Гармонічні струми генеруються нелінійними навантаженнями. Сюди входять однофазні та трифазні завдання, такі як:

комп’ютери, факси, розрядні лампи
електронні баласти для люмінесцентних ламп
невеликі джерела безперебійного живлення (ДБЖ)
приводи зі змінною швидкістю
великі блоки ДБЖ
промислові дугові печі
зарядні пристрої (випрямлячі) для електричних акумуляторів

Проблеми, викликані гармонічними струмами

1. Перевантаження провідника нульовою роботою

У трифазній системі криві напруги кожної фази відносно нейтральної точки зіркового з’єднання зміщуються по фазі на 120 °.

Таким чином, якщо кожна фаза однаково заряджена, результуючий нейтральний струм дорівнює нулю. Якщо навантаження не збалансовані, на нейтралі передається лише результуюча сума зворотних струмів, а в нейтральному провіднику додаються гармонічні струми з кратним рангом три.

Це призводить до струму, що протікає через нейтраль і який часто становить 120-130% фазних струмів. Цей ефект проілюстровано на малюнку 2, де фазові струми, показані у верхній частині, зміщуються по фазі на 120 °.

Рис. 2 - Гармонічні струми з кратним трьома рангами збираються в нейтральному провіднику

Просте рішення, коли використовуються однопровідні кабелі, полягає в подвоєнні перерізу нейтралі або у вигляді двох окремих провідників, або у вигляді єдиного провідника з більшим перетином.

2. Перегрів трансформаторів при помірних навантаженнях

На трансформатори впливають двосторонні гармоніки. По-перше, струмові втрати Фуко, які зазвичай становлять близько 10% від номінальних втрат навантаження, збільшуються на квадрат гармонічного рангу.

На практиці для трансформатора, що працює з номінальною потужністю та забезпечує нелінійні навантаження, загальні втрати будуть удвічі більшими, ніж для лінійного навантаження.

Результатом є набагато більш висока температура, що призводить до відповідного скорочення терміну служби.

Рис. 3 - Інфрачервоне зображення перегрітого трансформатора при помірному навантаженні

Другий ефект стосується гармонік з кратним рангм три. Вони зустрічаються у всіх фазах обмотки трансформатора з трикутним з'єднанням, вони мають круговий шлях в обмотках.

Гармонічні струми з кратним рангом у три ефективно поглинаються обмоткою і не поширюються на джерело живлення.

Таким чином, трикутні трансформаторні обмотки корисні як ізолюючі трансформатори. Слід зазначити, що інші гармоніки, які не мають кратного рангу в три, проходять через обмотку.

3. Небажана експлуатація захисних пристроїв

Автоматичні вимикачі залишкового струму (УЗО) діють на суму фазного і нульового струму і, якщо різниця не нижче встановленої межі, від'єднують навантаження.

Несвоєчасне спрацьовування може відбуватися за наявності гармонік з двох причин. Перш за все, вимикач, будучи електромеханічним пристроєм, може неправильно збирати високочастотні компоненти. Як результат, це спрацьовує неправильно.

По-друге, тип обладнання, що генерує гармоніки, також видає шум через перемикання, яке потрібно відфільтрувати перед підключенням до джерела живлення.

Фільтри, що використовуються для цієї мети, зазвичай мають конденсатор між фазою і землею і між нульовим провідником і землею. Як результат, відбудеться невеликий витік на землю.

Ненавмисне спрацьовування автоматичних вимикачів, як правило, спричинене струмами в ланцюзі, які вищі, ніж розраховані або виміряні, через наявність гармонічних струмів.

Більшість портативних приладів не вимірюють справжнє справжнє значення і можуть занизити несинусоїдальні струми на 40%.

4. Перевантаження конденсаторів для корекції коефіцієнта потужності

Конденсатори для корекції коефіцієнта потужності призначені для формування струму фазового зсуву

Рис. 4 - Конденсатори, пошкоджені наявністю гармонік в установці

перед напругою для компенсації фазозсувного струму, спричиненого індуктивним навантаженням, наприклад асинхронним двигуном.

Імпеданс конденсатора зменшується із збільшенням частоти, тоді як імпеданс джерела, який є, як правило, індуктивним, зростає із збільшенням частоти.

Тому цілком ймовірно, що дуже високі гармонічні струми будуть проходити через конденсатор, і можуть виникнути пошкодження, якщо він не призначений протистояти їм.

Потенційно більш серйозною проблемою, яка може виникнути для гармонійної частоти або наблизитися до неї, є резонанс між конденсатором та реактивним опором витоків системи живлення (що, очевидно, може мати місце на частотах в діапазоні 100 Гц).

Коли це відбувається, можуть створюватися дуже високі напруги та струми, що часто призводить до катастрофічних пошкоджень конденсатора (як на малюнку 4).

Резонансу можна уникнути, вставляючи котушку послідовно з конденсатором, щоб комбінація залишалася індуктивною, принаймні для значних гармонік з найнижчим рівнем.

Це рішення також обмежує струм гармоніки, який може протікати в конденсаторі. Індуктивність котушки може бути проблемою, особливо коли є низькоякісні гармоніки.

5. Перегрів провідників, спричинений ефектом плівки

Змінний струм має тенденцію текти на поверхню провідника. Це явище відоме як плівковий ефект і є більш вираженим на високих частотах.

Ефект плівки зазвичай ігнорується, оскільки він має дуже малий ефект при номінальній частоті живлення, але при частоті понад 350 Гц, тобто від гармоніки 7, ефект плівки стає важливим, викликаючи додаткові втрати та нагрівання в живильних провідниках (як на малюнку 5 ).

Там, де існують гармонічні струми, проектувальники повинні врахувати ефект плівки і відповідно розвантажити кабелі. Вирішити цю проблему допомагає використання багатопровідних кабелів або прокатних прутків.

Рис. 5 - Перегрів провідників через ефект плівки

6. Деформація кривої напруги

Сформований нелінійним навантаженням струм деформованого навантаження викликає деформоване падіння напруги на імпедансі кабелів.

Отримана деформована напруга подається на всі навантаження, підключені до однієї і тієї ж схеми, виробляючи гармонічні струми, що протікають через них, навіть якщо вони є лінійними навантаженнями, як показано на малюнку 6.

Рис. 6 - Деформація кривої напруги

Аналізуючи рівень спотворення гармонічної напруги, ми повинні пам’ятати, що при перенесенні навантаження на ДБЖ або резервний генератор під час переривання імпеданс джерела та наслідки спотворення напруги набагато вищі.

7. Перевантаження двигуна, спричинене асиметрією напруги та гармоніками напруги

Гармонічні напруги в асинхронних двигунах збільшують втрати вихрових струмів,

Рис. 7 - Перегрів двигунів через гармонік напруги

так само, як і у випадку з трансформаторами.

Крім того, виникають додаткові втрати через генерацію гармонічних полів у статорі, кожне з яких має тенденцію обертати двигун з різною швидкістю, в ту чи іншу сторону.

Індуковані ротором струми високої частоти призводять до подальшого збільшення втрат та температури обмотки, як на малюнку 7.

висновки

Ці події з якістю енергії порушують багато чутливих процесів та скорочують термін експлуатації обладнання, що призводить до непотрібних витрат у вигляді рішень, реалізованих для неправильно діагностованих проблем.

Точний рівень відхилень від ідеального джерела живлення, який можна допустити, залежить від застосування користувача, типу встановленого обладнання та його сприйняття необхідних умов.

Електроенергетика схильна оцінювати відключення відносно вартості недопоставленої електроенергії.

Споживач оцінює його відносно втрат у виробництві, спричинених перебоями.

Втрати у виробництві можуть бути дуже значними, а тривалість недоступності для підготовки об'єктів для відновлення виробництва дуже велика і пов'язана з великими витратами.