Вплив гармонік на елементи систем електропостачання

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ, МОЛОДІ ТА СПОРТУ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНИЙ УНIВЕРСИТЕТ "ЛЬВIВСЬКА ПОЛIТЕХНIКА"

ІНСТИТУТ ЕНЕРГЕТИКИ ТА СИСТЕМ КЕРУВАННЯ

ВИЩІ гармоніки в розподільних мережах еЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Теоретичні засади та методичні настанови до лабораторної роботи №3 з дисципліни "Енергоощадні режими систем електроспоживання" для студентів базового напрямку 050701 "Електротехніка та електротехнології" .

Затверджено на засіданні кафедри електропостачання

промислових підприємств , міст та сільського господарства

Протокол № від 24. 01. 2008р.

Львів-2008

ВИЩІ гармоніки в розподільних мережах еЛЕКТРО-ПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ.Теоретичні засади та методичні настанови до лабораторної роботи №3 з дисциплін " Енергоощадні режими систем електроспоживання " для студентів базового напрямку 050701 "Електротехніка та електротехнології" /Уклад. Б.К.Хохулін, В.М.Амброз, - Львів: Видавництво НУ “Львівська політехніка”, 2008. - 11 с.

Відповідальний за випуск: А.А. Маліновський, д.т.н., проф.

Рецензенти: Л. А. Никонець, д.т.н., проф.,

М. І. Олійник, к.т.н., доц..

Лабораторна робота №3

ВИЩІ гармоніки в розподільних мережах еЛЕКТРОПОСТАЧАЛЬНИХ СИСТЕМ

Мета роботи

1. удосконалення підготовки студентів щодо проблеми вищих гармонік в мережах електропостачальних систем та вивчення

· джерел вищих гармонік;

· впливу вищих гармонік на техніко-економічні показники електроприймачів та елементи мережі;

· визначення показників якості електроенергії за вищими гармоніками відповідно до ГОСТ 13107-97;

· нормування показників якості електроенергії за вищими гармоніками;

· способів та засобів зменшення рівня гармонік в електричних мережах.

2. Набуття навичок вимірювання та розрахунку вищих гармонік струмів та напруг.

Теоретичні засади

Характерною особливістю електропостачальних систем сучасних промислових підприємств є велика кількість електроприймачів, вольт-амперна характеристика яких нелінійна. Вони споживають несинусоїдні струми, внаслідок чого спотворюються і форми напруг. Несинусоїдні криві струмів і напруг в електропостачальних системах розглядають як складні гармонічні коливання, що складаються з сукупності гармонічних коливань різних частот.

Загальні засади

Відомо, що економічність роботи електроприймачів та споживачів електричної енергії, а також елементів електропостачальних систем тою чи іншою мірою залежить від якості електричної енергії.

Вплив показників якості електричної енергії на роботу промислових електроприймачів найдокладніше дослідив проф. І. В. Жежеленко, а також інші дослідникі та наукові організації. Можна констатувати, що відхилення показників якості за межі допустимих значень призводить до значних матеріальних збитків.

Несинусоїдність напруги. Головним джерелом вищих гармонік в ЕПС промислових підприємств є приймачі з нелінійною вольт-амперною характеристикою. До них в першу чергу відносяться перетворювачі для живлення дугових установок, тиристорні джерела підвищеної і зменшеної частоти для електротехнологічних установок, тиристорні перетворювачі для регульованого електропривода тощо. Їх навантаження можуть сягати великих значень (до 2000 Мвт) і можуть становити значну частину навантаження підприємств деяких галузей промисловості. Для правильного розрахунку гармонік струму, що генеруються статичними силовими перетворювачами, необхідно мати точну інформацію про форму кривої напруги змінного струму на виводах перетворювача, його схемі, типі системи управління, повному опорі мережі змінного струму і параметрах лінії постійного струму. Проте представлення такого значного числа чинників із самого початку затруднить розуміння основних положень теорії. Зручніше почати оцінку явища з викладу теорії управління перетворювачем, що працює в ідеальних системах змінного і постійного струму, а потім розглянути по черзі впливаючі чинники.

Залежно від положення моменту спрацювання одного вентиля щодо іншого при стійкій роботі перетворювача розрізняють чотири принципи управління:

1) управління з постійним фазовим кутом, при якому включення вентилів проводиться через рівні проміжки часу відповідно до їх напруги комутації;

2) симетричне управління, при якому послідовне включення вентилів проводиться в однакові моменти синусоїди живлячої напруги;

3) модульоване фазове управління, при якому включення вентилів проводиться через змінні проміжки часу;

4) інтегральне управління, що вибирає ціле число циклів або напівциклів живлячої частоти.

Зміна фазового кута - найбільш широко використовуваний спосіб управління. Аналіз Фур’є прямо застосуємо до кривих, які отримуємо при фазовому і симетричному управлінні вентилями. Модульоване і інтегральне управління складніші в цьому відношенні, тому розглядаємо фазове і симетричне управлінні вентилями.

Останнім часом збільшилася кількість і одинична потужність примусово комутованих перетворювачів, особливо інверторів, що живлять привід змінного струму. Їх живлячим джерелом зазвичай служить система змінного струму, від якої живиться випрямляч. Проникаючі при цьому в мережу змінного струму гармоніки розглядаються на початку розділу. Гармонійний склад кривої на стороні інвертованого струму має характерні особливості і повинен бути розглянутий окремо.

Управління з постійним фазовим кутом зазвичай зустрічаються в нормально комутованих статичних перетворювачах і регуляторах напруги.

Регулятори напруги змінного струму, які складаються із зустрічно-паралельно увімкнених пар тиристорів в кожній фазі, генерують гармоніки, що змінюються по амплітуді. У разі індуктивного навантаження вони можуть містити гармоніки парних порядків і постійний струм. Хоча тиристорне регулювання напруги в даний час використовується в основному в малопотужних пристроях (таких, як регулятори сили світла електричних ламп і малі асинхронні двигуни), проте у зв'язку із зростаючим інтересом до економії електроенергії їх використання буде рости і вони можуть в майбутньому перетворитися на істотне джерело гармонійних спотворень.

Основними джерелами гармонік струму в даний час є випрямлячі і інвертори з фазовим управлінням. Всі вони можуть бути розділені на три великі групи:

1. Великі перетворювачі, які використовуються, наприклад, в металургії і в передачах постійного струму високої напруги.

2. Перетворювачі середньої потужності, подібні використовуваним в промисловості для управління електромоторами і на залізниці.

3. Малопотужні перетворювачі однофазних пристроїв, таких, як телевізори і пристрої перезарядки батарей.

Форми кривих напруги і струмів перетворювачів першої групи близькі до ідеальних і можуть бути прийняті за основу для отримання характеристик гармонік стандартних схем перетворювачів. На ці дані зазвичай посилаються при оцінці гармонік в кривих, що відрізняються від ідеальної.

Одним із потужних джерел вищих гармонік є дугові сталеплавильні печі, навантаження яких на електрометалургійних заводах може досягати 80–95%, а на машинобудівних – до 20% усього навантаження підприємства. На багатьох підприємствах широко застосовують електрозварювальні установки потужністю до декількох мегавольтампер. У деяких цехах автомобільних заводів питома вага цього навантаження досягає 80%.

Певну нелінійність мають також вольт-амперні характеристики трансформаторів та двигунів, тому вони теж є джерелами вищих гармонік, хоча й не дуже істотних.

Рис.1. Осцилограма напруг та струмів на вводі НН цехової ТП та струму конденсаторної батареї за наявності перетворювачів у складі навантаження

Рис.2. Гістограма напруг та струмів на вводі НН цехової ТП та струму конденсаторної батареї за наявності перетворювачів у складі навантаження

На рис.1 показано криві струмів і напруг на вводі НН цехової ТП з трансформаторами 2 2000 кВА та струмів конденсаторної батареї компенсації реактивного навантаження за наявності значної кількості перетворювачів для регулювання швидкості асинхронних двигунів.

З форм кривих якісно видно значне спотворення синусоїд струмів і напруг, кількісна характеристика яких у вигляді гістограм наведена на рис.2. Найбільші значення мають 5-та, 7-ма та 11-та гармоніки, рівень яких в струмах фаз вводу становить відповідно 33-34%, 9-10,5% та біля 4,3%, а в струмах конденсаторної батареї 42,65%, 13,74% та 13,93%.

Джерелом вищих гармонік є також газорозрядні лампи (ртутні, люмінесцентні), які широко застосовуються в цехах промислових підприємств і значення встановлених потужностей цих приладів освітлення сягають декількох мегават.

З'ясуємо характер впливу гармонік на роботу електроустаткування. Всі елементи систем електропостачання повинні бути розглянуті з погляду їх чутливості до гармонік. На основі цього розгляду потім виробляються рекомендації по допустимих рівнях гармонік в мережах.

Основними формами дії вищих гармонік на системи електропостачання є: а) збільшення струмів і напруги гармонік внаслідок паралельного і послідовного резонансів; б) зниження ефективності процесів генерування, передачі і використання електроенергії; в) старіння ізоляції електроустаткування і скорочення внаслідок цього терміну його служби; г) неправильна робота устаткування.

Вищі гармоніки провокують появу додаткових втрат електричної енергії в трансформаторах, лініях, двигунах, конденсаторах; скорочують термін роботи ізоляції електричних машин та апаратів; можуть порушувати роботу пристроїв автоматики, телемеханіки, зв’язку, а також комп’ютерних систем; спричиняють радіозавади.

Вважається, що в ідеальній електроенергетичній системі енергія повинна передаватися при номінальних значення частоти і напруги, що не змінюються в часі. У реальних енергосистемах ці умови не виконуються. Нинішній збільшений інтерес до цієї проблеми пов'язаний із збільшенням числа і одиничної потужності нелінійних електронних пристроїв,, використовуваних для управління силовими установками і системами.

Відхилення форм кривих струму і напруги від правильної синусоїди зазвичай представляють за допомогою гармонічних складових.

Стосовно електричних мереж розвиток теорії гармонічного аналізу почався в Германії, коли в 1920-30-х роках були виявлені спотворення форми кривої, що викликаються статичними перетворювачами. Найбільш істотною роботою по теорії перетворювачів є видана у той час книга Ріссика. Класична праця по гармоніках, статичним перетворювачем, що генерується, був написаний Дж. Рідом в 1945 р. і широко використовується до цих пір.

Природа гармонік

Термін "гармоніка" походить з акустики, де він використовується для позначення коливання струни або стовпа повітря з частотою, кратній основній частоті коливань. Так само як і в області електричних сигналів, гармоніка визначається як значення сигналу з частотою, кратній фактичній частоті мережі, наприклад основній частоті сигналу, виробляючого генератором.

Якщо складний сигнал спостерігати на осцилографі, то його форма є видимою на деякому інтервалі часу, а миттєве значення сигналу визначене для кожного моменту часу. Якщо ж той самий сигнал пропустити через високоякісний підсилювач, то на слух він сприйматиметься як суміш сигналів різних частот. Звідси витікає, що форма кривої сигналу може бути описана або в тимчасовій, або в частотній області.

Слід зазначити, що теоретично подібне уявлення можливе лише у разі, коли хвиля складається з нескінченного числа циклів. На практиці такого не існує, оскільки зміна навантаження приводить до зміни змісту гармонік. Якщо ж досліджувані гармоніки залишаються незмінними, то процес аналізу істотно спрощується. Тому слід розрізняти гармоніки в сталих режимах, коли форма кривої не змінюється, і гармоніки в перехідних режимах, коли форма кривої істотно міняється від циклу до циклу.

Істотною характеристикою, що визначає форму кривої, є фазовий кут (кут зсуву) гармоніки по відношенню до основної частоти. У акустиці прийнято вважати, що цей кут не впливає на звуковий ефект. Це не відноситься до електричних сигналів, де одні і ті ж гармоніки від різних джерел можуть створювати різний вплив залежно від їх відносного положення.

Актуальність проблеми

Як і багато інших форм спотворень, гармоніки впливають на всі види електричного устаткування, що знаходиться на досить великій відстані від місця генерації гармонік.

Найбільше відчувається вплив гармонік, що виникають в силових лініях, на якість звуку телефонного зв'язку, який знижується через наведення силовими гармоніками гармонічного шуму. Проте існують та інші, менш чутні, але часто небезпечніші дії, що виражаються в помилковому спрацюванні відповідальної управляючої і захисної апаратури, перевантаженні силових апаратів і систем. Дуже часто тривале існування спотвореної кривої напруги приводить до руйнування силових конденсаторів. Крім того, при незадовільному стані електричної мережі доводиться частіше ремонтувати або замінювати елементи, що виходять з ладу. В цьому випадку застосування навіть елементарних мір захисту устаткування у вигляді фільтрів, що встановлюються у споживача, приводить до істотного поліпшення кривої напруги.

За останні роки великий розвиток отримали технології, засновані на використанні керованих випрямлячів, що привело до збільшення гармонік струму в мережах. Разом з тим при розробці такого устаткування зазвичай припускають, що напруга в точці приєднання синусоїдальна. Це можливо лише у випадку, якщо енергетична система, що живить устаткування, має малий гармонічний опір. Отже, малопотужні споживачі, що живляться від такої мережі, піддаються додатковим небезпекам, пов'язаним з впливом гармонік на керуюче устаткування, встановлене в цих мережах.

Енергопостачаючі організації зазвичай знімають з себе відповідальність за причини виникнення гармонік, вводячи стандарти або рекомендації по обмеженню рівнів гармонічних складових в точках загального приєднання споживачів.

Проте визначення допустимих рівнів гармонік не є простим і однозначним завданням. Знання про струми гармонік різних джерел недостатні для того, щоб встановити межі, в яких забезпечувалася б електромагнітна сумісність устаткування в будь-якій енергосистемі. Тому якщо знання про гармоніки струму виходять в основному з фізичної суті явища, то розроблені стандарти і рекомендації є, результатом аналізу попереднього практичного досвіду, використаного для того, щоб уникнути появи подібних проблем в майбутньому.

До тих пір, поки не буде досягнуто достатнє розуміння характеру гармонійних явищ в складних системах, енергопостачання залишатиметься під загрозою підвищеної небезпеки і енергопостачальні організації і споживачі будуть часто вимушені приймати заходи вже після аварій. Для вирішення цієї проблеми необхідно в першу чергу вирішити питання проведення точних вимірювань і моделювання живлячих мереж, що дозволяє проводити глибокий аналіз складних процесів розповсюдження гармонік в мережах.

Вплив гармонік на елементи систем електропостачання

Резонанси

Наявність в мережах конденсаторів, які використовуються для компенсації реактивній потужності, може привести до місцевих резонансів, які, у свою чергу, можуть викликати надмірне збільшення струму в конденсаторах і вихід їх з ладу.

Паралельний резонансвиникає внаслідок високого опору гармонікам струму на резонансній частоті. Оскільки більшість гармонік відносяться до джерел струму, це викликає збільшення напруги гармонік і великі їх струми в кожній з паралельних гілок.

Паралельні резонанси можуть виникати в різних умовах, найпростіші з них відповідають випадку приєднання конденсаторів до тих же шин, до яких приєднано джерело гармонік. Резонанс в цьому випадку виникає між джерелом гармонік і конденсатором.

Припускаючи опір джерела повністю індуктивним, резонансну частоту визначимо за формулою

,

де - потужність короткого замикання в точці загального приєднання; - потужність конденсаторів.

Інша можливість виникнення паралельного резонансу може виникнути, коли струм гармонік, що йде від їх джерела, зустрічає великий опір навантажень на шинах. Це може привести до резонансу між індуктивністю системи і ємністю або системи, або конденсаторів навантаження.

Дня того щоб визначити умови резонансу в конкретному випадку, необхідно виміряти струми гармонік у вітках кожного навантаження і у вітці живлення, а також напруга гармонік на шинах. Якщо струм, який тече від шин в енергосистему, малий, а напруга велика, це говорить про наявність резонансу між індуктивністю і ємністю конденсатора.

Послідовний резонанс.На високих частотах опір навантаження може не враховуватися, тоді як опір конденсаторів різко знижується. Резонансну частоту цього ланцюга визначають за формулою

,

де - потужність трансформатора; – напруга короткого замикання, %; - потужність навантаження.

При послідовному резонансі великий струм гармоніки може протікати через конденсатор при відносно невеликій напрузі гармоніки. Фактичне значення струму визначається добротністю контура. Зазвичай вона складає порядка 5 на частоті 500 Гц.

Вплив резонансів на системи.Резонанси в системах електропостачання зазвичай розглядаються стосовно конденсаторів, і зокремадо силовихконденсаторів. При перевищенні гармоніками струму рівнів,гранично допустимих для конденсаторів, останні не погіршують своюроботу, проте через деякий час виходять з ладу.

Іншою областю,де резонанси можуть приводити до виходу з ладу елементівустаткування, є системи управління навантаженням за допомогою тональних частот. Для того, щоб запобігти поглинанню сигналів силовими конденсаторами, їх ланцюги розділяються настроєними послідовними фільтрами (фільтр-пробка). У разі місцевого резонансу гармоніки струму в колі силового конденсатора різко зростають, що приводить до виходу з ладу настроєного конденсатора послідовного фільтра.

В установці, в якій фільтри налаштовані на частоту 530 Гц з прохідним струмом 100 А кожен, блокували коло силової конденсаторної установки, яка складалась з 15 секцій по 65 квар. Конденсатори цих фільтрів вийшли з ладу через 2 дні. Причиною виявилося наявність гармоніки з частотою 350 Гц, в безпосередній близькості до якої були виявлені умови резонансу між настроєним фільтром і силовими конденсаторами.