Что такое гармоники в электрических сетях

Гармоники в электрических сетях, причины, влияние, методы борьбы

Наличие гармонических колебаний в электросети – это результат искажения Наличие гармонических колебаний в электросети – это результат искажения частоты тока или напряжения питания, которое может быть вызвано характером нагрузки или самим источником питания.

Причины искажения: постоянные и непостоянные нелинейные нагрузки (работа выпрямителей, преобразователей частоты, трансформаторов разовое включение большого потребителя, например сварочного автомата или станка), цикличные нагрузки (крупный потребитель подключается в определенное время суток к сети), пиковые нагрузки при массовом потреблении электроэнергии. Часто причиной возникновения гармонических колебаний по напряжению является изношенность оборудования в энергогенерирующей отрасли и распределительных сетях (в основном, это старые ТП и сети с малым пределом потребления).

Источники гармонических токов:

— двигатели с плавным пуском, управляющие устройства (преобразователи частоты), блоки питания;

— печи (дуговые, индукционные), сварочные аппараты;

— энергосберегающие лампы (люминесцентные, дуговые, газоразрядные);

— современная бытовая и офисная техника.

Критическим для сети переменного тока считается оборудование, способное вызывать гармоники, соответствующее 20% потребления по мощности. В таких случаях необходимо применять меры по устранению токовых искажений.

Последствия гармоник и защита

По сути, гармоники – это токи-паразиты, которые оборудование не может потребить или потребляет частично с негативным эффектом.

В электродвигателях они являются причиной вибраций, в различных сетях приводят к перегреву, а если гармоника ниже чем номинальный синусоидальный ток необходимый для работы электротехники, то в сервоприводах, автоматических выключателях и другом оборудовании они могут вызывать ложные срабатывания.

Большая проблема – преждевременное старение электроизоляции в сетях с обилием гармоник. Гармоники, превышающие частоту номинального тока, вызывают нагрев проводников, при этом в изоляционных материалах начинаются термохимические процессы, меняющие их свойства. Следствием данных процессов являются пробои изоляции.

Для защиты от гармоник в устройстве используются различные схемы. Основные:

— использование резистора, способного поглотить данный ток и перевести его в тепловую энергию;

— применение конденсаторов (выполняют роль компенсатора реактивной мощности);

— применение фильтров гармоник.

Подробнее о гармониках можно указать из следующего видео:

Негативные последствия гармонических токов:

— перегрузка в распределительных сетях;

— перегрузка в нейтралях;

— перегрузка трансформаторов, генераторов, двигателей, что вызывает преждевременное старение оборудования;

— шум, вибрации, как следствие – механические разрушения неправильно работающих электроприводов;

— снижение надежности электронной части, повышение вероятности выхода ее из строя;

— помехи в линиях связи, коммуникационном оборудовании, записывающих устройствах.

Экономические последствия гармонических токов:

— внеплановые ремонт или замена оборудования;

— увеличение расхода электроэнергии за счет потерь;

— останови техпроцесса из-за ложных срабатываний автоматических выключателей;

— убытки, нанесенные в результате КЗ (остановка производства, ремонт, ликвидация пожара).

Источник: http://pue8.ru/elektrotekhnik/929-garmoniki-v-elektricheskikh-setyakh-prichiny-vliyanie-metody-borby.html

Гармоники тока и напряжения в электросетях

Любые приборы и оборудование с нелинейными характеристиками являются источниками гармоник в своей сети.

Если вы сталкиваетесь с таким оборудованием или имеете опыт работы в сетях с гармониками, тогда дроссели с конденсаторами или фильтрокомпенсирующие установки (ФКУ) могут прийти вам на помощь.

Гармонические искажения  и связанные с этим проблемы в электрических сетях, становятся все более превалирующими в распределительных сетях.

Проблемы создаваемые гармониками

• дополнительный нагрев и выход из строя конденсаторов, предохранителей конденсаторов, трансформаторов, электродвигателей, люминесцентных ламп и т.п.;
• ложные срабатывания автоматических выключателей и предохранителей;
• наличие третьей гармоники и ее производных 9,12 и т.д. в нейтрали может потребовать увеличения сечения ее проводника;
• гармонический шум (частые переходы через 0) может служить причиной неправильной работой компонентов систем контроля;
• повреждение чувствительного электронного оборудования;
• интерференция систем коммуникации.

Следующие разделы являются описанием гармоник, характеризацией проблемы и поиском решения.

Происхождение гармонических искажений

Постоянно увеличивающиеся требования промышленности и народного хозяйства к стабильности, приспосабливаемости и точности контроля в электрическом оборудовании привело к появлению относительно дешевых силовых диодов, тиристоров, SCR (Silicon Controlled Rectifier) и других силовых полупроводников.

Сейчас, широко используемые в выпрямительных цепях UPS полупроводники, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска пришедшие на смену устаревшим устройствам изменили картину формы тока и напряжения в электросетях.

Хотя твердотельные реле, такие как тиристоры привнесли существенные изменения в схемотехнику систем контроля, они, также, создали проблему генерации гармоник тока.

Гармоники тока могут сильно влиять на энергоснабжающие сети, а также перегружать косинусные конденсаторы служащие для компенсации реактивной мощности (при увеличении частоты, снижается сопротивление конденсатора и растет ток через него).

Мы сфокусировали наше внимание на таких источниках гармоник, как твердотельные элементы силовой электроники, однако существует много других источников гармонических токов. Эти источники могут быть сгруппированы в трех основных типах:

1. Силовое электронное оборудование: частотные привода переменного тока, привода постоянного тока, источники бесперебойного питания UPS, выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова), конвертеры, тиристорные системы, диодные мосты, плавильные печи высокой частоты.

2. Сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи, сварочные автоматы, освещение (ДРЛ-ртутные лампы, люминесцентные лампы)

3. Насыщаемые устройства: Трансформаторы, двигатели, генераторы, и т.д. Гармонические амплитуды на этих устройствах являются обычно незначительна по сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии что насыщение не происходит.

Форма синусоиды тока

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся  с фундаментальной (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.

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.

Переходные возмущения обычно решаются путем установки подавляющих или разделяющих (изолирующих) устройств, таких как импульсных конденсаторов, изолирующих (разделяющих) трансформаторов. Эти устройства помогают устранить переходные возмущения, но они не помогают устранить гармоники низких порядков или устранить проблемы резонанса в связи с присутствием гармоник в сети.

Гармоническое содержание синусоиды

Тиристоры и SCR выпрямители обычно проявляются числом пульсаций постоянного тока которые они производят каждый период. Обычно это 6-и или 12-пульсные выпрямители.

Есть много факторов, которые могут влиять на гармоническое содержание, но типичные гармонические токи, показанные как процент от фундаментального тока 50 Гц, показаны в таблице.

Другие номера гармоник также будут присутствовать, в небольшой степени, но из практических соображений они не приводятся.

Номер гармоникиТипичное содержание в % гармоник тока-6-ти пульсныйвыпрямитель12-ти пульсныйвыпрямитель

1	100	100
5	20	–
7	14	–
11	9	9
12	8	8
17	6	–
19	5	–
23	4	4
23	4	4

Разложение формы кривой тока на гармонические составляющие

Перегрузка конденсаторов гармониками

Согласно закону Ома сопротивление цепи определяет протекающий по ней ток. Так как сопротивление источника энергии является индуктивным, кроме того, импеданс сети увеличивается с частотой, в то время как сопротивление конденсатора с ростом частоты уменьшается.

Это вызывает рост тока через конденсаторы и оборудование содержащее их. При определенных обстоятельствах, гармонические потоки могут превысить ток фундаментальной гармоники 50 Гц протекающей через конденсатор.

Эти гармонические проблемы могут также вызвать увеличение напряжения на конденсаторе, которое может превысить максимально допустимое значение и привести к пробою конденсатора.

Гармонический резонанс

Резонанс в сети достигается когда сопротивление конденсатора равно сопротивлению источника.

Когда мы применяем конденсаторы для компенсации реактивной мощности в распределительных сетях, которые содержат и емкостную и индуктивную (индуктивность линии, силовых трансформаторов) составляющую, всегда существует частота на которой возможно явление параллельного резонанса конденсатора с источником.

Если это происходит, или частота близка к частоте резонанса, то гармоники генерируемые силовыми полупроводниками (большие токи гармоник) начинают циркулировать между генерирующей сетью  и конденсаторным оборудованием. Эти токи ограничиваются только сопротивлением линии.

Такие токи приводят к возмущениям и искажениям напряжения в сети.

Как результат: повышенное напряжение на конденсаторах, и повышенный ток через них, Резонанс может произойти на любой частоте, но в основном это 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники которые генерируются 6-пульсными системами выпрямления трехфазного напряжения.

Предотвращение резонанса в электросетях

Есть несколько путей, чтобы избежать явлений резонанса в распределительных сетях где установлены конденсаторы.

В больших распределительных сетях, есть возможность установки их в части сети, которая не имеет параллельного резонанса с индуктивностью трансформатора.

Изменяя выходную мощность конденсаторной установки, мы можем отстроиться от опасной резонансной частоты. Резонансная частота с включением каждого шага конденсаторной установки изменяется.

Резонансные явления при использовании конденсаторов в электросетях с нелинейными потребителями

Сдвиг резонансной частоты

Если резонанса нельзя избежать вышеприведенным методом, необходимо альтернативное решение. Последовательно с каждым конденсатором ставится реактор (трехфазный дроссель)  таким образом, чтобы система конденсатор-дроссель имела индуктивный характер на критических частотах, и емкостной характер на основной частоте 50 Гц.

Для этого система конденсатор-дроссель должна иметь резонансную частоту ниже наименьшего частоты гармоники присутствующей в сети, которая обычно бывает 5-ой (250 Гц). Это означает, что частота настройки системы конденсатор дроссель д.б. между значениями 175…270 Гц.

В системе конденсатор дроссель напряжение основной частоты на дросселе повышается, соответственной мы должны использовать конденсаторы на повышенное напряжение.

Снижение гармонических искажений

Гармонические искажения могут подавляться в электрических системах при использовании гармонических фильтров.

В классическом виде фильтр представляет собой последовательно соединенные конденсатор и индуктивность и настроенные на определенную гармоническую частоту.

В теории сопротивление фильтра равно нулю на частоте резонанса, поэтому гармонический ток абсорбируется фильтром. Этот эффект вместе с сопротивлением линии означает, что таким образом можно хорошо подавлять гармоники в сети.

Типы фильтров гармоник

Эффективность фильтра любой формы зависит от его реактивной мощности, точности настройки, и импеданса сети в точке подключения. Гармоники ниже частоты резонанса фильтра будут усиливаться. Схемотехника фильтра важна, чтобы быть уверенным в том что искажения не будут усиливаться до неприемлемых уровней.

Когда несколько различных порядков гармоник присутствуют в сети мы можем подавлять одни в то же время усиливая другие. Фильтр 7-ой гармоники создает параллельный резонанс на частоте 5-ой и усиливает ее, поэтому к фильтру 7-ой гармоники необходим фильтр 5-ой гармоники.

Поэтому часто необходимо использовать несколько фильтров, настроенных каждый на свою частоту.

Анализ и измерение гармоник в сети

Прежде чем приступать к внедрению конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности на предприятии, а также фильтров гармоник необходимо провести всесторонние измерения параметров сети: активную реактивную, полную мощность, величину и уровни  гармоник тока и напряжения, провалы и перенапряжения в линии, фликкер.

Для этих целей компания Матик электро имеет в своем штате профессиональных инженеров с анализаторами сети и ноутбуками для обработки информации на месте съема.

Мы проводим выездные измерения по всей России, предоставляем отчет и рекомендации с последующим внедрением энергосберегающего оборудования (конденсаторных установок для компенсации реактивной мощности) и фильтров гармоник.

Источник: http://www.matic.ru/clients/articles/harmonics-voltage-and-current-in-electrical-networks/

Причины появления гармонических искажений тока в электросети и способы их измерения

Этот материал подготовлен специалистами компании “ЭлектроАС”.
Нужен электромонтаж или электроизмерения? Звоните нам!

Появлению эффекта гармонических искажений тока в электрических сетях человечество обязано бурному развитию техники и инновационным технологиям в эволюции электрооборудования.

Эти процессы начали массово замещать линейных потребителей электроэнергии и безинверторные электродвигатели оборудованием, принцип работы которого строился на нескольких циклах преобразования поставляемой электрической энергии.

Причины появления гармоник в электросети
По своей физической сути, гармоники являются синусоидальными волнами, суммирующимися с основной частотой 50 Гц. Таким образом, комплексная синусоида представляет собой сумму конкретного числа гармонических искажений тока с большими или меньшими показателями.

Практически все современные устройства влияют на возникновение в сети гармонических искажений. Причиной, вызывающей искажение напряжения и тока в электросети, выступают нелинейные потребители, которые используют ток несинусоидального типа. Среди таких источников стоит выделить:

• электродвигатели с инверторной системой управления, комплексы плавного пуска двигателей, выпрямители управляемого и неуправляемого типа, блоки питания;

• электротермическое оборудование – лазеры, дуговые и индукционные печи с высокой частотой, сварочные агрегаты, микроволновые установки и т.п.;

• осветительные устройства – люминесцентные, дуговые и газоразрядные лампы;

• бытовое оборудование – кондиционеры, телевизоры, аудио и видеосистемы, радиоприёмники, компьютеры, микроволновки, электрочайники и т.д.;

• офисные устройства – ксероксы, принтеры, серверы, блоки беспрерывного питания, мониторы.

Способы измерений гармоник
Чтобы убрать негативные последствия гармонических искажений тока в электросети, необходимо провести комплекс работ по внедрению установок конденсаторного типа, которые будут выполнять компенсаторную функцию по реактивной мощности, а также фильтров гармоник. Но для правильного подбора фильтрующего и компенсирующего оборудования нужно предварительно всесторонне измерить основные параметры электросети:

• величину и уровни гармонических искажений тока и напряжения;

• активную реактивную мощность;

• полную мощность и коэффициент мощности;

• мощность нелинейных искажений;

• уровень провалов и перенапряжений в линии;

• пик-фактор или амплитудный коэффициент;

• изменение светового потока.

Для определения вышеперечисленных параметров могут использоваться разные приборы. Современные технологии позволяют достаточно точно измерять показатели электрических сетей. Для поверхностного анализа можно использовать осциллографы (посмотреть можно по ссылке http://lab-snab.

ru/osczillografyi), компактность и автономность которых позволяет проводить измерения, как на улице, так и внутри помещений.

В случае необходимости получения более развёрнутых данных по всем параметрам функционирования электросетей, лучше воспользоваться анализаторами качества электроэнергии (посмотреть можно по ссылке http://lab-snab.ru/analizatoryi_kachestva_elektroenergii).

Почему необходимо противодействовать проявлениям гармоник в сети
Появление гармоник в электросети свидетельствует об искажённых параметрах тока или напряжения, что, в свою очередь, является признаком наличия возмущений в сети распределения и ухудшения качества поступающей электроэнергии. Присутствие гармоник может стать причиной следующих негативных последствий:

• увеличение текущего значения тока приводит к перегрузкам в распределительных сетях;

• суммирование токов высших гармоник, которые кратные трём и генерируются нагрузками по однофазной сети, способствует перегрузкам в нейтральных проводниках;

• возникновение перегрузок, вибраций и преждевременного старения электрооборудования (двигателей, генераторов, трансформаторов);

• возникновение повышенного шума трансформаторов;

• преждевременное старение и перегрузка конденсаторов, отвечающих за повышение коэффициента мощности;

• возникновение помех в телефонных линиях и сетях связи.

Все эти факторы имеют суммарное экономическое последствие, которое выливается в необходимости замены вышедшего из строя раньше положенного срока оборудования, в повышенном расходовании электроэнергии и её увеличенным потерям, в ложном срабатывании предохранителей и автоматических выключателей, останавливающих производственный процесс. Именно поэтому своевременное выявление и устранение гармоник имеют большое значение в надёжности функционирования электросетей и подаче качественной электроэнергии конечным потребителям.

Источник: http://elektroas.ru/prichiny-poyavleniya-garmonicheskix-iskazhenij-toka-v-elektroseti-i-sposoby-ix-izmereniya

Негативное воздействие токов высших гармоник на элементы системы электроснабжения

Коваленко Д. В., Плотников Д. И., Шакенов Е. Е., Кулинич И. О. Негативное воздействие токов высших гармоник на элементы системы электроснабжения // Молодой ученый. — 2016. — №28. — С. 102-105. — URL https://moluch.ru/archive/132/36981/ (дата обращения: 16.02.2019).



В идеальной электроэнергетической системе (ЭЭС) энергия должна передаваться при неизменных во времени номинальных значениях частоты и напряжения. В реальных энергосистемах эти условия не выполняются, т. к. большинство потребителей электроэнергии имеют нелинейный характер нагрузки.

Отклонения кривых тока и напряжения от синусоидальной формы обычно представляют с помощью гармонических составляющих.

Гармоники можно разделить на следующие группы: основная — гармоника сетевой частоты (в России — 50 Гц) [1]; высшие гармоники — они превышают частоту основной в n раз, т. е. 3n, 5n и т.д.; субгармоники — они меньше частоты основной в n раз, т. е. n/3, n/5; интергармоники — составляющие колебаний, которые не кратны основной частоте сети.

Следует различать гармоники в установившихся (стационарных) режимах, когда форма кривой не изменяется, и гармоники в переходных (нестационарных) режимах, когда форма кривой существенно меняется от цикла к циклу.

Одни и те же гармоники от различных источников могут производить различный эффект в зависимости от их относительного положения. В свою очередь, эффекты, вызываемые гармониками, можно разделить на эффекты от кратковременного и от длительного воздействия.

Эффекты кратковременного воздействия:

– Искажение формы питающего напряжения;

– Эффект гармоник, кратных трем (в трехфазных сетях);

– Падение напряжения в распределительной сети;

– Резонансные явления на частотах высших гармоник;

– Наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;

– Повышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;

– Вибрация в электромашинных системах.

Эффекты длительного воздействия:

– Нагрев и дополнительные потери в электрических машинах;

– Дополнительные потери в шинопроводах;

– Нагрев конденсаторов, входящих в состав батарей (БСК);

– Нагрев кабелей распределительной сети.

Таким образом, можно сделать вывод, что основными формами воздействия высших гармоник на системы электроснабжения являются: увеличение напряжений и токов в СЭС вследствие возникновения резонансов на частотах гармоник; снижение эффективности процессов генерации, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии; старение изоляции электрооборудования, что влечет за собой повышенный износ и сокращение срока службы; ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики.

Для иллюстрации одного из негативных влияний высших гармоник, а именно искажения формы кривой напряжения, рассмотрим следующий пример.

В качестве исходных данных и упрощения теоретических выкладок рассмотрим систему электроснабжения, изображенную на рис.1, потребители которой (S1 и Sнн) получают питание от генератора через трансформатор по кабельной линии.

Рис. 1. схема СЭС

Для создания имитационной модели составляются схемы замещения СЭС на основной частоте (рисунок 2а) и на частотах высших гармоник (ВГ) (рисунок 2б) [3].

Рис. 2. Схема замещения СЭС рис.1 на основной (а) и высших (б) гармониках

При составлении схемы замещения на основной гармонике (50 Гц) принимаются следующие допущения, позволяющие упростить решение задачи.

Генератор и понижающий трансформатор представляется источником ЭДС напряжением 0,38 кВ и комплексным сопротивлением источника Zи, равным 106 Ом. Линейная и нелинейная нагрузки представляются комплексными сопротивлениями.

Модуль комплексного сопротивления линейной нагрузки составляет Z1=24768 Ом, а нелинейной — зависит от частоты (т. е. оно различно для каждой из гармоник).

Схема замещения на высших гармониках представляет собой источник тока, комплексные сопротивления всех нагрузок и внутренне сопротивление источника тока (причем схем замещения существует столько, сколько у нас гармоник в сети; покажем для краткости одну из них, так как остальные схемы замещения аналогичны рассматриваемой, отличаются они только параметрами). Частота источника тока равна произведению основной частоты на номер соответствующей гармоники сети, т. е. I11=11·50=550 Гц, I13=13·50=650 Гц и т.д. для каждой гармоники. Величины сопротивлений также зависят от номеров гармоник.

Для наглядного представления искажения синусоидальности кривой напряжения в программном комплексе MATLAB-Simulink была собрана имитационная модель рассматриваемой СЭС, показанная на рис.3 [4].

Рис. 3. Имитационная модель СЭС, представленной на рис. 1

На рис.4 представлена осциллограмма трехфазного напряжения на источнике. Можно сделать вывод, что форма питающего напряжения имеет синусоидальный характер, искажения отсутствуют (причем это справедливо для всех трех фаз).

Рис. 4. Форма питающего напряжения СЭС

В точке подключения нелинейной нагрузки к системе форма напряжения существенно изменяет свой характер из-за того, что происходит наложение высших гармоник на синусоидальное напряжение источника. Происходит искажение формы кривой напряжения в системе, что и показывает нам рис.5.

Рис. 5. Наложение высших гармоник на основную синусоиду источника

Источниками гармоник в СЭС являются: силовое электронное оборудование, статические преобразователи частоты, выпрямительные установки, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, частотно-регулируемые электроприводы, циклоконверторы, сварочные установки, газоразрядные осветительные приборы, различная бытовая техника и т.д. В нашем случае источником высших гармоник в СЭС оказался двенадцатипульсный выпрямитель [2].

Негативное влияние высших гармоник на электрооборудование и другие элементы СЭС заключается в следующем:

1) возникает ускоренный износ электрических машин вследствие ускоренного износа изоляции обмоток и сердечника, который происходит из-за её чрезмерного нагрева токами высших гармоник;

2) возникают дополнительные потери и уменьшение пропускной способности линий электропередачи;

4) ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи.

Таким образом, можно сказать, что высшие гармоники напряжений и токов являются негативным фактором, влияющим на энергосистему в целом.

Литература:

1. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — Введ. 2014–07–01. — М.: Стандартинформ, 2013. — 62 с.
2. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях / А. Куско, М. Томпсон: пер. с англ. Рабодзея А. Н. — М.: Издательский дом «Додэка — XXI», 2008. — 333 с.
3. Осипов Д. С., Коваленко Д. В., Киселев Б. Ю. Расчет потерь энергии в кабельной линии электропередачи при наличии нелинейной нагрузки методом пакетного вейвлет-преобразования / Д. С. Осипов, Д. В. Коваленко, Б. Ю. Киселев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2016. — № 4(148). — С. 84-89.
4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink/ И.В. Черных — М.: «ДМК Пресс», 2008. — 286 с.

Основные термины (генерируются автоматически): гармоника, схема замещения, питающее напряжение, основная частота, нелинейная нагрузка, имитационная модель, форма кривой, искажение формы кривой напряжения, распределительная сеть, длительное воздействие.

1. Искажение формы питающего напряжения. 2. Падение напряжения в распределительной сети. 3. Эффект гармоник, кратных трем.

Собрав имитационную модель узла нагрузки системы электроснабжения в Matlab и Simulink.

U1(1)i — действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i — м наблюдении В, кВ.

– коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения, являющимся количественной оценкой отклонения напряжения от формы синусоиды. Он характеризуется формулой [3]

Искажения формы синусоиды напряжений и токов ведет к возрастанию потерь, быстрому старению изоляции, а, следовательно, и уменьшению срока службы

Схема данного устройства представлена на рисунке 1. Рис. 1. Однофазная схема замещения АФГ.

Основные термины (генерируются автоматически): гармоника, нелинейная нагрузка, гармоника тока, емкость, упрощенная схема замещения фильтра, Амплитудное значение тока, электрическая энергия, реактивная мощность, имитационная модель, MATLAB.

Основные термины (генерируются автоматически): кабельная линия, статический преобразователь частоты, интергармоника, потеря мощности, питающая сеть, гармоника, основная частота, доля потерь, частота, нелинейная нагрузка.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях с электродуговыми печами определяется в основном 2, 3, 4, 5, 7-й гармониками.

В этом случае исследуются воздействия несимметрии напряжения на трехфазный двигатель с треугольной схемой соединения.

Методы измерения наведенного напряжения в сетях 0,38/10 кВ МУП «Рязанские городские распределительные электрические сети».

Основные термины (генерируются автоматически): изолированная нейтраль, земля, напряжение, сеть, ток, поврежденная фаза, фаза А, схема замещения сети, воздушная линия, индуктивный ток.

Имитационная модель одновибратора с перезапуском.

1. Искажение формы питающего напряжения. 2. Падение напряжения в распределительной сети. 3. Эффект гармоник, кратных трем.

Собрав имитационную модель узла нагрузки системы электроснабжения в Matlab и Simulink.

U1(1)i — действующее значение напряжения прямой последовательности основной частоты трехфазной системы напряжений в i — м наблюдении В, кВ.

– коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения, являющимся количественной оценкой отклонения напряжения от формы синусоиды. Он характеризуется формулой [3]

Искажения формы синусоиды напряжений и токов ведет к возрастанию потерь, быстрому старению изоляции, а, следовательно, и уменьшению срока службы

Схема данного устройства представлена на рисунке 1. Рис. 1. Однофазная схема замещения АФГ.

Основные термины (генерируются автоматически): гармоника, нелинейная нагрузка, гармоника тока, емкость, упрощенная схема замещения фильтра, Амплитудное значение тока, электрическая энергия, реактивная мощность, имитационная модель, MATLAB.

Основные термины (генерируются автоматически): кабельная линия, статический преобразователь частоты, интергармоника, потеря мощности, питающая сеть, гармоника, основная частота, доля потерь, частота, нелинейная нагрузка.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения в сетях с электродуговыми печами определяется в основном 2, 3, 4, 5, 7-й гармониками.

В этом случае исследуются воздействия несимметрии напряжения на трехфазный двигатель с треугольной схемой соединения.

Методы измерения наведенного напряжения в сетях 0,38/10 кВ МУП «Рязанские городские распределительные электрические сети».

Основные термины (генерируются автоматически): изолированная нейтраль, земля, напряжение, сеть, ток, поврежденная фаза, фаза А, схема замещения сети, воздушная линия, индуктивный ток.

Имитационная модель одновибратора с перезапуском.

Источник: https://moluch.ru/archive/132/36981/

Особенности возникновения высших гармоник в электрических сетях

Добуш Василий Степанович
Горный университет

Dobush Vasiliy Stepanovich
Mining university

Библиографическая ссылка на статью:
Добуш В.С. Особенности возникновения высших гармоник в электрических сетях // Современная техника и технологии. 2015. № 5 [Электронный ресурс]. URL: http://technology.snauka.ru/2015/05/6851 (дата обращения: 09.02.2019).

Искажения напряжения и тока возникают в электрической сети по многим причинам. В зависимости от источника и природы возникновения высших гармоник (ВГ) выбираются способы их компенсации. Область распространения высших гармоник тока и напряжения также влияет на выбор средств борьбы с ними.

Источниками гармоник тока являются различные виды нелинейных нагрузок. Среди них необходимо выделить устройства, преобразующие электрическую энергию, которые построены на силовых полупроводниковых ключах. Приборы на их основе получили широкое распространение в настоящее время в промышленности и в быту.

Наиболее распространенными являются AC/DC (Alternative Current to Direct Current) преобразователи или выпрямители. Данные устройства строятся на основе 6-и и 12-и пульсных схем выпрямления.

Остальные многопульсные схемы выпрямления основаны на параллельном соединении 6-пульсных групп.

Следует отметить, что увеличение качества потребляемой электроэнергии с увеличением пульсности выпрямления, приводит к значительному росту цены изделия и снижению его надежности.

Как правило, тип источников ВГ определятся алгоритмом производственного процесса. В зависимости от вида промышленного производства можно выделить для него доминирующий вид нелинейной нагрузки, генерирующий токи высших гармоник.

Так для металлургического завода таким видом потребителя является вентильный преобразователь. Данная нагрузка относится к мощным концентрированным источникам высших гармоник.

Суммарная мощность электронной преобразовательной техники достигает на таком производстве 80-90%.

На химических производствах основной вид нелинейной нагрузки – управляемые вентильные преобразователи. Эти вентильные преобразователи чаще всего выполнены по 12-и пульсной схеме и рассчитаны на напряжение 6- 35кВ при выпрямленном токе 12,5-25кА.[2]

На целлюлозно-бумажных производствах устанавливаются различные механизмы, оснащенные регулируемыми приводами с тиристорными вентильными преобразователями мощностью до 10кВА.[1,3]

В качестве источников ВГ могут выступать также следующие устройства:

– установки электродуговой и контактной сварки. Мощность таких промышленных однофазных автоматизированных устройств достигает 1,5МВА, а трехфазных – нескольких МВА;

– газоразрядные лампы (ртутные и люминесцентные) широко используемые для освещения производственных помещений. Установленная мощность достигает нескольких мегаватт.

В работах по определению влияния высших гармоник  на работу сети принято представлять нелинейную нагрузку источниками тока, которые соединены параллельно и имеют значения амплитуды, соответствующие спектру нелинейной нагрузки.

Однако, при этом начальные фазы этих источников принимаются за 00, т.е. остаются неучтенными энергетические характеристики, а именно – сдвиг фаз между током и напряжением на каждой гармонике. Очевидно, что этот факт, в некоторых случаях, будет иметь большое значение при теоретическом определении влияния высших гармоник на работу электрооборудования.

В качестве объекта исследований выбраны электротехнические комплексы предприятий, содержащие радиальные схемы электроснабжения. Область таких предприятий достаточно широка: рудничные предприятия, обогатительные фабрики, металлургические предприятия и т. п.

Рассмотрим возможные варианты расположения источников высших гармоник на основе простейшей однофазной схемы замещения, которая включает  источник напряжения, линейную часть нагрузки(ЛН) и нелинейную часть нагрузки(ВП) (рисунок 1).

Существуют три варианта взаиморасположения источников высших гармоник:

1.Источником гармоник является только ВП.

2.Источником гармоник является только источник питающего напряжения, нелинейная нагрузка отсутствует.

3.Источником высших гармоник является как нагрузка, так и источник питающего напряжения .

Как известно, при расчетах несинусоидальных режимов работы электросети принято заменять источник несинусоидального напряжения совокупностью источников синусоидального напряжения соединенных последовательно, частоты которых соответствуют частотам гармоник, а амплитуды спектру несинусоидального напряжения. Нелинейную нагрузку – совокупностью источников синусоидального тока, частоты и амплитуды которых соответствуют гармоникам потребляемого нелинейной нагрузкой тока. При этом начальные фазы источников тока и напряжения принимаются равными 00.

В этом случае расчетная схема замещения системы электроснабжения примет вид, представленный на рисунке 2, где совокупностью источников синусоидального напряжения  U(1), U(2), U(n) моделируется фазное напряжение источника питания, совокупностью источников тока I(1), I(2), I(n) моделируется нелинейная нагрузка, ЛН – линейная нагрузка, Ls-индуктивность системы.

Рисунок 1 – Однофазная схема замещения сети

Величина любого тока, протекающего по элементам СЭС(системы электроснабжения), в том числе и тока IЛН, при несинусоидальнольном режиме работы электросети определяется выражением:

   ,                                      (1)

где I-действующее значение несинусоидального тока,-действующее значение тока основной гармоники,,- действующее значение токов высших гармоник. Составляющие рассматриваемого тока  будут определяться по методу наложения на каждой частоте отдельно.

Рассмотрим три варианта схем с источниками ВГ:

В первом варианте взаиморасположения источников высших гармоник на основной частоте расчетная схема будет иметь один источник питающего напряжения и источник тока основной гармоники нелинейной нагрузки.

На высших гармониках в цепи будет присутствовать один источник и поэтому, очевидно, величина фазы источника питания не будет влиять на определение параметров цепи;

При втором варианте взаиморасположения источников высших гармоник в рассматриваемой расчетной цепи будет присутствовать один источник питающего напряжения как на основной частоте, так и на высших гармониках, поэтому также как и в первом варианте начальная фаза не будет влиять на определение параметров цепи.

Рассмотрим последний вариант, когда источник несинусоидального  напряжения питает цепь, содержащую нелинейную нагрузку. Тогда по методу наложения ток в цепях будет определяться по выражению (1), но с учетом системы (2):

(2)

где-векторы действующих значений токов ВГ- векторы действующих значений токов ВГ, определяемые при влиянии на сеть только несинусоидального питающего напряжения, , ,…  векторы действующих значений токов ВГ, определяемые при влиянии на сеть только нелинейной нагрузки, – действующие значения токов ВГ.

Составляющие тока на каждой гармонике, определяемые источником питания  и нелинейной нагрузкой , являются векторами, поэтому их векторная сумма существенно зависит не только от амплитуды векторов, но и от их начальных фаз. Следовательно, и действующее значение определяемого тока будет зависеть от начальных фаз указанных составляющих  и .

В результате, неучет фазы токов на различных гармониках в случае наличия источников ВГ как со стороны питающей сети, так и нагрузки приведет к погрешности расчетов, которая может выходить за пределы погрешности допустимой для инженерных расчетов.

Библиографический список

1. Arrillaga, J.; Smith, B.C.; Watson, N.R.; and Wood, A.R.; Power Systems Harmonic Analysis, John Wiley & Sons, 1997.
2. Ewald F. Fuchs, Mohammad A.S. Masoum. Power Quality in Power Systems and Electrical Machines c. 635
3. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. – 4-е изд., перераб. и доп. – М: Энергоатомиздат, 2000. – 331 с.

Источник: http://technology.snauka.ru/2015/05/6851

Влияние частотно-регулируемого электропривода на генерацию высших гармоник в электрической сети – современные наукоемкие технологии (научный журнал)

1Прахов И.В. 1 Кутьянов Р.Р. 1 Бикметов А.Г. 11 Филиал ФГБОУ ВПО «Уфимский государственный нефтяной технический университет»Исследовано влияние работы частотно-регулируемого электропривода на генерацию высших гармоник. В результате эксперимента, были получены значения коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения.

Произведен анализ гармонического состава напряжений, генерируемых асинхронным двигателем типа АДМ63ВАУЗ при различных видах нагрузок и холостом ходе электродвигателя. В ходе проведенного анализа была создана экспериментальная модель, основой которой является частотный преобразователь.

Было рассмотрено влияние частотного преобразователя на наличие высших гармоник в разных режимах работы. В результате исследований получены значения коэффициентов с первой по сороковую гармонических составляющих.

Установлено, что во время работы электродвигателя в режиме холостого хода получаем минимальные искажения, тогда как существенные отклонения наблюдаются во время индуктивной нагрузки. Максимальный спектр высших гармоник выявлен в момент работы частотного привода при низких частотах.частотно-регулируемый электропривод1. Баширов М.Г.

Система автоматизации управления техническим состоянием технологического оборудования / Р.Н. Бахтизин, Э.М. Баширова, И.С. Миронова // Электронный научный журнал «Нефтегазовое дело». – 2011. – № 3. – С. 26–40.2. Баширов М.Г. Исследование спектра гармонических составляющих токов и напряжений, генерируемых трехфазным силовым трансформатором / И.

В. Прахов, Р.Ш. Габбасов // Транспорт и хранение нефтепродуктов и углеводородного сырья, – М.: Обракадемнаука. – 2013. – № 2. – С. 25–28.3. Климов В.П., Москалев А.Д. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания. URL: http: // www.tеnsy.ru.4. Самородов А.В.

Разработка программно-аппаратного комплекса для оценки технического состояния машинных агрегатов с электрическим приводом / М.Г. Баширов, Д.Г. Чурагулов, А.А. Абдуллин // Электронный научный журнал нефтегазовое дело. – 2012. – № 6. – С. 10–20.5. Филиппов А.И. Тепловой трансциллятор бегущей волны / А.С. Хисматуллин, Э.В. Мухаметзянов, А.И.

Леонтьев // Вестник Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана серия: Естественные науки. – 2011. – № 1. – С. 78–86.

Увеличение качества потребляемой электроэнергии становится стимулом для эффективного развития энергетического хозяйства комплекса производств.

Современные системы сегодняшнего поколения, специализирующиеся на производстве и распределении электроэнергии, имеют ряд недостатков и не могут обеспечить надёжность и качество энергии потребителей. Перед тем как попасть к потребителю, электроэнергия проходит через множество передающих подстанций, где качество и надежность энергии неукоснительно теряется, что сказывается на потребителях.

Под качеством электроэнергии, получаемой приемниками, понимается множество потребительских свойств энергоснабжения, которые определяют соответствие энергии угождать определенным потребностям приемников согласно их назначению [1].

Для регулирования качества потребляемой энергии необходимо определять и поддерживать требуемый уровень качества электроэнергии в момент ее производства, распределения и потребления, что возможно путем методичного наблюдения и контроля качества и непосредственного воздействия на условия и факторы, которые отрицательно влияют на качество электроэнергии.

Европейские ученые выяснили, что из-за проблем качества электроэнергии, промышленное производство и Европейский союз несут колоссальные убытки в размере 10 млрд евро в год.

Также страны Запада экономически страдают от качества электроэнергии и, как следствие теряют, 30000 евро/мин в телекоммуникационной области и до многих миллионов евро за аварийные происшествия в непрерывном нефтехимическом производстве.

Так как промышленный процесс является непрерывным, оборудование очень чувствительно реагирует на несоответствие параметров электроэнергии в сети и такое нарушение приравнивается к стихийному бедствию, поэтому, чем быстрее устранить проблему, тем меньше будут экономические потери.

Для существенного улучшения качества электроэнергии необходимо минимизировать влияние на оборудование высших гармоник. В ходе проведенного анализа была создана экспериментальная модель, основой которой является частотный преобразователь.

Было рассмотрено влияние частотного преобразователя на наличие высших гармоник в разных режимах работы. В ходе работы был проведен анализ качества электроэнергии распределительных сетей на одном из крупнейших нефтехимических и нефтеперерабатывающих предприятий России.

Исследование по влиянию работы частотно-регулируемого электропривода на качество электрической энергии было произведено в именной лаборатории «Ново-Салаватская ТЭЦ» филиала УГНТУ в г. Салавате.

В экспериментальной установке используется преобразователь частоты марки Altivar. Технические характеристики представлены в табл. 1. Технические характеристики рассматриваемого асинхронного электродвигателя и генератора представлены в табл. 2, 3. Внешний вид экспериментальной установки изображен на рис. 2.

Рис. 1. Конфигурация лабораторной установки

Таблица 1

Технические характеристики преобразователя частоты

Преобразователь	Модель	U, В	I, А	fсети, Гц	fвых, Гц
Altivar	ATV31H075N4	380–500	2,3	50	до 400

Таблица 2

Технические характеристики асинхронного двигателя

Тип	Мощность, кВт	Частота вращения, об/мин	КПД, %	Коэффициент мощности
АДМ63ВАУЗ	370	1370	68	0,7	2,2	1,8	2,3	5

Таблица 3

Технические характеристики генератора

Тип	Мощность, кВт	Частота вращения, об/мин	Uном, В	Iном, А
AIS71ВУЗ	370	1370	3Х380	1,18

Рис. 2. Внешний вид экспериментальной установки

Рис. 3. Величина коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения на частоте 50 Гц при холостом ходе

Рис. 4. Величина коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения на частоте 50 Гц при активной нагрузке

Рис. 5. Величина коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения на частоте 50 Гц при индуктивной нагрузке

Для лабораторных исследований используется переменное напряжение в 380 В и с частотой питающей сети 50 Гц. Отклонения питающего напряжения колеблются в допускаемых пределах.

Исследован гармонический состав напряжений, генерируемых асинхронным двигателем типа АДМ63ВАУЗ при различных видах нагрузок и холостом ходе электродвигателя. В ходе работы были получены значения коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения. На рис. 3, 4, 5 представлены результаты эксперимента на частоте 50 Гц.

Модули активной и индуктивной нагрузки выступали в качестве нагрузки электродвигателя. Постоянное напряжение на обмотку возбуждения генератора подается от модуля возбуждения.

Следовательно, можно сделать вывод, что в воздушном зазоре агрегата существует безграничная область поля, которая делится на множество гармоник. Это деление можно производить по их происхождению.

Сформировавшееся разделение гармоник на такие понятия, как временные и пространственные, относительно, так как гармоники неразделимо связаны с энергией поля и не могут рассматриваться вне пространства и времени.

Библиографическая ссылка

Прахов И.В., Кутьянов Р.Р., Бикметов А.Г. ВЛИЯНИЕ ЧАСТОТНО-РЕГУЛИРУЕМОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НА ГЕНЕРАЦИЮ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ // Современные наукоемкие технологии. – 2015. – № 8. – С. 45-48;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35097 (дата обращения: 16.02.2019).

Источник: https://top-technologies.ru/ru/article/view?id=35097