Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Робота більшості електричних приладів забезпечується якістю що надходить на них електричної енергії. Але навіть в умовах безаварійної роботи в системі виникають процеси, що обумовлюють виникнення гармонік в електричних мережах. При цьому ніяких відключень або порушень може і не відбуватися, більшість гармонік спокійно виробляються у всіх ланцюгах, незалежно від роду навантаження. Однак зі зростанням їхньої величини, можливий ряд негативних наслідків, як для споживачів, так і для енергосистеми в цілому.

Що таке гармоніки?

Якщо напруга і струм, що виробляються джерелом, максимально наближається до форми ідеальної синусоїди, то через нелінійних навантажень, підключених до електричного кола, форма початкового сигналу отримує спотворення. Гармоніки є похідні по частоті від основної синусоїди в 50 Гц і є кратними її величиною 1].

За кратності гармоніки поділяються на парні і непарні. Тобто гармоніка №1 - це 50 Гц, 2 - 100 Гц, 3 -150 Гц і т.д. Кожна з них є однією зі складових результуючої форми напруги і струму. А значить, що напруга і струм в мережі можна вільно розкласти на гармонійні складові 2].

Гармоніки і їх складання

Подивіться на малюнок вище, тут ви бачите детальний приклад розкладання синусоїди на гармоніки і їх вплив на форму синусоїдальної напруги. У першій позиції зображені результуюча функція з нелінійними спотвореннями, які обумовлені показаними нижче непарними гармоніками і подібними до них з більшою частотою. Величина цих гармонік буде визначати величину стрибків і провалів на результуючому сигналі. Тому, чим більше проявляється та чи інша гармоніка, тим більше крива буде відрізнятися від синусоїди.

По суті, гармоніка являє собою паразитную ЕРС, яка ніяк не поглинається існуючими споживачами або поглинається тільки частково. Через що виникає негативний вплив на всі силові мережі. Природне поглинання здійснюють лише активні опори, але в розмірі пропорційному споживаної ними потужності. У той же час, самі споживачі можна розглядати як джерела, активно генерують спотворений сигнал.

Причини і джерела гармонік в електричних мережах

Головною причиною нелінійних викривлень є протікання будь-яких перехідних процесів в електричних мережах. Незалежно від характеру створеної навантаження, перехідний процес можна спостерігати в роботі тієї ж лампи розжарювання, яка, здавалося б, характеризується виключно активними втратами. Так, різниця між опором нитки лампи в холодному і нагрітому стані створює перехідний процес, який привносить стрибок. Але через низький рівень спотворення і щодо короткочасного протікання, вплив на всю систему виходить незначним.

Тому можна сміливо сказати, що і активні, і реактивні опору в мережах електроживлення можуть сприяти генерації гармонік. Проте, існує ряд пристроїв, які обумовлюють вагому величину спотворення, яка здатна завдати істотної шкоди приладам. На практиці до джерел спотворення відносять такі види обладнання:

  • Силове електрообладнання - приводи постійного і змінного струму, високочастотні плавильні печі, напівпровідникові перетворювачі, джерела безперебійного живлення (ІБП), перетворювачі частоти.
  • Пристрої, що працюють за принципом формування електричної дуги - електрозварювальні установки, дугові печі, лампи освітлення (ДРЛ, люмінесцентні та інші).
  • Насичуються прилади - двигуни, трансформатори, які мають магнитопроводом, який може досягти насичення петлі гистерезиса. Без такого насичення їх внесок у формування гармонійної складової буде незначним.

Серед побутових приладів значний внесок в генерацію несинусоїдальних складових вносять ті ж мікрохвильові печі. Зверніть увагу, що через особливості режиму роботи одна така піч здатна швидко знижувати рівень напруги в мережі на 2 - 4%, і, що куди більш істотно, підвищувати коефіцієнт спотворення його кривої на 6 - 18%.

Категорії і принцип поділу

Відповідно до особливостей протікання процесу в мережах і джерелах електроживлення, все гармонійні складові умовно поділяються за такими параметрами:

  • по шляху поширення виділяють просторові або кондуктивні;
  • по прогнозованості часу виникнення виділяють випадкові або систематичні;
  • за тривалістю можуть бути короткочасними (імпульсними) або тривалими.

Так, імпульсні збурення обумовлюються одиничними комутаціями в мережі живлення, короткими замиканнями, перенапруженнями, які після їх відключення зажадали б ручного включення. А в разі спрацювання АПВ, в основній гармоніці з'являються вже прогнозовані зміни, що спостерігаються в декількох періодах.

Тривалі зміни обумовлюються будь-якої циклічної навантаженням, яка подається потужними споживачами. Для виникнення таких вищих гармонік, як правило, необхідна обмежена потужність мережі і відносно великі нелінійні навантаження, що обумовлюють генерацію реактивної потужності.

Можливі наслідки

У разі постійно присутнього фактора, що генерує гармоніки, їх вплив може обумовлювати різні негативні наслідки в електричній мережі. З яких особливо слід виділити:

  • Супутній нагрів, що виводить з ладу ізоляцію двигунів, обмоток трансформаторів, знижує опір конденсаторів и.т. При нагріванні фазного проводу або інших струмопровідних елементів в діелектриках виникають незворотні процеси, що знижують їх ізоляційні властивості.
  • Помилкове спрацьовування в розподільних мережах - призводить до відключення автоматів, високовольтних вимикачів та інших пристроїв, що реагують на зміну режиму, обумовлене гармоніками.
  • Викликає асиметрію в промислових мережах з трифазними джерелами при виникненні гармоніки на одній фазі. Від чого може порушуватися нормальна робота трифазних випрямлячів, силових трансформаторів, трифазних ДБЖ та іншого обладнання.
  • Виникнення шуму в мережах зв'язку, вплив на суміжні слабкострумові і силові кабелі за рахунок наведеної ЕРС. На величину гармоніки ЕРС впливає як відстань між провідниками, так і тривалість їх наближення.
  • Призводить до передчасного електричного старіння обладнання. За рахунок руйнування чутливих елементів, високоточні прилади втрачають клас точності і піддаються передчасного зношування.
  • Обумовлює додаткові фінансові витрати, що обумовлюються втратами від індуктивних навантажень, зупинкою виробництва, позачерговими ремонтами і передчасної поломкою.
  • Потреба збільшення перетину нульових проводів в зв'язку з підсумовуванням гармонік кратних 3-ої в трифазних мережах.

Розгляньте на прикладі негативний вплив на роботу трифазних ланцюгів. В ідеальному варіанті, коли кожна з фаз живить лінійну навантаження, система знаходиться в рівновазі. Це означає, що в мережі відсутні гармоніки, а в нульовому проводі струм, так як всі струми при симетричному навантаженні зміщені на 120º і компенсують один одного в нейтрали.

Якщо в схемі електропостачання на одній з фаз виникає споживач або фактор, викривляється змінний струм, то виникає автоматичну зміну інших фазних струмів, їх зміщення відносно початкової величини і кута. Через порушення симетрії і відсутності компенсації в нульовому проводі починає протікати струм.

Мал. 2. Розвиток струму в нейтралі

Як показано на малюнку 2, непарні гармоніки кратні 3-ої володіють тим же напрямком, що й основний струм. Але в зв'язку з порушенням компенсуючого ефекту симетричною системи, вони накладаються один на одного і здатні видати в нейтраль струм, що значно перевищує номінальний для цього ланцюга. Через що виникає перегрів, який може викликати аварійні ситуації.

Всі перераховані вище наслідки ведуть до зниження якості електричної енергії, надмірним навантаженням і подальшого падіння фазного напруги. В окремих випадках, наслідки протікання гармонік можуть створювати загрозу для персоналу і споживачів. З метою запобігання таких наслідків на електростанціях, трифазних кабелях і іншому устаткуванні встановлюється захист від гармонік 3].

Захист від гармонік

Для захисту застосовуються пристрої з активними і пасивними елементами, дія яких спрямована на поглинання або компенсацію гармонік в мережі. Найбільш простим варіантом є LC-фільтри, що складаються з лінійного дроселя і конденсатора.

Мал. 3. Схема LC-фільтра

Подивіться на малюнок 3, тут зображена принципова схема фільтра. Його робота заснована на індуктивному опорі котушки L, яке не дозволяє току миттєво набирати або втрачати величину. І на ємності конденсатора C, яка забезпечує поступове наростання або падіння напруги. Це означає, що гармоніки не можуть різко змінити форму синусоїди і забезпечують її плавне наростання і спад на навантаженні R Н.

При послідовному включенні котушки і конденсатора з конкретною підбіркою параметрів, їх комплексне опір дорівнюватиме нулю для якоїсь гармоніки. Недоліком такого пасивного фільтра є необхідність формування окремого ланцюга для кожної складової в мережі. При цьому необхідно враховувати їх взаємодію. Так, наприклад, при гасінні п'ятої гармоніки відбувається посилення сьомий, тому на практиці встановлюються кілька фільтрів поспіль, як показано на малюнку 4.

Мал. 4. Шунтувальний фільтр

За рахунок того, що кожна ланцюжок L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует відповідну складову, фільтр отримав назву шунтирующего. Крім цього, в якості вхідного фільтра можуть застосовуватися пристрої з активним придушенням гармонік.

Мал. 5 Принцип дії активного кондиціонера гармонік

Подивіться на малюнок 5, тут зображений активний фільтр. Джерело живлення генерує струм i ps, на який впливає нелінійна навантаження, через що в мережі виходить несинусоїдальний крива i n. Активний кондиціонер гармонік (АКГ) вимірює величину всіх нелінійних струмів i ahc і видає в мережу такі ж струми, але з протилежним кутом. Що дозволяє нейтралізувати гармоніки і видати споживачеві ток першої гармоніки максимально наближений до синусоїді.

Установка будь-якого з існуючих видів захисту вимагає детального аналізу гармонійних складових, навантажень, коефіцієнтів амплітуди і коефіцієнтів потужності для конкретної мережі. Щоб підібрати найбільш ефективний спосіб видалення і виконати відповідні налаштування.

Відео до статті

Допоможіть розробці сайту, ділитися статтею з друзями!

Категорія: