В аспекте сетей электроснабжения, в том числе локальных сетей промышленных предприятий, популярные сегодня термины «энергосбережение», а тем более «энергоэффективность» остаются декларативными и основная тому причина — отсутствие дифференцированного подхода к выявлению энергопринимающих устройств и границ участков/сегментов сети, к которым технически корректно применять такую терминологию.
Один из наиболее наглядных примеров — регламентированные положениями IEC 60034-30 энергетически эффективные электродвигатели классов IE2 (Highefficiency), IE3 (Premiumefficiency) и IE4 (SuperPremiumEfficiency) в насосных агрегатах с индексом энергоэффективности EEI не более 0,23 и лейблом согласно 2009/125/EC ErP/EuP с регулированием рабочих параметров изменением скорости вращения двигателя путем изменения частоты потребляемого тока. Т.е. здесь по факту есть энергоэффективный асинхронный двигатель в рамках энергоэффективного насосного агрегата, но энергетическая эффективность этих устройств обеспечивается за счет преобразователя частоты – двухстадийного вентильного преобразователя с выпрямителем и инвертором, который потребляет из питающей сети реактивную мощность и засоряет ее токами высших гармоник, что делает «внешний» участок сети и сеть в целом с остальными энергоприемниками не энергосберегающими и не энергоэффективными.
По типу «снежного кома» проблема не гармоничности (не синусоидальности) тока и напряжения в совокупности с значительным потреблением реактивной энергии нарастает в сегментах сетей с различными нелинейными нагрузками и выходит в ряд критических в сетях промышленных предприятий, где вентильные преобразователи питают электротермические, электротехнологические, индукционные установки, частотно-регулируемые электроприводы и т.д., но в свою очередь из-за создания на входе междуфазных коротких замыканий между вентилями во время коммутации и искусственной задержки открытия вентиля для регулирования выпрямленного напряжения искажают формы тока и напряжения самой питающей сети даже с изначально гармоничным (синусоидальным) током и напряжением.
Бесспорными сегодня являются и факты засорения преобразователями питающей сети токами высших гармоник, а также сдвига основной гармоники тока по фазе по отношению к питающему напряжению в сторону отставания, что определяет потребность преобразующего устройства в реактивной мощности, причем в ряде случаев (для мощных преобразователей с интенсивной динамикой угла задержки вентилей) набросы реактивной мощностина питающую сеть становятся настолько значительными, что влекут за собой критические провалы сетевого напряжения со всеми вытекающими отсюда негативными последствиями, в том числе для энергоприемников и сегментов сети, defacto являющихся энергосберегающими и даже энергоэффективными в случае их использования в сбалансированных по мощности сетях.
Следует отметить, что нивелирование таких набросов реактивной мощности с помощью традиционных средств компенсации (см. установки компенсации реактивной мощности КРМ, УКРМ здесь) далеко не всегда эффективно даже при индивидуальном способе компенсации и зависит от мощности вентильного преобразователя, динамики нагрузки и скорости изменения угла задержки вентилей, степени генерации в питающую сеть токов высших гармоник и т.д.
Высшие гармоники в силовых сетях промышленных предприятий
Нелинейные нагрузки для промышленных сетей по факту остаются типичными, а питание превалирующего большинства этих нагрузок обеспечивается вентильными преобразователями — в целом комфортными в эксплуатации, со сравнительно небольшими потерями мощности и простым регулированием. Вместе с тем, преобразующие напряжение/ток/частоту устройства являются не пассивным, а активным элементом питающей сети – потребляют реактивную мощность в большом спектре частот и засоряют сеть гармоническими искажениями, причем на текущий момент преобразователи с выпрямителями признаны мощными генераторами высших гармониктока и напряжения, что ведет к:
- появлению пульсирующего напряжения с значительным содержанием гармоник, неприемлемого для проведения ряда технологических процессов на базе электролиза;
- -значительным перетокам реактивной мощности в областях частот, отличных от основной частоты питающего тока и, как следствие — потерям активной мощности, рискам перегрева обмоток трансформаторов, линий передач и т.д.;
- быстрому выходу из строя изоляции из-за интенсивного физико-химического старения диэлектриков вэлектрическом поле токов высоких частот;
- появлению токов высших гармоник «по обе стороны» преобразующего устройства – и в питающей, и в выпрямленной сети, что ухудшает работу и нагрузки и провоцирует перетоки реактивной мощности «внутри» сегмента сети преобразователь-нагрузки;
- значительному снижению точности работы, а значит и достоверности показаний электроизмерительных приборов/устройств; нестабильной/неправильной работе ряда видов релейных защит, систем контроля/управления, телемеханики, связи и т.д.
Основные способы снижения содержания и влияния высших гармоник напряжения на сети промышленных предприятий.
На текущий момент снижение содержания и влияния высших гармоник напряжения на сети промышленных предприятий может быть достигнуто за счет:
- оптимизации существующей схемы электроснабжения;
- использования многофазных схем преобразования тока/напряжения/частоты;
- интеграции в питающую и преобразованную сети специальных резонансных фильтров высших гармоник, настроенных на частоту фильтруемой гармоники.
Вместе с тем, если и не наиболее прогрессивным, то популярным в сетях промышленных предприятий пока остается использование поперечных и/или параллельных силовых фильтров, настроенных в резонанс на частоту фильтруемой гармоники.
В поперечных фильтрах высших гармоник, по факту попутно генерирующих реактивную мощность, в каждое звено входит соединенные последовательно индуктивность и емкость, сопротивление которых соответственно увеличивается (для индуктивности реактора) и уменьшается (для емкости батареи) с ростом частоты тока. В параллельных фильтрах высших гармоник каждое звено настроено на резонанс частоты конкретной гармоники (5, 7, 11, 13, 23, 25-й и т.д.), и они тоже могут использоваться дополнительно для генерации реактивной мощности. Однако, силовые фильтры высших гармоник дорогие, а при их неправильном подключении/настройке коэффициент несинусоидальности фильтра в точке присоединения может увеличиваться, что вызывает перегрузку батарей конденсаторов токами высших гармоник вплоть до их аварийного отключения. Поэтому силовые фильтры рекомендуют использовать только после профессионального энергоаудита сети/сегмента сети и в сочетании с оптимизацией распределения нелинейной нагрузки – концентрации нелинейных нагрузок на выделенной секции шинодной обмотки многообмоточного трансформатора или рассредоточения нелинейных нагрузок по разным узлам сети.
