Анонс: Негативы гармонических искажений в силовых сетях низкого и низкого среднего напряжения. Влияние гармоник на трансформаторы, конденсаторы и кабели силовой сети.
В последние годы проблема гармоник в силовых потребительских сетях вышла на уровень критических, что связано с использованием более современного оборудования, приводов, технологий. Однако если средне- и высоковольтные сети достаточно проработаны в направлении сокращения гармонических искажений, то низковольтные и сегмента низкого среднего напряжения пока остаются «забытыми», как Росстандартом и монополистами на рынке электроэнергии, так и самими владельцами — абонентами.
Вместе с тем, устранение гармонических возмущений в потребительских сетях de facto выгодно финансово, технически и технологически, поскольку гармоники негативно влияют, как на саму сеть, так и силовое оборудование, кабеля, телекоммуникации, ухудшая состояние, увеличивая потери и сокращая срок службы.
Влияние гармоник на трансформаторы силовых сетей
Гармоники в трансформаторах возникают в результате насыщения, переключения соединений обмоток, высокой плотности потока и на практике трансформаторы являются, как источниками, так и «передатчиками» гармонических возмущений, определяя факт трансмиссии гармоник между участками сети и сетями разного напряжения, балансовой принадлежности.
Срок службы трансформаторов даже при нормированных пределах несимметрии и несинусоидальности (2 и 5 % соответственно) сокращается на 8-10 %, а потери активной энергии растут пропорционально увеличению объемов, амплитуд токов гармоник, увеличивающих среднеквадратическую величину тока нагрузки. При работе на холостом ходу потери на гистерезис пропорциональны частоте, а пиковое значение пускового тока может в 8-15 раз превышать ток полной нагрузки трансформатора.
Значительный вклад в потери трансформаторов, как на холостом ходу, так и под нагрузкой оказывает скин-эффект — образуются вихревые токи в обмотках с амплитудой, зависящей от квадрата частоты. Вихревые токи обуславливают неравномерное распределение плотности тока по сечению с концентрацией токов высоких частот в поверхностных слоях, что увеличивает сопротивление провода и потери электрической энергии с преобразованием тепловую. Нагрев обмоток в свою очередь ведет к деструкции изоляции и обуславливает сокращение срока службы, межремонтных периодов и повышение рисков аварийности трансформаторов.
Влияние гармоник на конденсаторы, конденсаторные модуля, батареи, установки
Основное влияние гармонических искажений в сети на конденсаторы заключается в том, что с одной из гармоник может возникнуть состояние резонанса, при котором перенапряжения или токи значительных амплитуд приводят к пробою диэлектрика или, как минимум, к сокращению срока службы. Конденсаторы, конденсаторные модули, батареи, установки компенсации реактивной мощности могут быть расположены на промышленном предприятии с нелинейными нагрузками, ответственными за генерацию гармоник или рядом с ним, но из-за трансмиссии гармонических возмущений одинаково подвергаться рискам резонансных явлений.
Практикой в нашей стране, как и других развитых странах мира уже подтверждено, что силовая сеть потребителя, не имеющая источников гармонических возмущений, может подвергаться гармоническому загрязнению из-за нелинейных нагрузок других потребителей в системе, а риски перегрузки конденсаторов про току или напряжению становятся критическими в потребительских сетях промышленных предприятий низкого и низкого среднего напряжения.
Влияние гармоник на кабеля линий и коммутаций в силовых сетях
Несинусоидальный ток в проводнике обуславливает дополнительные потери энергии, как из-за скин-эффекта, так и «эффекта близости» фазных проводников, причем оба эти эффекта зависят от частоты тока, размера жилы, конструкции кабеля и расстояния между ними (кабелями при прокладке и жилами в кабеле). Данными ряда отечественных и зарубежных исследований подтверждено, что даже при фундаментальной частоте 50 Гц сопротивление проводов переменному току выше, чем сопротивление постоянному, а для гармонических токов эти эффекты более выражены.
Скин-эффект — это явление переменного тока, при котором плотность тока через поперечное сечение проводника неоднородна, и ток имеет тенденцию протекать более плотно около внешней поверхности проводника. Это связано с тем, что поток переменного тока приводит к наведенной ЭДС, которая больше в центре, чем на окружности проводника, а формируемая разность потенциалов обуславливает вихревые токи, которые направлены против вектора основного тока в центре, но имеют аналогичное направление на поверхности, что «вытесняет» поток наружу и уменьшает полезную площадь проводника. Сегодня скин-эффект используется в полых проводниках и трубчатых шинах с высокой допустимой нагрузкой для экономии материальных затрат, однако негативно влияет на энергосбережение и срок службы кабелей в обычных силовых сетях.
Эффект близости возникает из-за искажения распределения тока между двумя проводниками в непосредственной близости, что вызывает концентрацию тока в частях проводов или шин, расположенных близко друг к другу.
