В последние десятилетия развитие распределительных сетей с регулируемым нормативно-правовыми актами качеством поставляемой электроэнергии затрудняется из-за причины парадоксального характера — нагрузки (приборы, устройства, агрегаты) эволюционируют в аспекте потребительской функциональности, но одновременно с этим растет их негативное влияние на качество генерируемой и поставляемой по магистральным линиям электроэнергии.
По факту синфазные сети (с аналогичными по времени максимальными значениями тока и напряжения) с «чистой» резистивной нагрузкой и/или сети с индуктивной/емкостной нагрузками и синусоидальной формой тока/напряжения сегодня остались только в теории, а любой сегмент и распределительная сеть в целом в том или ином объеме насыщены нелинейными нагрузками, не только формирующими «нетиповой» сдвиг фаз тока/напряжения, но и искажающими форму синусоид за счет появления значительных по амплитуде токов высших гармоник.
Коэффициент мощности в потребительских сетях.
В относительно «чистых» в контексте нелинейных нагрузок сегментах потребительских сетей кривые тока и напряжения условно имеют синусоидальную форму, в случае превалирования индуктивной нагрузки ток по фазе отстает от напряжения, при преимущественно емкостной нагрузке – напряжение по фазе отстает от тока и чем ближе угол сдвига фаз к 90 градусам, тем меньше реактивная составляющая тока и доля реактивной мощности. В таких условиях бесспорно полезной будет компенсация реактивных токов и реактивной мощности конденсаторными установками КРМ, УКРМ (см. установки компенсации реактивной мощности КРМ 6,3 (10,5) кВ здесь, а конденсаторные установки КРМ/УКРМ 0.4 кВ здесь) (в случае превалирования индуктивных нагрузок!) и использование в расчетах типовой формулы с коэффициентом мощности cos ȹ или коэффициентом реактивной мощности tgȹ, хотя следует учитывать, что:
- коэффициент мощности cos ȹ (отношение активной мощности к полной мощности) в отличие от коэффициента реактивной мощности tg ȹ не дает необходимой и достаточной информации о реальной величине реактивной мощности;
| cos φ | 1.0 | 0.99 | 0.97 | 0.95 | 0.94 | 0.92 | 0.9 | 0.87 | 0.85 | 0.8 | 0.7 | 0.5 | 0.316 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| tg φ | 0.0 | 0.14 | 0.25 | 0.33 | 0.36 | 0.43 | 0.484 | 0.55 | 0.60 | 0.75 | 1.02 | 1.73 | 3.016 |
| РМ,% | 0.0 | 14 | 25 | 33 | 36 | 43 | 48.4 | 55 | 60 | 75 | 102 | 173 | 301.6 |
- при «калькуляторных» расчетах мощности устанавливаемой конденсаторной установки (без скрупулезного аудита сегмента/сети) вполне вероятна перекомпенсация реактивной мощности, не менее вредная для компенсируемой сети, распределительной подстанции и распределительной сети более высокого уровня.
Существенно осложняется не только коррекция коэффициента мощности, но и идентификация проблемы реактивных токов в целом в сетях с нелинейными нагрузками — тиристорными контроллерами и частотными приводами, трансформаторами и устройствами плавного пуска электродвигателей, дуговыми плавильными печами и сварочными аппаратами, системами освещения с ДРЛ/люминесцентными лампами и компьютерами/компьютерной периферией, источниками бесперебойного питания и выпрямителями, конвертерами, генераторами и т.д. Так, например, импульсные источники питания показывают синфазность тока и напряжения (реальный сдвиг фаз очень мал — 10-15 градусов), однако их коэффициент мощности значительно меньше 1, поскольку активную мощность определяет ток базовой (основной) частоты, а полную мощность — ток основной частоты и токи высших гармоник, значительные по величине в 3, 5, 7, 9 и 11 гармониках.
Рис. Осциллограмма импульсного источника питания (слева) и токи высших гармоник (справа).
В больших масштабах проблему демонстрирует сегмент трехфазной сети с нелинейной нагрузкой, даже если нагрузка симметрична (равномерно распределена по фазам) - принцип частичной компенсации при векторном сложении токов в линейных проводах работает только для токов основной частоты, но в нейтральном проводе протекают токи высших гармоник, которые могут быть немного меньше по амплитуде, но существенно больше по действующему значению, чем токи в фазных проводах, что вызывает перегрузку нейтрального провода и связанные с ней негативные последствия для всей сети.
Интегральную характеристику сети с нелинейными нагрузками учитывают коэффициентом гармонических искажений Кг (в России), показывающим долю энергии гармоник высшего порядка в сравнении с энергией основной (первой) гармоники, или THD (в ЕС) - полным коэффициентом гармонических искажений (THDF - total harmonic distortion factor), демонстрирующим отношение всей энергии гармонических колебаний (без основной гармоники) к энергии основной гармоники. Активная мощность в сетях с несинусоидальными нагрузками определяется формулой P[in] = Vin(rms)* Iin(rms)*cos ȹ* cos θ, где
В 2001 году в Европейском Союзе введен в действие Стандарт IEC/EN61000-3-2, устанавливающий ограничения на гармоники входного переменного тока до 40-й гармоники включительно и определяющий четыре класса оборудования в зависимости от его типа и формы кривой тока.
Таблица. Предельные значения нелинейных искажений тока THDI в соответствии с IEC/EN61000-3-2, в зависимости от тока короткого замыкания Iкз и максимального потребляемого тока I п. макс.
| Iкз / I п. макс. | <11 | 11≤h<17 | 17≤h<23 | 23≤h<35 | 35≤h | THDI, % |
|---|---|---|---|---|---|---|
| <20 | 4 | 2 | 1.5 | 0.6 | 0.3 | 5 |
| 20 - 50 | 7 | 3.5 | 2.5 | 1 | 0.5 | 8 |
| 50 - 100 | 10 | 4.5 | 4 | 1.5 | 0.7 | 12 |
| 100 - 1000 | 12 | 5.5 | 5 | 2 | 1 | 15 |
| >1000 | 15 | 7 | 6 | 2.5 | 1.4 | 20 |
