Пассивные фильтры гармоник — базовые положения

Аннотация: активные, пассивные фильтры и гармоники в силовых сетях с учетом цифровой трансформации. Что такое пассивные фильтры гармоник и как они работают.

Резкое изменение вектора развития энергетики в сторону цифровой трансформации электросетей после утверждения новой Энергетической стратегии страны в прошлом году обусловило внесение корректив в концепцию качества электроэнергии и электромагнитной совместимости силового оборудования. Причем на фоне стимулирующего влияния введенных в действие с начала текущего года новых версий ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, определяющих и нормы электромагнитной эмиссии гармоник, сверх- и интергармоник в сетях разного уровня напряжения, и ответственности сетевой организации и абонента сети:

• лоббируется интерес к очень дорогим активным фильтрам гармоник (АФГ), пока в основной своей доле поставляемым из-за рубежа и, соответственно не снижающим зависимость от импорта, что сегодня стало лейтмотивом практически всех программных документов и стратегий в стране;
• Росстандарт, «Россети», ФСК ЕЭС и т. д. не создали даже своих рецепций IEEE 1459, формализующего параллелепипед мощности в сетях с высшими гармониками, базовые формулы расчета и терминологию;
• буквально остались «за бортом» наработки и разработки недорогих пассивных фильтров гармоник, которые экономично и эффективно решают проблемы наиболее интенсивных гармоник первых порядков, приносят даже большую финансовую выгоду, чем АФГ благодаря «скромным» инвестициям в изготовление, установку, а кроме того, выпускались, собираются и реализуются отечественными предприятиями, т. е. позволяют дополнительно решать и вопросы импортозамещения.

Справка
В силовой электронике для низковольтных сетей большая доля отечественных и зарубежных пассивных фильтров предлагается в виде «дросселей» для нивелирования рисков перегрузки по току конденсаторов установок компенсации реактивной мощности, часто асинхронных двигателей, иногда ШИМ-преобразователей, что по терминологии технически безграмотно и существенно ограничивает реальные возможности всех фильтров.

Таблица. Силовые фильтры для сетей низкого и среднего напряжения

Defacto пассивные фильтры при правильном проектировании на базе энергоаудита объекта с определением спектра и интенсивности высших гармоник позволяют эффективно нивелировать эмиссию и трансмиссию канонических и неканонических гармоник в сегментах сетей и сетях, причем при несоизмеримых с АФГ инвестициях в реализацию проектов.

Что такое пассивные фильтры гармоник и как они работают

Пассивные фильтры гармоник — колебательные контура из индуктивности L и емкости С (по факту RLC — цепи), в которых (упрощенно) происходит трансформация энергии электрического поля (при разряде конденсатора) в энергию магнитного поля (при протекании тока по катушке индуктивности) и наоборот. По сути, после разряда конденсатора ток идет в катушку, где возникает противодействующее ЭДС с противоположным по знаку напряжением, что приводит к перезарядке конденсатора и т. д. «по кругу» до полного затухания колебаний из-за потерь энергии на активном сопротивлении.

Емкостное сопротивление контура Х_С=1/2πfС=1/ωС, индуктивное Х_L=2πfL=ωL (угловая частота ω=2πf), а модуль комплексного сопротивления контура:

При последовательном соединении в цепочку емкости и индуктивности и параллельном присоединении контура в сеть комплексное сопротивление контура может быть или индуктивным, или емкостным, поскольку с повышением частоты индуктивное сопротивление увеличивается, а емкостное уменьшается.

На определенной частоте f₀ (или ω₀), называемой резонансной Х_С=1/2πf₀С=Х_L=2πf₀L и комплексное сопротивление равно активному, т. е. минимально. Тогда токи резонансной (или близкой к ней) частоты пойдут от нагрузки не в сеть, а через контур, где будут «гаситься» активным сопротивлением цепочки, при частотах больше резонансной контур будет работать, как насыщающийся реактор с ослаблением гармонических колебаний, при более низких частотах — как компенсатор реактивной мощности емкостного характера.

По этому принципу построены большинство пассивных шунтирующих фильтров, подключаемых параллельно в силовую сеть, а резонансная частота подбирается в зависимости от частоты гармоники с максимальной амплитудой по IEC 61642, где определены безопасные (для информационных каналов телекоммуникаций) частоты резонанса для промышленных и аналогичных им по характеру нагрузок сетей.

В целом мощность фильтра зависит от нагрузки, амплитуды шунтируемых токов и основным элементом контура считается индуктивность, а конденсатор (или модуль, батарея) подбирается по реактору для вывода RLC — цепи на требуемую резонансную частоту.

В следующей статье этой серии пойдет речь о резонансе напряжений, токов, фильтрах различного уровня и их применении.