Выбор настроенного (резонансного) пассивного фильтра гармоник

Аннотация: настроенные (резонансные) пассивные фильтры гармоник в нивелировании гармонических возмущений в силовых сетях предприятий. Выбор топологии и расчет пассивного фильтра гармоник.

В подавляющем большинстве силовых сетей с общим коэффициентом гармонических искажений до 30-40 % основную долю возмещений формируют гармоники первых двух десятков порядков, причем с значительными амплитудами — 3, 5, 7, 9, 11 (в зависимости от характера и типа нелинейных нагрузок). Причем в каждой отдельно взятой силовой сети (или ее сегменте) спектр гармоник с амплитудами выше нормы может быть разным вплоть до одной-двух, что делает экономически целесообразным использование пассивных фильтров — колебательных LC- или RLC-контуров, настроенных на резонансные частоты (tuned filter).

Справка
В отличие от LC-контуров демпфированные (сопротивлением) RLC-фильтры имеют добавочное реактивное сопротивление, позволяющее снизить зависимость работы фильтра от сопротивления силовой сети, увеличить полосу пропускания частот, но снижающее добротность контура. Для демпфированных фильтров добротность g=Х₀/R, где Х₀= — реактивное сопротивление фильтра на резонансной частоте, а полоса пропускания ∆f=fрез/g, т. е. чем больше демпфирующее сопротивление в контуре, тем меньше добротность, но шире полоса пропускания фильтра.

При необходимости подавления двух и более гармоник настроенные пассивные фильтры изготавливаются в виде блоков с отдельными ветками-модулями, каждый из которых представляет собой LC- или RLC-контур, настраивается на свою резонансную частоту. Модуля в блоке подключаются все одновременно, при необходимости автономно, попарно (например, 5 и 7, 5 и 11-й гармоник), но только последовательно в порядке возрастания частот настройки (5, 7, 11 и т. д.), и отключаются также последовательно, в обратном порядке.

Важно
Частоты гармонических возмущений и их амплитуды необходимо выявлять профессиональным анализом всего спектра гармоник в каждой конкретной сети в рамках энергоаудита объекта. Причем спектр и амплитуды частот искажений в идеале должны определяться, как в часы пиковой нагрузки, так и в полностью ненагруженной смети для выявления наличия, спектра, амплитуд гармоник, мигрирующих в сеть из распределительной сети (или любых других сетей аналогичного или разного уровня напряжения, балансовой принадлежности).

Для превентивной оценки требуемой конфигурации, мощности и стоимости фильтра, ориентировочные данные для расчетов пассивных настроенных фильтров можно взять из паспортов нелинейной нагрузки и/или справочников.

Выбор топологии и расчет пассивного фильтра гармоник

При выборе места подключения, топологии пассивного настроенного фильтра следует придерживаться следующих правил:

• если по данным анализа качества электроэнергии в силовой сети (под и без нагрузки) выявлен факт трансмиссии гармоник из других сетей, в том числе распределительной, то согласно ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, определяющему ответственности сетевой организации и абонента сети, стоит подать рекламацию в сетевую организацию и нивелировать эмиссию гармоник источников в своей силовой сети;
• если по данным анализа качества электроэнергии выявлено превышение нормы:
  -одной гармоники, то можно использовать наиболее простой настроенный фильтр;
  -двух и более гармоник, но не более 4 — блок из соответствующего числа модулей-фильтров;
  -более 4 гармоник — блок из 3-4 настроенных резонансных фильтров (узкополосных) плюс один широкополосный демпфирующий фильтр с частотой последней, не компенсированной гармоники;

Действующие с начала 2021 ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, определяют индикативные уровни электромагнитной эмиссии гармоник, сверх- и интергармоник в сетях разного напряжения, по которым можно ориентироваться о целесообразности подавления гармонических возмущений тех или иных порядков.
IEC 61642 рекомендует применение демпфирующих (сглаживающих) фильтров (damped filter) с характеристическим волновым сопротивлением р=X_L1/X_C1=7 % (здесь X_L1/X_C1 — отношение индуктивного и емкостного сопротивления на фундаментальной частоте f₁), настроенных на частоту 3,78*f₁, которую стандарт считает оптимальной для большинства сетей с нелинейными нагрузками.

На практике широкополосные фильтры эффективны в подавлении частот, близких к частоте настройки, но работают тем хуже, чем выше гармоники от этой частоты. Поэтому для примышленных сетей (и трансформаторных подстанций разной балансовой принадлежности чаще используются пакетные решения из 2-3 резонансных и одного демпфирующего фильтра.

• Если в силовой сети по результатам анализа выявлены значительные искажения частоты, то нужно использовать демпфированные резонансные фильтры, а не обычные LC-контуры.
• При выборе емкости конденсатора (конденсаторов) в фильтре учитывается вырабатываемая ими реактивная мощность Q=n²/(n²—1)*U²₁*C*2πf₁, где n — порядок гармоники резонансной частоты, U₁ и f₁ — напряжение и частота фундаментальной частоты. Из этой формулы находят емкость конденсатора (конденсаторного модуля), затем из условий резонанса Х_С=1/2π*f₁*С=Х_L=2π*f₁*L находят индуктивность по емкости L=С/(4π²*f₁²);
• Определяемая расчетом индуктивность пассивного фильтра является пороговой минимальной и базовой.

Т. е. при комплектации выбирается реактор с индуктивностью из серийных значений, но большей, чем определенная расчетом пороговая величина. Затем по формуле 1/2π*f₁*С=2π*f₁*L проводят перерасчет емкости, на значение которой при сборке выходят (при необходимости) варьированием параллельного и последовательного подключения конденсаторов.

Важно
Характеристическое волновое сопротивление р=X_L1/X_C1=(f₁/fрез)^1/2 и кроме того, показывает изменение напряжения емкости в контуре при увеличении/уменьшении резонансной частоты U_c=U_n*(1/(1-p)). Поскольку емкость зависит и от реального напряжения, и от температуры эксплуатации, то эти показатели учитываются при профессиональном расчете пассивных фильтров во время проектирования.