Очередная публикация от специалистов завода конденсаторных установок «МИРКОН» расскажет о скрытых негативах гармонических возмущений в силовых сетях промышленных объектов, основных причинах аварий и пожаров в силовых сетях с гармоническими возмущениями, а также рассмотрит эффективные технические средства нивелирования гармоник в силовых сетях.
Несмотря на общее повышение интереса к проблемам гармонических возмущений в силовых сетях низкого и среднего напряжения со стороны федеральных, ведомственных институций и отчасти, к сожалению, менеджментов объектов разного назначения, вопросы гармоник рассматриваются преимущественно в:
- отношении реальной финансовой выгоды (прямой и косвенной) для предприятий при нивелировании гармоник, что является безусловным фактом, но не учитывает отдельный сегмент негативов гармонических искажений в сетях с различным типом нагрузки;
- аспекте стартовавшей, но пока вяло реализуемой defacto цифровой трансформации электросетей, в которой электромагнитные помехи могут буквально свести на нет не только качество, но и саму возможность коммутации управляющих комплексов АСУ с силовым оборудованием.
Наряду с этим и эмиссия гармонических возмущений источником в конкретной силовой сети, и переток гармоник вместе с реактивной мощностью фундаментальной частоты между сегментами сети и сетями разного уровня напряжения имеют ряд скрытых негативов: от быстрого износа оборудования с сокращением реальных сроков эксплуатации до значительного повышения аварийности силовых сетей с высокими рисками пожаров на объектах.
Т. е. нивелирование гармоник дает не только прямую, но и значительно большую косвенную выгоду по объемам финансовых инвестиций, которые уйдут на восстановление объекта после пожара или, как минимум, компенсацию потерь из-за остановки производственно-технологического процесса.
Основные причины аварий и пожаров в силовых сетях с гармоническими возмущениями
Исследования последнего десятка лет показывают, что в мегаполисах, таких, как Москва или Санкт-Петербург, а также крупных индустриальных населённых пунктах страны с большим потенциалом промышленного сектора около 55 % всех нарушений и/или остановок производственно-технологических процессов происходит из-за плохого технического состояния оборудования, обусловленного старением и последующим разрушением (деструкцией) изоляции, обрыва кабелей при снижении долговременной механической прочности, изменения электрических свойств материалов и т. д. Еще хуже обстановка с пожарами на предприятиях разных отраслей экономики — ежегодно около 78 % возгораний происходит из-за перегрева кабелей, контактных клемм, причем прирост числа пожаров составляет порядка 2.36 % в год.
Превалирующее число нарушений производственно-технологических процессов и пожаров из-за перегрева кабельных коммуникаций происходит на объектах с симметричной и несимметричной нелинейной нагрузкой, т. е. уже сейчас практически на всех крупных промышленных предприятиях как с новым, так и модернизированным оборудованием, являющимся по факту источниками эмиссии гармоник разных порядков.
В условно лучшем положении оказываются предприятия с симметричной нелинейной нагрузкой, однако превалирующее большинство современного оборудования генерирует в сеть гармоники, кратные 3(n = 3·(2k+1) при k — ряд 0, 1, 2...), которые составляют систему нулевой последовательности (одинаковые значения в каждый момент времени) и поэтому складываются в нулевом проводе. Если амплитуда кратных 3 гармоник составляет 35-40 % тока фундаментальной частоты, то в нулевом проводе будут протекать токи в 1.05-1.2·In, а значит, повышаются риски перегрева и/или обрыва провода, из-за чего происходит остановка производственно-технологического процесса или возникает пожар.
На уровне критической отметки находится ситуация в силовых сетях промышленных объектов с несимметричной нелинейной нагрузкой — в нулевом рабочем проводнике будут складываться токи, обусловленные как несимметрией, так и несинусоидальностью фазной нагрузки.
Если говорить упрощенно, то к токам гармоник кратных трем добавятся токи всех нефундаментальных частот плюс первой или, другими словами, фундаментальной, что нередко в часы пиковых нагрузок приводит к амплитудам в 2-3 раза большим In, следствием чего становится перегрев кабелей и клеммных соединений. Итог — снова пожар.
Эффективные технические средства нивелирования гармоник в силовых сетях.
В большинстве отечественных предприятий нелинейная нагрузка генерирует в сеть большой спектр гармонических возмущений, но, как правило гармоники от 25-го порядка имеют небольшие амплитуды и не оказывают критического негативного влияния на работу трансформаторов, оборудования и кабелей. Вместе с тем, это утверждение становится весьма сомнительным, если нагрузка нелинейная несимметричная, а амплитуды четных и нечетных гармоник первых порядков значительные, а меры по их нивелированию не предпринимаются или неэффективны.
Поэтому для снижения негативов влияния гармоник на оборудование, кабели, силовые сети и предприятие в целом нужно изначально проводить полный энергоаудит объекта с выявлением, анализом гармонических возмущений на всех фундаментальных частотах, как в период условного бездействия/сниженного объёма производства, так и в часы пиковых нагрузок.
Возможно оптимальным решением не только и не столько финансовой выгоды, сколько безаварийности объекта будет использование простых пассивных фильтров из пакета узкополосного и широкополосного звеньев, а в отдельных ситуациях уйти от проблемы удастся только с дополнительным локальным использованием активных фильтров гармоник.
Однако очевидным остается факт — проектирование фильтрокомпенсирующего устройства, как и установок компенсации реактивной мощности должно выполняться на высоком профессиональном уровне и исключительно по данным энергоаудита конкретного объекта с учетом возможного расширения производства и цифровой трансформации электросети.
