Анонс: гармонические искажения в силовых сетях и выгоды от подавления гармоник. Способы подавления гармонических возмущений в силовых сетях низкого и низкого среднего напряжения.
Силовые электронные устройства, которым характерны быстрые и частые изменения нагрузки, сегодня широко распространены благодаря их многочисленным преимуществам, связанным с управлением технологическим процессом и экономией энергии. Однако генерируемые таким оборудованием гармоники могут нарушить нормальную работу других устройств и увеличить эксплуатационные расходы, обусловленные перегревом трансформаторов, двигателей и кабелей, тепловыми срабатывания защитных устройств, логическими сбоями цифровых устройств и приводов. Гармоники могут вызывать вибрацию и шум в электрических машинах (двигателях, трансформаторах, реакторах), а срок службы многих устройств может быть сокращен за счет повышения рабочей температуры, бросков напряжения и тока.
Снижение гармонических искажений до нормируемого уровня уже определено отечественными стандартами, но помимо этого, нивелирование гармоник в силовой сети дает прямую финансовую выгоду предприятию, а также целый пакет преимуществ, среди которых:
- разгрузка трансформаторов и распределительных сетей.
- обеспечение соответствия стандартам, определяющим пороговые нормы изменений параметров электросети, электромагнитной совместимости, а также уровней эмиссии и трансмиссии гармоник.
- повышение надежности силовой сети, производственно-технологических процессов и оборудования.
- снижение перегрева трансформаторов, двигателей и кабелей для увеличения срока их службы и снижения затрат на реновацию, замену оборудования и коммуникаций.
- формирование «чистых» силовых сетей, идеальных (теоретически) для работы цифровых АСУ с программно-логическими контроллерами, датчиками, телекоммуникационной связью и аппаратным комплексом для контроля и управления процессами в полностью автоматическом режиме.
Снижение полной мощности гармоник (по IEEE 1459 — harmonic apparent power) снижает нагрузку на распределительную сеть в кВА, так что может быть добавлено дополнительное технологическое оборудование без дополнительных инвестиций в рамках заключенного договора на поставку электроэнергии и ТУ на технологическое присоединение к распределительной сети.
Гармоники, генерируемые нелинейными нагрузками, могут вызывать нарушения в производственно-технологических процессах и работе агрегатов вплоть до аварийной остановки, логические сбои цифровых устройств с чувствительным технологическим оборудованием, что в итоге приводит к простоям, снижению качества продукции/услуг и финансовыми потерям.
Четыре основных способа подавления гармонических возмущений в силовых сетях
Особенности проектировки
Оборудование может быть спроектировано таким образом, чтобы выдерживать воздействие гармоник, например, трансформаторы, кабели, двигатели инверторов с ШИМ-преобразованием могут быть снабжены специальной изоляцией, чтобы выдерживать высокие значения dv=dt, а реле — настраиваться на измерение среднеквадратичных значений.
Пассивные фильтры
В подходящих местах, чаще всего вблизи источника генерации гармонических искажений, могут быть предусмотрены пассивные фильтры, чтобы токи гармоник улавливались колебательным контуром фильтра, уменьшались (теоретически) до нулевой амплитуды и суммарные возмущения, распространяющиеся в системе, уменьшались.
Активные фильтры гармоник
Активные методы фильтрации с помощью технических средств, как правило, располагаемые непосредственно возле источника гармонических искажений или встроенные в само оборудование, генерирующее гармоники. Активные фильтры гармоник (АФГ) создаются на базе ШИМ-инверторов и генерируют в сеть токи в противофазе гармоникам, что нивелирует искажения в сети «выше» места подключения фильтра. Также возможны гибридные комбинации активных и пассивных фильтров, создаваемые для уменьшения мощности и цены АФГ благодаря нивелированию гармоник первых порядков недорогими колебательными контурами.
Альтернативные технологии
Для ограничения гармоник в источнике могут быть задействованы альтернативные технологии, например, работа с более высоким числом импульсов преобразователей, комбинация ШИМ-инверторов, конвертеров с межфазными реакторами, гармоническая компенсация управляемыми реакторами, встроенными в само оборудование, генерирующее гармоники и т. д.
Какая стратегия будет наиболее полезной в данной конкретной ситуации во многом зависит от реальных амплитуд, спектра токов и напряжений, характера нагрузок, уровня короткого замыкания и др. параметров системы электроснабжения.
Наиболее целесообразны в сетях низкого и низкого среднего напряжения пассивные и активные АФГ фильтры гармоник, которые обеспечивают эффективное подавление гармонических искажений, уменьшают колебания напряжения, нивелируют броски токов и тем самым повышают срок службы оборудования и пропускную способность системы. АФГ и пассивный фильтр может быть автономным устройством, частью системы коррекции коэффициента мощности и гибридного технического средства фильтрации гармоник, а оптимальное решение находится при профессиональном проектировании и только на базе полного анализа силовой сети по максимальному числу параметров в часы пиковых нагрузок.
