Анонс: устаревшая и современная концепция причин снижения качества электроэнергии и повышения аварийности силовой сети. «Традиционные» и основные «новые» источники гармоник и реактивной мощности в силовых сетях.
Для второй половины прошлого и начала текущего века у подразделений энергетиков объектов типичным пониманием возникновения проблемы низкого качества электроэнергии и аварийности силовой сети было наличие энергоприемников, потребляющих реактивную энергию для создания магнитного поля — трансформаторов с железным сердечником, электродвигателей, а также сварочного оборудования и/или дуговых плавильных печей. В той или иной мере проблему устраняли интеграцией возле нелинейной нагрузки или в сеть по схемам групповой, централизованной компенсации конденсаторов, конденсаторных батарей и установок повышения коэффициента мощности, однако с развитием технологий, повышением функциональности силового оборудования и систем автоматизации ситуация стала ухудшаться.
Уже в начале века были подняты «из архивов» теории и международные регламенты о балансе мощности, что в итоге привело к появлению новой концепции причин снижения качества электроэнергии и повышения аварийности силовой сети, в которой:
- перетоки реактивной мощности рассматриваются, как основная, но отнюдь не единственная причина снижения качества электроэнергии;
- большая доля ответственности за аварии в силовой сети из-за перегрева кабелей, обмоток трансформаторов, двигателей, пробоя конденсаторов, ложного срабатывания автоматики переложена на гармонические искажения на нефундаментальных частотах;
- определено, что даже объект с небольшой по мощности нелинейной нагрузкой может быть аварийным и неуправляемым (в аспекте автоматики) из-за «засорения» гармоническими искажениями, поскольку гармоники перегенерируются трансформаторами подстанций сетевых организаций и свободно «мигрируют» по силовыми сетям абонентов.
Справочно
Согласно недавнему исследованию в ЕС, около 40 % всей производимой электроэнергии используется для жилых или коммерческих зданий (квартиры, офисные, торгово-развлекательные центры, больницы, отели, театры, школы, спортивные сооружения и пр.), в которых инфраструктуры имеют одну общую черту — значительный объем электроники в силовых сетях (диммеры, таймеры, датчики движения, переключатели, термостаты, регуляторы нагревателей, приводы с регулируемой скоростью для систем отопления, вентиляции и кондиционирования, насосы, лифты, эскалаторы, офисная техника (компьютеры, экраны, копировальные аппараты), аудиовизуальные развлекательные системы, комплексы и технические решения безопасности и т. д.).
На практике при всей прогрессивности такого оборудования именно оно является источником гармонических искажений, причем спектры гармоник в силовых сетях объектов жилых или коммерческих зданий включают четные, нечетные, интер-, сверхгармоники, без профессионального анализа и энергоаудита практически не идентифицируются по критическим порядкам/амплитудам, но мигрируют через распределительные сети в силовую инфраструктуру объектов промышленного и иного непромышленного назначения. Добавляет «проблем» новый тренд перехода на альтернативную электроэнергетику, поскольку солнечные, ветровые электростанции с ШИМ инверторами, конвертерами, регулируемыми приводами и пр. являются мощными источниками гармоник.
Формально в нашей стране трансмиссия гармоник между силовыми сетями, ответственности сторон за поддержание порогового уровня гармонических искажений зафиксированы в новых ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020, ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, ГОСТ Р 59032.1/4-2020, но пока не введены в договора и ТУ на подключение Абонентов к распределительной сети, а значит не работают ни de jure, ни de facto.
«Традиционные» источники гармоник и реактивной мощности в силовых сетях
К традиционным источникам гармоник и реактивной мощности в силовых сетях правомерно отнести трансформаторы, электродвигатели, электроплавильные печи и аппараты дуговой сварки.
Кривая намагничивания у трансформаторов более нелинейные, чем электродвигателей, генерирующих преимущественно третью гармонику, что обуславливает достаточно емкий спектр гармонических искажений от трансформатора и особенно в условиях насыщения — при работе выше номинальной мощности (обычно в периоды пиковой нагрузки), с повышением напряжения выше номинальных значений (обычно в условиях небольшой нагрузки) или из-за переключения нагрузок с большой реактивной мощностью. Как видно из графика ниже даже небольшое перенапряжение (выше номинального значения) вызывает значительное увеличение тока намагничивания, а это и реактивная энергия на фундаментальной частоте и мощность гармоник с большими амплитудами (до 11-13 порядков).
Дуговые печи и сварочные аппараты обычно потребляют много электроэнергии, что в совокупности с сильно нелинейной вольтамперной характеристикой создает значительные (по мощности) гармонические искажения, причем из-за особенностей процесса с сильными и резкими изменениями параметров спектр включает и четные, и нечетные гармоники.
«Новые» источники гармоник и реактивной мощности в силовых сетях
Импульсные источники питания (SMPS — Switched mode power supplies)
Импульсные источники питания созданы для преобразования нерегулируемого входного напряжения переменного тока в регулируемое выходное напряжение постоянного тока. В отличие от более старых линейных источников питания SMPS потребляют импульсы тока, а не непрерывный ток, а эти импульсы содержат большое количество гармоник вплоть до 34 порядка.
Частотно-регулируемые приводы
Частотно-регулируемые приводы, по сути, — группа оборудования, в которой используются статические преобразователи на основе трехфазного моста, но поскольку (в целом) спектр гармоник связан с количеством импульсов нелинейной нагрузки (или путей проводимости), то импульсный преобразователь генерирует пары гармоник, в которых одна на единицу меньше, а другая на единицу больше порядка, кратного числу импульсов. Т. е. 6-импульсный преобразователь будет генерировать 5-ю и 7-ю, 11-ю и 13-ю, 17-ю и 19-ю и т. д. гармоники, 12-импульсный — 11-ю и 13-ю, 23-ю и 25-ю, 35-ю и 37-ю и т. д.
