Анонс: перспективы гармонических искажений в силовых сетях. Негативное влияние гармоник на основные компоненты силовых сетей объектов разного назначения. Влияние гармоник на трансформаторы, нейтральный провод, конденсаторы.
Сегодня приоритетом для проектировщиков электрических сетей в коммунальных службах, промышленности, коммерческом и defacto в жилом секторах становится задача разработки новых и/или адаптации существующих систем для работы в средах с возрастающими уровнями гармоник. Источники гармоник в электросистеме будущего будут разнообразнее и многочисленнее, причем проблема усложняется с увеличением использования чувствительной электроники в промышленных автоматизированных (и автоматических) процессах, в том числе персональных компьютеров, цифровых коммуникаций и мультимедиа.
В перспективе ситуация будет осложняться с внедрением в системы распределенной генерации на возобновляемых источниках энергии, а также с усилением влияния на эмиссию (и трансмиссию) гармонических искажений жилым сектором при том, что даже на коммерческих и промышленных объектах концепция фильтрации гармоник известна далеко не всем и отнюдь не достаточно хорошо. В основном это связано с отсутствием или искажением информации о влиянии гармоник, генерируемых нелинейными нагрузками, на чувствительные коммерческие, промышленные процессы и оборудование, не говоря уже о безусловных негативах гармонических искажений для работы приборов, устройств, техники у бытовых потребителей.
Негативное влияние гармоник на основные компоненты силовых сетей объектов разного назначения
Негативы теплового воздействия гармоник на трансформаторы
Современные промышленные и коммерческие сети все больше подвержены влиянию значительных объемов гармонических токов, создаваемых различными нелинейными нагрузками, включая приводы с регулируемой скоростью, электрические и индукционные печи, энергосберегающее освещение, источники бесперебойного питания и др. (см. более детально в этом материале).
Все эти токи подаются через рабочие трансформаторы, особенностью которых является то, что в условиях насыщения они сами становятся источником гармоник. Трансформаторы, соединенные по схемам «треугольник-звезда» или «треугольник-треугольник», улавливают токи нулевой последовательности, вызывающие перегрев нейтральных проводников, но циркуляционные токи в треугольнике увеличивают среднеквадратичное значение тока и выделяют дополнительное тепло. Причем токи, измеренные на стороне высокого напряжения трансформатора, соединенного треугольником, не будут отражать токи нулевой последовательности, но их влияние на тепловые потери безусловно.
Как правило, потери гармоник происходят из-за повышенного рассеивания тепла в обмотках, скин-эффекта, а также вихревых токов и потерь в сердечнике. Это дополнительное тепло может оказать существенное влияние на сокращение срока службы изоляции трансформатора вплоть до создания аварийной ситуации, а непрерывная работа трансформаторов при номинальной мощности или выше может привести к высокой рабочей температуре, что ускорит деградацию изоляции и в лучшем случае приведет к сокращению интервала технического обслуживания.
Гармоники в перегрузке нейтрального провода
В однофазных цепях обратные токи, несущие значительное количество гармонических составляющих, протекают через соединения нейтрали трансформатора, увеличивая среднеквадратичное значение тока.
Кроме того, токи нулевой последовательности (нечётные целые числа, кратные трём) складываются по фазе в нейтрали и возникают значительные риски потери заземления вследствие перегрузки. В симметричных трехфазных четырехпроводных системах влияние гармоник на ток нейтрали отсутствует, однако в не полностью уравновешенных системах ток циркулирует по обратному (нейтральному) проводнику, и поскольку этот проводник обычно имеет такой же размер, как и фазные проводники (для удобной работы с несимметричными токами), он может перегреваться.
Обычной практикой является выбор размера нейтральных проводников таким образом, чтобы они пропускали в два раза больше среднеквадратичного тока, чем фазные проводники. Мониторинг повышения температуры на нейтральном проводнике трансформаторов может быть хорошим способом определения того, не оказывают ли токи гармоник нулевой последовательности чрезмерную нагрузку на нейтраль, однако это справедливо только до тех пор, пока в системе не возникнет повышенный уровень дисбаланса токов, который может привести к повышению температуры нейтрального проводника.
Негативное влияние гармоник на конденсаторы в силовых сетях
Повышенное напряжение может вызвать перегрузку и сократить срок службы конденсаторных модулей, батарей, а основными факторами, влияющими на состояние конденсаторов, являются напряжение, температура и токовые нагрузки. Выходная реактивная мощность конденсаторной батареи зависит от квадрата напряжения, но рабочее напряжение может увеличиваться и в условиях малой нагрузки или когда плавкие вставки срабатывают для изоляции вышедшего из строя блока конденсаторов, оставляя остальные конденсаторы в условиях перенапряжения.
Поэтому в IEEE 18-2002 регламентировано увеличение основных рабочих параметров конденсаторных батарей (см. рис. ниже), где ось Y показывает значения в процентах от номинала, а рабочие пределы установлены для непрерывной работы. Таким образом, важно учитывать эти ограничения и при проектировании фильтров подавления гармоник, и установок компенсации реактивной мощности, поскольку батареи конденсаторов в фильтрах с одинарной настройкой должны действовать как «сток» для всего количества гармонических токов соответствующей настроенной частоты.
Резонансные условия включают реактивное сопротивление конденсаторной батареи, которое для какого-то значения частоты равно индуктивному реактивному сопротивлению системы распределения, имеющей противоположную полярность. Эти два элемента «объединяются» с формированием последовательного или параллельного резонанса, причем в случае:
- последовательного резонанса полное сопротивление на резонансной частоте сводится исключительно к резистивной составляющей цепи и если эта составляющая мала, то будут формироваться большие значения тока на этой частоте;
- параллельного резонанса полное сопротивление на резонансной частоте очень велико (теоретически стремится к бесконечности), что может привести к большому перенапряжению между параллельно соединенными элементами даже при небольших токах гармоник.
В итоге резонансные условия могут представлять опасность для твердой изоляции кабелей и обмоток трансформатора, для конденсаторов, релейных устройств, а при проектировании установок компенсации реактивной мощности и/или активных, пассивных фильтров гармоник учет рисков резонанса сегодня является обязательным.
