Анонс: альтернативные способы снижения уровня гармоник. Реконфигурация топологии силовой сети, увеличение тока короткого замыкания, применение многоимпульсных преобразователей и последовательно соединенных реакторов.
В условиях практического отсутствия на электротехническом рынке России активных и дефицита пассивных фильтров гармоник, вызванных ограничениями импорта, декларативностью программ импортозамещения, в том числе в их новой версии — концепции технологического суверенитета, критически важным для менеджментов разных объектов становится поиск и реализация альтернативных способов снижения уровня гармонических искажений в собственных силовых сетях.
В предыдущем материале были приведены некоторые из этих альтернатив (реконфигурация сети, увеличение тока короткого замыкания, применение многоимпульсных преобразователей, последовательно соединенные реакторы, балансировка и группировка фазной нагрузки), но следует четко понимать, что целесообразность любого из этих (или иных) мероприятий уже сегодня должна оцениваться не столько по реальной финансовой выгоде (прямой и косвенной) для предприятий при нивелировании гармоник, сколько по необходимости обеспечить функциональность силовой сети и, соответственно, объекта в целом.
Реконфигурация топологии силовой сети
Одним из мероприятий, которые часто помогают уменьшить влияние неотфильтрованных гармоник, является реконфигурация топологии силовой сети. Здесь необходимо выявить нагрузки и сегменты силовой сети, которые вносят в систему большое количество гармонических токов, и определить их частотный состав.
Обычно перераспределение нагрузки с использованием той же проводки или дополнительных цепей может обеспечить экономичное решение для радикального снижения помех. Распределение наибольших нелинейных нагрузок по разным фидерам, как и балансировка однофазных нагрузок в трехфазных системах, может быть выгодной, поскольку уменьшит чрезмерное падение напряжения из-за гармонических токов, протекающих по «одному пути».
Если фильтры подавления гармоник не используются по финансовым или иным причинам, смешивание линейных и нелинейных нагрузок на фидере может позволить уменьшить гармонические искажения, поскольку линейные нагрузки действуют как естественные аттенюаторы параллельных резонансных пиков. Это мероприятие не следует рассматривать в случае, когда линейные нагрузки включают чувствительные электронные или промышленные процессы, которые могут быть нарушены, если THD в какой-то момент несколько увеличится.
Увеличение тока короткого замыкания
Увеличение соотношения между током короткого замыкания и номинальным током нагрузки делает узел питания более надежным и это часто используется электросетевыми компаниями при наращивании мощности своих подстанций.
Мощные узлы питания могут лучше поглощать переходные помехи в сети и ослаблять влияние больших пусковых токов трансформатора, значительных нагрузок при запуске электродвигателей. То же самое относится и к токам гармоник, поскольку более низкий импеданс источника питания приводит к меньшему падению напряжения не только в установившемся режиме на фундаментальной частоте, но и для токов более высоких частот. Т.е. высокие токи короткого замыкания связаны с источниками с низким импедансом, которые, в свою очередь, обратно пропорциональны мощности трансформатора и это можно проиллюстрировать путем простого расчета изменения импеданса при замене «старого» трансформатора с на «новый» с другим номиналом.
Например, трансформатор мощностью 30 МВА будет иметь импеданс в два раза меньше, чем трансформатор мощностью 15 МВА того же класса напряжения, а ток короткого замыкания будет в два раза выше, а значит распределительный трансформатор сможет работать, как демпфирующий гармоники реактор без рисков (условно) провалов напряжения и короткого замыкания в обмотках, хотя это не исключает эмиссию искажений самим трансформатором (более подробно в этом материале).
Применение многоимпульсных преобразователей
Однофазные преобразователи используются в сетях с малой нагрузкой, а базовый многофазный преобразователь представляет собой 6-импульсный блок или комбинацию этих блоков.
Теоретически 12-импульсный блок, подавляет гармоники более низкого порядка (5-ю и 7-ю), но согласно формуле h = mp ±1 (здесь p — число импульсов преобразователя, m — любое целое число) генерирует 11-ю и 13-ю, 23-ю и 25-ю, 35-ю и 37-ю характеристические гармоники, имеющие меньшие амплитуды и значительно меньшие риски резонансов с индуктивностью силовой сети. В свою очередь 24-ипульсный блок опасен только 23-й и 25-й, 47-й и 49-й гармониками, на практике имеющими очень малые амплитуды и несущественно влияющие на параметры силовой сети (см. рекомендации IEC 61642 по подавлению эмиссии гармоник ШИМ-преобразователей в этом материале). Заменить 6-импульсный преобразователь, например, на 24-импульсный вовсе не так сложно, поскольку 24-пульсный блок строится из четырех 6-пульсных выпрямительных мостов, каждый из которых имеет фазовый сдвиг относительно других блоков, что достигается использованием фазосдвигающих трансформаторов с отдельными дополнительными обмотками.
Последовательно соединенные реакторы
Последовательно соединенные реакторы долгое время использовались в промышленности как способ обеспечения контроля над уровнями тока короткого замыкания, а также в качестве гармонических аттенюаторов. Это обусловлено тем, что при последовательном соединении реактор выступает в качестве накопителя энергии, противодействующего быстрым изменениям тока, и теоретически обеспечивает двустороннее ослабление импульсных и гармонических токов, генерируемых по обе стороны от него.
Реализация такого мероприятия позволит обеспечить некоторое ослабление негативов переходных или сверхпереходных событий на стороне линии электропередачи, возникающих при переключении конденсаторных батарей или помех при замыканиях на линии в дополнение к подавлению гармонических токов.
