Анонс: Более глубоко о пассивных шунтирующих фильтрах для устранения гармоник в силовых сетях. Однополосные пассивные фильтры гармоник — основы расчетов и проектирования.
Пассивные шунтирующие фильтры (с определенными допущениями) можно сравнить с нерегулируемыми конденсаторными установками повышения коэффициента мощности – это «рабочие лошадки», постоянно «дежурящие» в силовой сети и выполняющие свою работу (условно) без необходимости коррекции настроек. При эксплуатации пассивных фильтров нет всплесков тока или колебаний напряжения, вызываемых подключением ступеней регулируемых УКРМ (УКРМТ) или полупроводниковых вентилей тех же активных фильтров гармоник (АФГ), по стоимости шунтирующие пассивные фильтры, и особенно однополосные на порядки дешевле АФГ. В целом поэтому в 2020 вышла обновленная версия IEEE 1531 по проектированию, установке, эксплуатации шунтирующих пассивных фильтров гармоник в промышленных сетях низкого и среднего напряжения, однако на практике все не так просто и основные проблемы такого типа фильтров будут изложены в этом и следующих материалах цикла статей от компании «МИРКОН» «О реактивной мощности и гармониках для дилетантов в электроэнергетике»
Пассивные шунтирующие фильтры для устранения гармоник в силовых сетях.
Пассивный фильтр имеет очень низкий импеданс на частоте настройки, благодаря чему через контур будет отводиться весь ток конкретной (настроенной) частоты. Тогда (упрощенно) конструкция пассивного фильтра должна учитывать и возможный рост гармонического тока и/или реконфигурацию нагрузки, поскольку в противном случае фильтр будет подвергнут перегрузке, которая может быстро перерасти в экстремальный перегрев и тепловой пробой. Поэтому даже при известной (измеренной) амплитуде проблемной гармонической частоты просто скомпоновать колебательный контур самого простого однополосного фильтра будет опрометчивой идеей, а при профессиональном проектировании часто требуется большой объем работы по моделированию для проверки производительности фильтра при различных условиях нагрузки или изменениях топологии сети.
Кроме того, поскольку пассивные фильтры всегда обеспечивают компенсацию реактивной мощности в степени, определяемой величиной вольтамперного сопротивления и напряжением используемых конденсаторов (модулей, конденсаторной батареи), то:
- фильтры фактически могут быть разработаны для двойной цели - обеспечения фильтрации гармонических искажений и повышения коэффициента мощности до желаемого уровня;
- при использовании в силовой сети типовых конденсаторных установок УКРМ, УКРМТ (включая фильтровые УКРМФ, УКРМТФ) нужно учитывать возможные риски перекомпенсации со всеми ее негативами для сети и оборудования. Причем если используется более одного фильтра — например, наборы из 5-й и 7-й или 11-й и 13-й ветвей, важно помнить, что все они будут обеспечивать определенную компенсацию реактивной мощности и суммарный эффект от фильтров и других устройств должен быть учтен еще на этапе проектирования.
Однополосные пассивные фильтры гармоник – основы расчетов и проектирования.
Однополосный фильтр (Single-tuned filters) представляет собой последовательную комбинацию индуктивности и емкости, а все гармонические токи нагрузок, частота которых совпадает с частотой настроенного фильтра, проходят через него и постепенно нивелируются. Резонансная частота самого простого однополосного фильтра может быть найдена из зависимости:
где f0 = резонансная частота в герцах; L = индуктивность фильтра в генри; C = емкость фильтра в фарадах.
В качестве одной из важных характеристик фильтра используют добротность (quality factor), как отношение индуктивного или емкостного реактивного сопротивления в условиях резонанса к сопротивлению контура, а для фильтров, используемых в промышленности, типичные значения Qf колеблются между 15 и 80. Упрощенно – чем выше добротность, тем уже полоса частот, улавливаемых фильтром и больше его (фильтра) эффективность (см. график зависимости в этом материале), но в низковольтных сетях согласно рекомендаций международных технических регламентов используют фильтры с добротностью до 40-60, что позволяет «отсеивать» больший (по спектру) объем гармонических искажений.
Процесс проектирования фильтра представляет собой нахождение компромисса между несколькими факторами: простота обслуживания, экономичность и надежность. В большинстве случаев ищется конструкция простейшего фильтра, выполняющего требуемую работу. Шаги по настройке фильтра гармоник с использованием базовых соотношений для обеспечения надежной работы можно представить следующим образом: рассчитать значение емкости, необходимое для улучшения коэффициента мощности; подобрать реактор, чтобы настроить последовательный контур на желаемую частоту устраняемой гармоники; рассчитать пиковое напряжение на клеммах конденсаторов и среднеквадратичное значение тока реактора; проверить характеристики фильтра, чтобы убедиться, что компоненты будут работать в пределах, рекомендованных IEEE-182 (или отечественных аналогов).
Пассивные фильтры пропускают и нивелируют гармонический ток, который можно выразить как долю тока нагрузки на основной частоте, они дороже, чем просто реакторы последовательного подключения, которые используются для некоторого ослабления гармоник, но имеют то преимущество, что дополнительно обеспечивают генерацию реактивной мощности на фундаментальной частоте.
В целом это довольно надежное, недорогое и эффективное решение проблемы гармонических искажений, однако есть ряд факторов, которые могут сделать пассивные фильтры не пригодными и даже негативно влияющими на параметры качества в силовой сети объекта (об этом в следующем материале).
