Ключевые аспекты подхода к исследованиям силовой сети для оценки проблем эмиссии и трансмиссии гармоник. Основные принципы эмиссии и трансмиссии гармонических искажений.
Сегодня практически в любой силовой сети и промышленного, и непромышленного объекта используются нелинейные нагрузки, а значит за эмиссию будут ответственны несколько источников гармонических искажений, и каждый из них может иметь свой «индивидуальный» (по сочетанию частота-амплитуда) спектр гармоник. Вместе с тем, все источники гармоник (упрощенно) можно разделить на три большие группы устройств – силовые, дугового типа (электрические печи, люминесцентные лампы и др.) и ферромагнитные (трансформаторы, асинхронные двигатели и т.д.).
Для силовых полупроводниковых устройств спектр характеристических гармоник можно определить простым способом, исходя из количества ступеней преобразователя, для дуговых и трансформаторов - получить типовые спектры гармонических искажений. Однако такой подход (условно) правомерен только для превентивной оценки наличия или отсутствия проблемы гармонических искажений, а при проектировании предпочтение отдается спектру гармонического тока, полученному в результате измерений, что обеспечит гораздо более точное представление об источнике гармоник.
Основные принципы эмиссии и трансмиссии гармонических искажений.
Степень искажения сигнала напряжения будет зависеть от амплитуды гармонического тока источника и от его распространения в сети, причем мощная нелинейная нагрузка (группа нагрузок) может создавать гармонические токи значительных амплитуд (суммарно), трансмиссия которых в распределительную сеть вызовет искажения и в сети, а силовых сетях объектов, запитанных от той же линии.
В распространении гармоник, включая их трансмиссию в распределительную сеть и сети других Абонентов очень важную роль играет индуктивное и емкостное сопротивления, а трансформаторы и конденсаторные батареи, установки компенсации реактивной мощности по факту являются одними из элементов, которые могут способствовать, как ослаблению, так и усилению тока гармоник за счет резонансных явлений. Кроме того, сопротивление в сети зависит от частоты протекающего по ней тока, причем чем выше частота, тем больше индуктивное и меньше емкостное сопротивление (рис. ниже).
В целом это объясняет факты того, что токи высших гармоник не будут иметь такой же трансмиссии в распределительную сеть, как гармоники низших порядков, однако при наличии тех же УКРМ на подстанции и/или в сети смежного Абонента (при централизованной компенсации) конденсаторы для коррекции коэффициента мощности обеспечат гармоникам пути с низким импедансом на высоких частотах.
Поэтому важным при энергоаудите будет сканирование импеданса, которое используется для получения общего представления реакции энергосистемы, как функции частоты в определенных местах сети. Эта зависимость импеданса от частоты обычно определяется в местах, где в сети имеются нелинейные нагрузки, батареи конденсаторов или фильтры гармоник. Общее правило проведения замеров при наличии в силовой сети крупного источника гармоник – вблизи его подключения «выше по течению», чтобы оценить спектр, амплитуды искажений и их возможное влияние на другое оборудование, а также на ТП границы балансовой принадлежности для определения рисков трансмиссии гармоник в распределительную сеть (и дальше) и ухода от правовых коллизий с сетевой организацией.
Емкость энергосистемы всегда следует учитывать в исследованиях по оценке гармоник, поскольку она может привести к возникновению последовательных и параллельных резонансных явлений, которые увеличат гармонические токи и напряжения. Основной «вклад» в емкость сети вносят батареи конденсаторов, используемые для коррекции коэффициента мощности, и большие (по длине) участки изолированных кабелей. Важной считается и мощность линейной нагрузки, поскольку при «минимуме» это позволяет более точно оценить спектр и амплитуду гармонических искажений, а при «максимуме» «линейная» нагрузка вызывает ослабление гармонических искажений.
В целом гармонические токи свободно текут от источника генерации к любой точке, электрически связанной с ним, однако, гармоники, как и «любой ток» предпочитают идти по пути наименьшего сопротивления, что позволяет:
- ограничивать трансмиссию гармоник низких порядков повышением сопротивления трансформатора на ТП путем использования двух меньшей мощности вместо одного;
- строить «ловушки» для гармоник из колебательных L-C контуров (пассивные фильтры), в том числе «по месту» подключения нелинейных нагрузок включая ШИМ преобразователи;
- снижать трансмиссию гармоник высших порядков за счет использования не централизованной, а групповой, а лучше индивидуальной компенсации реактивной мощности установками УКРМ.
