Что такое и когда возникает последовательный резонанс в силовой сети объекта. Наиболее проблемные ситуации с рисками резонансных явлений.
Последовательный резонанс (упрощенно) – когда емкость (конденсаторные батареи, установки компенсации реактивной мощности) и индуктивность (трансформатора или распределительной линии) формируют последовательную LC-цепь по отношению к источнику гармонических искажений.
В этой ситуации если резонансная частота соответствует характеристической гармонической частоте нелинейной нагрузки, то участок LC будет «притягивать» большую часть гармонического тока, генерируемого в распределительной системе. Т.е. по факту Абонент, даже не имеющий нелинейной нагрузки, но использующий конденсаторные установки коррекции коэффициента мощности, может столкнуться с высокими гармоническими искажениями напряжения из-за трансмиссии гармоник из соседних источников (см. рис. ниже).
Упрощенная схема последовательного резонанса показана на рис. ниже, где источник гармоник представляет собой суммарные гармоники, создаваемые другими нагрузками. При резонансе конденсаторная батарея, установка коррекции коэффициента мощности образует последовательную цепь с трансформатором и источниками гармоник.
Индуктивность, установленная последовательно с конденсатором, соответствует индуктивности рабочего входного трансформатора. Индуктивность участка такой цепи очень мала (теоретически равна нулю), а токи ограничиваются только сопротивлением и, в итоге, гармонический ток, соответствующий резонансной частоте, будет свободно протекать в этой цепи. Напряжение на конденсаторной батарее, установке коррекции реактивной мощности увеличивается и сильно искажается, что видно из следующего уравнения:
Us = Xc*Uh/R,
где Uh и Us – соответственно напряжение гармонического тока Ih и напряжение на конденсаторной батарее (установке) коэффициента мощности. Сопротивление R последовательного резонансного контура является малым по сравнению с реактивным сопротивлением, а частота последовательного резонанса всегда больше частоты параллельного резонанса.
Справка: пренебрежимо малый импеданс последовательного резонансного контура может быть использован для поглощения желаемых гармонических токов и это на практике используется при проектировании пассивных фильтров.
Наиболее проблемные ситуации с рисками резонансных явлений
Наиболее часто резонансные условия возникают при установке мощных конденсаторных установок, батарей на шинах распределительных подстанций, понижающих ТП и в силовых сетях промышленных объектов при использовании схем централизованной, а часто и групповой компенсации. В этих случаях, когда трансформатор доминирует в импедансе системы и имеет высокое отношение X/R, относительное низкое сопротивление риски резонансных явлений очень высокие, а броски тока или перенапряжения являются наиболее частой причиной выхода из строя конденсаторов, трансформаторов или нагрузочного оборудования.
Зарубежные и отечественные исследования последних двух десятков лет показывают, что:
- около 20 процентов промышленных установок, для которых не проводится энергоаудит с анализом спектра гармоник, имеют серьезные сбои в работе или отказ оборудования из-за резонансных явлений;
- подбор конденсаторных батарей, установок компенсации реактивной мощности по таблицам, опросным листам производителей, как правило, приводит к ситуации, когда резонансные частоты возникают вблизи пятой гармоники, а это одна из худших гармоник, поскольку в подавляющем большинстве случаев (на промышленных объектах) имеет одну из наибольших амплитуд.
Существует ошибочное мнение, что резистивные нагрузки гасят гармоники, однако в действительности они только будут ослаблять резонансные явления, что приведет к уменьшению гармонических искажений. Кроме того, нагрузки от электродвигателей (в основном индуктивные) хотя и обеспечивают небольшое демпфирование гармоник, но могут увеличивать искажения, смещая резонансную частоту системы ближе к значимой (по амплитуде) гармонике.
