Анонс: безальтернативные и профильные источники искажений в силовых сетях объектов разного назначения. Трансформаторы в искажении параметров качества электроэнергии силовых сетей объектов.
Все источники искажений параметров качества электроэнергии в силовых сетях объектов разного назначения можно условно разделить на:
- «Безальтернативные» — силовое оборудование, устройства, присутствующее практически в любой силовой сети и пока (а вероятно, и в будущем) не имеющее альтернативы для замены. Причем большинство таких устройств даже в перспективе совершенствования конструкции, технологий, материалов будет негативно влиять на параметры качества электроэнергии в энергосистеме. Наиболее наглядный пример — трансформаторы, электродвигатели, коммутирующие кабели, а (условно) с недавних пор конвертеры, полупроводниковые устройства и т. д.
- «Профильные» — оборудование и устройства, используемые в силовых сетях объектов специального профиля деятельности и/или для решения определенных задач — электропечи, сварочные аппараты, контроллеры двигателей постоянного тока, циклопреобразователи, активные фильтры гармоник и пр.
Трансформаторы, электродвигатели, реакторы, кабели (подземные, с изоляцией, многожильные), конвертеры и т. д. как источники эмиссии гармонических искажений и реактивной мощности на фундаментальной частоте должны обязательно рассматриваться при модификации, расширении, создании силовых сетей, и серия информационных материалов посвящена особенностям и уровню негативного влияния этих устройств на параметры качества электроэнергии, надежность и стабильность электроснабжения.
Трансформаторы в искажении параметров качества электроэнергии силовых сетей объектов
В этом материале были определены основные причины эмиссии гармонических искажений трансформаторами и здесь следует учитывать факт того, что в условия насыщения сердечника трансформатор может попасть при работе как выше номинальной мощности, так и выше номинального напряжения.
Первая ситуация может возникнуть в периоды пиковой, а вторая — в условиях малой нагрузки, особенно если батареи конденсаторной установки компенсации реактивной мощности не отключены до нужного уровня генерации, а напряжение фидера превышает номинальные значения. Кроме того, насыщение трансформатора также может происходить после провала напряжения, поскольку резкое изменение напряжения приводит к появлению постоянной составляющей в потоке намагничивания.
Трансформатор, работающий в области насыщения, будет показывать нелинейный ток намагничивания (см. рис. ниже), который содержит множество нечетных гармоник с доминирующей третьей, причем эффект искажений повышается с увеличением нагрузки.
В идеальном сердечнике без потерь гистерезисные потери отсутствуют, а магнитный поток и ток, необходимый для их создания, связаны через ток намагничивания стального листового материала, используемого в конструкции сердечника.
Когда рассматривается эффект гистерезиса, несинусоидальный ток намагничивания не является симметричным относительно своего максимального значения, а искажение обычно происходит из-за нечетных гармоник кратных трем (3-й, 9-й, 15-й и т. д.), но в основном из-за третьей гармоники. Эту спектральную составляющую можно ограничить использованием соединения трансформатора треугольником, что поможет поддерживать напряжение питания с приемлемой синусоидальной формой волны. В трехстержневых трансформаторах все магнитодвижущие силы нечетных гармоник кратных трем находятся в фазе и имеют одно направление, что определяет высокие суммарные значения искажений, причем амплитуды пятой и седьмой гармоник также могут быть значительными (от 5 до 10 %) и их нельзя игнорировать.
В сетях распределения электроэнергии гармоники, обусловленные током намагничивания трансформатора, достигают своего максимального значения перед рассветом, когда система слабо загружена и уровень напряжения высокий. Когда трансформатор обесточен, он сохраняет остаточный магнитный поток в сердечнике, а при повторном включении этот поток сливается с намагничивающим, создаваемым пусковым током, и их комбинация может давать пиковые значения, в три или более раз превышающие номинальный поток при номинальной нагрузке. Возникающий в результате эффект может привести к тому, что сердечник трансформатора достигнет экстремального уровня насыщения, связанного с чрезмерным витковым током внутри сердечника. Продолжительность тока намагничивания в основном зависит от сопротивления первичной обмотки и для больших трансформаторов с высоким сопротивлением обмотки этот процесс может идти в течение многих секунд.
В целом гармонический состав установившихся токов в трехфазных системах не включает даже гармоники, которые появляются при асимметрии формы волны, когда положительные и отрицательные полупериоды не имеют одинаковой амплитуды. Однако при подаче питания распределительный трансформатор вырабатывает все виды гармоник низшего порядка, включая четные (особенно вторую и четвертую, как показано на рис. ниже), которые часто используются для сдерживания срабатывания дифференциальной защиты.
Наличие четных гармоник и их затухающий характер типичны при насыщении трансформатора и типовые результирующие значения THD для источника напряжения и тока нагрузки составляют 6 и 66 % соответственно, однако при увеличении импеданса вдвое соответствующие значения THD увеличиваются до 9 и 98 % для напряжения и тока соответственно, что демонстрирует важную роль, которую играет импеданс источника в определении уровней искажения напряжения.
Максимально возможного нивелирования искажений от силовых трансформаторов добиваются правильным подбором по мощности, использованием двух и более трансформаторов, планированием режима работы нагрузки. При ограниченной возможности проведения таких мероприятий хороший эффект в устранении наброса токов гармоник дают резонансные пассивные фильтры, подбираемые по результатам и анализу полноценного энергоаудита силовой сети конкретного объекта.