Несинусоїдальність напруги

Несинусоїдальність напруги - нормований показник по ГОСТ 13109-97 (норми якості електричної енергії).

Характеризується такими показниками:

  • коефіцієнт спотворення синусоидальности кривої напруги;
  • коефіцієнт n-й гармонійної складової напруги.

Причини виходу показників за межі норм складаються в використанні різних нелінійних приймачів електричної енергії, таких як:

  • вентильніперетворювачі;
  • силове електрообладнання з тиристорним управлінням;
  • дугові й індукційні електропечі;
  • люмінісцентні лампи;
  • установки дугового і контактного зварювання;
  • перетворювачі частоти;
  • побутова техніка (комп'ютери, телевізори та ін.).

У процесі роботи ці пристрої споживають енергію основної частоти, яка витрачається не тільки на вчинення корисної роботи і покриття втрат, але ще і на освіту потоку вищих гармонійних складових, які «викидається» в зовнішню мережу.

Вплив несинусоїдальності напруги на роботу споживачів електричної енергії.

У двигунах гармоніки напруги і струму призводять до появи додаткових втрат в обмотках ротора, в ланцюгах статора, а також в сталі статора і ротора. Через вихрових струмів і поверхневого ефекту втрати в провідниках статора і ротора більше, ніж визначаються провідникові. Струми витоку, що викликаються гармоніками в торцевих зонах статора і ротора, також призводять до додаткових втрат. Все це призводить до підвищення загальної температури машини і до місцевих перегрівів, найбільш імовірним в роторі, що може привести до серйозних наслідків. Також слід зазначити, що при певних умовах накладення гармонік може виникнути механічна вібрація ротора.

У трансформаторах гармоніки напруги викликають збільшення втрат на гістерезис, втрати, пов'язані з вихровими струмами в стали, і втрати в обмотках. Крім того, скорочується термін служби ізоляції. Збільшення втрат в обмотках найбільш важливо в разі перетворювального трансформатора, так як наявність фільтра, приєднаного зазвичай до сторони змінного струму, не знижує гармонік струму в трансформаторі. Крім того, можуть спостерігатися локальні перегріви трансформаторного бака.

У батареях конденсаторів гармоніки струму також призводять до додатковим втрат енергії. Внаслідок цього відбувається додаткове опалення конденсатора, який може привести до виходу останнього з ладу. Також можливе пошкодження конденсатора при виникненні гармонійних резонансів в мережі.

Гармоніки можуть порушувати роботу пристроїв захисту або погіршувати їх характеристики. Характер порушення залежить від принципу роботи пристрою. Найбільш поширеними є помилкові спрацьовування, які найбільш вірогідні в роботі систем захисту, заснованих на вимірюванні опорів.

Вплив гармонік на індукційні прилади вимірювання потужності та обліку електроенергії призводить до збільшення похибки результатів їх вимірювань.

Відповідальність і заходи компенсації

За ГОСТ 13109-97 постачальниками гармонійних спотворень є споживачі з нелінійними навантаженнями. Способи зниження несинусоїдальності напруги можна розділити на три групи:

  1. схемні рішення: виділення нелінійних навантажень на окрему систему шин, групування вентильних перетворювачів за схемою множення фаз, підключення нелінійного навантаження до системи з більшою потужністю короткого замикання;
  2. застосування обладнання, що характеризується зниженим рівнем генерації вищих гармонік, наприклад «не наситились» трансформаторів і багатофазних вентильних перетворювачів;
  3. використання фільтрових пристроїв: паралельних вузькосмугових резонансних фільтрів, фільтрокомпенсуючі і фільтросімметрірующіх пристроїв.

Вплив вищих гармонік і їх фільтрація

Розвиток сучасних технологій напівпровідників веде все до більш зростаючій кількості споживачів, керованих тиристорами і конверторами. На жаль, конвертори збільшують значення індуктивної реактивної потужності і погіршують несинусоїдальну форму струмового кривої. Це перешкоди живиться мережі ведуть до пошкоджень і помилковим включенням обладнання та приладів.

Типовий струм конвертора є накладення різних синусоїдальних складових струму, тобто основний мережевий частоти і певного числа так званих вищих гармонік (в трифазної мережі в першу чергу гармоніки 5-го, 7-го і 11-го порядків).

Забруднення мереж змінного струму вищими гармоніками може вести до таких наслідків:

  • зниження терміну служби конденсаторів
  • передчасне спрацьовування захисної апаратури
  • вихід з ладу або помилкова діяльність комп'ютерів, приводів двигунів, пристроїв освітлення та ін. чутливих споживачів

Паралельно зі зростанням струму в конденсаторах, який можна регулювати за допомогою конструктивних заходів, в несприятливих випадках в мережах можуть виникнути резонансні явища. Компенсаційні конденсатори й індуктивності трансформатора та мережі являють собою резонансний контур. Якщо власна частота такого контуру співпаде з частотою вищих гармонік, то можливе виникнення коливань зі значними надструми і перенапруги. Це веде до перезавантаженням і пошкоджень в електричних установках.

Метою підключення дроселя (реактора) до конденсатору служить зниження резонансної частоти мережі до значення, величина якого нижче значення найменшої вищої гармоніки даної мережі. Цим запобігається резонанс між конденсаторами і мережею, а значить і зростання струмів вищих гармонік. Крім того, таке включення має ефект фільтра, при якому зменшується ступінь спотворення напруги. Рекомендується в тих випадках, де частка споживачів, що забруднюють мережу вищими гармоніками, становить понад 20% усіх споживачів мережі.

Фільтр вищих гармонік

Для струмів вищих гармонік ланцюг фільтра являє собою дуже низька повний опір. Тому велика частина таких струмів направляється в цей контур. Резонансна частота конденсатора, включеного послідовно з дроселем, завжди лежить нижче частоти 5-ої гармоніки.

Схожі статті