Расплата за невнимание

Гармоническая составляющая высшего порядка: как ценовой фактор и источники помех в сети

Энергетические сети являются аортами промышленности, однако над их надежностью редко задумываются. Зачастую предприятия знают только одну сторону: либо ток есть, либо его нет. Едва ли кто-нибудь задается вопросом, насколько действительно хорошо качество сети. При ближайшем рассмотрении, однако, оказывается, к каким тяжелым последствиям в работе приводит такая вещь, как высшая гармоника. С представленными здесь помехоподавляющими фильтрами предприятия сейчас разработали действенное средство против гармонической составляющей высшего порядка.

Электрическая энергия используется повсеместно и в большом количестве. Правда, ответа на вопрос о качестве энергетических сетей все еще нет. Либо оборудование выходит из строя все еще редко и без видимых эксплуатационных причин, либо оно удивляет своими сбоями в работе и ложными запусками. Один точный анализ сети является весьма показательным.

Чистое синусоидальное напряжение: редко

Симметричное, чистое синусоидальное напряжение, для которого рассчитывается оборудование, редко в перегруженных современной электроникой сетях переменного тока. Высшие гармоники искажают синусоидальные волны. Они появляются в сетях энергопоставщиков в течение многих лет и имеют возрастающую тенденцию. К тому же причины гармонической составляющей высшего порядка очень разнообразны. Одними из первых были ртутные выпрямители, введенные в действие для преобразования переменного тока в постоянный для электровозов и моторов постоянного тока с регулируемым числом оборотов в промышленности. Сегодня на промышленных предприятиях прежде всего присутствуют моторы с регулируемым числом оборотов, мощное USV (системы бесперебойного питания) оборудование, компьютеры, газоразрядные лампы и силовая полуприводная техника с выпрямительными мостами В 6 (шестифазный диодный мост), которые перегружают сети высшими гармониками.

Как распознать проблемные места

Гармоническая составляющая высшего порядка дает о себе знать в энергетических сетях совершенно разнообразными способами. Некоторые, как, например, вибрация и развитие помех, можно принять за досадные проявления, они не причиняют существенный вред функциям оборудования и машинам. Но если в напряжении питания индукционного электродвигателя присутствуют высшие гармоники, это становится причиной возникновения составляющих на частотах высших гармоник в магнитном потоке. Они, в свою очередь, способствуют наведению гармоник ЭДС, в результате чего на обмотках ротора возникают высшие гармоники тока. Последние взаимодействуют с магнитным потоком, при этом создавая на валу электромашины дополнительные механические моменты. Все это ведет к тому, что на валу двигателя происходят гармонические пульсации вращающего момента. Кроме того, возможны и экстремальные случаи, когда процесс вибрации возникает на резонансной частоте вращающейся массы ротора, что может привести к разрыву вала последнего. Гармонические составляющие могут быть опасны для конструкции электромашин. Так, некоторые пары гармоник (например, 5 и 7) становятся причиной механических колебаний, частота которых равна 6-ой гармонике в двигателе либо генераторе. Подобные колебания возникают вследствие искажения кривой напряжения питания и сопутствующих колебаний вращающего момента.

Если частота таких колебаний будет равной частоте механического резонанса, то конструкция электрической машины подвергается перегрузкам. Также из-за высоких частот гармонических составляющих электрического тока значительно усиливается шум в процессе работы оборудования, что является результатом магнитострикции. Токи, которые были искажены высшими гармониками, могут привести и к интенсивному нагреванию кабелей и проводов. А как результат этого – возникновение эффекта близости и поверхностного эффекта.

Еще одним способом проявления высшей гармоники является перекрестная модуляция. В проводах коммуникаций и в электронных схемах это может привести к сбою в работе или выходу из строя.

Перегрев трансформаторов, моторов и конденсаторов часто также происходит из-за высшей гармонической составляющей тока. Очевидно, что сокращение продолжительности эксплуатации оборудования приводит, как следствие, к затратам.

В добавок из-за высшей гармонической составляющей тока увеличиваются затраты на энергию. В сильно перегруженных сетях в нулевом проводе могут суммироваться потоки высшей гармоники вплоть до 300% общего тока. При вычислении можно легко вывести, что потоки гармонической составляющей высшего порядка имеют долю активного тока. На практике присутствие доли активного тока можно также просто доказать. Первые исходные данные уже показывает измерение температуры на нулевом проводе. Согласно теории только минимальный переходный ток течет по нулевому проводу. В многочисленном промышленном оборудовании нулевые провода нагреваются, что является верным признаком наличия потоков гармонической составляющей.

Так образуется гармоническая составляющая высшего порядка

Выпрямители тока, преобразователи частоты, USV-оборудование и электронные блоки питания сегодня присутствуют в большом количестве во всех энергетических сетях как потребитель электроэнергии. Ток, который они отнимают, является не синусоидальным, а пульсирующим. Одна из причин этого лежит в ударном заряде сглаживающего конденсатора в подобных приборах. Современные промышленные предприятия зачастую используют нагрузки с нелинейными вольт-амперными характеристиками. К оборудованию подобного рода относятся: установки дуговой и контактной сварки, тиристорные преобразователи, газоразрядные лампы, руднотермические и электродуговые сталеплавильные печи и т.д. Для питания они используют ток, кривая которого несинусоидальная, в результате чего возникают такие же (несинусоидальные) режимы либо нелинейные искажения кривой напряжения сети. Несинусоидальные режимы оказывают неблагоприятное воздействие на работу силового электрооборудования, а также системы автоматики, релейной защиты, телемеханики и связи. Экономический ущерб, который является результатом такого влияния, обусловлен, прежде всего, падением надежности функционирования электросетей, ухудшением энергетических показателей и значительным сокращением срока эксплуатации электрического оборудования.

Проблема несинусоидальности сводится к решению ряда вопросов. Среди них:

Как известно, любая несинусоидальная периодическая функция f(t) с периодом 2, которая удовлетворяет условию Дирихле, может быть представлена как сумма постоянной величины и ряда синусоидальных величин с кратной частотой. Данные синусоидальные составляющие и именуются как гармоники. Если период синусоидальной составляющей равен периоду несинусоидальной, то такая составляющая называется гармоникой. В остальных случаях мы имеем дело с высшими гармониками.

Потоки высшей гармоники в сеть являются неизбежной причиной обратного действия. Хотя соответствующие национальные и международные положения, такие как DIN EN 61000-3-2, DIN EN 61000-3-12, IEEE 519-1992 и ГОСТ 13109-97, устанавливают предельное значение для потоков высшей гармоники, но на производственной практике мы до сих пор встречаемся только с пренебрежением к этой проблеме.

Для надежного энергоснабжения в промышленности с ее преобладающими трехфазными электроприемниками особенно большое значение приобретает богатая энергией пятая гармоническая составляющая высшего порядка в 250 Гц и седьмая гармоническая составляющая высшего порядка в 350 Гц.

Трехфазные нагрузки, как, например, оборудование с непостоянным числом оборотов, а также большое USV-оборудование, располагают трехфазной мостовой схемой (шестипульсовый мост). Порядок гармонической составляющей зависит от числа пульсов выпрямителя тока. При одной шестипульсовой мостовой схеме это означает, что конечный порядок гармонической составляющей равняется v=k*p… 1. Т.е. при трехфазной мостовой схеме появляются гармонические составляющие пятого, седьмого, одиннадцатого, тринадцатого и т.д. порядка. Третья гармоническая составляющая, как правило, исходит только от однофазных потребителей электроэнергии, как, например, компьютер или монитор в административных зданиях, и в промышленном использовании играет второстепенную роль.

Влияние высших гармоник на работу электрооборудования

Стоит отметить также, что высшие гармоники напряжения и тока влияют и на погрешности, которые могут возникать у электроизмерительных приборов. Например, индукционные счетчики реактивной и активной энергии при работе с несинусоидальным напряжением имеют большую погрешность, которая достигает 10%. Высшие гармоники затрудняют и во многих случаях делают невозможным эксплуатацию силовых цепей, которые выступают в качестве каналов, необходимых для передачи информации. Они также отрицательно сказываются на работе телемеханических устройств и даже способны вызывать сбои в процессе их работы. Это особенно актуально, если как каналы связи между полукомплектами контролируемых пунктов используются силовые цепи. Для работы вентильных преобразователей несинусоидальная форма кривой напряжения также неблагоприятна, т.к. ухудшает качество выпрямления тока.

Потери электроэнергии – это скрытые затраты

В каждом электрическом приборе прохождение тока и процесс перемагничивания влечет за собой потери электроэнергии. При определении размеров проводов, трансформаторов и приводов это учитывается, соответствующие компоненты рассчитываются. Энергетические затраты на эти потери должны быть приняты, т.к. современная техника еще не совсем позволяет их избежать.

Гармоническая составляющая высшего порядка, тем не менее, генерирует дополнительные потери, такие как повышенные потери в меди и железе в трансформаторах и повышенные потери мощности. Если просуммировать эти потери на предприятии, отсюда получатся затраты, которые могут составить дополнительные расходы в размере 5% от ежегодного счета за электроэнергию.

До сих пор этим затратам на энергию уделялось мало внимания. Недостаточные знания и слабая измерительная техника являются основными причинами. Современные же анализаторы сетей заботятся о необходимой прозрачности. С их помощью можно легко определить источники помех, выявить путь распространения потоков и разработать базу для выбора помехоподавляющего фильтра (фильтра, подавляющего высшую гармонику) оптимальных параметров. Немецкая компания BLOCK (Block-Transformatoren-Electronik, Gmbh) оказывает помощь своим клиентам по всей Европе в квалифицированном анализе сетей и в определении параметров помехоподавляющего фильтра, а также является ведущим европейским производителем помехоподавляющего оборудования.

Эффективная защита сети при помощи фильтра

Для того чтобы эффективно защитить сети от гармонической составляющей высшего порядка, до сих пор промышленность предлагала использовать дроссель или активные фильтры. Оба способа позволяли сократить высшую гармонику. Конечно, оба способа имеют определенные недостатки. Результаты фильтрации не всегда удовлетворительные. С активными фильтрами удалось почти полностью устранить гармоническую составляющую, только вот технические издержки и цена, которыми достигался такой результат, были очень высоки.

Компания BLOCK со своими помехоподавляющими фильтрами проложила третий путь между дросселированием и активными фильтрами. По мере своего развития компания сначала просто сконцентрировалась на фильтрах для промышленного использования, главным образом, на пятой и седьмой гармонической составляющей. Помехоподавляющие фильтры позволили описать составные части гармонических составляющих с помощью значения THD (полное искажение гармонической составляющей) для всех преобразователей частоты и схем промежуточных контуров с входным мостом B6.

Модуль фильтра: свободное устанавливаемые

В зависимости от расчетов фильтры могут быть установлены либо напрямую на генератор гармонической составляющей, либо как дополнительный фильтр в распределительный щит низкого напряжения. Обычно они подсоединяются напрямую к устройству и на основании характеристик гармонической составляющей настраиваются. К тому же расчет параметров фильтра, который будет устанавливаться напрямую на источник помех, очень прост. Модули помехоподавляющего фильтра могут приблизительно измерить мощность источника помех. Для оптимального расчета параметров фильтра компания BlOCK использует специальные анализаторы сетей. По требуемой величине значения THD можно свободно определить параметры фильтров.

Выпускаемая линейка оборудования охватывает помехоподавляющие фильтры от 4 до 800 кВт. Фильтры большей мощности могут быть реализованы просто через параллельное подключение.  

На основании точной технологии расчета и применения высококачественных компонентов потери системы с фильтрами минимальны. При сравнении промышленных сетей с фильтрами и без, быстрее приносят положительный результат модули с фильтрами высшей гармоники. Фильтры BlOCK не требуют обслуживания, просты и недороги в установке. Они обеспечивают безопасность работы. Практические знания подтверждают незначительные капиталовложения, такие как выход из строя оборудования и сбои в отключении из-за гармонической составляющей. Дополнительные тепловые нагрузки от трансформаторов и проводов минимизируются помехоподавляющими фильтрами. Это оборудование надежно предотвращает досрочное старение электрических и электронных элементов и установок. Новые установки не нуждаются в каких-либо затратоемких расчетах с повышенным запасом прочности.

Всю интересующую информацию о возможности приобретения и установки помехоподавляющих фильтров компании BLOCK на территории Российской Федерации, а также консультацию по другим линейкам оборудования этой компании Вы можете получить, обратившись в компанию ООО «МИГ Электро». Квалифицированные специалисты компании «МИГ Электро» окажут Вам помощь на всех этапах реализации проекта по защите Вашего оборудования от помех: оценка электромагнитной совместимости источников высших гармоник и других нагрузок; количественная оценка высших гармоник тока, генерируемых различными нелинейными нагрузками; выработка рекомендаций по снижению уровней высших гармоник; поставка, установка, подключение и тестирование помехоподавляющего оборудования.

При подготовке статьи использовались материалы:

1. Статья для журнала KEM, автор Michael Klusmann
2. ГОСТ 13109-97
3. Федеральный закон «О государственном регулировании в области обеспечения электромагнитной совместимости технических средств» от 01.12.1999г.