В настоящее время в различных странах действуют национальные нормы, лимитирующие, как правило, уровень гармоник в кривых напряжений или токов. При составлении этих норм принимались во внимание исключительно технические соображения, так как, по мнению ряда зарубежных авторов, возможность расчета ущерба от действия гармоник весьма проблематична. В отдельных случаях энергетическими системами Западной Европы задаются максимально допустимые уровни отдельных гармоник напряжения, что необходимо для выбора силовых фильтров.

Международной электротехнической комиссией (МЭК) приняты нормы, согласно которым допускается мгновенное отклонение напряжения сети, т. е. разность ординат кривых результирующего напряжения и первой гармоники, на шинах преобразователя не более 5% амплитудного значения.

6.2. Сущность искажения синусоидальности кривых напряжений и токов

Искажения вызываются работой ЭП с нелинейной вольт-амперной характеристикой и регулируемых преобразователей переменного тока в постоянный. Кривые тока и напряжения в этих случаях приобретают вид, отличный с синусоиды. Пользуясь методом гармонических составляющих, можно исходную несинусоидальную кривую разложить на сумму синусоидальных с определенными значениями амплитуд гармоник их начальных углов.

Гармоники создают магнитные поля различных последовательностей. Так как кривые напряжений в каждой фазе сдвинуты между собой на 1/3 (или на полный период третьей гармоники), то третьи гармоники совпадают друг с другом по фазе и образуют нулевую последовательность. Аналогично ведут себя все гармоники, кратные трем. Поэтому токи гармоник, кратных трем, не могут существовать в трехфазной сети без нулевого провода или выйти за пределы обмоток, соединенных в треугольник. Порядок чередования фаз для гармоник n=4, 7, 10, 13... (n -1 делится на 3) совпадает с прямым, а гармоник n=2, 5, 8, 11,... (n+1 делится на 3) — с обратным порядком.

6.3. Влияния высших гармоник на силовые установки

Высшие гармоники в системе электроснабжения промышленных предприятий, как уже отмечалось ранее, нежелательны по ряду причин: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшается качество работы систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи.

При работе асинхронного электродвигателя в условиях несинусоидального напряжения несколько снижаются его коэффициент мощности и вращающий момент на валу.

На практике искажение кривой напряжения мало влияет на коэффициент мощности двигателя; так, например, если амплитуды 5-й и 7-й гармоник напряжения составляют соответственно 20 и 15% амплитуды первой гармоники, то коэффициент мощности двигателя уменьшается на 2,6% в сравнении со значением его при синусоидальном напряжении. В условиях промышлен­ных предприятий искажения напряжения бывают меньшими, поэтому влияние высших гармоник на коэффициент мощности асинхронного электродвигателя можно не учитывать.

Моменты, развиваемые высшими гармониками тока, также составляют очень малую величину вращающего момента асинхронных и синхронных двигателей, определяемого первой гармоникой питающего напряжения. Так, для асинхронного двигателя средней мощности при удельном весе 5-й гармоники напряжения, равном 20% основной, момент, обусловленный 5-й гар­моникой, не превосходит 0,1% момента, развиваемого при промышленной частоте.

6.4. Влияние гармоник на изоляцию электроустановок

Искажение формы кривой напряжения оказывает существенное влияние на возникновение и протекание ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов.

При наличии газовых включений в изоляции в этих включениях возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей нейтрализации их. Нейтрализация заряда связана с рассеиванием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик. В результате ионизационных процессов развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к снижению ее электрической прочности, возрастанию диэлектрических потерь и в конечном счете к сокращению срока службы.

Количество разрядов в газовых включениях зависит от формы кривой напряжения, приложенного к изоляции.

Подробные многолетние исследования форм кривых напряжения в сетях промышленных предприятий показывают, что в большинстве случаев за счет высших гармоник кривые напряжения принимают более заостренную форму в сравнении с синусоидой и поэтому наличие высших гармоник в этих сетях приводит к ускоренному старению изоляции электрических машин и трансформаторов.

При наличии гармоник в кривой напряжения процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает также более интенсивно, чем в случае, когда конденсаторы работают при синусоидальном напряжении. Это объясняется тем, что физико-химические процессы в диэлектриках, обусловливающие старение их, значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля. Аналогично влияет дополнительный нагрев, вызванный протеканием высших гармоник тока.

Таким образом, наличие высших гармоник в кривой напряжения, даже в допустимых пределах, приводит к значительной интенсификации процесса старения диэлектрика конденсаторов и как следствие сокращению срока службы их.

В соответствии с ГОСТ 1262-68 батареи конденсаторов могут длительно работать при перегрузке их токами высших гармоник не более чем на 30%; допустимое повышение напряжения лимитируется величиной 10%. Однако при длительной эксплуатации конденсаторов в этих условиях срок службы их сокращается. В условиях промышленных предприятий, как правило, конденсаторы периодически оказываются в режиме, близком к резонансу токов на частоте какой-либо из гармоник низкого порядка; вследствие систематических перегрузок они быстро выходят из строя. В настоящее время на многих крупных промышленных предприятиях, где имеются мощные вентильные преобразователи, батареи конденсаторов без применения специальных мер защиты их от высших гармоник, по существу, не работают. В результате снижается коэффициент мощности электроустановок цехов и производств, ухудшаются экономические показатели систем электроснабжения предприятий.

При несинусоидальном напряжении сети происходит ускоренное старение изоляции силовых кабелей. Для подтверждения этого положения были сопоставлены результаты замеров токов утечки кабелей, проложенных почти одновременно и работающих в сходных температурных условиях; часть обследованных кабелей работала при практически синусоидальном напряжении, другая — при уровне гармоник в кривой напряжения в пределах 6—8,5% (преобладали 5-я и 7-я гармоники). Токи утечки во втором случае через 2,5 года эксплуатации оказались в среднем на 36% больше, через 3,5 года — на 43%.

6.5. Влияние высших гармоник на системы автоматики

Воздействие высших гармоник на системы импульсно-фазового управления вентильными преобразователями может привести к воз-никновению так называемой гармонической неустойчивости. Явление гармонической неустойчивости состоит в появлении на шинах многофазного преобразователя большого напряжения четной гармоники или гармоники, кратной трем; при этом в кривой напряжения сети появляются также другие гармоники четных порядков и кратные трем, однако меньшие по величине. Искажения кривой напряжения сети могут быть столь большими, что в инверторном режиме преобразователя появятся нарушения коммутации; при этом работа системы импульсно-фазового управления также может оказаться неустойчивой.

Гармоническая неустойчивость может возникнуть при подключении преобразователя к электрической системе, мощность короткого замыкания которой соизмерима с мощностью преобразователя, в случае, если имеются другие источники гармоник (например, силовые трансформаторы). Основной причиной появления гармонической неустойчивости является асимметрия управляющих импульсов, неизбежная в реальных системах импульсно-фазового управления. Следствием этой асимметрии является появление в спектре тока преобразователя четных гармоник и гармоник, кратным трем; усиление их при наличии указанных выше условий и приводят к гармонической неустойчивости.

Повышение напряжения на частоте какой-либо гармоники существенно ограничивается при использовании заградительных фильтров в системах импульсно-фазового управления.

Возникновение гармонической неустойчивости исключается при соблюдении условия

, (6.1)

где xк — сопротивление короткого замыкания питающей энергосистемы на шинах преобразователя; Idн — номинальный выпрямленный ток преобразователя; U—линейное напряжение сети.

Для преобразователей ПМ СС-3:

;

На входе систем импульсно-фазового управления подключаются фильтры, благодаря чему усиление четных гармоник и гармоник, кратных трем, практически не имеет места.

В некоторых энергосистемах были зафиксированы случаи неверной работы блокировок от качаний, причиной которых были высшие гармоники тока, в частности пятая гармоника. Наблюдались также случаи ложной работы устройств релейной защиты, в которых использовались фильтры токов обратной последовательности, из-за наличия токов высших гармоник, которые образуют систему обратной последовательности. Влияние высших гармоник на работу релейной защиты проявляется при уровне гармоник а токе нагрузки линии порядка 5—7%.

Высшие гармоники тока и напряжения в сети ухудшают работу телемеханических устройств и даже вызывают сбои, если силовые цепи используются в качестве каналов связи между полукомплектами диспетчерского и контролируемого пунктов. Затрудняется использование простой и дешевой системы циркуляторного телеуправления по линиям распределительных сетей с использованием четных гармоник.

6.6. Расчет компенсации реактивной мощности

Составим уравнение баланса реактивной мощности

, (6.2)

где  - реактивная мощность подлежащая компенсации

 - потери реактивной мощности

;

;

;

.

Дополнительные потери активной мощности в ВЛ от передачи реактивной

;

6.7. Расчет компенсации реактивной мощности с учетом подключения силовых резонансных фильтров

При комплексном подходе к решению проблемы качества электроэнергии в сетях с нелинейными нагрузками применим многофункциональные устройства - силовые резонансные фильтры (СРФ) высших гармоник, которые наряду со снижением уровней высших гармоник генерируют в питающую сеть реактивную мощность.

По номограммам рис.8.2.[2] определим возможность подключения вентильной нагрузки исходя из допустимого уровня коэффициента несинусоидальности.

Для подъемных машин СС-3:

;

Из данного соотношения следует, что при данной мощности нелинейной (вентильной) нагрузки в сеть будут выдаваться высшие гармоники недопустимого уровня и подключение батарей конденсаторов к шинам ГПП-33 приведет к выходу последних из строя.  

Для более точных данных о значении коэффициента несинусоидальности воспользуемся данными из литературы [5].

Проведенное исследование показателей качества электрической энергии в узлах нагрузки с тиристорными преобразователями показало:

Таблица 6.1.

Показатели качества электрической энергии.

На обеих подъемных машинах Кнс>5%.

Наметим к установке СРФ на каждую подъемную машину.

Для подъемных машин КС-3:

;

По номограммам рис.8.2.[4] определить возможность подключения вентильной нагрузки исходя из допустимого уровня коэффициента несинусоидальности затруднительно, т.к. полученная точка находится на границе зоны недопустимости установки БК.

Для более точной оценки воспользуемся формулой:

, (6.3)

где , (6.4)

Кр=4 при двенадцати пульсной схеме выпрямления

Кр=0 при шести пульсной схеме выпрямления

Для большой подьемной машины:

;

%.

Для малой подьемной машины:

;

%.

СС-3:

Реактивная нагрузка группы преобразователей

;

Допустимое значение реактивной нагрузки группы преобразователей

;

Реактивная мощность группы преобразователей подлежащая компенсации

;

6.8. Расчет силовых резонансных фильтров

Существующая практика применения резонансных фильтров основывается на использовании комплекта фильтров, настроенных по возможности точно на частоты гармоник, преобладающих в амплитудном спектре токов нелинейных нагрузок. Такой подход определялся, главным образом, стремлением снизить уровень гармоник в сети до минимального значения (теоретически до нуля). Применение фильтров малой и средней мощности (с отношением мощности батарей фильтра Qр к мощности короткого замыкания сети Sкз порядка Кр = Qр/Sкз< 0,01) обусловливало повышенные требования к точности настройки с целью избежать усиление отдельных гармоник напряжения в сети, перегрузки фильтров и других неблагоприятных явлений.

Возрастание удельного веса нелинейных нагрузок, имеющих низкий коэффициент мощности, привело к необходимости применять в составе фильтров батареи конденсаторов весьма большой мощности (Кр >0,015), что позволило значительно снизить требования к точности настройки фильтров. Следует также отметить, что ущерб, обусловленный высшими гармониками тока и напряжения в сети максимален при значительных величинах напряжения гармоник и уменьшается в квадратичной зависимости. Поэтому необходимость полного снижения уровней гармоник на основе экономических соображений, практически отсутствует; достаточно снизить их до предела, определяемого техническими требованиями, например, до значения коэффициента несинусоидальности 5%, допустимого согласно ГОСТ 13109-67. При таком подходе в рассматриваемом случае (Кр>0,015 ) отпадает необходимость устанавливать большое число фильтров.

Действующее значение основной и высших гармоник

;

где n - порядковый номер гармоники

;

;

;

;

Реактивная мощность преобразователя подлежащая компенсации

Q=7,43/2=3,715МВАр;

По табл.16-19 [6] выбираем конденсатор:

тип КС2-6,3-100-2УЗ

емкость С=8,03мкФ; цена Ц=2,15у.е./кВАр.

Вариант распределения реактивной мощности между фильтрами

Ф11 Q=1,5МВАр – 5 параллельно включенных конденсаторов в каждой фазе

Ф13 Q=1,5МВАр – 5 параллельно включенных конденсаторов в каждой фазе

Ф23 Q=0,9МВАр – 3 параллельно включенных конденсаторов в каждой фазе

Фильтр 25 гармоники не устанавливаем, т.к. имеем перекомпенсацию реактивной мощности.

Рассмотрим необходимость установки Ф23 гармоники с точки зрения обоснования точности настройки СРФ.

Ф11 ;

Ф13 ;

Ф23 ;

Т.к. , то снижать требования к точности настройки СРФ нельзя и необходимо использовать все 3 СРФ.

;

6.9. Анормальные гармоники, генерируемые вентильными преобразователями

При симметрии управляющих импульсов систем импульсно-фазового управления вентильные преобразователи являются источниками нечетных высших гармоник тока, которые могут быть найдены по соответствующим формулам или кривым. При гармоническом анализе кривых линейных токов управляемых преобразователей в ряде случаев имеет место асимметрия управляющих импульсов; углы управления a по отдельным каналам системы управления могут отличаться друг от друга и от установочного значения a на величину ошибки.

Наличие ошибок углов управления в статическом режиме работы преобразователя обусловливается разбросом параметров элементов, из которых собраны устройства импульсно-фазового управления, а также несовершенством частотных фильтров на входе этих устройств; последнее существенно при питании их от сети с несинусоидальным напряжением. Появление значительных ошибок возможно также при некачественной настройке систем импульсно-фазового управления. При 6-фаз-ной схеме в спектре тока преобразователя содержатся как гармоники канонических порядков (n=5; 7; 11;13 ), так и неканонические, или анормальные гармоники (n=2; 3; 4; 6; 8; 9; 10...).

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11