Влияние гармоник на срок службы оборудования для передачи и распределения электроэнергии 

В настоящее время в электросетях все чаще возникают гармонические помехи, а проблемы, связанные с гармониками, становятся все более сложными. В связи с этим исследования в этой области привлекают все большее внимание. Возникновение гармоник тесно связано с широким распространением нелинейного оборудования в последние годы. Кроме того, к возникновению гармоник также способствуют широко используемые традиционные трансформаторы и реакторы с железным сердечником. Международный опыт показывает, что темпы роста мощности различных видов нелинейного электрооборудования превышают темпы роста мощности оборудования для выработки электроэнергии в энергосистеме. Этот факт подчеркивает повышенную значимость проблем, связанных с гармониками. Наличие гармоник негативно влияет на всю энергосистему, оказывая пагубное воздействие на электрооборудование и изоляцию. Например, гармоники ускоряют старение изоляции в оборудовании электростанций, сокращая тем самым срок их службы. Опыт эксплуатации как в стране, так и за рубежом показывает, что конденсаторы мощности составляют наибольшую долю электрооборудования, поврежденного в результате воздействия гармоник. В настоящее время металлизированные пленочные конденсаторы широко используются в энергетических системах благодаря своим превосходным самовосстанавливающимся свойствам. Следовательно, очень важно понимать влияние гармоник на срок службы металлизированных пленочных конденсаторов. В данной статье будут рассмотрены гармоники в энергетических системах и их влияние на долговечность металлизированных пленочных конденсаторов.

Гармонические токи в трансформаторах вызваны нелинейностью их цепей возбуждения. Напряжение, подаваемое на трансформатор, обычно является синусоидальным, что означает, что магнитный поток в сердечнике также изменяется синусоидально. Однако из-за нелинейности кривой намагничивания сердечника ток возбуждения, генерирующий этот синусоидальный поток, может быть только нелинейным. Кроме того, существует множество источников гармоник, таких как телевизоры, люминесцентные лампы и персональные компьютеры. Хотя каждое из этих устройств потребляет относительно мало энергии, их огромное количество приводит к значительному гармоническому загрязнению.

Показатели качества электроэнергии включают частоту, напряжение и форму волны. Форма волны переменного тока служит важным показателем для оценки качества электроэнергии. Хотя стандартная форма волны переменного тока должна быть синусоидальной, наличие источников гармоник в энергосистемах приводит к появлению гармонических компонентов как в напряжении, так и в токе. Эти гармоники представляют собой форму загрязнения в сети, изменяя рабочую среду электрооборудования и вызывая повреждение окружающих систем связи и устройств за пределами общественной сети. Их вредное воздействие проявляется в основном в следующих аспектах:

Основными источниками генерации гармоник в энергосистемах являются различные нелинейные электрические устройства, такие как силовые электронные устройства, дуговые печи, бытовая техника, трансформаторы и сердечники реакторов. До широкого распространения силовых электронных устройств основным источником гармоник был ток возбуждения силовых трансформаторов, за которым следовали генераторы. Однако после широкого внедрения силового электронного оборудования последнее стало основным источником гармоник.

Среди различных силовых электронных устройств наибольшую долю составляют выпрямительные устройства. В настоящее время в широко используемых выпрямительных схемах преимущественно применяются тиристорные фазорегулируемые выпрямительные схемы или диодные выпрямительные схемы. Например, диодные выпрямительные схемы, в которых на стороне постоянного тока используется конденсаторная фильтрация, характеризуются входным током, фаза основной составляющей которого в значительной степени совпадает с фазой напряжения питания. В результате коэффициент мощности основной составляющей близок к 1. Однако гармонические составляющие входного тока значительны, что приводит к серьезному загрязнению сети и низкому общему коэффициенту мощности. Кроме того, часто используются инверторы и прерыватели постоянного тока, необходимая мощность постоянного тока для которых в основном поступает от выпрямительных схем, что также создает серьезные проблемы с гармониками. Можно заметить, что ток на стороне переменного тока имеет сегментированную трапециевидную форму, а напряжение на стороне постоянного тока содержит пульсации. Это указывает на то, что выпрямитель генерирует гармоники высокого порядка как на стороне переменного, так и на стороне постоянного тока.

(1) Гармоники вызывают дополнительные гармонические потери в компонентах общественной электросети, тем самым снижая эффективность выработки, передачи и использования электроэнергии.

(2) Гармоники негативно влияют на нормальную работу различных электрических устройств. Например, они вызывают дополнительные потери, механические вибрации и перенапряжения в двигателях; приводят к локальному перегреву трансформаторов; ускоряют старение изоляции в конденсаторах, кабелях и аналогичном оборудовании, сокращая тем самым их срок службы и потенциально приводя к выходу из строя.

(3) Гармоники могут вызывать локальные параллельные и последовательные резонансные явления в общественной сети, усиливая тем самым гармонические искажения и усугубляя неблагоприятные эффекты, описанные в пунктах (1) и (2).

(4) Гармоники могут вызывать ложные срабатывания релейной защиты и автоматических устройств, а также приводить к потере точности электрических измерительных приборов.

Наличие гармоник представляет угрозу для электросети; следовательно, снижение гармонических компонентов до допустимых уровней является важной задачей для обеспечения качества электроэнергии.

Металлизированные пленочные конденсаторы широко используются в энергетических системах. В многих случаях, например, при компенсации реактивной мощности в параллельно соединенных узлах или при фильтрации гармоник, они работают в условиях гармонических помех. Поэтому изучение влияния гармоник на срок службы металлизированных пленочных конденсаторов имеет большое значение. Гармоники могут ускорять старение изоляции электрооборудования.

С широким распространением нелинейного электрооборудования проблемы, связанные с гармониками в энергосистемах, становятся все более серьезными. Наличие гармоник может привести к повреждению электрооборудования и ускорить старение изоляции. Пиковое напряжение, возникающее в результате наложения гармоник, значительно влияет на старение металлизированных пленочных конденсаторов. Исследования показывают, что для таких конденсаторов основными факторами, влияющими на их срок службы из-за гармоник, являются: пиковое напряжение, среднеквадратичное напряжение (RMS) и наклон волны напряжения. Среди них пиковое напряжение оказывает наиболее значительное влияние на срок службы, за ним следует среднеквадратичное напряжение, а наклон волны напряжения имеет наименьшее влияние.