Вред гармоник для энергосистемы и их подавление 

1.Причины возникновения гармоник

Возникновение гармоник в системе электроснабжения обусловлено в основном двумя факторами:

(1) Широкое применение тиристорных выпрямителей и регуляторов напряжения, повсеместное использование тиристоров в большом количестве бытовых приборов, а также увеличение различных нелинейных нагрузок приводят к искажению формы сигнала.

(2) Изменения в философии проектирования оборудования. В прошлом конструкции, как правило, работали в условиях ниже номинальных или с большим запасом. Теперь, чтобы быть конкурентоспособным, электрооборудование, как правило, проектируется для критических условий. Например, в некоторых конструкциях магнитные материалы используются в области глубокого насыщения кривой намагничивания для экономии материала. Однако работа в этих областях может привести к серьёзным искажениям формы сигнала возбуждения.

2.Гармонический вред энергосистеме

Гармоническое загрязнение энергосистемы становится всё более серьёзным. Появление источников гармонических искажений увеличивает гармонический ток и напряжение в электросети. Их вред распространяется на всю сеть и оказывает различную степень воздействия и повреждения различных видов электрооборудования. Анализ ущерба, наносимого конкретному оборудованию, производится следующим образом:

(1) Генераторы переменного тока. Синхронные и асинхронные двигатели создают дополнительные тепловые потери в обмотках статора и ротора. Помимо потерь в меди из-за гармонических составляющих тока I2NR, дополнительные потери возникают из-за поверхностного эффекта тока, что увеличивает тепловые потери ротора. В мощных паровых турбогенераторах при возникновении кратных гармонических колебаний, когда гармонический ток превышает 25% номинального, ротор может быть поврежден по вышеуказанным причинам. В трансформаторах тепловые потери, особенно значительные, возникают в железном сердечнике, в частности, из-за вихревых токов. Гармонические составляющие тока в обмотках трансформатора наводят магнитный поток в железном сердечнике, что приводит к потерям в стали.

(2) Гармонические токи воздушной линии приводят к тепловым потерям. Более крупные гармонические составляющие тока высокого порядка могут значительно замедлить гашение вторичного тока, что приводит к отказу однофазного повторного включения. Гармонические токи в кабелях также приводят к тепловым потерям, увеличивая диэлектрические потери кабеля и повышая температуру.

(3) Силовые конденсаторы вызывают дополнительные потери изоляции из-за гармонических токов, ускоряя старение изоляции силовых конденсаторов. Гармоническое напряжение или резонанс токов в системе приводят к перенапряжению и перегрузке по току, повреждению изоляции электрооборудования, а также к шуму и вибрации.

(4) Работа компьютеров может быть нарушена из-за гармонических помех; функции промышленного электронного оборудования могут быть нарушены.

(5) Вмешивается в работу релейной защиты, устройств автоматического управления и компьютеров, вызывает сбои в работе, что приводит к ошибкам в учете электроэнергии.

(6) Поток гармонических токов по высоковольтным воздушным линиям не только увеличивает потери в линии, но и создает помехи для соседних линий связи.

3.Меры по подавлению гармоник в энергосистемах

Чтобы ограничить помехи (загрязнение) гармониками в энергосистеме до приемлемого для системы диапазона, моя страна и международное сообщество соответственно обнародовали «Временные положения по управлению гармониками в энергосистемах» и стандарты МЭК, в которых разъясняются предельные значения гармоник, генерируемых различными источниками гармоник.

по подавлению гармоник в энергосистемах являются:

(1) Перед добавлением XC в цепь компенсационного конденсатора последовательно подключается набор реакторов. Игнорируя сопротивление, гармоническое напряжение на шине источника гармоник IN равно: UN = XSN ≤ IN. После параллельного подключения компенсационного конденсатора входное гармоническое реактивное сопротивление источника гармоник равно: В это время гармоническое напряжение, гармонический ток UN, введенный в систему, ISN > IN. То есть параллельный конденсатор усиливает гармоники системы. Если XSN-XCN = 0 для определенной гармоники, то гармонический ток и напряжение стремятся к бесконечности. Чтобы избавиться от этой точки резонанса, реактор обычно подключается последовательно с ветвью конденсатора. Значение индуктивного реактивного сопротивления следует выбирать таким образом, чтобы при любой возможной гармонике общее реактивное сопротивление цепи конденсатора было индуктивным, а не емкостным, принципиально исключая возможность генерации гармоник.

фильтр и фильтр верхних частот, состоящий из конденсаторов, индукторов и резисторов.

Фильтр с одной настройкой предназначен для фильтрации определённого порядка гармоник, в то время как фильтр верхних частот предназначен для поглощения нескольких гармоник более высокого порядка . Тип устанавливаемого фильтра , количество групп и их частота настройки (порядок фильтра) могут быть определены с помощью специальных расчётов.

Например, электровозы представляют собой мощные однофазные выпрямители, которые создают проблемы с гармониками. Согласно измеренным данным, гармонический состав тока локомотива Shaoshan-1 примерно такой, как показано в Таблице 1. На гармонические токи, вносимые в энергосистему электровозами, влияет множество факторов, одним из которых является контактная сеть. На рисунке ZSN представляет гармоническое сопротивление энергосистемы. Общая длина плеча питания составляет L, и на плече находится только один электровоз, расположенный на расстоянии L от подстанции. Если предположить, что N-е гармоническое сопротивление и полная проводимость на единицу длины контактной сети равны ZN и YN соответственно, то ее N-е гармоническое характеристическое сопротивление ZCN и постоянная распространения γN указывают, что контактная сеть в целом усиливает гармонический ток локомотива, причем эффект усиления наибольший, когда локомотив находится в конце плеча питания (L = L). Для решения проблемы гармоник в тяговых локомотивах распространённым подходом является установка фильтров третьей, пятой и седьмой гармоник на тяговой подстанции . В последние годы некоторые вновь вводимые в эксплуатацию электровозы перешли на технологию бортовых фильтров , которая эффективно отфильтровывает третью и пятую гармоники.

(3) Увеличьте количество фаз выпрямителя

Гармонические токи высших порядков тесно связаны с числом фаз выпрямителя. С увеличением числа фаз увеличивается порядок низшей гармоники и уменьшается амплитуда гармонического тока. Традиционные тиристорные выпрямители обычно шестифазные. Для снижения гармонических токов высших порядков можно использовать 12-фазные или даже 36-фазные системы. При 12-фазном выпрямлении гармонические токи высших порядков составляют всего около 1% от общего тока, что значительно снижает их вредное воздействие.

(4) При питании двух или более выпрямительных трансформаторов от одной шины первичные обмотки выпрямительных трансформаторов можно соединять попеременно Y-образно и △-образно соответственно. Это позволит компенсировать 5-ю и 7-ю гармоники, и учитывать необходимо только влияние 11-й и 13-й гармоник. Благодаря высокой частоте и малой амплитуде вредное воздействие снижается.

Заключение

(1) Возникновение гармоник влияет на состояние всей энергосистемы. Например, гармонические помехи в системах связи могут снизить качество связи, вызвать сбои в работе оборудования управления и защиты, а также перегрузить силовые устройства и системы, тем самым ставя под угрозу нормальную работу энергосистемы.

(2) Управление гармониками обычно включает в себя разработку стандартов для ограничения содержания гармоник напряжения в общей точке подключения пользователя, то есть разработку соответствующих стандартов, принятие соответствующих мер, строгий контроль и очистку среды энергосистемы.

(3) При измерении гармоник необходимо обращать внимание на точность трансформаторов напряжения (ТН) и тока (ТТ), иначе это приведёт к значительным погрешностям. Использование делителя напряжения на конце экрана ТТ для измерения гармонического напряжения системы обладает преимуществами точности и удобства. Он широко применяется при измерении гармонического напряжения в системах сверхвысокого напряжения.