Гармоники: их неблагоприятное воздействие на энергосистемы и методы подавления 

1. Причины возникновения гармоник

Появление гармоник в системах электроснабжения в основном вызвано двумя основными факторами:

(1) Широкое распространение тиристорных выпрямителей и устройств регулирования напряжения, повсеместное использование тиристоров в многочисленных бытовых приборах, а также увеличение количества различных нелинейных нагрузок привели к искажению формы волны.

(2) Изменение философии проектирования оборудования. Ранее при проектировании предпочтение отдавалось эксплуатации в условиях, не превышающих номинальные, или предусматривались значительные запасы прочности. В настоящее время под давлением конкуренции в проектировании электрооборудования все чаще используются конструкции, рассчитанные на работу в критических условиях. Например, некоторые конструкции направлены на экономию материалов за счет использования магнитных материалов в области глубокого насыщения их кривых намагничивания. Однако работа в этих областях приводит к серьезному искажению формы волны возбуждения.

2. Вредное воздействие гармоник на энергосистемы

Гармонические помехи в энергосистемах становятся все более серьезной проблемой. Появление источников гармоник приводит к увеличению гармонических токов и напряжений в сети, что оказывает пагубное влияние на всю сеть. Это в той или иной степени влияет на различные виды электрооборудования и наносит ему ущерб. Конкретные опасности для оборудования анализируются следующим образом:

(1) Генераторы переменного тока. В синхронных и асинхронных двигателях дополнительные тепловые потери возникают как в обмотках статора, так и в обмотках ротора. Помимо потерь в меди I2NR, вызванных гармоническими токами, скин-эффект тока генерирует дополнительные потери, что приводит к увеличению теплового повреждения ротора. В больших паротурбинных генераторах повторяющиеся гармонические колебания, при которых гармонические токи превышают 25 % номинального тока, могут вызвать локальный перегрев ротора и его повреждение из-за вышеупомянутых факторов. В трансформаторах возникают тепловые потери в сердечнике, в частности значительные потери на вихревые токи. Гармонические токи в обмотках трансформатора индуцируют магнитный поток в сердечнике, что приводит к потерям в железе.

(2) Гармонические токи в воздушных линиях вызывают тепловые потери, причем значительные гармонические компоненты более высокого порядка значительно задерживают погасание остаточных токов, что приводит к сбоям в повторном включении однофазных цепей. Гармонические токи в кабелях вызывают тепловые потери, увеличивая диэлектрические потери и повышение температуры.

(3) Силовые конденсаторы несут дополнительные диэлектрические потери из-за гармонических токов, ускоряя старение изоляции. Резонанс между гармоническими напряжениями или токами системы вызывает перенапряжения и перегрузки по току, повреждая изоляцию электрооборудования и генерируя шум и вибрацию.

(4) Электронные компьютеры могут подвергаться искажению из-за гармонических помех; в результате может быть нарушена работоспособность промышленного электронного оборудования.

(5) Вмешательство в работу релейной защиты, устройств автоматического управления и компьютеров, вызывающее сбои в работе и приводящее к ошибкам в учете электроэнергии.

(6) Поток гармонических токов в высоковольтных воздушных линиях не только увеличивает потери в линии, но и вызывает помехи в соседних линиях связи.

3. Меры по подавлению гармоник в энергосистемах

Чтобы ограничить помехи (загрязнение), вызванные гармониками в энергосистеме, в приемлемых пределах, как Китай, так и международные органы приняли «Временные правила по управлению гармониками в энергосистемах» и стандарты МЭК соответственно, установив максимально допустимые уровни гармоник, генерируемых различными источниками гармоник.

Основные меры по подавлению гармоник в энергосистемах включают:

(1) Когда перед установкой XC в цепь компенсационных конденсаторов подключается ряд реакторов, игнорируя сопротивление, гармоническое напряжение на шине IN источника гармоник составляет: UN = XSN · IN. После параллельного подключения компенсационных конденсаторов входное гармоническое сопротивление источника гармоник становится: В этот момент гармоническое напряжение и гармонический ток, вводимые в систему, UN и ISN, превышают IN. То есть параллельное подключение конденсаторов усиливает гармоники системы. Если для любой гармоники произойдет XSN – XCN = 0, что приведет к резонансу, то и гармонический ток, и гармоническое напряжение приблизятся к бесконечности. Чтобы избежать этой точки резонанса, реакторы обычно подключаются последовательно с конденсаторной ветвью. Значение индуктивного реактивного сопротивления должно быть выбрано таким образом, чтобы при любой возможной гармонике общее реактивное сопротивление конденсаторной цепи оставалось индуктивным, а не емкостным. Это принципиально исключает возможность генерации гармоник.

(2) Установите одночастотный фильтр и фильтр высоких частот, состоящий из конденсаторов, индукторов и резисторов.

Одногармонический фильтр предназначен для устранения гармоник определенного порядка, а высокочастотный фильтр — для подавления нескольких гармоник более высокого порядка. Тип устанавливаемого фильтра, количество фильтрующих блоков и их частоты настройки (порядки фильтров) могут быть определены с помощью специальных расчетов.

Поскольку электровозы представляют собой однофазные выпрямительные устройства высокой мощности, они создают проблемы, связанные с гармониками. На основании фактических данных измерений, доля гармоник в токе локомотива SS1 примерно соответствует данным, приведенным в таблице 1. На гармонические токи, вводимые в энергосистему электровозами, влияют многочисленные факторы, одним из которых является контактная сеть. На схеме ZSN обозначает гармонический импеданс энергосистемы, а общая длина питающего отвода — L. На отводе находится только один электровозо, расположенный на расстоянии L метров от подстанции. Пусть ZN и YN обозначают N-ю гармоническую импеданс и адмитанс на единицу длины контактной сети соответственно. Тогда N-я гармоническая характеристическая импеданс ZCN и постоянная распространения γN могут быть выражены как: Как правило, контактная сеть усиливает гармонические токи от локомотива, причем эффект усиления максимален, когда локомотив находится на конце питающего отвода (L = L). Для решения проблем, связанных с гармониками в тяговых локомотивах, традиционный подход заключается в установке фильтров 3-й, 5-й и 7-й гармоник на тяговых подстанциях. В последние годы некоторые вновь введенные в эксплуатацию электровозы оснащены бортовыми фильтрами гармоник, которые эффективно подавляют 3-ю и 5-ю

(3) Увеличить количество фаз выпрямителя

Токи высших гармоник тесно связаны с количеством фаз выпрямителя; то есть, по мере увеличения количества фаз, повышается порядок гармоник, что приводит к уменьшению амплитуды гармонических токов. В традиционных тиристорных выпрямителях обычно используется шесть фаз. Для уменьшения токов высших гармоник могут применяться двенадцатифазные или тридцатишестифазные конфигурации. При использовании двенадцатифазного выпрямления токи высших гармоник составляют лишь около 1% от общего тока, что значительно уменьшает их вредное воздействие.

(4) Когда два или более выпрямительных трансформатора питаются от одного и того же участка шины, первичные обмотки выпрямительных трансформаторов могут быть поочередно соединены в конфигурациях Y и Δ. Такая схема позволяет 5-й и 7-й гармоникам взаимно гасить друг друга, оставляя только 11-ю и 13-ю гармоники. Благодаря более высокой частоте и более низким значениям амплитуды, вредное воздействие этих гармоник значительно снижается.

4. Заключение

(1) Генерирование гармоник негативно влияет на всю энергетическую систему. Например, гармонические помехи в системах связи ухудшают качество связи, вызывают ложные срабатывания устройств управления и защиты, приводят к перегрузке электроустановок и систем, что ставит под угрозу нормальную работу энергетической системы.

(2) Управление гармониками обычно включает в себя установление предельных значений содержания гармоник напряжения в общих точках подключения пользователей. Это предполагает формулирование соответствующих стандартов, внедрение соответствующих мер, осуществление строгого контроля и очистку среды энергосистемы.

(3) При измерении гармоник необходимо обеспечить точность как трансформатора напряжения, так и трансформатора тока, поскольку в противном случае возникнут значительные погрешности. Использование метода деления напряжения на клеммах трансформатора тока для измерения гармонических напряжений в системе обеспечивает точность и удобство. Этот подход получил широкое применение при испытании гармонических напряжений в системах сверхвысокого напряжения.