Гармоническое управление оборудованием передачи и распределения электроэнергии в порту
2025-09-19
гармоники в системах электроснабжения портов привлекают всеобщее внимание. Это особенно актуально в связи с быстрым развитием портового строительства и продолжающимся расширением портовых масштабов. В электрооборудовании портов в настоящее время используется значительное количество кремниевых выпрямителей и тиристорных преобразователей, а также разрядных источников электрического освещения, обычно используемых для освещения дворов. Эти нелинейные нагрузки генерируют различные высшие гармоники , которые могут вызывать нагрев трансформаторов и двигателей, перегрузку цепей, выделение тепла, частое срабатывание автоматических выключателей и даже возгорание. Это может существенно ухудшить качество электроснабжения порта, что требует предотвращения и контроля гармоник , минимизации потерь и повышения качества электроэнергии в системе электроснабжения.
Генерация гармоник
Как всем известно, наши системы электроснабжения и электрооборудование в Китае рассчитаны на работу с синусоидальным напряжением с основной частотой 50 Гц. Однако из-за наличия в системе электроснабжения многочисленных нелинейных нагрузок, таких как трансформаторы, выпрямители и надувные источники света, реальная форма напряжения искажается, создавая ряд составляющих с частотами, кратными основной частоте. Эти составляющие называются гармониками .
1.1 В системе электроснабжения порта гармоники в основном генерируются трансформаторами .
Ввиду насыщения сердечника трансформатора, нелинейности кривой намагничивания и экономических соображений, рабочая индукция выбирается на участке кривой намагничивания, близком к насыщению. Это приводит к пикообразной форме тока намагничивания, содержащей нечётные гармоники . Величина этих гармоник зависит от конструкции магнитной цепи и степени насыщения сердечника. Чем выше насыщение сердечника, тем сильнее отклоняется рабочая точка трансформатора от линейной зависимости и тем больше ток гармоник .
1.2 Среди электрооборудования, используемого в портах, гармоники в основном генерируются выпрямителями и инверторами .
В простой цепи, содержащей только линейные компоненты (резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы), ток пропорционален приложенному напряжению. Следовательно, если приложенное напряжение синусоидально, ток также синусоидальный, и гармоники отсутствуют . Однако при протекании тока через нагрузку, не пропорциональную приложенному напряжению, возникает несинусоидальный ток, генерирующий гармоники .
Гармонические напряжения и токи , генерируемые выпрямителями и инверторами : выпрямители преобразуют переменный ток в постоянный, в то время как инверторы преобразуют постоянный ток в переменный. Мощные выпрямители и инверторы широко используются в регулировании скорости переменного тока с переменной частотой и управлении скоростью двигателя переменного тока в постоянный. Диоды в этих цепях считаются идеальными диодами, то есть их прямое сопротивление близко к нулю, а обратное сопротивление бесконечно. Поэтому ток может течь только в одном направлении. С выхода выпрямителя форма волны тока каждой фазы представляет собой прямоугольную волну, а не синусоидальную волну. Использование формулы разложения в ряд Фурье для разложения периодической прямоугольной формы волны показывает, что в дополнение к синусоиде промышленной частоты (основная 50 Гц) накладывается ряд волн более высокого порядка — гармоник . Хотя использование преобразователя частоты для регулирования скорости двигателя может обеспечить высокий уровень управления скоростью, это также может сэкономить значительную энергию (почти 30%). Однако, как было проанализировано ранее, процесс регулирования скорости с переменной частотой генерирует гармоники более высокого порядка , которые способствуют гармоническому загрязнению .
Поскольку оборудование для преобразования электроэнергии имеет большую мощность (от 30 кВт до 20 000 кВт) и его количество велико, оно оказывает огромное влияние на систему электроснабжения и распределения электроэнергии портовых предприятий.
1.3Гармоники , генерируемые газоразрядными источниками электрического света
Портовые предприятия Китая в основном используют для освещения источники электрического света газоразрядного типа, такие как люминесцентные лампы, ртутные лампы высокого давления, натриевые лампы высокого давления и металлогалогенные лампы. Измерение и анализ полных вольт-амперных характеристик газоразрядных источников света показывают, что они проявляют сильную нелинейность с отрицательной вольт-амперной характеристикой. При использовании газоразрядные источники света должны быть соединены последовательно с резистором или индуктором, чтобы устранить отрицательную вольт-амперную характеристику для правильной работы. Этот последовательный резистор или индуктор называется балластом. Их нелинейность чрезвычайно сильна, при этом содержание третьей гармоники составляет более 20% основной волны. Поскольку их характеристики являются симметричными нечетными функциями, они содержат только нечетные гармоники , что делает их источниками гармоник тока .
генерируемые ими гармоники оказывают огромное влияние на систему электроснабжения и распределения. В период, когда выпрямительное оборудование не получило широкого распространения, гармоники , влиявшие на систему электроснабжения и распределения , в основном генерировались этим типом источников электрического освещения.
1.4 Компьютеры и другое офисное оборудование генерируют гармоники
Компьютеры и другое офисное оборудование, как правило, питаются от импульсных источников питания, поэтому все они генерируют гармоники . В связи с широким использованием такого оборудования гармонические помехи в электросети весьма серьезны.
Влияние гармоник
Поскольку на портовых предприятиях имеется много устройств, генерирующих гармоники , гармоники оказывают серьезное влияние на производительность порта.
2.1 Влияние гармоник на линии электропередачи
Если в электросети присутствуют токи высших гармоник , они увеличивают потребление электроэнергии в линиях электропередачи. Когда частоты гармоник, вводимых в систему, попадают в резонансную область вблизи точки резонанса сети, они могут вызвать пробой изоляции линий электропередачи. Это особенно актуально для кабельных линий. Сегодня практически все системы электроснабжения портов используют кабели с высокой ёмкостью относительно земли и низким индуктивным сопротивлением. Это повышает вероятность пробоя изоляции из-за гармонического резонанса.
2.2 Влияние гармоник на трансформаторы
гармонических напряжений увеличивает потери на гистерезис трансформатора, потери на вихревые токи и напряженность электрического поля изоляции, в то время как наличие гармонических токов увеличивает потери в меди. В трансформаторах с несимметричной нагрузкой гармонические составляющие тока возбуждения значительно увеличиваются. Гармонические токи, особенно третья гармоника (и кратные ей) , проникая в трансформатор с соединением треугольником, могут образовывать циркулирующие токи в обмотках, вызывая нагрев. В системе с соединением звездой и заземленной нейтралью ток третьей гармоники , проникающий в нейтральный провод трансформатора , может нагревать его.
2.3 Влияние гармоник на надежность системы электроснабжения
Если устройства релейной защиты настроены на амплитуду обратной последовательности основной гармоники, то наложение гармонических помех на крайне низкую уставку может привести к сбою устройства релейной защиты обратной последовательности, что повлияет на безопасность системы электроснабжения. В частности, гармоники электромагнитных реле часто приводят к сбоям в работе или отказу устройств релейной защиты и автоматики, что приводит к потере селективности и снижению надежности, что может легко привести к системным авариям и серьёзно угрожать безопасной и надёжной работе системы электроснабжения порта.
2.4 Влияние гармоник на двигатели
Это, в первую очередь, увеличивает паразитные потери в двигателе, снижает КПД и, в тяжёлых случаях, может привести к перегреву двигателя. Гармоники обратной последовательности также создают в двигателе вращающееся магнитное поле обратной последовательности, создающее крутящий момент в противоположном направлении вращения, действующее как тормоз и снижающее выходную мощность двигателя. В международной практике принято считать, что при нормальной непрерывной работе двигателя напряжение обратной последовательности в электросети не должно превышать 2% от номинального. Если гармоническое напряжение в электросети, преобразованное в эквивалентное напряжение основной гармоники обратной последовательности, превышает это значение, паразитное потребление мощности значительно возрастает.
, когда частота гармонического тока в двигателе близка к собственной частоте определенной части, это вызывает механическую вибрацию двигателя и издает много шума.
2.5 Влияние или вмешательство в работу контрольно-измерительных приборов и систем связи
Гармоники в системе электроснабжения наводятся на слаботочное оборудование, такое как компьютерные сети, системы связи, кабельное телевидение, системы сигнализации и автоматизации зданий, посредством электромагнитной индукции, электростатической индукции и проводимости, вызывая помехи. Сила связи электромагнитной и электростатической индукции пропорциональна частоте помех, в то время как проводимость проникает через общую землю, вызывая протекание больших неуравновешенных токов в заземляющий электрод, тем самым создавая помехи в слаботочной системе.
Предотвращение и контроль гармоник
Для снижения влияния гармоник на систему электроснабжения порта с точки зрения управления и технических аспектов могут быть приняты следующие меры:
(1) Строго соблюдать национальные стандарты по гармоникам мощности и усилить управление
В 1993 году был выпущен стандарт GB/T14549 «Качество электроэнергии: гармоники в сетях общего пользования», устанавливающий допустимые значения гармонических токов, подаваемых в точки подключения к электросети общего пользования. Потребители обязаны устанавливать фильтры подавления гармоник для ограничения гармоник, подаваемых в сеть общего пользования.
(2) Распределительный трансформатор с соединением треугольник/звезда.
При соединении треугольник/звезда (△/Y) несимметричные токи и токи третьей гармоники циркулируют в первичной обмотке и не передаются в энергосистему, что предотвращает их влияние на всю энергосистему. Такое соединение наиболее распространено в распределительных трансформаторах. Поэтому статья 4.3.3 Гражданского кодекса предусматривает, что при необходимости ограничения содержания третьей гармоники следует использовать трансформатор со схемой соединения D, YN11.
(3) Установить пассивный фильтр
Пассивные фильтры являются традиционными устройствами компенсации гармоник . Установка настроенного фильтра, состоящего из реакторов и конденсаторов, в системе электроснабжения и распределения может как компенсировать реактивную мощность, так и поглощать гармоники, тем самым снижая вредное воздействие гармоник на электрооборудование и повышая устойчивость системы электроснабжения к гармоникам.
(4) Установить активный фильтр
Активные фильтры получили быстрое развитие в последние годы. Они способны динамически подавлять гармоники в реальном времени и компенсировать гармоники, изменяющиеся по амплитуде и частоте. В зависимости от конфигурации схемы и способа подключения к сети их можно разделить на источники напряжения и тока, а также на последовательные и параллельные. Активные фильтры станут будущим трендом в области компенсации гармоник и заменят традиционные пассивные фильтры.
(5) Увеличить количество фаз выпрямителя преобразователя
Компаниям, использующим и производящим крупные кремниевые выпрямители и тиристорные устройства, следует увеличить количество фаз выпрямителя при их проектировании и эксплуатации. Им следует модернизировать распространённые в настоящее время трёх-, шести- и двенадцатифазные системы до восемнадцати-, двадцати- и даже более фазных. Это позволит значительно снизить третью, пятую и седьмую гармоники, представляющие серьёзную угрозу для систем электроснабжения и распределения, что станет отличным решением для устранения основных причин.
(6) Подавление гармоник, генерируемых выпрямлением и инвертированием
① Установите сетевой фильтр перед инвертором. Относительно недорогой способ — установить три конденсатора ёмкостью 680 мкФ (250 В переменного тока) на стороне источника питания (подключённых к фазе (LN), фазе и нейтрали соответственно). Этот метод позволяет снизить ток электромагнитных помех до 1/10 от первоначального, что весьма эффективно.
② Используйте экранированные кабели для питания инвертора. Эти кабели следует проложить в стальной трубе и заземлить. Выходные кабели также следует проложить в стальной трубе и заземлить. Экран должен быть заземлен с обоих концов, в местах подключения к инвертору и двигателю. Преобразователь частоты является одним из основных источников гармоник в системе электроснабжения. Увеличение числа фаз преобразователя частоты позволяет эффективно устранить низкочастотные составляющие с большими амплитудами, тем самым значительно снижая эффективное значение гармонических токов.
(7) Отделите источник питания измерительных и контрольных приборов от источника питания силового устройства.
Отделите источник питания измерительных и управляющих устройств от источника питания блока питания. Поскольку нагрузка блока питания подвержена значительным колебаниям, а нагрузка измерительных, управляющих, микрокомпьютеров и телевизионных приборов невелика, создаваемые блоком питания помехи велики. После отделения источника питания источник питания измерительных, управляющих, микрокомпьютеров и телевизионных приборов изолируется от источника питания блока питания, что позволяет значительно снизить помехи, проходящие через линию электропередачи.
Принципы проектирования антигармоник
При проектировании систем электроснабжения и распределения порта для снижения генерации гармоник можно использовать следующие методы:
(1) За исключением потребителей низкого напряжения, защита заземления системы распределения электроэнергии в общественных зданиях должна максимально использовать систему TN-S, чтобы снизить помехи гармоник на линии заземления.
(2) Нелинейные нагрузки следует размещать как можно выше по течению от распределительной системы, чтобы не оказывать влияния на линии, расположенные ниже по течению.
(3) Оборудование с сильными гармониками и высокой мощностью должно питаться от выделенной линии со стороны выхода трансформатора.
(4) В распределительных системах со значительными гармониками конденсаторы компенсации коэффициента мощности должны быть соединены последовательно с соответствующими реакторами в качестве вспомогательного средства подавления гармоник, и следует принять меры для предотвращения локального резонанса электросети.
(5) Нагрузки или оборудование, управляемые тиристорами, должны управляться симметрично, чтобы максимально компенсировать гармоники на нейтральном проводнике.
(6) Если гармоники системы распределения электроэнергии трудно предсказать в процессе проектирования, целесообразно зарезервировать место для необходимого фильтрующего оборудования.
Заключение
В связи с широким распространением нелинейного силового оборудования в портах проблема гармоник в системах электроснабжения портов становится всё более серьёзной. С одной стороны, это приводит к повреждению силового оборудования и ускоренному старению изоляции, а с другой – нарушает нормальную работу электронного оборудования, такого как компьютеры и телевизионные системы, напрямую или косвенно влияя на производительность порта.
гармонических искажений касаются отделов энергоснабжения, потребителей электроэнергии и производителей оборудования и привлекают к себе значительное внимание. Энергосети должны быть рационально спланированы, силовая электроника (особенно первичное оборудование) должна соответствовать уровням электромагнитного излучения, а электронное оборудование и приборы должны соответствовать требованиям электромагнитной совместимости.
Ссылки
[1] JGJ16-2008 Нормы проектирования электрооборудования гражданских зданий.
Гармоники и их подавление в системах распределения электроэнергии в гражданских зданиях, Электрический мир, 2000.7.
[3] Руководство по проектированию промышленных и гражданских распределительных сетей, 3-е издание,Китайский электрический пресс, 2005.
Гармонии качества электроэнергии в общественных сетях .
