- Какво представляват хармониците?
- Причини и източници на хармоници в електрическите мрежи
- Категории и принцип на разделяне
- Възможни последици
- Хармонична защита
- Видео към статия
Помогнете на развитието на сайта, споделяйки статията с приятели!
Работата на повечето електрически уреди се осигурява от качеството на доставяната им електрическа енергия. Но дори и в условията на безпроблемна работа, в системата възникват процеси, предизвикващи появата на хармоници в електрическите мрежи. В същото време не могат да се получат прекъсвания или нарушения, повечето хармоници се произвеждат тихо във всички вериги, независимо от вида на товара. Въпреки това, с увеличаване на техния размер, са възможни редица отрицателни последици както за потребителите, така и за електрическата мрежа като цяло.
Какво представляват хармониците?
Ако напрежението и тока, произведени от източника, възможно най-близо до формата на идеалния синусоида, тогава поради нелинейни товари, свързани с електрическата верига, формата на първоначалния сигнал се изкривява. Хармониците са производни на основната синусоида при честота 50 Hz и са кратни на стойността му 1].
От множествеността на хармониците се разделят на четни и нечетни. Тоест, хармонично число 1 - е 50 Hz, 2 - 100 Hz, 3 -150 Hz и т.н. Всеки от тях е един от компонентите на получената форма на напрежение и ток. Това означава, че напрежението и тока в мрежата могат да бъдат свободно разложени на хармонични компоненти 2].
Вижте снимката по-горе, тук ще видите подробен пример за разлагане на синусоида на хармоници и тяхното влияние върху формата на синусоидалното напрежение. В първата позиция, получената функция се показва с нелинейни изкривявания, които се дължат на нечетните хармоници, показани по-долу, и подобни с по-висока честота. Степента на тези хармоници ще определи големината на скоковете и спада на получения сигнал. Следователно, колкото повече се проявява тази или тази хармонична, толкова повече кривата ще се различава от синусоидната вълна.
Всъщност хармоникът е паразитен едс, който не се абсорбира от съществуващите потребители или се абсорбира само частично. Поради това има отрицателно въздействие върху всички енергийни мрежи. Естествено усвояване се извършва само активно съпротивление, но в размер, пропорционален на консумираната от тях мощност. В същото време самите потребители могат да се разглеждат като източници, които активно генерират изкривен сигнал.
Причини и източници на хармоници в електрическите мрежи
Основната причина за хармонично изкривяване е появата на всякакви преходни процеси в електрическите мрежи. Независимо от характера на създадения товар, процесът на преход може да се наблюдава в работата на една и съща нажежаема лампа, която, изглежда, се характеризира с изключително активни загуби. Така разликата между съпротивлението на спиралата на лампата в студено и нагрято състояние създава преходен процес, който въвежда скок. Но поради ниското ниво на изкривяване и относително краткосрочния курс, въздействието върху цялата система е незначително.
Следователно можем спокойно да кажем, че както активните, така и реактивните съпротивления в мрежите за захранване могат да допринесат за генерирането на хармоници. Въпреки това, съществуват редица устройства, които причиняват значително количество изкривявания, които могат да причинят значителни щети на инструментите. На практика източниците на изкривявания включват следните видове оборудване:
- Електрооборудване за електричество - задвижвания на директни и променливи токове, високочестотни топилни пещи, полупроводникови преобразуватели, непрекъсваеми захранвания (UPS), честотни преобразуватели.
- Устройства, работещи на принципа на електрическо дъгообразуване - електрически заваръчни инсталации, дъгови пещи, осветителни лампи (DRL, луминисцентни и др.).
- Наситени устройства - двигатели, трансформатори с магнитно ядро, които могат да достигнат наситеността на хистерезисната верига. Без такова насищане техният принос за образуването на хармоничния компонент ще бъде незначителен.
Сред домакинските уреди същите микровълнови печки имат значителен принос за генерирането на несинусоидни компоненти. Моля, обърнете внимание, че поради характеристиките на режима на работа, една такава пещ може да намали за кратко време нивото на напрежението в мрежата с 2 - 4%, и, което е по-важно, да увеличи коефициента на изкривяване на кривата му с 6 - 18%.
Категории и принцип на разделяне
В съответствие с особеностите на технологичния поток в мрежите и източниците на захранване, всички хармонични компоненти са условно разделени по следните параметри:
- по протежение на пътя на разпространение, те излъчват пространствени или проводими;
- според предсказуемостта на времето на възникване, разграничават се случайни или систематични;
- продължителност може да бъде краткосрочна (импулсна) или дълга.
И така, импулсните смущения се причиняват от единични комутации в захранващата мрежа, къси съединения, пренапрежения, които след изключването им изискват ръчно превключване. И в случай на операция за автоматично повторно включване, предсказаните промени, които се наблюдават в няколко периода, се появяват в основния хармоник.
Дългосрочните промени са причинени от всеки цикличен товар, доставян от мощни потребители. За появата на такива по-високи хармоници, като правило, са необходими ограничена мрежова мощност и относително големи нелинейни натоварвания, причиняващи генериране на реактивна мощност.
Възможни последици
В случай на постоянно присъстващ хармонично генериращ фактор, техният ефект може да предизвика различни негативни последици в електрическата мрежа. От които трябва да се подчертае:
- Съпътстващо отопление, изключване на изолацията на двигатели, намотки на трансформатори, намаляване на съпротивлението на кондензатори и др. При нагряване на фазов проводник или други проводящи елементи в диелектрици се появяват необратими процеси, които намаляват техните изолационни свойства.
- Фалшиво задействане в разпределителните мрежи - води до изключване на машини, високоволтови ключове и други устройства, които реагират на промени в режима поради хармоници.
- Причинява асиметрия в промишлени мрежи с трифазни източници, когато хармоници се появяват в една фаза. Какво може да наруши нормалната работа на трифазни изправители, силови трансформатори, трифазни UPS и друго оборудване.
- Появата на шум в комуникационните мрежи, въздействието върху съседни нисковолтови и силови кабели поради индуцирана ЕМП. Амплитудата на хармоничната ЕРС се влияе както от разстоянието между проводниците, така и от продължителността на тяхното приближаване.
- Предизвиква преждевременно стареене на оборудването. Поради унищожаването на чувствителните елементи, прецизните инструменти губят класа си на точност и са подложени на преждевременно износване.
- Предизвиква допълнителни финансови разходи поради загуби от индуктивни товари, спиране на производството, аварийни ремонти и преждевременни аварии.
- Необходимостта от увеличаване на напречното сечение на нулевите проводници във връзка със сумирането на хармоници на кратни на 3-та в трифазни мрежи.
Да вземем за пример отрицателното въздействие върху работата на трифазни вериги. В идеалния случай, когато всяка фаза захранва линеен товар, системата е в равновесие. Това означава, че в мрежата няма хармоници и няма ток в неутралния проводник, тъй като всички токове със симетричен товар се изместват с 120º и се компенсират взаимно в неутрално положение.
Ако в веригата на захранването в една от фазите възникне потребител или фактор, който огъва променлив ток, тогава има автоматична промяна в оставащите фазови токове, тяхното изместване спрямо началната стойност и ъгъла. Поради нарушение на симетрията и липсата на компенсация в неутралния проводник започва да тече ток.
Както е показано на фигура 2, нечетните хармоници са кратни на третата и имат същата посока като основния ток. Но поради нарушаването на компенсиращия ефект на симетричната система, те се припокриват и могат да доставят на неутрален ток много по-висок от номиналния за тази верига. Заради това има прегряване, което може да предизвика извънредни ситуации.
Всички тези последствия водят до намаляване на качеството на електрическата енергия, прекомерните претоварвания и последващия спад на фазовото напрежение. В отделни случаи последиците от потока хармоници могат да представляват заплаха за персонала и потребителите. За да се предотвратят такива последствия на електроцентрали, трифазни кабели и друго оборудване, се установява защита срещу хармоници 3].
Хармонична защита
За защита се използват устройства с активни и пасивни елементи, чието действие е насочено към поглъщане или компенсиране на хармоници в мрежата. Най-простият вариант са LC филтри, състоящи се от линеен дросел и кондензатор.
Вижте Фигура 3, тук е схематична диаграма на филтъра. Работата му се основава на индуктивното съпротивление на намотката L, което не позволява на тока незабавно да спечели или загуби стойност. И на кондензатор капацитет С, който осигурява постепенно увеличаване или намаляване на напрежението. Това означава, че хармониците не могат драстично да променят формата на синусоидата и да осигурят плавното му увеличаване и намаляване на натоварването RN .
Когато една бобина и кондензатор са свързани последователно със специфичен избор на параметри, импедансът им ще бъде нула за някакъв вид хармоник. Недостатък на този пасивен филтър е необходимостта от формиране на отделна верига за всеки компонент в мрежата. Следователно е необходимо да се вземе предвид тяхното взаимодействие. Така например, при гасене на петия хармоник се появява седмото усилване, така че на практика няколко филтъра са инсталирани в един ред, както е показано на фигура 4.
Поради факта, че всяка верига L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтва съответния компонент, филтърът се нарича шунт. Освен това като входен филтър могат да се използват устройства с активно потискане на хармониците.
Вижте Фигура 5, тук е активният филтър. Източникът на енергия генерира ток i ps, който се влияе от нелинейно натоварване, поради което в мрежата се получава несинусоидална крива in. Хармониците на активния климатик (ACG) измерват величината на всички нелинейни токове i ahc и извеждат същите токове към мрежата, но с обратен ъгъл. Това ви позволява да неутрализирате хармониците и да дадете на потребителя тока на първата хармоника възможно най-близо до синусоида.
Инсталирането на някой от съществуващите видове защита изисква подробен анализ на хармоничните компоненти, натоварвания, амплитудни фактори и коефициенти на мощност за дадена мрежа. За да намерите най-ефективния начин да премахнете и направите подходящите настройки.