Элементы систем электроснабжения

После того как выявлены источники гармоник и определены их уровни, необходимо выяснить характер влияния гармоник на рабо­ту электрооборудования. Все элементы систем электроснабжения должны быть рассмотрены с точки зрения их чувствительности к гармоникам. На основе этого рассмотрения затем вырабатываются рекомендации по допустимым уровням гармоник в сетях.

Основными формами воздействия высших гармоник на систе­мы электроснабжения являются: увеличение токов и напряжений гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов; снижение эффективности процессов генерации, передачи и использования электроэнергии; старение изоляции электрообору­дования и сокращение вследствие этого срока его службы; ложная работа оборудования.

Резонансы. Наличие в сетях конденсаторов, используемых для компенсации реактивной мощности, может привести к местным резонансам, которые, в свою очередь, могут вызвать черезмерное увеличение тока в конденсаторах и выход их из строя.

Параллельный резонанс возникает вследствие высокого сопротивления гармоникам тока на резонансной частоте. Так как большинство гармоник генерируется источниками тока, то это вызывает увеличение напряжения гармоник и большие их токи в каждой из параллельных ветвей.

Параллельные резонансы могут возникать в различных услови­ях, простейшие из них соответствуют случаю присоединения кон­денсаторов к тем же шинам, к каким присоединен источник гар­моник. Резонанс в этом случае возникает между источником гар­моник и конденсаторами.

Предполагая сопротивление источника полностью индуктив­ным, резонансную частоту определим по формуле

(6.1)

где - мощность силовых конденсаторов и емкости питающей сети; - мощность короткого замыкания в точке общего присоединения (Рис. 6.1.).

Рис 6.1. Параллельный резонанс:

1,3 – нагрузки; 2- источник гармоник; ТОП – точка общего присоединения.

Для того чтобы определить условия резонанса в конкретном случае, необходимо измерить токи гармоник в ветвях каждой на­грузки и ветви питания, а также напряжение гармоник на шинах. Если ток, текущий от шин в энергосистему, мал, а напряжение велико, это говорит о наличии резонанса между и , .

Последовательный резонанс иллюстрируется рис. 6.2. Данный вид резонанса возникает при наличии искажений на шинах источника питания. На высо­ких частотах сопротивление нагрузки может не учитываться, в то время как сопротивление конденсаторов резко снижается. Резо­нансную частоту этой цепи определяют по формуле

(6.2.)

где - мощность силовых конденсаторов; - мощность трансформатора; - напряжение короткого замыкания трансформатора; - мощность нагрузки.

Рис. 6.2. Схема последовательного резонанса

К – конденсатор, Т – трансформатор, Н – активная нагрузка

При последовательном резонансе большой ток гармоники мо­жет течь через конденсатор при относительно небольшом напря­жении гармоники. Фактическое значение тока определяется доб­ротностью контура. Обычно она составляет порядка 5 на частоте 500 Гц.

Влияние резонансов на системы. Резонансы в системах электроснабжения обычно рассматриваются применительно к конденсаторам, и в частности к силовым конденсаторам. При превышении гармониками тока уровней, предельно допустимых для конденса­торов, последние не ухудшают свою работу, однако через некото­рое время выходят из строя.

Вращающиеся машины

Потери электроэнергии. Гармоники напряжения и тока приво­дят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях рото­ра, а также в стали статора и ротора. Потери в проводниках стато­ра и ротора при этом больше из-за вихревых токов и поверхност­ного эффекта, чем определяемые омическим сопротивлением. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, приводят к дополнительным потерям.

В случае асинхронного двигателя с ротором со скошенными пазами и пульсирующими магнитными потоками в статоре и ро­торе высшие гармоники вызывают дополнительные потери в ста­ли. Значение этих потерь зависит от угла скоса пазов и характери­стик магнитопровода.

Влияние формы кривой напряжения на потери в асинхронном двигателе было показано на примере двигателя мощностью 16 кВт, работающего с полной загрузкой при частоте сети 60 Гц и номинальном напряжении. При синусоидальной форме кривой напряжения полные потери составили 1,3 кВт, а при квазипрямо­угольной форме - 1,6 кВт.

Среднее распределение потерь от высших гармоник в двигателе постоянного тока, питающегося от выпрямителя, составляет: об­мотки статора 14,2 %, цепи ротора 41,2 %, торцевые зоны 18,8 %; потоки в пазах 25,8 %.

За исключением последней составляющей потерь, их распреде­ление в синхронных машинах приблизительно аналогично. Сле­дует отметить, что соседние нечетные гармоники в статоре синх­ронной машины вызывают в роторе гармонику одинаковой часто­ты. Например, 5-я и 7-я гармоники в статоре вызывают в роторе гармоники тока 6-го порядка, вращающиеся в разные стороны. Для линейных систем средняя плотность потерь на поверхности ротора пропорциональна , однако из-за разного направ­ления вращения плотность потерь в некоторых точках пропорци­ональна .

Дополнительные потери - наиболее серьезный эффект, вызываемый гармониками во вращающихся машинах. Они приво­дят к повышению общей температуры машины и к местным пере­гревам, наиболее вероятным в роторе. Двигатели с ротором типа «беличья клетка» допускают более высокие потери и температуру, если это не приводит к недопустимой температуре статора; поэтому двигатели с фазным ротором оказываются более чувствительными к гармоникам. Некоторые технические руководства ограничивают допустимый уровень тока обратной последовательности в генерато­ре 10 %, а уровень напряжения обратной последовательности на вводах асинхронных двигателей - 2%. Допустимость гармоник оп­ределяют по тому, какие уровни напряжений и токов обратной пос­ледовательности они создают.

Вращающие моменты, создаваемые высшими гармоническими составляющими достаточно малы и в расчетах обычно не учитываются. Вместе с тем они могут приводить к значительной вибрации вала.

Статическое оборудование

Линии электропередачи. Гармоники тока в линиях приводят к дополнительным потерям электроэнергии и напряжения.

В случае кабельных линий гармоники напряжения увеличива­ют воздействие на диэлектрик пропорционально увеличению максимальной амплитуды напряжения. Это, в свою очередь, уве­личивает число повреждений кабеля и стоимость ремонтов.

В линиях сверхвысокого напряжения гармоники напряжения по той же причине (увеличение амплитуды) могут вызывать уве­личение потерь энергии на корону.

Трансформаторы. Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах увеличение потерь энергии на гистерезис, по­терь, связанных с вихревыми токами в стали, и потерь в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции.

Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в случае преобразовательного трансформатора, так как наличие фильтра, присоединяемого обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоник тока в трансформаторе. Поэтому требуется устанавли­вать большую мощность трансформатора. Кроме того, наблюда­ются локальные перегревы бака трансформатора.

Важная составляющая воздействия гармоник на мощные трансформаторы состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последовательности в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к их перегрузке.

Батареи конденсаторов. Дополнительные потери энергии в конденсаторах определяются выражением

_,(6.3.)

Где - удельные потери на основной частоте; С – емкость конденсатора; напряжение -й гармоники.

Эти потери приводят к дополнительному нагреву конденсато­ров. В общем случае конденсаторы проектируются так, чтобы до­пускать определенную токовую перегрузку. Конденсаторы, выпус­каемые в Великобритании, допускают перегрузку 15%, в Европе и Австралии – 30%, в США – 80%, в РФ - 30%. При превышении этих значений, наблюдающихся в условиях повышенных гармоник на­пряжения на вводах конденсаторов, последние перегреваются и выходят из строя.