Электрических сетей и потребителей электроэнергии

Поскольку влияние это отрицательное, будем рассматривать виды ущерба ими наносимыми.

1. Ухудшение точности работы электроизмерительных приборов:

Счетчики (индуктивных)- вызывает появления дополнительных моментов вращения диска от токов высших гармоник. Эти моменты будут для разных гармоник либо совпадать, либо не совпадать по знаку по отношению к вращательному моменту первой гармоники.

2. Ускорение старения изоляции эл. машин, кабелей, КБ: Под действием напряжения высших гармоник более интенсивно протекают процессы ионизации в изоляции эл. оборудования. Это влечет за собой как снижение её электропрочности, так и увеличения диэлектрических потерь.

3. Ухудшение cosφ выпрямительных преобразователей:

cosφг = λ• cosφ,

где I₁- ток первой гармоники узла сети; I- полный ток с учетом всех гармоник; λ=0,955 с выпрямителями m=6; λ=0,988 с выпрямителями m=12; Cos - естественный.

4. Возникновение добавочных потерь активной мощности в ЛЭП, эл. двигателях, трансформаторе, конденсаторах:

В ЛЭП.

Добавочные потери возникают из-за поверхностного эффекта, который приводит к тому, что на частотах высших гармоник ток вытесняется в поверхностные слой проводника (сечение провода снижается, а сопротивление увеличивается): R₁ <R₅ <R₇ <_…

Чем выше номер гармоники, тем больше сопротивление оказывает один и тот же проводник.

∆P = I1² · R1 + I2² · R2 +…

Дополнительные потери в эл. двигателях образуются как за счет поверхностного эффекта, так и за счет вращающихся с большими скоростями магнитных полей.

Дополнительные потери в трансформаторах. За счет поверхностного эффекта и дополнительного нагрева сердечника токами повышенной частоты.

Конденсаторные батареи снижают свое сопротивление Х_С с ростом номера гармоники. Соответственно возрастают ток КБ и потери мощности в диэлектрике.

5. При возникновении резонанса токов на частоте высшей гармоники происходит резкое увеличение токов высших гармоник.

- резонанс токов при параллельным включении L и C (между емкостью КБ).

- резонанс напряжений при последовательном включении L и С.

6. Токи высших гармоник создают помехи в линии связи, в устройствах автоматики и телемеханики, в системах импульсно-фазового управления тиристорных преобразователей.

Как видно из приведенных выше примеров 1 и 3, несмотря на синусоидальность приложенных напряжений, токи существенно отличаются от синусоидальных. Протекание несинусоидальных токов вызывает несинусоидальные падения напряжения, что приводит к появлению гармоник в кривых напряжения.

Известно, что периодические токи и напряжения, отличаются от синусоидальных, можно представить в виде рядов Фурье, причем это разложение справедливо и с физической точки зрения, т.е. из несинусоидальной величины (например, тока) можно выделить ток, соответствующий какому либо члену ряда Фурье. И наоборот, просуммировав токи, соответствующие различным членам ряда можно получить реальный ток, изменяющийся периодически по несинусоидальному закону.

Доля гармоник в кривой напряжения увеличивается от ИП к выпрямительной установке. Уровни гармоник напряжения в узлах, приближающихся к ИП, тем больше, чем меньше мощность ИП или больше его индуктивное сопротивление. При бесконечно большой мощности системы (Xc=0) высшие гармоники в кривой напряжения ИП отсутствуют, зато в кривой тока они максимальны.

Для расчета спектра гармоник в сети промышленного предприятия составляются схемы замещения отдельно для каждой гармоники аналогично тому, как это делается при расчете токов к.з., причем, преобразователь является генератором, а трансформаторы, двигатели, пит. система служат параллельно включенными сопротивлениями (индуктивные).

Пример расчет уровня высших гармоник на шинах КТП 0,4кВ.

На компрессорной станции (рис 3.1.), с четырьмя синхронными двигателями типа СТД-8000-2, установлены тиристорные возбудительные устройства типа ТВУ-2-247-320 мощностью 79 кВт с к.п.д. 93,7%, соsφ=0,47, схема выпрямления шестифазная с трансформаторами типа ТСП 160/0,5-68 с первичным напряжением 380В. Питание тиристорных устройств (1) производится от шин 0,4 кВ КТП с трансформаторами (4) по 1000 кВА с u_к=5,5% От каждой секции шин 0,4 кВ питаются шесть асинхронных двигателей типа АО-83-4 мощностью 55кВт, η=91%, соsφ=0,89, кратность пускового тока Кn=6,5, кратность максимального момента- m_м=2,3.

Кроме того от каждой секции питается трансформатор ТМ (3) мощностью 100кВА, u_к=10%, напряжением 380/220/127В.

Мощность к.з. на стороне высшего напряжения КПТ составляет 150МВА.

Целью расчета является определение действующего значения гармоник напряжения Кнс на зажимах АД (на шинах КТП).

Р и с.3.1. Схема к примеру расчета.

Решение:

Напряжение К-й гармоники

,

где I1- ток первой гармоники (2-х ТВУ), Х- эквивалентное сопротивление всех элементов СЭС, подключенных к узлу 0,4кВ, определяемое как для параллельно включенных сопротивлений (см. схему замещения).

Тогда ,

где – гармонический коэффициент использования; Ки – коэффициент использования по расчету электрических нагрузок; Кφ – коэффициент, учитывающий несовпадение фаз гармоник отдельных преобразователей (Кφ<1~0,9÷0,95); Кд – коэффициент, учитывающий влияние гармоник намагничивающих токов трансформаторов, Кд=1,1÷1,3, Iэн – арифметическая сумма номинальных токов ВП, приведенных к расчетному напряжению, А; Хэ1 – условное эквивалентное сопротивление сети высшим гармоникам, Ом; nк – число учитываемых гармоник канонических порядков , вычисляемых по формуле: К=υm±1, для шестифазных схем nк=4, для двенадцатифазных – nк=2; Uф – фазное напряжение сети, В;

1. Определим ток I_эн двух тиристорных устройств, подключенных к одной секции 0,4кВ КТП:

;

2. Определим составляющие эквивалентного сопротивления (схема замещения рис.3.2):

реактивное сопротивление системы:

реактивное сопротивление трансформатора:

;

результирующее реактивное сопротивление системы и трансформатора на шинах 0,4 кВ

Р и с.3.2. Схема замещения для определения эквивалентного условного сопротивления.

Для асинхронных двигателей необходимо подставить индуктивные сопротивления двигателя при пуске. Для этого определяются:

Пусковая мощность АД:

Полное сопротивление АД при пуске:

коэффициент мощности при пуске:

,

где cosφ_н=0,89- cosφ при номинальной нагрузке;m_м=2,3 – кратность максимального момента; η- к.п.д.=0,91 при номинальной нагрузке;

S₀=0,02- скольжение при номинальной нагрузке; K_n=6,5- кратность пускового тока; γ=0,33- отношение потерь в обмотке статора при номинальной нагрузке к полным потерям при номинальной нагрузке.

Тогда cosφ_п=0,378; чему соответствует sinφ_п=0,93;

Реактивное сопротивление двигателя при пуске

;

При работе шести АД их эквивалентное сопротивление:

3. Общее эквивалентное сопротивление определяется как для параллельно соединенных Х_РЕЗ, Х_АД, Х_ТЗ:

Находится гармонический коэффициент использования:

Определяется действующее значение гармоник напряжения

,

что допустимо по ГОСТу.

В случае отключения одного трансформатора КТП и питания всей нагрузки от другого трансформатора в два раза уменьшатся сопротивления Х_ад и Х_тз. Тогда

Действующее значение высших гармоник напряжения получается при работе четырех тиристорных устройств с током:

,

но >8% , что также допустимо по ГОСТу.

В сетях прокатных станов возникают нечетные, четные и дробные гармоники неканонических порядков. Причины их появления: стабильный разброс углов зажигания вентилей, циклическое отклонение мощности прокатного стана, вследствие изменения технологических параметров проката (температура металла и т.п.). Ток вентилей может изменяться с периодом в 10÷15 раз > периода основной частоты, возникает модуляция по нагрузке, сопровождающаяся появлением дробных гармоник с частотами kω±Ω, где Ω – частота моделирующего колебания.

Таблица2