ИССЛЕДОВАНИЕ ВЫСШИХ ГАРМОНИК ТОКА В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ

АННОТАЦИЯ

Данная статья содержит краткую теорию по высшим гармоникам тока и напряжения, их происхождению в электрической сети и способам борьбы с ними, приводящие, как следствие, к улучшению качества электроэнергии в системах электроснабжения.

Ключевые слова: гармоники тока, фильтр, качество электроэнергии.

Проблемы, связанные с низким качеством электроэнергии в системах электроснабжения являются одними из самых важных, так как большие потери приводят к упадку экономической эффективности страны в целом. Одной из основных её частей является проблема наличия высших гармоник тока и напряжения в сети, о которых мы поговорим подробнее.

В последние годы на модернизированных промышленных предприятиях значительное распространение получили электрические потребители, вольт-амперные характеристики которых нелинейны. Простыми словами, такие приборы изменяют установленное значение частоты, которое в нашей стране установлено f₁=50 Гц. В результате возникают нелинейные искажения формы напряжения сети или, другими словами, несинусоидальные режимы. Столкнуться с такими явлениями в домашней обстановке у вас не выйдет, так как большинство бытовых приборов работают без изменения частоты в сети, в отличие от установок на промышленных объектах. Что же такое гармоника? Гармоника – это кривая тока или напряжения, которая может быть разложена на фундоментальную синусоиду и сумму определнных частот, кратных 50. Например, первая гармоника – f₁=50 Гц, установленное значение частоты тока в сети, вторая гармоника – f₂=100 Гц, пятая гармоника – f₅=250 Гц и так далее. Визуальную характеристику гармоник можно проследить на рисунке 1.

Рисунок 1. Значения гармоник в электрических сетях

Конечного значения номера гармоники не существует, есть гармоники порядков 25 и выше, но самые распространённые высшие гармоники на объектах промышленности ограничиваются девятым порядковым номером. Сумма определенного количества частот, которые могут быть прибавлены к нормальному значению частоты в сети и называются гармониками. Соответственно при изменении их характеристик (фазы, амплитуды, частоты) изменяется кривая тока как результат синтеза гармоник. Так же существует простейший расчет для значения определенной гармоники, которые можно осуществить имея информацию по напряжение в сети и знание табличного коэффициента. Напряжение n-ной гармоники можно найти по формуле:

U_n= K_U×U₁, где:

K_U – коэффициент несинусоидальности напряжения;

U₁ – значение напряжения основной частоты в сети.

Электропотребители, которые приводят к возникновению высших гармоник:

•  стaтичeские прeобрaзователи (выпрямитeли, ИБП, тиристoрныe рeгулятoры, импульсные истoчники питания, частотные прeобрaзoвaтели, которые регулируют скорость вращения двигателей, и т. п.);
•  газоразрядные лампы;
•  электродуговые печи;
•  аппараты для сварки;
•  приборы с насыщающимися электромагнитными элементами;
•  электрические двигатели, имеющие плавный пуск;
•  специализированные медицинские аппараты.

Стремление масштабного внедрения в различные индустрии промышленности практичных и полезных аппаратов – частотных преобразователей, которые являются для электрической сети нелинейными потребителями, – обязывает все больше времени уделять проблемам, которые связаны с искажениями гармоник напряжения в питании от сети.

Способы снижения гармонических искажений

Применение пассивных фильтров. Применение последовательно включенных линейных дросселей в ряде случаев не позволяет уменьшить гармонические искажения тока до желаемых пределов. В этом случае целесообразно применение пассивных LC-фильтров, настроенных на определенный порядок гармоник. Для улучшения гармонического состава потребляемого тока такие фильтры нашли широкое применение в системах с источниками бесперебойного питания (ИБП / UPS). Подключение фильтра на входе шестиполупериодного выпрямителя при 100% нагрузке UPS обеспечивает снижение коэффициента искажения тока до величины 8-10%. Значения этого коэффициента в системе без фильтра может достигать 35% и более.

На рисунке 2 приведены разновидности основных пассивных фильтров, которые используются для подавления гармоник тока, возникающих в сети:

Рисунок 2. Пассивные фильтры а) некомпенсированный LC-фильтр; б) компенсированный LC-фильтр; с) некомпенсированный LC-фильтр с коммутатором; d) трехфазный вариант LC фильтра

В любом случае для снижения гармонических искажений и подавление несоответствий в сети рекомендуется провести предварительное обследование питающей электросети для определения:

• параметров источника электропитания (мощности, конфигурации питающего трансформатора и т. д.);
• характеристик подключенных нелинейных потребителей (их количества и распределения по фазам, мощности, мест подключения и т.д.);
• линий электропередачи (протяженности, сечения проводов, распределительных устройств и т. д.);
• локализации и классификации влияния гармонических искажений (кратковременные сбои или необратимые нарушения в работе приборов, воздействие на всех линейных потребителей сети или влияние только на локальном участке и т. д.);
• коэффициента нелинейных искажений ненагруженной электросети (для оценки качества электроэнергии, получаемой от энергоснабжающей организации).

Таким образом можно сделать вывод, что самым ходовым способом борьбы с высшими гармониками, которые появляются в сети из-за нелинейных потребителей, является применение пассивных фильтров, которые способствуют подавлению резонансных возникновений частот, которые превышают нормированное значение 50 герц, тем самым качество электроэнергии на предприятии и коэффициент экономической эффективности будет на высоком уровне.

Список литературы:

1. Активный фильтр гармоник электросети. Компания «Матик-электро», г. Москва. www.matic.ru.
2. Г0СТ 32144 - 2013. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения. Межгос. стандарт. Введ 02.06.2014 г. – М.: Стандарт-информ, 2014г. – 16 с.
3. Г0СТ 23875–88. Качество электроэнергии. Термины и определения.  Введен 01.07.89. – М.: Издательствово стандартов, 1988. – 15 с.
4. Григорьев О., Петухов В., Соколов В., Краселов И. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ // Новости электротехники. – 2002. – № 6.
5. Коробко Г.И. Улучшение электроэнергии в электроэнергетических системах с использованием вольтодобавочных устройств / В.В. Лебедев, А.С. Макаев / Нижнегородский ГТУ имени Р.Е. Алексеева / НГТУ им. Р.Е. Алексеева. – Нижний Новгород., 2013. №1 (95). – 367 с.