ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ В СЕТЯХ 0,4 КВ ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНЫХ СТАНЦИЙ И ИХ ВЛИЯНИЕ НА ИСКАЖЕНИЕ СИНУСОИДЫ И СПЕКТРА ПИТАЮЩЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

АННОТАЦИЯ

Параметры промышленной питающей электросети должны соответствовать требованиям ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электроэнергии в системах электроснабжения общего назначения». Реальная электрическая сеть и ее параметры отличаются от идеальных. Влияние различных факторов приводит к отклонению параметров сети от норм и ухудшению качества электроэнергии. Параметры питающей сети, не соответствующие нормам (повышенное или пониженное напряжение, всплески и провалы напряжения, искажение синусоидальной формы напряжения и др.), воздействуя на подключенных электропотребителей, могут нарушать их нормальную работу, и даже выводить их из строя.

Ключевые слова: гармоника, гармоническое искажение, нелинейный потребитель, полупроводниковый прибор, спектр гармоник.

Причинами появления высших гармоник являются подключенные к электросети потребители, имеющие нелинейные входные цепи и вследствие этого потребляющие импульсный ток. Нелинейный характер цепи определяется наличием в ней полупроводниковых нелинейных элементов (выпрямительных мостов, диодов, тиристоров и т. д.). [3]

Развитие производства современных силовых полупроводниковых приборов ведет к возрастающему количеству приборов, управляемых тиристорами, конверторами (инверторами) и др.

Примеры нелинейных электропотребителей, являющихся причинами гармонических искажений:

- статические преобразователи (выпрямители, источники бесперебойного питания, тиристорные регуляторы, импульсные источники питания, преобразователи частоты, регулирующие скорость вращения электродвигателей переменного тока, и т.п.);

- газоразрядные осветительные устройства и электронные балласты;

- электродуговые печи постоянного и переменного тока;

- сварочные аппараты;

- устройства с насыщающимися электромагнитными элементами.

Синусоидальное переменное напряжение источника электропитания подается на устройство с нелинейной входной цепью – входной выпрямитель. Функция выпрямителя – преобразовать переменное разнополярное напряжение источника питания в однополярное (или пульсирующее) для дальнейшего превращения его в постоянное напряжение.

В трехфазных цепях переменного тока могут использоваться различные выпрямительные схемы. В настоящее время наиболее применима 6-полупериодная (6-пульсная) схема (рисунок 1).

Рисунок 1. 6 – полупериодная (6 – пульсная) схема выпрямления

В устройствах, питающихся от трехфазных источников переменного тока 0,4 кВ, практически везде применяются 6-пульсные выпрямители. Такие выпрямители имеются в преобразователях частоты, инверторах напряжения, инверторах тока, сварочных аппаратах и других приборах.

Синусоида напряжения, подаваемая на вход 6-пульсного выпрямителя, искажает свою форму, так как в момент протекания импульса тока увеличивается падение напряжения на внутреннем сопротивлении сети. Пример искаженной формы синусоиды приведен на рисунке 2.

Рисунок 2. Искажение формы синусоиды питающего напряжения при работе преобразователя частоты

Преобразователи частоты, имеющие входной трехфазный выпрямитель, выполненный по 6-пульсной схеме (рисунок 1), потребляют импульсный ток, форма которого приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Ток, потребляемый 6-пульсным выпрямителем преобразователя частоты (инвертора напряжения и др.) в трехфазной сети

Спектр гармоник питающего напряжения сети с нагрузкой, имеющей 6-пульсную схему выпрямителя, при симметричном режиме трехфазной сети содержит нечетные гармоники (четные гармоники при симметричном режиме взаимно компенсируются). Кроме того, при соединении фаз источника звездой линейное напряжение не содержит гармоник, кратных трем, так как эти гармоники, имеющиеся в фазных напряжениях, при вычитании также компенсируются.

Примерный вид спектра гармоник, создаваемого 6-пульсным выпрямителем в реальной трехфазной сети, приведен на рисунке 4.

Рисунок 4. Примерный вид спектра гармоник, создаваемого 6-пульсным выпрямителем в реальной трехфазной сети

Основной вклад в искажение синусоидальности напряжения сети при работе преобразователя частоты вносят 5-я, 7-я, 11-я и 13-я гармоники (т. е. 250, 350, 550 и 650 Гц соответственно). [1]

Интенсивность гармонических искажений напряжения питания при работе в электросети нелинейной нагрузки зависит:

- от соотношения мощности питающего трансформатора и суммарной мощности нелинейных потребителей. Чем мощнее сеть по отношению ко всем нелинейным потребителям, тем меньше уровень гармонических искажений.

В пределах допустимого значения коэффициента искажения синусоидальности K_U, определенного ГОСТ 32144-2013, к трехфазной сети может быть подключено сколько угодно нелинейных потребителей с суммарной мощностью, не превышающей, как правило, 10–15 % от номинальной мощности источника питания. [2]

Уровень гармонических искажений может превысить допустимый уровень по ГОСТ 32144-2013 (8 %), и уже возможно появление признаков влияния высших гармоник на других потребителей, например: сбои в работе приборов измерения и учета электроэнергии, наводки в телекоммуникационных и управляющих цепях и др.; [3]

- от протяженности и сечения линии питания от питающего трансформатора до потребителя. Если бы сопротивление сети относительно зажимов каждого отдельного электропотребителя было равно нулю, то искажений синусоидальности напряжения не существовало бы. [5] Искажение синусоидального напряжения и появление гармонических составляющих показаны на рисунке 5.

Рисунок 5. Искажение синусоидального напряжения и появление гармонических составляющих

В реальности сеть для любого электропотребителя представляет собой некое эквивалентное сопротивление, включающее выходное сопротивление питающего трансформатора и распределенное сопротивление питающей линии. Условия эксплуатации нелинейного потребителя на конкретном производстве, объекте, населенном пункте и др. могут увеличить сопротивление сети и тем самым ухудшить качество электроэнергии в части гармонических искажений.

Список литературы:

1. Афанасьева Е. А., Кислякова М. Д. Основные проблемы энергетики и возможные способы их решения // Молодой ученый. 2017. №40
2. Давыдов А.Н., Иньшаков А.В. Повышение энергетической эффективности объектов ОАО «РЖД»// Энергосбережение. 2016. №8 [Электронный ресурс] Режим доступа: https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=6552 (Дата обращения 04.12.2020)
3. Качество электроэнергии в системах светодиодного освещения. Колмаков В.О., Пантелеев В.И. В сборнике: Электроэнергия: от получения и распределения до эффективного использования. Национальный исследовательский Томский политехнический университет. 2012. С. 87-90
4. Схемотехническое обеспечение качества электрической энергии в сетях с нелинейными электроприемниками массового применения. Колмаков В.О. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук СФУ. 2015. Автореферат диссертации. Красноярск. 22 с. [Электронный ресурс] Режим доступа: https://dlib.rsl.ru/viewer/01005568344#?page=1 (Дата обращения 20.09.2021)
5. Электромагнитная совместимость и энергосберегающее оборудование. Колмаков В.О., Пантелеев В.И. Энергетик. 2012. №11. С. 47-49