Негативное воздействие токов высших гармоник на элементы системы электроснабжения

В идеальной электроэнергетической системе (ЭЭС) энергия должна передаваться при неизменных во времени номинальных значениях частоты и напряжения. В реальных энергосистемах эти условия не выполняются, т. к. большинство потребителей электроэнергии имеют нелинейный характер нагрузки.

Отклонения кривых тока и напряжения от синусоидальной формы обычно представляют с помощью гармонических составляющих.

Гармоники можно разделить на следующие группы: основная — гармоника сетевой частоты (в России — 50 Гц) [1]; высшие гармоники — они превышают частоту основной в n раз, т. е. 3n, 5n и т.д.; субгармоники — они меньше частоты основной в n раз, т. е. n/3, n/5; интергармоники — составляющие колебаний, которые не кратны основной частоте сети.

Следует различать гармоники в установившихся (стационарных) режимах, когда форма кривой не изменяется, и гармоники в переходных (нестационарных) режимах, когда форма кривой существенно меняется от цикла к циклу.

Важной характеристикой, определяющей форму кривой, является угол сдвига фаз гармоники по отношению к гармонике основной частоты.

Одни и те же гармоники от различных источников могут производить различный эффект в зависимости от их относительного положения. В свою очередь, эффекты, вызываемые гармониками, можно разделить на эффекты от кратковременного и от длительного воздействия.

Эффекты кратковременного воздействия:

– Искажение формы питающего напряжения;

– Эффект гармоник, кратных трем (в трехфазных сетях);

– Падение напряжения в распределительной сети;

– Наводки в телекоммуникационных и управляющих сетях;

– Повышенный акустический шум в электромагнитном оборудовании;

– Вибрация в электромашинных системах.

Эффекты длительного воздействия:

– Нагрев и дополнительные потери в электрических машинах;

– Дополнительные потери в шинопроводах;

– Нагрев конденсаторов, входящих в состав батарей (БСК);

– Нагрев кабелей распределительной сети.

Таким образом, можно сделать вывод, что основными формами воздействия высших гармоник на системы электроснабжения являются: увеличение напряжений и токов в СЭС вследствие возникновения резонансов на частотах гармоник; снижение эффективности процессов генерации, передачи, распределения, преобразования и потребления электроэнергии; старение изоляции электрооборудования, что влечет за собой повышенный износ и сокращение срока службы; ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики.

Для иллюстрации одного из негативных влияний высших гармоник, а именно искажения формы кривой напряжения, рассмотрим следующий пример. В качестве исходных данных и упрощения теоретических выкладок рассмотрим систему электроснабжения, изображенную на рис.1, потребители которой (S1 и Sнн) получают питание от генератора через трансформатор по кабельной линии. Отметим, что потребитель S1 является спокойной (линейной) нагрузкой, а потребитель Sнн — нелинейная нагрузка (12-пульсный выпрямитель).

Рис. 1. схема СЭС

Для создания имитационной модели составляются схемы замещения СЭС на основной частоте (рисунок 2а) и на частотах высших гармоник (ВГ) (рисунок 2б) [3].

Рис. 2. Схема замещения СЭС рис.1 на основной (а) и высших (б) гармониках

При составлении схемы замещения на основной гармонике (50 Гц) принимаются следующие допущения, позволяющие упростить решение задачи. Генератор и понижающий трансформатор представляется источником ЭДС напряжением 0,38 кВ и комплексным сопротивлением источника Z_и, равным 10⁶ Ом. Линейная и нелинейная нагрузки представляются комплексными сопротивлениями. Модуль комплексного сопротивления линейной нагрузки составляет Z₁=24768 Ом, а нелинейной — зависит от частоты (т. е. оно различно для каждой из гармоник).

Схема замещения на высших гармониках представляет собой источник тока, комплексные сопротивления всех нагрузок и внутренне сопротивление источника тока (причем схем замещения существует столько, сколько у нас гармоник в сети; покажем для краткости одну из них, так как остальные схемы замещения аналогичны рассматриваемой, отличаются они только параметрами). Частота источника тока равна произведению основной частоты на номер соответствующей гармоники сети, т. е. I₁₁=11·50=550 Гц, I₁₃=13·50=650 Гц и т.д. для каждой гармоники. Величины сопротивлений также зависят от номеров гармоник.

Для наглядного представления искажения синусоидальности кривой напряжения в программном комплексе MATLAB-Simulink была собрана имитационная модель рассматриваемой СЭС, показанная на рис.3 [4].

Рис. 3. Имитационная модель СЭС, представленной на рис. 1

На рис.4 представлена осциллограмма трехфазного напряжения на источнике. Можно сделать вывод, что форма питающего напряжения имеет синусоидальный характер, искажения отсутствуют (причем это справедливо для всех трех фаз).

Рис. 4. Форма питающего напряжения СЭС

В точке подключения нелинейной нагрузки к системе форма напряжения существенно изменяет свой характер из-за того, что происходит наложение высших гармоник на синусоидальное напряжение источника. Происходит искажение формы кривой напряжения в системе, что и показывает нам рис.5.

Рис. 5. Наложение высших гармоник на основную синусоиду источника

Источниками гармоник в СЭС являются: силовое электронное оборудование, статические преобразователи частоты, выпрямительные установки, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, частотно-регулируемые электроприводы, циклоконверторы, сварочные установки, газоразрядные осветительные приборы, различная бытовая техника и т.д. В нашем случае источником высших гармоник в СЭС оказался двенадцатипульсный выпрямитель [2].

Негативное влияние высших гармоник на электрооборудование и другие элементы СЭС заключается в следующем:

1) возникает ускоренный износ электрических машин вследствие ускоренного износа изоляции обмоток и сердечника, который происходит из-за её чрезмерного нагрева токами высших гармоник;

2) возникают дополнительные потери и уменьшение пропускной способности линий электропередачи;

3) затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей статических конденсаторов (БСК) вследствие возможности возникновения резонансных явлений на высших гармониках;

4) ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи.

Литература:

1. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — Введ. 2014–07–01. — М.: Стандартинформ, 2013. — 62 с.
2. Куско А., Томпсон М. Качество энергии в электрических сетях / А. Куско, М. Томпсон: пер. с англ. Рабодзея А. Н. — М.: Издательский дом «Додэка — XXI», 2008. — 333 с.
3. Осипов Д. С., Коваленко Д. В., Киселев Б. Ю. Расчет потерь энергии в кабельной линии электропередачи при наличии нелинейной нагрузки методом пакетного вейвлет-преобразования / Д. С. Осипов, Д. В. Коваленко, Б. Ю. Киселев // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. — 2016. — № 4(148). — С. 84-89.
4. Черных И.В. Моделирование электротехнических устройств в MATLAB, SimPowerSystems и Simulink/ И.В. Черных — М.: «ДМК Пресс», 2008. — 286 с.