Введение в энергетику. Часть 2.
Высшие гармоники. Что это такое?
Представьте себе идеальную синусоиду переменного тока — это чистая, ровная музыкальная нота с частотой 50 Гц. Высшие гармоники — это фальшивые, диссонирующие обертоны, накладывающиеся на основную ноту.
Если говорить технически, это синусоидальные колебания с частотами, в целое число раз (2, 3, 5, 7 и т.д.) превышающими основную частоту (50 Гц). Они искажают форму идеальной синусоиды, делая её «рваной» и «зазубренной».
Главный источник гармоник — это нелинейные нагрузки, то есть оборудование, которое потребляет ток не пропорционально напряжению. К ним в первую очередь относятся разного рода преобразовательные агрегаты, осуществляющие преобразование переменного тока в постоянный и обратно.
Наиболее распространенными устройствами такого типа являются широко используемые импульсные блоки питания бытовых электроприборов, форма токов которых имеет импульсную форму. Именно благодаря засилью таких источников питания форма напряжения в сетях 0,4 кВ имеет характерную форму синусоиды со «срезанной» верхушкой.
В промышленности преобразовательная техника также находит самое широкое распространение. В первую очередь это устройства частотного-регулирования электропривода (ЧРП), изменяющие скорость вращения питаемых с их помощью двигателей. Также мощные преобразовательные установки являются источниками питания для тяговых нагрузок постоянного тока (метро, трамваи и троллейбусы).
В общем, можно говорить о том, что такие устройства окружают нас со всех сторон!
Если говорить технически, это синусоидальные колебания с частотами, в целое число раз (2, 3, 5, 7 и т.д.) превышающими основную частоту (50 Гц). Они искажают форму идеальной синусоиды, делая её «рваной» и «зазубренной».
Главный источник гармоник — это нелинейные нагрузки, то есть оборудование, которое потребляет ток не пропорционально напряжению. К ним в первую очередь относятся разного рода преобразовательные агрегаты, осуществляющие преобразование переменного тока в постоянный и обратно.
Наиболее распространенными устройствами такого типа являются широко используемые импульсные блоки питания бытовых электроприборов, форма токов которых имеет импульсную форму. Именно благодаря засилью таких источников питания форма напряжения в сетях 0,4 кВ имеет характерную форму синусоиды со «срезанной» верхушкой.
Точно также отрицательно на форму синусоиды тока и напряжения влияют источники бесперебойного питания (отметим, что они не только потребляют из питающей сети сильно искаженные токи, но и на своей вторичной стороне выдают напряжение, которое лишь относительно напоминает синусоиду, приближаясь к ней только в самых дорогостоящих вариантах), а также активно внедряемые светодиодные и другие энергосберегающие лампы.
В промышленности преобразовательная техника также находит самое широкое распространение. В первую очередь это устройства частотного-регулирования электропривода (ЧРП), изменяющие скорость вращения питаемых с их помощью двигателей. Также мощные преобразовательные установки являются источниками питания для тяговых нагрузок постоянного тока (метро, трамваи и троллейбусы).
В общем, можно говорить о том, что такие устройства окружают нас со всех сторон!
Как измеряются гармоники?
Для количественной оценки искажений используют два ключевых параметра:
Ku – коэффициент суммарных гармонических искажений напряжения.
Что показывает: Какую долю от общей мощности (или напряжения) составляют все гармоники вместе взятые.
Обратим внимание, что использование аналогичного коэффициента для нормирования тока имеет относительно мало смысла. Значительные изменения действующего значения тока (от близких к нулю значений в режимах холостого хода, до сотен и тысяч ампер при максимальной нагрузке) приводят к очень высоким изменениям процентного содержания тока отдельных гармоник. Например, в режимах холостого хода уровни гармоник могут достигать сотен и тысяч процентов при их реальных абсолютных уровнях, не превышающих долей ампера. Очевидно, что такие малые абсолютные значения не оказывают влияния на режим работы электрической сети, а их высокие относительные значения только вводят в заблуждение.
Единица измерения: Проценты (%).
Простое правило: Чем ниже Ku, тем «чище» форма сигнала и качественнее электроэнергия.
Уровни отдельных гармонических составляющих напряжения Ku(n).
Зачем нужен: Различные номера гармоник оказывают различное влияние на электрооборудование.
Например, нечетные гармоники, кратные трем (частоты, кратные 150 Гц), в бытовых четырех и пятипроводных сетях 0,4 кВ замыкаются через нулевой рабочий проводник, что приводит к его дополнительной нагрузкt и, соответственно, повышает возможность его перегрева.
Гармоники 5 (250 Гц), 11 (550 Гц) и т.д. относятся к составляющим обратной последовательности, крайне отрицательно влияющим на режимы работы вращающихся электрических машин (например, компрессоров холодильников, приводов стиральных машин), так как создают вращающий момент, направленный в сторону, противоположную основному электромагнитному полю. Это приводит к резкому нагреву двигателей и повышению возможности их повреждения.
Нормирующие документы устанавливают пределы для каждой из гармоник до 40-го порядка (частота 2 кГц), так как считается, что более высоких гармоник в электрических сетях нет (в современных системах электроснабжения такое предположение является совершенно некорректным!).
Пример: По нормам ГОСТ 32144-2013, действующее значение напряжения 5-й гармоники (250 Гц) в сети 0,4 кВ не должно превышать 6% от действующего значения напряжения основной частоты (50 Гц).
Для измерений гармоник используются специальные приборы — анализаторы качества электроэнергии (см. "Проблематика использования..."), которые способны «разложить» общий искаженный сигнал на спектральные составляющие (гармоники) и показать уровень каждой из них.
Ku – коэффициент суммарных гармонических искажений напряжения.
Что показывает: Какую долю от общей мощности (или напряжения) составляют все гармоники вместе взятые.
Обратим внимание, что использование аналогичного коэффициента для нормирования тока имеет относительно мало смысла. Значительные изменения действующего значения тока (от близких к нулю значений в режимах холостого хода, до сотен и тысяч ампер при максимальной нагрузке) приводят к очень высоким изменениям процентного содержания тока отдельных гармоник. Например, в режимах холостого хода уровни гармоник могут достигать сотен и тысяч процентов при их реальных абсолютных уровнях, не превышающих долей ампера. Очевидно, что такие малые абсолютные значения не оказывают влияния на режим работы электрической сети, а их высокие относительные значения только вводят в заблуждение.
Единица измерения: Проценты (%).
Простое правило: Чем ниже Ku, тем «чище» форма сигнала и качественнее электроэнергия.
Уровни отдельных гармонических составляющих напряжения Ku(n).
Зачем нужен: Различные номера гармоник оказывают различное влияние на электрооборудование.
Например, нечетные гармоники, кратные трем (частоты, кратные 150 Гц), в бытовых четырех и пятипроводных сетях 0,4 кВ замыкаются через нулевой рабочий проводник, что приводит к его дополнительной нагрузкt и, соответственно, повышает возможность его перегрева.
Гармоники 5 (250 Гц), 11 (550 Гц) и т.д. относятся к составляющим обратной последовательности, крайне отрицательно влияющим на режимы работы вращающихся электрических машин (например, компрессоров холодильников, приводов стиральных машин), так как создают вращающий момент, направленный в сторону, противоположную основному электромагнитному полю. Это приводит к резкому нагреву двигателей и повышению возможности их повреждения.
Нормирующие документы устанавливают пределы для каждой из гармоник до 40-го порядка (частота 2 кГц), так как считается, что более высоких гармоник в электрических сетях нет (в современных системах электроснабжения такое предположение является совершенно некорректным!).
Пример: По нормам ГОСТ 32144-2013, действующее значение напряжения 5-й гармоники (250 Гц) в сети 0,4 кВ не должно превышать 6% от действующего значения напряжения основной частоты (50 Гц).
Для измерений гармоник используются специальные приборы — анализаторы качества электроэнергии (см. "Проблематика использования..."), которые способны «разложить» общий искаженный сигнал на спектральные составляющие (гармоники) и показать уровень каждой из них.
Чем опасны высшие гармоники? Влияние на оборудование
Игнорирование гармоник может привести к серьезным последствиям и финансовым потерям:
Перегрев и выход из строя оборудования — токи высших гармоник вызывают дополнительный нагрев:
• силовых трансформаторов;
• кабелей, особенно в нейтральном проводнике в трехфазных сетях, где токи нечетных гармоник, кратных трем, не компенсируются, а суммируются;
• обмоток электродвигателей, сокращая их срок службы;
• конденсаторов, что в случае высокого уровня гармоник может привести к их взрыву.
Ложные срабатывания защит — искаженная форма напряжения/тока может неправильно интерпретироваться микропроцессорными реле защиты и тепловыми расцепителями автоматических выключателей, что приводит к незапланированным отключениям и остановкам производства.
Сбои в работе чувствительной электроники — компьютеры, датчики, программируемые логические контроллеры (ПЛК) могут работать нестабильно, вызывая ошибки в автоматизированных системах.
Резонансные явления — самое опасное последствие. В сетях с компенсацией реактивной мощности (конденсаторными установками) гармоники могут войти в резонанс. Это приводит к катастрофическому росту напряжения и/или тока в определенных точках сети, вызывая массовый выход оборудования из строя.
Перегрев и выход из строя оборудования — токи высших гармоник вызывают дополнительный нагрев:
• силовых трансформаторов;
• кабелей, особенно в нейтральном проводнике в трехфазных сетях, где токи нечетных гармоник, кратных трем, не компенсируются, а суммируются;
• обмоток электродвигателей, сокращая их срок службы;
• конденсаторов, что в случае высокого уровня гармоник может привести к их взрыву.
Ложные срабатывания защит — искаженная форма напряжения/тока может неправильно интерпретироваться микропроцессорными реле защиты и тепловыми расцепителями автоматических выключателей, что приводит к незапланированным отключениям и остановкам производства.
Сбои в работе чувствительной электроники — компьютеры, датчики, программируемые логические контроллеры (ПЛК) могут работать нестабильно, вызывая ошибки в автоматизированных системах.
Резонансные явления — самое опасное последствие. В сетях с компенсацией реактивной мощности (конденсаторными установками) гармоники могут войти в резонанс. Это приводит к катастрофическому росту напряжения и/или тока в определенных точках сети, вызывая массовый выход оборудования из строя.
Кто и как нормирует гармоники?
В России и странах СНГ основные требования к качеству электроэнергии, включая уровни высших гармоник, установлены в межгосударственном стандарте ГОСТ 32144-2013.
Энергоснабжающие организации обязаны следить за соблюдением этих норм в точке подключения (в точке передачи электрической энергии или на границе балансовой принадлежности). Однако ответственность за качество электроэнергии внутри предприятия целиком и полностью лежит на его владельце.
Энергоснабжающие организации обязаны следить за соблюдением этих норм в точке подключения (в точке передачи электрической энергии или на границе балансовой принадлежности). Однако ответственность за качество электроэнергии внутри предприятия целиком и полностью лежит на его владельце.
Заключение
Таким образом, борьба с высшими гармониками — это не технический каприз, а прямая инвестиция в надежность, безопасность и бесперебойность всего производства.
Своевременный мониторинг, применение специальных решений (таких как пассивные или активные фильтры, многообмоточные трансформаторы) позволяют минимизировать риски и избежать значительных убытков.
Своевременный мониторинг, применение специальных решений (таких как пассивные или активные фильтры, многообмоточные трансформаторы) позволяют минимизировать риски и избежать значительных убытков.
