Влияние на по -високи хармоници на напрежение и ток върху работата на електрическото оборудване

По -високите хармоници на напрежението и тока засягат елементите на захранващите системи и комуникационните линии.

Основните форми на влияние на висшите хармоници върху захранващите системи са:

• увеличаване на токовете и напреженията на по -високи хармоници поради паралелни и серийни резонанси;

• намаляване на ефективността на процесите на производство, пренос, използване на електроенергия;

• стареене на изолацията на електрическото оборудване и намаляване в резултат на неговия експлоатационен живот;

• фалшива работа на оборудването.

Влияние на резонансите върху системите

Резонансите в захранващите системи обикновено се разглеждат по отношение на кондензаторите, по -специално на захранващите кондензатори. Когато хармониците на тока надвишават максимално допустимите нива за кондензатори, последните не влошават работата си, но след известно време се провалят.

Друга област, в която резонансите могат да доведат до повреда на оборудването, са системите за контрол на натоварването с тонова честота. За да се предотврати поглъщането на сигнала от силовите кондензатори, техните вериги са разделени от настроен сериен филтър (филтър-«прорез»). В случай на локален резонанс хармониците на тока във веригата на силовия кондензатор рязко се увеличават, което води до повреда на настроения кондензатор на серийния филтър.

В една от инсталациите филтрите, настроени на честота 530 Hz с пропускателен ток от 100 A, блокираха всяка верига на силов кондензатор, който имаше 15 секции от 65 kvar. Кондензатори тези филтри се провалиха след два дни. Причината беше наличието на хармоник с честота 350 Hz, в непосредствена близост до който бяха установени резонансни условия между настроения филтър и силовите кондензатори.

Влияние на хармониците върху въртящи се машини

Хармониците на напрежението и тока водят до допълнителни загуби в намотките на статора, във веригите на ротора, както и в стоманата на статора и ротора. Загубите в проводниците на статора и ротора поради вихрови токове и повърхностен ефект са по -големи от тези, определени от омичното съпротивление.

Токовете на утечка, причинени от хармоници в крайните зони на статора и ротора, водят до допълнителни загуби.

В асинхронен двигател със скосен ротор и пулсиращ магнитен поток в статора и ротора, по-високите хармоници причиняват допълнителни загуби в стоманата. Величината на тези загуби зависи от ъгъла на наклона на прорезите и характеристиките на магнитната верига.

Средното разпределение на загубите от по -високи хармоници се характеризира със следните данни; намотка на статора 14%; роторни вериги 41%; крайни зони 19%; асиметрична вълна 26%.

С изключение на асиметричните загуби на вълни, тяхното разпределение в синхронни машини е приблизително същото.

Трябва да се отбележи, че съседни нечетни хармоници в статора на синхронна машина причиняват хармоници със същата честота в ротора. Например 5 -та и 7 -а хармоника в статора причиняват токови хармоници от 6 -ти ред в ротора, въртейки се в различни посоки. За линейни системи средната плътност на загубите върху повърхността на ротора е пропорционална на стойността, но поради различната посока на въртене плътността на загубите в някои точки е пропорционална на стойността (I5 + I7) 2.

Допълнителните загуби са едно от най -негативните явления, причинени от хармоници във въртящи се машини. Те водят до повишаване на общата температура на машината и до локално прегряване, най -вероятно в ротора. Двигателите с катерична клетка позволяват по -големи загуби и температури от моторите с навити ротори. Някои насоки ограничават допустимото ниво на ток на отрицателна последователност в генератора до 10%, а нивото на напрежение на отрицателна последователност на входовете на асинхронния двигател до 2%. Толерансът на хармониците в този случай се определя от това какви нива на напрежения и токове на отрицателна последователност създават.

Моментите на въртене, генерирани от хармоници. Хармониците на тока в статора пораждат съответните въртящи моменти: хармоници, образуващи положителна последователност по посока на въртене на ротора, и образуващи обратна последователност в обратна посока.

Хармоничните токове в статора на машината предизвикват движеща сила, което води до появата на въртящите моменти на вала по посока на въртене на хармоничното магнитно поле. Обикновено те са много малки и освен това са частично компенсирани поради обратната посока. Въпреки това те могат да причинят вибрации на вала на двигателя.

Влияние на хармониците върху статично оборудване, електропроводи. Хармониците на тока в линиите водят до допълнителни загуби на електричество и напрежение.

В кабелните линии хармониците на напрежението увеличават ефекта върху диелектрика пропорционално на увеличаването на максималната стойност на амплитудата. Това от своя страна увеличава броя на повредите на кабелите и разходите за ремонт.

В линиите EHV хармониците на напрежението по същата причина могат да причинят увеличаване на загубите на корона.

Влияние на по -високи хармоници върху трансформатори

Хармониците на напрежението причиняват увеличаване на загубите на хистерезис и загубите на вихрови токове в стоманата в трансформаторите, както и загубите на намотките. Срокът на експлоатация на изолацията също се намалява.

Увеличаването на загубите на намотки е най -важно в преобразувателния трансформатор, тъй като наличието на филтър, обикновено свързан към променливотоковата страна, не намалява хармониците на тока в трансформатора. Следователно е необходимо да се инсталира голяма мощност на трансформатора. Наблюдава се и локално прегряване на резервоара на трансформатора.

Отрицателен аспект от ефекта на хармониците върху трансформатори с висока мощност е циркулацията на ток с тройна нулева последователност в намотки, свързани с делта. Това може да ги претовари.

Влияние на по -високи хармоници върху кондензаторните банки

Допълнителните загуби в електрическите кондензатори водят до прегрявайки ги. Като цяло кондензаторите са проектирани да издържат на определено токово претоварване. Кондензаторите, произведени във Великобритания, позволяват претоварване от 15%, в Европа и Австралия — 30%, в САЩ — 80%, в ОНД — 30%. При надвишаване на тези стойности, наблюдавани в условия на повишено напрежение на по -високи хармоници на входовете на кондензаторите, последните прегряват и се провалят.

Влияние на по -високи хармоници върху устройствата за защита на електроенергийната система

Хармониците могат да попречат на работата на защитните устройства или да влошат тяхната работа. Характерът на нарушението зависи от принципа на работа на устройството. Цифровите релета и алгоритми, базирани на анализ на дискретизирани данни или анализ на нулева точка на пресичане, са особено чувствителни към хармониците.

Най -често промените в характеристиките са незначителни. Повечето типове релета ще работят нормално до степен на изкривяване от 20%. Увеличаването на дела на мощните конвертори в мрежите обаче може да промени положението в бъдеще.

Проблемите, произтичащи от хармониците, са различни за нормалните и аварийните режими и се обсъждат отделно по -долу.

Въздействие на хармоници в аварийни режими

Устройствата за защита обикновено реагират напрежението или тока на основната честота и всички хармоници в преходен режим са или са филтрирани или не засягат устройството. Последното е характерно за електромеханични релета, особено използвани при защита срещу свръхток. Тези релета имат висока инерция, което ги прави практически нечувствителни към по -високи хармоници.

По -значително е влиянието на хармониците върху работата на защитата въз основа на измерване на съпротивлението. Защитата от разстояние, при която съпротивлението се измерва на основната честота, може да даде значителни грешки в случай на наличие на по-високи хармоници в тока на късо съединение (особено от 3-ти ред). Обикновено се наблюдава високо хармонично съдържание, когато токът на късо съединение протича през земята (съпротивлението на земята доминира общото съпротивление на контура). Ако хармониците не са филтрирани, вероятността от фалшива работа е много голяма.

В случай на метално късо съединение, токът е доминиран от основната честота. Въпреки това, поради насищането на трансформатора, възниква вторично изкривяване на кривата, особено в случай на голям DC компонент в първичния ток. В този случай също има проблеми с осигуряването на нормалната работа на защитата.

В стационарни условия на работа нелинейността, свързана с свръхвъзбуждане на трансформатора, причинява само хармоници с нечетен ред. В преходни режими могат да възникнат всякакви хармоници, като най -големите амплитуди обикновено са 2 -ра и 3 -та.

При правилен дизайн обаче повечето от изброените проблеми лесно се разрешават. Изборът на подходящо оборудване елиминира много от трудностите свързани с измервателни трансформатори.

Хармоничното филтриране, особено при цифровите защити, е най -важно за защитата от разстояние. Работата, извършена в областта на методите за цифрово филтриране, показа, че въпреки че алгоритмите за такова филтриране често са доста сложни, получаването на желания резултат не представлява особени трудности.

Влиянието на хармониците върху защитните системи при нормални режими на работа на електрическите мрежи. Ниската чувствителност на защитните устройства към параметрите на режима при нормални условия води до практическото отсъствие на проблеми, свързани с хармониците в тези режими. Изключение е проблемът, свързан с включването на мощни трансформатори в мрежата, придружен от скок на магнетизиращия ток.

Амплитудата на пика зависи от индуктивността на трансформатора, съпротивлението на намотката и моментът, в който се включва включването. Остатъчният поток в момента преди включването леко увеличава или намалява амплитудата, в зависимост от полярността на потока спрямо първоначалната стойност на моменталното напрежение. Тъй като по време на намагнитването няма ток от вторичната страна, голям първичен ток може да причини фалшиво изключване на диференциалната защита.

Най -лесният начин да избегнете фалшиви аларми е да използвате закъснение по време, но това може да причини сериозни повреди на трансформатора, ако възникне авария, докато е включен. На практика втората хармоника, присъстваща в пусковия ток, нехарактерна за мрежите, се използва за блокиране на защитата, въпреки че защитата остава доста чувствителна към вътрешни повреди на трансформатора по време на включване.

Влияние на хармониците върху потребителското оборудване

Влиянието на по -високите хармоници върху телевизорите

Хармониците, които увеличават пика на напрежението, могат да причинят изкривяване на изображението и промяна в яркостта.

Флуоресцентни и живачни лампи. Баластите на тези лампи понякога съдържат кондензатори и при определени условия може да възникне резонанс, което да доведе до повреда на лампата.

Влияние на по -високи хармоници върху компютрите  

Има ограничения за допустимите нива на изкривяване в мрежите, които захранват компютри и системи за обработка на данни. В някои случаи те се изразяват като процент от номиналното напрежение (за компютърно ИВМ — 5%) или под формата на съотношението на пиковото напрежение към средносрочната стойност (CDC задава допустимите си граници на 1,41 ± 0,1).

Влиянието на висшите хармоници върху преобразуващо оборудване

Прорезите в синусоидалното напрежение, които възникват по време на превключване на клапана, могат да повлияят на времето на друго подобно оборудване или устройства, които се контролират по време на кривата на нулевото напрежение.

Влиянието на по -високи хармоници върху оборудването с скорост на въртене, управлявана от тиристор

На теория хармониците могат да повлияят на такова оборудване по няколко начина:

• прорезите на синусоидалната вълна причиняват неизправност поради неправилно запалване на тиристорите;

• хармониците на напрежението могат да причинят запалване в грешен момент;

• полученият резонанс в присъствието на различни видове оборудване може да доведе до пренапрежения и трептения на машините.

Описаните по -горе въздействия могат да бъдат усетени от други потребители, свързани към същата мрежа. Ако потребителят няма затруднения с оборудването, управлявано от тиристори в техните мрежи, е малко вероятно той да окаже влияние върху други потребители. Потребителите, захранвани от различни автобуси, теоретично могат да си влияят един на друг, но електрическото разстояние намалява вероятността от такова взаимодействие.

Влияние на хармониците върху измерванията на мощността и енергията

Измервателните устройства обикновено се калибрират до чисти синусоидални напрежения и увеличават несигурността в присъствието на по -високи хармоници. Величината и посоката на хармониците са важни фактори, тъй като знакът за грешката се определя от посоката на хармониците.

Грешките при измерване, причинени от хармоници, са силно зависими от вида на измервателните уреди. Конвенционалните индукционни измервателни устройства обикновено надценяват показанията с няколко процента (по 6% всеки), ако потребителят има източник на изкривяване. Такива потребители автоматично се наказват за въвеждане на изкривявания в мрежата, така че в техен собствен интерес е да установят подходящи средства за потискане на тези изкривявания.

Няма количествени данни за влиянието на хармониците върху точността на измерване на максималното натоварване. Предполага се, че влиянието на хармониците върху точността на измерването на максималното натоварване е същото като върху точността на измерването на енергията.

Точното измерване на енергията, независимо от формата на кривите на тока и напрежението, се осигурява от електронни измервателни уреди, които имат по -висока цена.

Хармониците влияят както върху точността на измерването на реактивната мощност, която е ясно определена само в случая на синусоидални токове и напрежения, така и върху точността на измерването на коефициента на мощност.

Влиянието на хармониците върху точността на проверката и калибрирането на инструменти в лабораториите се споменава рядко, въпреки че този аспект на въпроса също е важен.

Влиянието на хармониците върху комуникационните вериги

Хармониците в силовите вериги причиняват шум в комуникационните вериги. Ниското ниво на шум води до известен дискомфорт, с увеличаването му част от предадената информация се губи, в крайни случаи комуникацията става напълно невъзможна. В тази връзка, при всякакви технологични промени в системите за захранване и комуникационните системи е необходимо да се вземе предвид влиянието на електропроводите върху телефонните линии.

Ефектът на хармониците върху шума на телефонната линия зависи от реда на хармониците. Средно телефонният апарат — човешкото ухо има функция за чувствителност с максимална стойност при честота от порядъка на 1 kHz. За да се оцени влиянието на различни хармоници върху шума c. телефонът използва коефициенти, които са сумата от хармониците, взети с определени тегла.Най-разпространени са два коефициента: псофометрично претегляне и С-предаване. Първият фактор е разработен от Международния консултативен комитет за телефонни и телеграфни системи (CCITT) и се използва в Европа, вторият — от Bella Telephone Company и Edison Electrotechnical Institute — се използва в САЩ и Канада.

Хармоничните токове в трите фази не се компенсират напълно взаимно поради неравенството на амплитудите и фазовите ъгли и влияят на телекомуникациите с произтичащия ток на нулева последователност (подобно на токовете на земната повреда и земните токове от тяговите системи).

Влиянието може да бъде причинено и от хармоничните токове в самите фази поради разликата в разстоянията от фазовите проводници до близките телекомуникационни линии.

Тези видове влияния могат да бъдат смекчени чрез правилния подбор на следи от линии, но в случай на неизбежни пресичания на линии възникват такива влияния. Особено силно се проявява в случай на вертикално разположение на проводниците на електропровода и при транспониране на проводниците на комуникационната линия в близост до електропровода.

На големи разстояния (повече от 100 м) между линиите основният влияещ фактор се оказва токът с нулева последователност. Когато номиналното напрежение на електропровода намалее, влиянието намалява, но се оказва забележимо поради използването на общи опори или изкопи за полагане на електропроводи за ниско напрежение и комуникационни линии.