Хармоници в електроенергийните мрежи – част 2

ЕлектроапаратурaСтатииСп. Инженеринг ревю - брой 2, 2014

Хармоници в електроенергийните мрежи – част 2

Влияние върху електрическите уредби и консуматорите, нормативна база, методи за оразмеряване на ел. съоръженията.

В първата част на статията, публикувана в брой 1/2014 на сп. Инженеринг ревю бяха разгледани основните източници на хармонични изкривявания и влиянието им върху напрежението на мрежата. Тук продължаваме с влиянието им върху разпределителните уредби и консуматорите, както и с методите за предотвратяване на вредното въздействие на хармониците, като специално ще се спрем на оразмеряването на електрическите съоръжения

Влияние на изкривяванията върху електроразпределителните уредби и консуматорите
Ефектите на захранване с изкривено напрежение могат да се обобщят като:
• Директно влияние във вид на електромагнитни смущения и разстройване работата на някои електронни устройства и релейни защити.
• Термични въздействия от различен характер върху тоководещи части, кондензатори, трансформатори и електрически машини.
• Механично въздействие във вид на шум и вибрации в трансформатори, реактори и въртящи се машини.

Директно влияние
Електромагнитните смущения могат да се предадат по два начина:
• чрез директно индуциране на напрежения с високи честоти в телекомуникационни линии и линии за пренос на данни, положени в близост до силовите кабели.
• в инсталации тип TN-C протичащите големи токове в PEN проводника, причина за които са хармониците кратни на 3, както е изяснено по-нататък, създават значителни падове на напрежение в него.

По този начин масите на устройства, занулени в различни точки, имат различни потенциали и това е предпоставка за възникване на смущения по линиите, по които тези устройства си обменят сигнали. Освен това, в сградните конструкции, свързани в системата за изравняване на потенциалите, също протичат токове, които, от своя страна, индуцират електромагнитни смущения в телекомуникационни линии и линии за пренос на данни.

Изкривяванията във формата на напрежението могат директно да разстроят работата на електронни прибори и релейни защити, които използват синхронизация с мрежовото напрежение.

Термични въздействия на хармониците - причини за поява
Наличието на хармоници води до прегряване по няколко различни начина, които се наслагват с различна тежест в различни елементи на дадена електрическа система.

Намаляване фактора на мощността. Въпреки че в практиката двете понятия най-често се употребяват като синоними, при несинусоидални системи факторът на мощността не е равен на cosj. Факторът на мощността всъщност е отношението на активната съставка на основния хармоник към пълния ток. Затова за нелинеен товар, консумиращ или генериращ нелинеен ток, пълният фактор на мощността ще бъде винаги по-малък от cosj:
PF = (cosj)/Ц(1+THDI2)

Претоварване на неутралата в монофазни инсталации. Както беше споменато, хармониците с номер, кратен на 3, образуват системи с нулева последователност и те се генерират само от монофазни източници на хармоници. Докато при една балансирана инсталация, в която товарите са равномерно разпределени между фазите, първи и останалите, некратни на 3 хармоници се уравновесяват взаимно в неутралата, кратните на 3 хармоници се наслагват и токът в неутралата на всеки хармоник, кратен на 3, е с трикратна амплитуда в сравнение със същите токове, протичащи във всяка от фазите.

Така например, ако в една инсталация протичат токове на първи хармоник (100%) и на трети хармоник с относителна амплитуда от 75%, ефективната стойност на тока във фазовия проводник ще бъде Ц(1+0.752) = 1,25 пъти по-голяма от тази на основния хармоник. В същото време токът в неутралата ще бъде 3 x 0,75 = 2,25 пъти амплитудата на основния хармоник.

Увеличаване на загубите в магнитните вериги. Токовете с висока честота увеличават загубите от вихрови токове в магнитопроводите на трансформатори и въртящи се машини.
Увеличаване на диелектричните загуби. Диелектричните загуби зависят от квадрата на ефективната стойност на тока, респ. от хармониците.

Увеличаване загубите в проводниците. Дължи се на увеличаване на активното съпротивление в резултат на скин ефекта при високи честоти.

Ефект на хармониците върху различните елементи на електроразпределителните уредби
Тоководещи части. Основният ефект произтича от увеличеното натоварване по ток. В инсталациите с еднофазни източници на хармоници е налице още по-голямо натоварване на неутралата. При екранирани кабели с екран, заземен от двете страни, или положени в метална тръба, заземена от двете страни, в екрана се индуцират токове, които допълнително увеличават нагряването и респективно намаляват токопреносната способност на кабела. Известен ефект за допълнително нагряване и намаляване на токопреносната способност имат и увеличените диелектрични загуби в изолацията на кабелите.

Трансформатори и въртящи се машини. При тях се наслагват претоварването по ток и увеличените загуби в магнитните вериги и намотките. Резултатът е чувствително прегряване.

Кондензатори. При кондензаторите основният ефект се дължи на повишените диелектрични загуби. Ефектът е прегряване и в крайна сметка риск от пробив. Риск от пробив в резултат на превишено напрежение съществува, ако възникнат описаните по-горе условия за резонанс.

Нормативна уредба
За България граничните стойности на процента на общите изкривявания и на най-важните хармонични съставки на напрежението в електроразпределителните мрежи са регламентирани от документа “Показатели за качество на електроснабдяването” на ДКЕВР както следва:

За мрежи средно напрежение: 95% от средната ефективна стойност на всяка една от хармоничните съставящи на напрежението за 10 мин. за всеки период от една седмица трябва да бъде: U3 ±5%, U5 ±6%, U7 ±5%, U11 ±3.5%, U13 ±3%; общо изкривяване ±8%

За мрежи ниско напрежение: 95% от средната ефективна стойност на всяка една от хармоничните съставящи на напрежението за 10 мин. за всеки период от една седмица трябва да бъде: U3 ±5%, U5 ±6%, U7 ±5%, U11 ±3.5%, U13 ±3%; общо изкривяване ±8%
Нормално същите изисквания се предявяват към промишлените потребители и производители на електроенергия в договорите им с електроразпределителните дружества.

Тези стойности в общи линии съвпадат с изискванията на европейските стандарти БДС EN 50160 и IEC 61000-2-2 за системи от Клас 2 - Обществени и промишлени електроснабдителни мрежи. Освен тях в стандарт IEC 61000-2-2 се специфицират и граници за Клас 1 - чувствителни системи и устройства (по-ниски граници) и Клас 3 - големи единични нелинейни товари (по-високи граници). Този стандарт също така дава граници за всички номера хармоници от 2 до 13, включително четните.

Методи за предотвратяване на вредното влияние на хармониците
Предотвратяването на вредното влияние може да се постигне по три начина:
• Като се използват устройства, консумиращи (генериращи) ток с нисък процент на хармонични изкривявания.
• Като се избират компоненти на електрическите уредби, оразмерени да понесат негативните ефекти от наличието на хармоници. В това число влизат и мерките против възникване на паралелен резонанс.
• Като се намаляват хармониците посредством инсталиране на специални за целта пасивни и активни филтри.

Изборът на стратегия и конкретно решение зависи много силно от поставената цел: дали е нужно да се доведат стойностите на THD на напрежението на входа на уредбата до стойностите, заложени в договора с електроразпределителното дружество, или да се предпазят собствената електроразпределителна уредба и консуматори.

В много случаи не е възможно да се направи точна оценка по време на фазата на проектиране, да не говорим за случаите, в които характерът на товарите е претърпял изменение в течение на времето. Затова в много случаи, когато са налице проблеми, дължащи се на наличие на хармоници, е добре да се направят измервания и на тяхна база да се търси най-подходящото решение. На пазара са налични както стационарни, така и преносими анализатори и регистратори.

От изброените по-горе групи методи за справяне с проблемите с хармониците, първата група - избор на устройства с ниска степен на изкривяване, изглежда най-радикалното решение. Такива са устройства, изградени на принципа на широчинноимпулсната модулация и/или снабдени с вътрешни филтри за хармоници.

Често обаче тяхната цена е неоправдано висока, а когато се изграждат нови инсталации, които ще захранват голям брой относително малки нелинейни консуматори (търговски сгради и офиси, а във все по-голяма степен и жилищни сгради,) често не е възможно да се предвиди какъв точно тип консуматори ще се използват.

Оразмеряване на електрически съоръжения с оглед въздействие на хармониците
Оразмеряване на кабелни линии

При избора на кабели следва да се взема предвид пълният фактор на мощността, отчитащ наличието на хармоници: PF = (cosj)/Ц(1+THDI2)

Както беше показано в първата част на статията (вж. списание Инженеринг ревю 1/2014), неутралният проводник на трифазна система, от която се захранват еднофазни консуматори, генериращи хармоници, може да има товар, по-голям от този на фазните проводници. Такива линии например могат да бъдат дълги трифазни линии, захранващи осветители с флуоресцентни лампи без филтри за хармоници, или трифазна линия, захранваща разпределително табло с еднофазни излази за компютри и друга офис техника.

В такива случаи трябва да се направи проверка на сечението на неутралния проводник, като се съберат токът на небаланс между трите фази и сумата от токовете в трите фази на хармоничните съставки, кратни на 3.
Препоръчително е и да се използват четириполюсни прекъсвачи със защита и на неутралния проводник.

Оразмеряване на трансформатори
Трансформаторите са чувствителни към токовете на хармониците, тъй като през тях протичат всички хармоници на тока, генерирани от долустоящите устройства, упражнявайки едновременно различни ефекти, всичките резултиращи в прегряване:

• Увеличаване на загубите от блуждаещи токове в намотките, пропорционални на квадрата на тока и на квадрата на честотата (основна причина за претоварване на трансформаторите от хармоници).
• Увеличаване на загубите в активното съпротивление на намотките в резултат на протичащия по-голям ток, увеличаване на самото активно съпротивление от скин-ефекта при високи честоти.
• Увеличаване на загубите в магнитопроводите.

Претоварването на трансформаторите се отчита посредством т. нар. К-фактор. Има различни определения за К-фактор, като определенията, използвани в Европа и тези в САЩ, са принципно различни.
Европейските стандарти БДС EN 50464-3 и БДС EN 50541-2, съответно за маслени и за сухи трифазни трансформатори, дават следната формула:
                                          n=N
K = [1+(e/(1+e))(I1/I)2 S(nq(In/I1)2)]0,5 ,
                                          n+2
където:
e е отношението между загубите в намоткитe при синусоидален ток с честота 50 Hz и загубите при постоянен ток със същата ефективна стойност. Ако не е налично като каталожна стойност, може да се приеме равно на 0.1;
I1 е ефективната стойност на тока на първи хармоник, а In – тези на висшите хармоници;
n e номер на хармоника;
q е константа, зависеща от конструкцията на намотките. Ако не е налична като каталожна стойност, може да се приеме 1,7 за трансформатори с намотки от проводник с кръгло или правоъгълно сечение и 1,5 за трансформатори с намотка ниско напрежение от фолио.

Изчисленият по този начин К-фактор приема стойности между 1 и 2. Максималната продължителна мощност, до която може да се товари един трансформатор, подложен на несинусоидални токове, се намалява, като номиналната му мощност се раздели на К-фактора. Дефакто се получава преоразмеряване, тъй като за дадена работна мощност трябва да се избере трансформатор с по-голяма номинална такава.

Съгласно американските стандарти, К-факторът се изчислява като:

      h=hmax
K =  S Ih2 h2,
      h=1
където h e номер на хармоника; Ih е ефективната стойност на тока на всеки пореден хармоник в относителни единици (разделен на номиналния ток на трансформатора).

Така изчислен, коефициентът приема стойност от 1 за чисто синусоидален ток до няколко десетки при голямо съдържание на хармоници. Този коефициент може да се използва за редуциране на максималната продължителна мощност, до която може да се товари един трансформатор, подложен на несинусоидални токове, по подобен начин, както в EN стандарта.

За целта, вместо директно преизчисляване, производителите предлагат съответната зависимост на мощността от К-фактора. Освен това обаче на пазара в САЩ се предлагат т. нар. “K-rated” трансформатори, в чиято конструкция са взети мерки за намаляване влиянието на хармониците както в намотките, така и в магнитопроводите, и също с подобрено охлаждане.

В резултат, при избор на “K-rated” трансформатор вместо на нормален трансформатор с по-висока мощност, се получава икономия както от по-ниската първоначална цена, така и от по-ниските загуби в процеса на експлоатация. Има 7 класа “K-rated” трансформатори, конструирани за натоварване с K-фактор, съответно до 4, 9, 13, 20, 30, 40 и 50.

Оразмеряване на генератори
Влиянието на несинусоидалните токове, произвеждани от нелинейните товари на един генератор, е подобно на това при трансформаторите. Влиянието на хармониците може да не се отчита при избор на генератор, ако общите нелинейни изкривявания на тока са до 20% и съдържанието на всеки хармоник е до 5%. В противен случай изборът трябва да става съгласно методика на производителя на генератора.

Оразмеряване на двигатели
Претоварването на електродвигател от хармоници е рядък случай, до който може да се стигне при много големи изкривявания на захранващото напрежение. И в този случай е необходимо да се избере двигател, предвиден от производителя за работа със съответното ниво на нелинийни изкривявания на напрежението, или просто по-мощен двигател.

Избор и оразмеряване на кондензаторни батерии за компенсация на реактивната мощност
Съдържанието на хармоници в тока, протичащ през кондензаторите, е пропорционално на съдържанието им в напрежението на шините, към които е свързана батерията. Номиналната мощност на кондензаторите следва да бъде избрана с отчитането на пълния ток, протичащ през тях. В случай че се очаква наличие на хармоници в напрежението, но нивото им не може да бъде определено, коефициент на сигурност от порядъка на 1,3 е приемливо решение.

Важно е при избор на кондензаторна батерия да се вземат мерки за избягване на явлението паралелен резонанс, разгледано в първата част на статията. Тъй като явлението възниква при числено равенство на импедансите на кондензатора и на системата (вж. фиг. 5 на стр. 52 в бр. 1/2014 на сп. Инженеринг ревю), понякога е достатъчно да бъде променено мястото на присъединяването на кондензаторната батерия към системата така, че импедансът на системата, гледан от точката на присъединяване, да се промени достатъчно.

Този метод обаче първо не винаги е осъществим и второ, не винаги е сигурен, защото често импедансът на системата не може да бъде точно оценен или пък може да варира в доста широки граници в зависимост от включените трансформатори, захранващи източници и т. н. Затова намаляване на зависимостта на честотата на паралелния резонанс от импеданса на системата се постига, като последователно на кондензатора се постави т. нар. антирезонансен дросел (detuning).

В този случай заместващата схема от цитираната фиг. 5 в първата част на материала добива вида, показан тук на фиг. 1a.
Резонансната честота, която е равна на 1/Ц(Lсистема x C) в случая без дросел, сега става w0=1/Ц[(Lсистема + Lа.р.)xC], където Lа.р. е индуктивността на антирезонансния дросел. Тъй като импедансът на дросела е доста по-голям от този на системата, първо, стойността на резонансната честота намалява значително и второ, тази стойност става много по-слабо зависима от импеданса на системата и неговите флуктуации.

Същевременно, при честота wLC.=1/Ц(Lа.р x C) се получава последователен резонанс в клона от веригата с последователно свързани кондензатор и дросел, като импедансът на този клон става много малък, равен само на активното съпротивление на дросела. Както може да се види от формулите, wLC > w0, като колкото е по-мощна системата (по-малка Lсистема), толкова повече двете стойности се доближават. Зависимостта на общия импеданс на заместващата схема от честотата е показана на фиг. 1б. Пунктирната линия изобразява импеданса на системата с отчитане и на активното съпротивление на товара, какъвто би бил без LC-групата.

Антирезонансният реактор се избира така, че честотата на последователния резонанс wLC да бъде по-малка от честотите на хармоничните съставки, генерирани от товара. По този начин се изключва възможността от възникване на резонанс. Когато в уредбата се използва високочестотно пренасяне на релейни команди и данни по електропроводните линии, трябва също така честотата на последователния резонанс да не бъде близка до работните честоти на честотните генератори, за да не се претоварват те.

При избор на кондензаторна батерия с антирезонансен дросел трябва също да е установено със сигурност, че към уредбата няма присъединени други кондензаторни батерии, които биха променили резонансните характеристики.

Статията продължава в следващия брой на сп. Инженеринг ревю

Новият брой 7/2018

брой 7-2018

ВСИЧКИ СТАТИИ | АРХИВ

Top