Хармоници в електрозахранващите мрежи
Начало > Електроапаратурa > Статии > Сп. Инженеринг ревю - брой 6, 2007
Проблеми, предизвиквани от хармоници, стандарти, противодействие на хармоници
За съжаление, ситуации като повреди на защитни релета или непрекъсваеми токозахранващи устройства, както и изключвания на главни прекъсвачи, са практика, понякога честа, в електрозахранващите системи на промишлени предприятия. Последствията са повече от ясни - скъпи ремонти на скъпоструващо оборудване. И причините са известни - хармонични изкривявания на напрежението/тока в мрежата, генерирани от техническо и технологично оборудване в съответното производство. Наред с това, съвременните електронни устройства като комуникационни системи или компютърни системи стават все по-чувствителни към качеството на електрозахранването. В крайна сметка, проблемите, произтичащи от хармоничните изкривявания в мрежата, са толкова сериозни, че превръщат вниманието, което се обръща на възможните решения за противодействието им в задължително. Защото, хармоничните токове са паразитни - на практика те са консумирана, платена и загубена за предприятието електрическа енергия.
Защо са опасни хармониците?
Хармониците не бива да се бъркат с други видове смущения в захранването като пикове, например. Причината е, че за разлика от тях хармониците нямат епизодичен характер, а присъстват постоянно в захранващата мрежа - поне, докато оборудването, което ги предизвиква е свързано към мрежата. В немалко приложения присъствието на хармоници в мрежата не е опасно, тъй като нивото им е под допустимото и не оказва влияние върху работата на консуматорите. Напълно възможно е, обаче, в критичен за производствената дейност момент, като едновременно включване на множество товари или преходни процеси, да се получи срив в електрозахранващата система. Често, именно присъствието на хармоници е причина за “случайно” изключване на автоматични прекъсвачи, блокиране или рестартиране на компютърни системи, блокиране на контролери, комуникационно оборудване, повреди на двигатели и трансформатори, блокиране на комуникационно оборудване и др.
Категории източници
на замърсяванията
Основна категория източници на хармоници в електрозахранващите мрежи се формира от полупроводниковите импулсни устройства, включително непрекъсваеми токозахранващи устройства, индукционно нагряващи устройства, баласти на луминесцентни лампи, захранвания на компютри, зарядни устройства, лазерни принтери, сензорно оборудване и др.
Втората категория източници на замърсяване включва дъгоразрядни устройства, включително луминесцентни лампи, живачни лампи и др. Колкото по-голям е броят на лампите, толкова по-големи са сумарните изкривявания и съответно по-големи са потенциалните проблеми, до които биха могли да доведат те.
Типичен пример за източник на хармотични изкривявания в областта на индустрията са тиристорните управления за регулиране оборотите на асинхронни електродвигатели. При това отрицателното влияние на хармониците би могло да доведе до повреда не само на двигателя и управлението, но и на други консуматори, свързани на същите захранващи шини. Друг пример е проектиране на електрическата инсталация на предприятието за номинален ток 250 А, без да са взети предвид хармоничните токове на оборудването. Вероятността да се наложи продмяна на защитната апаратура в ел. таблата с по-мощна или предприемане на мероприятия за ограничаване на хармониците е много голяма.
Стандартизационна база
Изискванията към съвременните електрически и електронни уреди, а също така допустимите нива на хармоници при захранването им, са дефинирани в няколко европейски стандарта. Сред тях е европейският стандарт EN50160-3, който дефинира изисквания към напреженовите характеристики на захранващи мрежи. Стандартът въвежда нива на съвместимост на хармониците по напрежение в зависимост от типа на оборудването. Според EN50160-3 оборудването е три класа - 1, 2 и 3. От клас 1 са чувствителни системи и оборудване, включително компютри, комуникационно оборудване и медицинска техника. В клас 2 попадат индустриалните и общетвените мрежи, а в клас 3 са устройства, силно замърсяващи захранващата мрежа.
Препоръчителните мерки и изисквания по отношение контрола на хармониците в електрическите захранващи системи са въведени от стандарта IEEE 519. Дефинират се максималните стойности на токовите хармоници, консумирани от захранващата мрежа, както и максималните стойности за изкривяване по напрежение във входната точка на захранване на даден потребител.
Друг стандарт, отнасящ се до хармоничните замърсявания на мрежата, е IEC61000. В частта му IEC61000-3-2 са регламентирани дипустимите нива на емисии на хармонични токове за оборудване с входен ток по-малък от 16А/фаза. Съответно, допустимите емисии на хормонични токове за оборудване с входен ток по-голям от 16А/фаза са въведени в IEC61000-3-4. Ограниченията за флуктуациите и трептенето на напрежението могат да се видят в IEC61000-3-5. Нивата на съвместимост на индивидуалните напреженови хармоници в мрежи ниско напрежение се дефинират в IEC61000-2-2. В документа са посочени нивата на съвместимост на хармониците по напрежение.
Стандартизационната база в областта на хармоничните замърсявания на мрежата обхваща и Директивите за електромагнитна съвместимост 89/336/ЕЕС и 93/68/ЕЕС, отнасящи се за оборудване, чиято нормална работа би могла да бъде повлияна от хармоничните изкривявания, и такова, причиняващо замърсявания.
Начини за противодействие
на хармониците
Съществуват различни подходи за противодействие на хармоничните изкривявания и негативните и скъпоструващи последствия от тях. Принципно методите за преодоляване на хармоничните наслагвания са два - превантивен и корективен. При превантивния очакваното ниво на хармонични изкривявяния се предвижда. На практика методът включва прогнозиране на товара и оптимизация чрез изчисляване и симулация на различни товари. Вторият метод - корективният, се базира на измерване на текущото ниво на хармониците и предприемане на корективни въздействия.
Сред наложилите се насоки на действие е потискането на нивото на хармоничните изкривявания в електрозахранващата мрежа. Други подходи са отдалечаване на хармониците от хармоника на мрежовия резонанс и инсталиране на изолационни трансформатори. Практикува се и линеаризиране на еквивалентния товар в мрежата, както и намаляване на еквивалентния й импеданс, най-вече чрез увеличаване на номиналната мощност на захранващия трансформатор. Сред все по-широко използваните подходи е и инсталирането на хармонични филтри. За да се избегнат негативните явления, предизвикани от хармониците, се преоразмерява оборудването. Също така, използва се и неутрализиране на хармониците, което е начин за линеализиране на товара чрез инжектиране на неутрализиращи хармонични сигнали с обратен знак на тези в подчинената система.
Преоразмеряване на инсталацията
Подходът за решаване на проблемите, произтичащи от хармониците чрез преоразмеряване на електрическата инсталация не се счита за рационален, тъй като не изключва проблема, а представлява опит за изключване на последствията от тях. Ако още на проектния етап на електрозахранващата инсталация се заложат по-мощни трансформатори, прекъсвачи, кабели, разпределителни табла и генератори, директният резултат е сериозно оскъпяване на системата. Използването на подхода при вече изградени инсталации включва изключване на консуматорите, генериращи най-сериозни хармонични изкривявания. Но, както е разбираемо, прилагането на подхода при изградени електрозахранващи мрежи не винаги е възможно и в редица приложения на практика би означавало да се прекрати производственият процес.
Индуктивности и специални трансформатори
Специалните трансформатори като решение на проблемите с хармоничните замърсявания имат способността да потиснат разпространенията на 3-ти хармоник за мрежа от еднофазни товари. За съжаление, те не оказват влияние на 5-ти и 7-ми хармоници. На практика, този подход води до нарастване на импеданса на линията и ограничава наличната мощност от източника. Крайният резултат често е увеличаване на изкривяванията по напрежение за сметка на потискане на другите хармоници.
Друг подход - добавяне на последователно свързани индуктивности, намира сравнително широко приложение за решаване на проблемите с хармониците в мрежи, захранващи честотни управления на двигатели и трифазни изправители. Прилагането на подхода е икономически изгодно, но за сметка на това не особено ефективно. Последователно свързаните индуктивности намаляват нивото на токовите хармоници два пъти.
Възможностите на пасивните филтри
Пасивните филтри са сред решенията на проблемите с хармоничните замърсявания на електрическите мрежи. Този вид филтри биха могли да бъдат инсталирани за един или за няколко товари. Представляват серия от няколко “етажи”, всеки от които е проектиран специално да гаси определен ред на хармониците. Най-често се филтрират хармониците от 5-и и 7-и ред. За да се проектира ефективно работеща система от пасивни филтри, е необходимо предварително да се направи задълбочен анализ на захранващата система. Оразмеряването зависи от импеданса на захранващия източник и хармоничния спектър. Решението на проблемите с хармоничните замърсявания на мрежата чрез използването на пасивни филтри е ефективно, но само ако системата е оптимално проектирана, изпълнена и, не на последно място, спектърът на хармониците остава постоянен във времето. При използването на пасивни филтри следва да се има предвид, че в приложения, за които е характерна динамична промяна на хармоничния спектър, решението не е ефективно.
Активни филтри за хармоници
Наричат се автоматични, тъй като реагират автоматично на появата на неочаквани хармонични токове. Най-често се свързват между захранващия източник и генериращия хармоници товар. Сред възможностите на предлагани и на българския пазар активни филтри е компенсиране от 2-ри до 25-и хармоник, както и компенсиране на хармониците в неутралата и на фактора на мощността. По-принцип, активните филтри за хармоници са съвместими с всички видове товари, независими са от захранващата система - включват се паралелно и в произволна точка от инсталацията. Съвременните модели активни филтри предлагат възможности и за дистанционно управление, каскадно включване и избор на предварително зададени видове компенсиране. Според техническите спецификации на някои производители, използването на активни филтри намалява консумацията на електрическа енергия с до 30%. Чрез приложението им се изключва опасността от претоварвания на мрежата. Редица модели активни филтри предлагат и симулиращи програми и експертна диагностика.
Вижте още от Електроапаратурa
Новият брой 5/2024
