Меню

Гармоники в токе замыкания



Гармоники в электрических сетях, причины, влияние, методы борьбы

garm 1Наличие гармонических колебаний в электросети – это результат искажения Наличие гармонических колебаний в электросети – это результат искажения частоты тока или напряжения питания, которое может быть вызвано характером нагрузки или самим источником питания. Причины искажения: постоянные и непостоянные нелинейные нагрузки (работа выпрямителей, преобразователей частоты, трансформаторов разовое включение большого потребителя, например сварочного автомата или станка), цикличные нагрузки (крупный потребитель подключается в определенное время суток к сети), пиковые нагрузки при массовом потреблении электроэнергии. Часто причиной возникновения гармонических колебаний по напряжению является изношенность оборудования в энергогенерирующей отрасли и распределительных сетях (в основном, это старые ТП и сети с малым пределом потребления).

  1. Источники гармонических токов:
  2. Последствия гармоник и защита
  3. Негативные последствия гармонических токов:
  4. Экономические последствия гармонических токов:

Источники гармонических токов:

— двигатели с плавным пуском, управляющие устройства (преобразователи частоты), блоки питания;

— печи (дуговые, индукционные), сварочные аппараты;

— энергосберегающие лампы (люминесцентные, дуговые, газоразрядные);

— современная бытовая и офисная техника.

garm 2

Критическим для сети переменного тока считается оборудование, способное вызывать гармоники, соответствующее 20% потребления по мощности. В таких случаях необходимо применять меры по устранению токовых искажений.

Последствия гармоник и защита

По сути, гармоники – это токи-паразиты, которые оборудование не может потребить или потребляет частично с негативным эффектом. В электродвигателях они являются причиной вибраций, в различных сетях приводят к перегреву, а если гармоника ниже чем номинальный синусоидальный ток необходимый для работы электротехники, то в сервоприводах, автоматических выключателях и другом оборудовании они могут вызывать ложные срабатывания.

Большая проблема – преждевременное старение электроизоляции в сетях с обилием гармоник. Гармоники, превышающие частоту номинального тока, вызывают нагрев проводников, при этом в изоляционных материалах начинаются термохимические процессы, меняющие их свойства. Следствием данных процессов являются пробои изоляции.

Важно! При наличии большого количества гармоник возможны однофазные КЗ с пробоем на землю. Также большое количество гармоник приводит к перегрузке нейтрали, что снижает степень защищенности системы.

Для защиты от гармоник в устройстве используются различные схемы. Основные:

— использование резистора, способного поглотить данный ток и перевести его в тепловую энергию;

— применение конденсаторов (выполняют роль компенсатора реактивной мощности);

— применение фильтров гармоник.

Для контроля сети используются современные анализаторы качества электроэнергии, способные контролировать от 10 параметров тока (уровни искажений в том числе) и выше с возможностью вывода информации на ПК.

Подробнее о гармониках можно указать из следующего видео:

Негативные последствия гармонических токов:

— перегрузка в распределительных сетях;

— перегрузка в нейтралях;

— перегрузка трансформаторов, генераторов, двигателей, что вызывает преждевременное старение оборудования;

— шум, вибрации, как следствие – механические разрушения неправильно работающих электроприводов;

— снижение надежности электронной части, повышение вероятности выхода ее из строя;

— помехи в линиях связи, коммуникационном оборудовании, записывающих устройствах.

Экономические последствия гармонических токов:

— внеплановые ремонт или замена оборудования;

— увеличение расхода электроэнергии за счет потерь;

— останови техпроцесса из-за ложных срабатываний автоматических выключателей;

— убытки, нанесенные в результате КЗ (остановка производства, ремонт, ликвидация пожара).

Источник

Что такое гармоники в электричестве

Корректная работа электроприборов, будь то бытовая техника или производственное оборудование, зависит от качества электроэнергии, о котором мы привыкли судить по стабильности напряжения и частоты, отсутствию резких скачков напряжения. При этом априори принято считать, что напряжение сети переменного тока изменяется строго по гармоническому закону и представляет собой идеальную синусоиду, однако это далеко не так.

На практике синусоидальные напряжения электрических сетей подвержены искажениям и вместо идеальной синусоиды на экране осциллографа мы видим искаженный, испещренный провалами, зазубринами и всплесками сигнал. Эти искажения следствие влияния гармоник – паразитных колебаний кратных основной частоте сигнала, вызванных включением в сеть нелинейных нагрузок.

Таким образом, реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного сигнала и его гармонических составляющих. Для определения величин гармоник используют преобразование Фурье, при помощи которого исходный сигнал разлагается на сумму гармонических сигналов. Уровень гармоник или уровень влияния нелинейных искажений принято характеризовать коэффициентом нелинейных искажений.

Типы и источники появления гармоник

Для определения уровня искажения обычно рассматривают диапазон частот от 100 Гц (частота 2 гармоники) до 2000 Гц. Гармоническое искажение синусоидальных сигналов происходит благодаря двум типам паразитных колебаний:

  • гармониками, как уже упоминалось колебаниями частот кратных основной частоте 5 Гц, которые состоят из четных (100, 200, … Гц) и нечетных гармоник (150, 250 …);
  • интергармоникам, колебаниям, частоты которых не кратны основной частоте.
Читайте также:  Как менять силу тока реостатом

Порожденные гармониками искажения происходят из-за нелинейных потребителей, вызывающих искажение фазных токов и, как следствие приводящих к нежелательным изменениям в фазных напряжениях. Типичным примером могут служить трехфазные трансформаторы, у которых длины магнитных путей для различных фаз отличаются почти вдвое, что требует различных величин (в полтора раза) токов намагничивания.

Другими источниками гармоник выступают электродвигатели, которые находят широкое применение как в трехфазных сетях питающих производственное оборудование, так и в бытовых однофазных (стиральные машины, кухонная бытовая техника, электроинструмент).

К источникам интергармоник можно отнести многочисленные импульсные блоки питания, оснащенные преобразователями частоты. Их сегодня используют повсеместно:

  • в маломощных зарядных устройствах для гаджетов;
  • в телевизорах и компьютерах;
  • в мощных инверторных сварочных аппаратах.

Они «насыщают» электрическую сеть колебаниями с частотами 20 кГц и даже выше, частоты некоторых современных ИБП могут достигать 150 кГц. Суммарное влияние интергармоник и высших гармонических колебаний вызывает появление помех.

Что такое гармоники в электричестве

Пятая гармоника имеет частоту в пять раз выше частоты основной гармоники. На рисунке отметки с цифрами.

Негативное воздействие и способы защиты

Появление гармоник в питающей сети не столь безобидно и может повлечь за собой вполне ощутимые последствия. Так они ведут к увеличению нагрева:

  • обмоток электродвигателей, что может обернуться пробоем на корпус;
  • обмоток трансформаторов с возможным разрушением изоляции и замыканием проводов;
  • питающих проводов с постепенной утратой изоляцией диэлектрических свойств.

При возникновении гармоники на одной из фаз трехфазной сети, она может вызвать асимметрию, что отразится на корректной работе оборудования. Гармоники приводят к ложным срабатываниям распределительной и защитной аппаратуры (УЗО, автоматы, пускатели), что угрожает технологическим процессам и безопасности персонала. От возникновения высших гармоник страдает качество связи. Основным средством борьбы с гармониками является фильтрация, причем схему фильтра выбирают исходя из конкретных требований. Это могут быть фильтры, пропускающие только основную частоту, а могут быть последовательные LC цепочки, настроенные на определенные гармоники (например, на пятую гармонику) и подавляющие их.

Смотрите также другие статьи :

Для проведения измерений используем современное и высокоточное оборудование от компании METREL. По результатам работ вы получите полный отчет в соответствии с ГОСТ 32144-2013. Благодаря этому вы сможете оптимизировать не только сами электросети, но и работающее от них оборудование.

Гармоники образуют импульсные источники питания бесчисленной электробытовой техники, источники бесперебойного питания, энергосберегающие люминесцентные лампы и т.д. Характерной чертой симметричной трехфазной сети при сбалансированных нагрузках является сдвиг токов на 120°.

Источник

ЗАЩИТА, РЕАГИРУЮЩАЯ НА ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ ТОКА В УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ

В установившемся режиме замыканий на землю емкостные токи повреждения и их составляющие НП содержат кроме тока основной частоты 50 Гц составляющие высших гармоник. В компенсированных сетях ДГР компенсирует только основную гармонику емкостного тока замыкания на землю Iз и 3I0 в поврежденной ЛЭП, высшие гармоники этих токов остаются нескомпенсированными. При этом, вследствие нелинейности характеристики намагничивания ДГР, индуктивный ток реактора IДГР сам содержит высшие гармоники, которые добавляются к гармоникам естественного емкостного тока в поврежденнойЛЗП.

Таким образом, высшие гармоники в токе Iз и 3I0 имеют место как в некомпенсированной, так и компенсированной сетях. Высшие гармоники в токах Iз и 3I0 возникают из-за наличия гармоник в фазных напряжениях и напряжении U0,под действием которых появляются эти токи. Искажения формы кривой напряжений вызываются падением напряжения в сопротивлениях элементов системы от несинусоидальных токов намагничивания силовых трансформаторов сети и некоторых видов нагрузки, а также из-за наличия высших гармоник в ЭДС генераторов. Состав частот и амплитуды высших гармоник ,в токах могут изменяться при изменении конфигурации сети, состава работающих трансформаторов и несинусоидальной нагрузки. В реальных сетях содержание высших гармоник в токах Iз и 3I0 достигает 5-15% основной гармоники, а диапазон частот с заметным уровнем амплитуд находится в пределах от 150 до 650-1000 Гц.

В §9.1 было показано, что токи I0неповрежденных ЛЭП, идущие к месту замыкания (см. рис.9.4), суммируются в поврежденной ЛЭП. Вследствие этого и высшие гармоники тока I0 поврежденного присоединения равны сумме гармонических токов I0 всех неповрежденных присоединений. К этой сумме в компенсированной сети добавляются гармоники тока ДГР.

Благодаря этому количество гармоник и, что особенно важно, амплитуды и суммарный уровень гармонических составляющих результирующего тока поврежденного присоединения всегда больше, чем в каждом (отдельно взятом) неповрежденном присоединении. Различие в уровне высших гармоник тока 3I0 в поврежденной и неповрежденных ЛЭП используется для выполнения селективных РЗ, реагирующих на высшие гармоники. На этом различии основаны три вида РЗ: одни – реагируют на абсолютное значение высших гармоник 3I0 в каждом присоединении и сравнивают его с заданным значением тока срабатывания; вторые – производят сравнение между собой уровней высших гармоник всех присоединений и определяют поврежденное присоединение по наибольшему относительному значению уровня тока высших гармоник; третьи – устанавливаются на каждом присоединении и значение проходящего по ним тока сравнивается с моделью присоединения, имеющего больший емкостный ток, чем ток защищаемого присоединения.

Читайте также:  Защита по току транзисторных ключей

Устройства сигнализации, реагирующие на высшие гармоники установившегося тока I0, нашли широкое применение. На ЧЭАЗ по разработке ВНИИЭ выпускаются устройства типов УСЗ-2/2 и УСЗ-3М, предназначенные для сигнализации при замыканиях на землю в кабельных сетях 6 и 10 кВ как компенсированных, так и некомпенсированных. Индивидуальное устройство УСЗ-2/2, реагирующее на абсолютное значение, содержит согласующий трансформатор Т,входной частотный фильтр L,C1,подавляющий составляющие промышленной частоты и частоты более 2 кГц С3,выпрямительный мост VС и двухтранзисторный усилитель У с промежуточным реле К на выходе (рис.9.10). Резисторы R1,R12-R14 обеспечивают возможность выбора необходимых уставок тока срабатывания (25, 50, 100, 250 А). Срабатывание промежуточного реле сигнализируется с помощью тиратрона. Для отстройки от свободных периодических составляющих переходного процесса внешнего замыкания на землю в схеме транзисторного усилителя У предусмотрено замедление на 20-30 мс. Основной диапазон, в котором работает устройство УСЗ-2/2, 150-600 Гц. Для обеспечения селективности действия РЗ, реагирующая на абсолютное значение, должна отстраиваться от максимального уровня высших гармоник своего присоединения при внешнем замыкании на землю и надежно срабатывать при минимальном уровне высших гармоник суммарного тока 3I0в.г при повреждении на защищаемом присоединении.

Устройства, реагирующие на абсолютное значение, в том числе и УСЗ-2/2, имеют существенный недостаток, так как требуют сложного учета и расчета гармоник на каждом присоединении для разных режимов работы присоединений и подстанций. Уставки срабатывания таких защит трудно оценить, что приводит к неправильным их действиям. Поэтому защиты, построенные на относительном замере, обеспечивают более надежное определение поврежденного присоединения (не надо знать абсолютное значение этих токов).

Устройство УСЗ-3М (рис.9.11) выполняется в виде одного централизованного комплекта, поочередно подключаемого к ТНП каждого присоединения (переключателем SA). Такое переключение может выполняться вручную дежурным персоналом или автоматически с помощью специальной схемы. При ручном переключении ИО устройства выполняется в виде измерительного прибора, который измеряет среднее значение суммы высших гармоник тока I0 в каждом присоединении.

Принцип действия устройства УСЗ-3М аналогичен принципу действия устройства УСЗ-2/2. Оно состоит из согласующего трансформатора Т, фильтра LC,настроенного на частоту резонанса 650 Гц, активно-емкостного фильтра R2-R5 и С1-СЗ,выпрямительного моста VCи электроизмерительного прибора РА. Емкость С5 служит для отстройки от сигналов, имеющих частоту выше 1000 Гц. Резистор R7 обеспечивает плавную регулировку чувствительности.

Устройство, определяющее поврежденное присоединение по относительному значению контролируемой величины, не требует определения абсолютного значения уровня высших гармоник при замыкании на землю, так как его селективность основывается на сравнении токов присоединений. Это является преимуществом данного устройства, определяющим высокую четкость выявления поврежденного участка. Недостатком устройства является обязательное участие персонала при измерении и оценке показаний прибора. Это затягивает поиск поврежденного присоединения. Автоматическое устройство, использующее принцип относительного замера типа КДЗС разработано и применяется в Мосэнерго. При замыкании оно автоматически производит поочередное переключение ИО РЗ к трансформаторам тока нулевой последовательности всех присоединений, выявляет ЛЭП с наибольшим значением высших гармоник и передает с помощью устройства телемеханики информацию о поврежденном присоединении на диспетчерский пункт.

Оба рассмотренных устройства РЗ, реагирующих на сумму высших гармоник установившихся токов НП, предназначены для компенсированных сетей, где токовые и направленные РЗ неприменимы. По принципу действия обе РЗ могут использоваться и в некомпенсированной сети. Для селективной работы обе РЗ отстраиваются от влияния токов высших гармоник неустановившегося режима, и поэтому они не могут фиксировать кратковременных замыканий на землю.

Во ВНИИЭ на микроэлектронной элементной базе выполнено централизованное устройство сигнализации ПАУК, в котором осуществляется сопоставление токов ВГ контролируемых присоединений с током моделируемого присоединения, приведенная емкость которого с запасом превышает емкость каждого из них. При этом устройство ПАУК, обеспечивая правильное определение поврежденного присоединения из числа контролируемых, селективно работает при внешних замыканиях на землю на шинах питающей подстанции или на присоединениях, не охваченных устройством контроля.

В устройстве ПАУК предусмотрено автоматическое регулирование чувствительности в зависимости от уровня ВГ тока при замыкании через переходное сопротивление.

Читайте также:  Если частота тока уменьшится в 2 раза как изменится ток

Устройства централизованного контроля (УСЗ-3, УСЗ-3М, ПАУК и др.) позволяют определить лишь поврежденное присоединение, в сети которого возникло замыкание, и дать направление дальнейшему поиску. Отыскание места однофазного замыкания на ВЛ 6-35 кВ производится по показаниям приборов, установленных на элементах, питающихся от данного присоединения, а если таковых нет, то вручную, с помощью переносных приборов «Поиск», «Волна», «Зонд».

Источник

Умный сайт для вашего энергокомплекса

Как избавиться от гармоник в энергосистеме

Гармоники возникают в любой сложной энергетической системе. Эти искажения параметров тока могут привести к поломке дорогостоящего оборудования и даже к коротким замыканиям. Гармоники часто представляются как сложная проблема, требующая фундаментальных научных знаний гармонического анализа. Однако на практике достаточно знать ключевые аспекты этой проблемы и основные способы ее решения.

Причины появления гармоник и их последствия

Гармоники — это искажения (отклонения от заданных параметров) синусоиды колебаний частоты и напряжения, вызванные сторонними факторами. Простая резистивная нагрузка имеет одинаковые формы синусоиды.


Синусоида колебаний в асинхронном двигателе

В линейных схемах (источник тока и нагрузка – резистор) синусоида идеально симметричная, и разность между синусоидами отсутствует. Однако в эту идеально гармоничную картину в сложных системах неизбежно вносятся помехи и добавляются новые гармоники. В современных реалиях одной из основных причин возникновения «вредоносных» гармоник являются разнообразные твердотельные силовые полупроводниковые устройства. Преобразователи частоты, тиристоры, диоды, устройства плавного пуска, другие элементы энергосистемы создают гармоники.
Также источниками гармоник могут быть мощные потребители тока, трансформаторы, сварочное оборудование, системы промышленного освещения, выпрямители.

Теоретически, все нагрузки являются источниками гармоник и передают их в энергосистему. При этом источник энергии производит гармонику одной частоты (ее называют несущей).

Предотвратить это явление невозможно, можно лишь снизить его негативное влияние на оборудование. Если этого не сделать, энергосистема может столкнуться с серьезными проблемами, так как гармоники представляют собой нечто вроде паразитных токов, которые в первую очередь нарушают эффективность энергосистемы.

Так, несинусоидальность напряжения может привести к повышенному нагреву двигателя и созданию моментов вращения, которые приводят к вибрациям. В целом, гармоники способны вызвать повреждение конденсаторов, изоляции и короткие замыкания, перегрев и перегрузку трансформаторов, нарушить работу систем связи, чувствительной электроники и защитных устройств, основанных на измерении сопротивления.

Мониторинг качества электрической энергии и обнаружение гармоник

Присутствие гармоник лучше всего определять по результатам мониторинга качества электроэнергии, а не после аварийных отключений и поломок оборудования.

Мониторинг является обязательной частью безопасного функционирования сложных энергосистем. Современные анализаторы качества электроэнергии позволяют контролировать множество параметров тока, включая гармоники. Например, трехфазные анализаторы PITE 3561 могут выполнять разовые или долговременные (до 40 суток) тесты энергосистемы, выявляя в том числе гармонические искажения каждой из трех фаз.


Анализатор качества электроэнергии PITE-3561-1500A

Подобные анализаторы дают возможность записать диаграмму гармоник, увидеть пиковые и средние значения, чтобы провести анализ и найти источник проблемы. Без подобных приборов невозможно своевременно обнаружить опасные гармоники, особенно в сложных системах со множеством нелинейных потребителей.

Фильтры гармоник

Мониторинг качества электроэнергии — первая линия обороны в борьбе с гармониками. Следующей являются специальные меры по снижению вреда от гармонических искажений.

Прежде всего — фильтры, которые подавляют гармоники. Это избирательное подавление гармоники, которая может нанести наибольший вред оборудованию. Так, в однофазных цепях это третья гармоника, фильтр запирает ее на участке фильтр-нагрузка, что снижает паразитный ток в проводнике. Недостатком фильтров является необходимость установки на каждой нелинейной нагрузке, создающей гармоники.

Фильтр эффективно запирает гармонику на участке. Пример гармоник, характерных для двигателей постоянного тока и многих двигателей переменного тока. Коэффициент искажения синусоидальности кривой на «A» составляет 26% — это высокий негативный показатель. Фильтр эффективно снижает его до 8% на «E».

Невозможно предотвратить, но можно обезопасить

Гармоники действительно невозможно уничтожить. Более того, высокочастотные гармоники легко распространяются через силовые кабели и антенны, через индукцию возникают в соседних цепях. Однако можно защитить энергосистему от вредоносного действия гармоник. Для этого гармоники направляются в отдельные колебательные контуры, в которых на определенной частоте реактивное сопротивление близко к нулю. Для сложных систем понадобится несколько таких контуров, но они обеспечат сокращение гармоник до безопасного уровня. При этом регулярный мониторинг качества электроэнергии позволит своевременно выявить гармоники.

Если вам нужна профессиональная консультация по диагностике электрооборудования, просто отправьте нам сообщение!

Источник