Несинусоидальность напряжения

Нормируемые показатели

• коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения;
• коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения.

Причины выхода показателей за пределы норм состоят в использовании различных нелинейных ЭП, таких как:

• вентильные преобразователи;
• силовое электрооборудование с тиристорным управлением;
• дуговые и индукционные электропечи;
• люминесцентные лампы;
• установки дуговой и контактной сварки;
• преобразователи частоты;
• бытовая техника (компьютеры, телевизоры и др.).

В процессе работы эти устройства потребляют энергию основной частоты, которая расходуется не только на совершение полезной работы и покрытие потерь, но еще и на образование потока высших гармонических, который выбрасывается во внешнюю сеть.

Влияние на работу различных ЭП

Во вращающихся машинах гармоники напряжения и тока приводят к появлению добавочных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в стали статора и ротора. Потери в проводниках статора и ротора при этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением, из–за вихревых токов и поверхностного эффекта. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, также приводят к дополнительным потерям. Все это приводит к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе, что может привести к очень серьезным последствиям. Также следует отметить, что при определенных условиях наложения гармоник может возникнуть механическая вибрация ротора.

В трансформаторах гармоники напряжения вызывают увеличение потерь на гистерезис, потерь, связанных с вихревыми токами в стали, и потерь в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в случае преобразовательного трансформатора, так как наличие фильтра, присоединенного обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоник тока в трансформаторе. Кроме того, могут наблюдаться локальные перегревы трансформаторного бака.

В батареях конденсаторов гармоники тока также приводят к добавочным потерям энергии. Вследствие этого происходит дополнительный нагрев конденсатора, который может привести к выходу последнего из строя. Также возможно повреждение конденсатора при возникновении гармонических резонансов в сети.

Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Наиболее распространенными являются ложные срабатывания, которые наиболее вероятны в работе систем защиты, основанных на измерении сопротивлений.

Влияние гармоник на индукционные приборы измерения мощности и учета электроэнергии приводит к увеличению погрешности результатов их измерений.

Также следует отметить влияние гармоник, возникающих в силовых цепях, на сигналы в линиях связи (в частности, в телефонных линиях). Малый уровень шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть передаваемой информации теряется, в исключительных случаях связь становится вообще невозможной.

Ответственность и меры компенсации

По ГОСТ виновниками гармонических искажений являются потребители с нелинейными нагрузками. Способы снижения несинусоидальности напряжения можно разделить на три группы:

• схемные решения: выделение нелинейных нагрузок на отдельную систему шин, группирование вентильных преобразователей по схеме умножения фаз, подключение нелинейной нагрузки к системе с большей мощностью короткого замыкания (S_КЗ);
• применение оборудования, характеризующегося пониженным уровнем генерации высших гармоник, например ненасыщающихся трансформаторов и многофазных вентильных преобразователей;
• использование фильтровых устройств: параллельных узкополосных резонансных фильтров, фильтрокомпенсирующих и фильтросимметрирующих устройств (ФКУ и ФСУ).

Принцип работы фильтров высших гармоник поясним следующим рисунком:

Вентильный преобразователь (ВП) работает по 6-фазной схеме. Он генерирует во внешнюю сеть гармоники порядка n = (6n + 1), при этом наибольшие амплитуды, как известно, имеют 5–я и 7–я гармоники. При установке резонансных фильтров, настроенных на частоты этих гармоник, последние не выходят в питающую сеть.