Практическое применение пределов гармонических составляющих стандарта IEEE 519-1992

Авторы: Томас М. Блуминг (Иатон электрикал, Эшвиль, Северная Каролина), Дэниэл Дж. Карновал (Иатон электрикал, Питсбург, Пенсильвания)
Автор перевода: Ефимов В.В.
Источник: ieeexplore.ieee.org [ссылка на источник]

Аннотация. IEEE Std 519-1992 является полезным документ для понимания гармоник и применения ограничений гармоник в энергосистемах. Несмотря на многолетнее успешное применение, все еще существует некоторая путаница в том, как применять некоторые аспекты стандарта. В данном документе рассматриваются некоторые из них, а также смежные вопросы, полезные при работес гармоническими ограничениями .

Ключевые слова: гармоники, пределы гармоник, стандарт IEEE 519-1992, точка общего присоединения (ТОП), общее искажение тока (TDD).

I. Введение

Гармоники вызывают беспокойство, поскольку они могут вызывать чрезмерный нагрев, пульсацию и снижение крутящий момент в двигателях и генераторах; повышенный нагрев и напряжение в конденсаторах; и неправильную работу в электронике, распределительных устройствах и реле. Короче говоря, гармоники могут привести к сокращению срока службы оборудования, если если система спроектирована без учетагармоник и если оборудование не рассчитано должным образоми применяется неправильно.

Поэтому полезно измерять и ограничивать гармоники в электроэнергетических системах. IEEE Std 519-1992 [1] обеспечивает основу для ограничения гармоник. В этом документе отлично проделана работа по определению пределов, но есть некоторые прикладные вопросы, которые требуют от читателя применения собственных суждений.

Одно из основных различий при обсуждении гармоник - это гармоники напряжения или гармоники тока. По по опыту авторов, многие люди не проясняют этот вопрос при обсуждении гармоник. Например, люди говорят о суммарных гармонических искажениях в процентах, не уточняя при этом напряжение или тока.

Как правило, энергосистемы имеют низкий сопротивление источника и хорошо регулируемое напряжение. Они могут выдерживать значительные нарушения, выходящие за пределы устойчивой нагрузки 60 Гц, включая гармонические токи, не вызывая значительных искажений напряжения. Для при данном значении гармонического тока результирующее искажение напряжения будет относительно небольшим (за исключением ситуаций гармонического резонанса). Поэтому, когда кто-то упоминает об уровне гармоник уровнях, значительно превышающих 5%, он, скорее всего, имеет в виду о гармониках тока.

Гармоники добавили в корень из суммы квадратов (квадратный корень из суммы квадратов различных частотных компонентов) моды. Это означает, что ток 100 А 60 Гц в сумме с 20 А 5-й гармоникой тока (300 Гц) составляют 102 А (эффективное значение), не 120 А. Если гармоники очень высоки, эффективный ток, вероятно, будет очень близок к основному току 60 Гц. Это особенно справедливо для напряжения, поскольку гармонические искажения напряжения почти всегда меньше искажений тока.

Полезно говорить о гармониках в терминах в процентах от основной, чтобы понять относительных уровней гармоник в системе. Когда работе с ограничениями, обсуждаемыми в данной статье, и при выполнении исследований гармонического анализа, однако, как правило, полезнее получать информацию о гармониках в реальных величинах, вольтах или амперах на различных частотах.

II. ПРЕДЕЛЫ ГАРМОНИК

А. Пределы гармоник в напряжении и токе

Стандарт IEEE 519 требует, чтобы искажение напряжения, вызванное гармониками, в энергосистеме с напряжением 69 кВ и ниже не превышал 5,0% от общего гармонического искажения (THD); а уровень искажений, создаваемый одной гармоникой, не превышал 3%. Пределы гармоник в токе варьируются в зависимости от силы короткого замыкания в системе, в которую оно в настоящее время вводится. По существу, система в состоянии справиться с содержанием гармоник в токе тем лучше, чем больше потребителей разрешается вводить в систему.

Таблица 1 показывает пределы гармоник в напряжении согласно IEEE 519, а в таблице 2 приведены пределы гармоник в токе.

Таблица №1 Пределы искажения.

Примечание: Высоковольтные системы могут иметь общий уровень искажений до 2 %, если их причиной является соединение с высоковольтными линиями электропередачи постоянного тока и искажения будут ослаблены к моменту поступления напряжения потребителям.

Таблица №2. Максимальные токи гармоник в процентах от I_L , возбуждаемые нагрузками потребления в точке общего присоединения для распределительных сетей общего пользования с напряжением 120…69000 В.

Примечание:

Для всех генераторных установок независимо от отношения I_SC/I_L используются ограничения, приведенные в верхней строке таблицы.
Уровень четных гармоник не должен превышать 25% от нечетных.
Искажение тока, вызываемые появлением постоянной составляющей, например из-за однополупериодного выпрямления, не допускаются.

Пределы содержания гармонических составляющих в токе указывают на максимальное количество гармонических составляющих тока, которое потребитель может внести в энергосистему. Энергетическое предприятие несет ответственность за обеспечение чисто синусоидального (небольшое искажение) напряжения для потребителя. Энергетическое предприятие может быть достаточно судить, однако, когда потребитель отвечает за уровень гармоник в токе. В противном случае, потребитель может быть виновным в искажении напряжения у самого себя. Целью IEEE 519 является:

Это рекомендованная практика признает ответственность, что пользователи не должны искажать напряжение энергетического предприятия других пользователей потреблением нелинейных токов от сети. Она также признает ответственность энергетического предприятия за предоставление пользователям синусоидального напряжения.

В разделе 10.2 из IEEE 519 далее говорится:

Философия развития пределов гармоник в этой рекомендованной практике заключается в:

ограничении инжекции гармоник от индивидуальных потребителей, чтобы они не вызывали неприемлемые уровни искажений напряжения для нормальных характеристик системы.
ограничении общего искажения напряжения системы, вызванного гармониками, подаваемого энергоснабжающим предприятием.

Эти ограничения предназначены для применения в точке общего присоединения (ТОП) между потребителем и снабжающим предприятием. Внутри установки потребителя эти ограничения не распространяются, но они по-прежнему являются полезными руководствами для оценки уровня содержания гармоник внутри установки потребителя. Предыдущее издание этого стандарта дало THD напряжения 8,0%, как предложенное внутреннее ограничение потребителя, чтобы избежать неправильной работы оборудования.

Вопросы, связанные с применением этих пределов составляют остальную часть данной статьи.

III. ТОЧКА ОБЩЕГО ПРИСОЕДИНЕНИЯ (ТОП)

А. Определение

Точка общего присоединения (ТОП) является одной из самой непонятной частью IEEE 519. Рабочая группа IEEE 519 [2] которая в настоящее время пересматривает IEEE 519, прояснила определение ТОП следующим образом:

Точка общего присоединения (ТОП) с границей потребитель / снабжающее предприятие является точкой электрической сети энергоснабжающего предприятия, электрически ближайшая к рассматриваемому потребителю электроэнергии, к которой присоединены или могут быть присоединены другие потребители электроэнергии. Право собственности на любое устройство, такое как трансформатор, которым энергоснабжающее предприятие может обеспечить потребителя в системе все равно несущественно для определения ТОП. Примечание: определение было одобрено рабочей группой 519.

Это уточнение необходимо, поскольку раздел 10.1 IEEE 519 гласит:

Рекомендации, описанные в этом документе пытаются сократить гармонические влияния в любой точке на территории всей системы путем установления ограничения на содержание гармоник в токе и напряжении в точке общего присоединения (ТОП), в точке измерения, или в любой точке, где энергоснабжающее предприятие и потребитель могут предоставить доступ к точке для прямых измерений гармонических индексов, значимых для обоих, или можно оценить гармонические индексы в точке вмешательства (ТВ) через взаимоприемлемые методы. В промышленном предприятии, ТОП является точкой между нелинейной нагрузкой и другими нагрузками.

Этот пункт позволяет оценить пределы содержания гармоник практически в любом месте. Нет ничего плохого в том, что до тех пор, пока обе стороны согласны. Но это не площадь с целью стандарта, приведенной прежде (цитируется выше).

На основании цитаты из раздела 10.1 IEEE 519 некоторые люди предпочитают определять ТОП (или несколько ТОП) как точку (или точки) внутри системы потребителя. Это означает, что пределы содержания гармоник должны быть выполнены внутри, в системе потребителя. Многие консультанты, например, используют это заявление, чтобы заставить производителей нелинейных нагрузок (двигатели, выпрямители и т.д.) соблюдать пределы IEEE 519 для одной нагрузки. Это может привести к значительным затратам для конечных потребителей и никогда не было целью стандарта.

Цель применения пределов гармоник, указанных в IEEE 519, является предотвращение одного потребителя от влияния содержания гармоник, вызванными другим потребителем или энергоснабжающим предприятием. Если у вас высокое содержание гармоник в вашей собственной системе, то вы только причиняете вред, но не обязательно нарушаете IEEE 519.

Конечно, это может быть очень хорошей идеей добровольно ограничить содержание гармоник в вашей собственной системе, возможно, до уровней, указанных в IEEE 519, чтобы избежать проблем в работе, но стандарт IEEE 519 применим только в точке, где вы можете повлиять на вашего соседа, в ТОП. Только, если у вас есть несколько каналов от энергоснабжающего предприятия, вы бы могли иметь несколько ТОП. ТОП является единственной точке, где вы должны соблюдать требования IEEE 519, если IEEE 519 включен в договор или действующий тариф (IEEE 519 это рекомендованная практика).

В. Советы по применению ТОП

На практике это означает, что истинная ТОП наиболее часто будет находится в средине первичного напряжения питающего потребителей трансформатора, независимо от собственности трансформатора или учета местоположения. В действительности, конечно, часто практичней выполнять измерения на вторичной стороне трансформатора. Система моделирования будет необходима для расчета искажения напряжения на первичной обмотке трансформатора, хотя процентное содержание тока прямо преобразуется. Необходимо использовать отношение I_SC / I_L на первичной обмотке трансформатора при решении того, какие пределы применять. В большинстве случаев, все, кроме кратных трем гармоник, гармонические токи появятся на обеих сторонах трансформатора. Надо просто масштабировать через коэффициент трансформации.

Подавляющее большинство измерений на вторичной обмотке трансформатора являются достаточными для определения существования проблемы, связанной с гармониками, для которой необходимо использовать точное определение ТОП. Но мы должны иметь в виду, что мы просто делаем то, что мы можем из соображений удобства, а не что мы будем делать в идеальном случае, когда мы могли безопасно и легко измерять везде. Если есть спор между энергоснабжающим предприятием и потребителем об уровне содержания гармоник, тогда может быть понадобиться оценить и / или рассчитать уровень гармоник в истинной ТОП.

IV. ОТНОШЕНИЕ I_SC/I_L

Как показано в табл. 2 и кратко упоминалось ранее в этой статье, пределы гармоник, которые применяются для конкретного потребителя зависят от отношения I_SC / I_L в точке общего присоединения потребителя с энергоснабжающим предприятием. Как определено в IEEE 519, I_SC – «максимальный ток короткого замыкания в ТОП». Это должно быть трехфазное короткое замыкание. I_L является «максимальным током нагрузки (основная частотная составляющая) в ТОП». Это ток рассчитывается из максимальной продолжительности (например, 15 или 30 минуту) потребления, а не мгновенного пика – это очень важное различие.

Это отношение показывает степень воздействия данного потребителя на энергоснабжающее предприятие. Потребитель с небольшим относительно допустимого тока короткого замыкания током потребления не может привести к гораздо большим нарушениям в системе энергоснабжающего предприятия. Таким образом, такому потребителю разрешаются содержать высшие гармоники в токе. И наоборот, крупный потребитель (большой I_L) относительно допустимого тока короткого замыкания имеет строгие пределы содержания высших гармоник.

Не зная конкретной информации об энергоснабжающем предприятии, (Isc, для расчета отношения I_SC / I_L), не могут быть определены используемые пределы содержания гармонических составляющих в токе.

Иногда энергоснабжающее предприятие предоставляет мощности трехфазного короткого замыкания (МВАКЗ). В этом случае удобнее может более расчет отношения МВАКЗ / MВAL. Это значение совпадает с отношением I_SC/I_L.

В реальных системах ток короткого замыкания может изменяться в зависимости от конфигурации системы и эксплуатации генераторов энергоснабжающего предприятия. С целью определения, какие пределы гармоник используются при применении максимального тока короткого замыкания, как и в исследовании короткого замыкания. При выполнении исследования гармонического анализа, однако, часто лучше использовать нижнюю оценку имеющихся токов короткого замыкания в целях получения более консервативного результата (выше рассчитанные гармонические искажения напряжения).

Рисунок 1 – Нагрузка, питающаяся от энергетического предприятия. Искажение напряжения (THD_v) = 2,3%.

Рисунок 2 – Нагрузка, питающаяся от резервного генератора. Искажение напряжения (THD_v) = 5,7%.

Есть ситуации, которые могут значительно изменить отношение I_SC / I_L. Одной из распространенных такой ситуацией является работа резервного генератора, где коэффициент I_SC / I_L будет значительно ниже, чем во время работы снабжающего предприятия. Пределы IEEE 519 не будут строго применять, потому что нет взаимосвязи с предприятием и другими потребителями. Даже IEEE 519 по-прежнему дает рекомендации, как гармонические токи должны быть ограничены в пределах потребителей для избегания гармонических проблем. На рисунках 1 и 2 представлено одну и ту же нагрузку, которая питается от электросети и от резервного генератора. Обратите внимание на значительное увеличение искажения напряжения, когда нагрузка питается от генератора, который, как правило, значительно слабее (ниже ток короткого замыкания) источник, чем предприятие.

А. Определение

Другой непонятной частью стандарта IEEE 519 является термин общего искажения тока, или TDD. Из таблицы 2 выше, "Общее искажение тока (RSS), искажающий гармонический ток в % от тока максимальной нагрузки (15 или 30 мин потребления)." (RSS корень из суммы квадратов, или квадратной корень из суммы отдельных гармонических составляющих в квадрате). Термин TDD очень похож на термин общее гармоническое искажение, или THD. В этих примеры, THD и TDD определены через токи:

I₁, I₂, I₃, и так далее являются гармоническими токами, в амперах. I₁ относится к основной частоте тока, обычно 60 Гц в Северной Америке. I₂ относится ко второй гармоники, или ток при двойной основной частоте (120 Гц, если фундаментальные составляет 60 Гц). И так далее.

I_L определяется как "ток максимальной нагрузки (составляющая основной частоты) на ТОП." Это будет максимальный ток, усредненный на интервале потребления (например, 15 или 30 минут) для данного потребителя.

Два определения очень похожи. Единственное отличие состоит в знаменателе. Расчет THD сравнивает измеренные мгновенные гармоники с измеренным мгновенным фундаментальным током. Расчет TDD сравнивает мгновенные (но стационарные) измеренные гармоники с ток максимальной нагрузки, который не мгновенное число из всех.

Кроме того, отдельные пределы гармонических составляющих тока даны не в процентах от основной (как это характерно для большинства гармонических измерений) на данный момент времени. Пределы токов даны в терминах, "Максимальное гармоническое искажение тока в процентах от I_L ".

По определению, I_L всегда будет больше, чем I₁ для целей гармонических измерений. (I₁ может кратковременно превышать I_L, но оценка предела гармоник основана на стационарных значениях). Поэтому TDD и процент от измеренного I_L всегда будет меньше, чем THD и процент от измеренного I₁.

В новой установке (или предлагаемые дополнения нагрузки) ток потребления (или увеличение тока потребления), не известно. Это приводит к некоторым трудностям при оценке гармоник в новых установках. Не зная, какой фактические ток потребления был когда-то рабочим током потребителя, не представляется возможным узнать, какой ряд передела гармонических составляющих тока применять. В таких случаях обычно используют трансформатор с полным током нагрузки при оценке максимального тока потребления.

Разница между THD и TDD (и между гармоник в процентах от I₁ и I_L) очень важна, поскольку она не позволяет потребителю быть несправедливо наказанным за гармоники в периоды незначительной нагрузки. В периоды малой нагрузки он может показаться, что гармонические уровни увеличились в процентах, хотя фактические гармонические токи в амперах остались такими же, или снизилась. Давайте посмотрим на числовой пример, который иллюстрируют эту разницу.

В. Предположения для расчетного примера

В нашем примере завод имеет две различные производственные площади, одна с некоторой гармонической нагрузкой, а другая только с линейной нагрузке. Часть завода с гармонической нагрузкой потребляет 100 А при 60 Гц (I₁), 14 А при 300 Гц (I₅), и 7 А при 420 Гц (I₇). Часть завода только с линейной нагрузкой потребляет 100 А при 60 Гц (I₁). Рис. 3 показывает простой эскиз энергосистемы.

Рисунок 3 – Пример энергосистемы с линейной и гармонической нагрузками

Предположим, что эти токи на вторичной стороне трансформатора 12470-480 В. ТОП на первичной стороне трансформатора, и трехфазное короткое замыкание МВА (МВАкз) на первичной стороне составляет 5 МВА (информация, представленная энергетическим предприятием). Это часто более удобно для определения отношения I_SC / I_L путем расчета отношения МВАкз / МВАL. Два соотношения одинаковы и определения отношения МВА немного легче. В этом случае нагрузка МВА 0,166 (166 кВАL), что дает отношение MVASC / MVAL 30,1. Это означает, что применяется второй ряд пределов гармонических составляющих тока (ограничение TDD до 8% и отдельные гармоник ниже 11 – 7% или меньше).

Предположим также, что токи при той же частоте могут быть просто добавлены (без сокращения из-за различия угла сдвига фаз / коэффициент мощности).

C. Пример 1: Завод при полной нагрузке

При работе обеих частей завода мы бы в общей сложности имели ток 200 А при 60 Гц (I₁), 14 А при 300 Гц (I₅), и 7 А при 420 Гц (I₇). Предположив, что это максимальная нагрузка завода (в среднем за интервал потребления), мы бы вычислили ток потребления, в 200 А (максимальный ток, составляющая основной частоты)

Это привело бы к следующим расчетам

I₅ в процентах от I₁ будет 14/200, или 7,0%. I₅ в процентах от I_L также будет 14/200, или 7,0%.

В этом случае, пределы гармонического тока для TDD и отдельных гармоник в процентах от I_L едва удовлетворили стандарту. Пределы могли бы быть не удовлетворительными, если бы мы использовали THD и индивидуальные гармоники в процентах от I₁ Последнее – это то, о каком измерительном инструменте гармоник обычно сообщают.

D. Пример 2: завод при частичной нагрузке

В этом случае, работают только гармонические части завода. Поэтому мы только имеем 100 А при 60 Гц. Однако, ранее рассчитанный ток потребителя I_L, не изменится.

Это представлено в следующих расчетах:

I₅ в процентах от I₁ будет 14/100, или 14,0%. I₅ в процентах от I_L будет 14/200, или 7,0%.

В этом случае, пределы гармонического тока для TDD и отдельных гармоник в процентах от I_L едва удовлетворили стандарту. Однако, пределы могли бы быть не удовлетворительными, если бы мы использовали THD и индивидуальные гармоники в процентах от I₁.

Чисел в виде процентов I₁, а не I_L, могут расти довольно резко в зависимости от нагрузки в пределах завода в каждый данный момент времени. Но завод в этом случае не должен быть оштрафованный, потому что он вводит гармонический ток в измерении 2 не больше, чем в измерении 1.

ВЫВОДЫ

Полезно измерять и ограничивать гармоники в электроэнергетических системах, чтобы избежать эксплуатационных проблем и ухудшения состояния оборудования. Стандарт IEEE Std 519-1992 определяет предельные значения гармоник, но существует некоторая путаница в том, как эти пределы как эти пределы должны применяться. Необходимо уточнить являются ли рассматриваемые гармоники гармониками напряжения или гармониками напряжения или тока и каковы их фактические количествах (вольтах или амперах) или в процентах, в этом случае В этом случае следует дополнительно указать, являются ли они в процентах от I1 (наиболее часто) или IL (как при строгой оценке пределов).

Общая цель стандарта IEEE 519 заключается в ограничении гармонического тока от отдельных потребителей и ограничить искажение напряжения в системе, предоставляемой коммунальными службами. Потребители не должны вызывать чрезмерные гармонические токи, а коммунальные службы должны обеспечивать почти синусоидальное напряжение. Отношение ISC/IL должно быть известно, чтобы определить, какой какой ряд ограничений гармонического тока применяется.

Одна из точек путаницы в IEEE 519 - это Точка общего подключения. ТОП - это точка, в которой может обслуживаться другой потребитель, независимо от расположения счетчика или оборудования (трансформатора). Цель применения ограничения гармоник, указанные в IEEE 519, заключается в том, чтобы предотвратить случай, когда один потребитель не создавал бы проблем с гармониками для другого потребителя или коммунальной службы. Пределы IEEE 519 могут быть использованы в качестве руководства в пределах на объекте заказчика для минимизации проблем с гармониками проблемы.

Еще одним моментом, вызывающим путаницу в IEEE 519, является различие между суммарными искажениями по требованию (TDD) и суммарными гармоническими искажениями (THD). На сайте Разница между ними заключается в том, что TDD выражает гармоники в процентах от максимального тока нагрузки тока (IL), а THD выражает гармоники как процент от основного (60 Гц) тока (I1) на момент измерения. время измерения. Отдельные гармоники токов также должны быть выражены в процентах от IL перед сравнением с предельными значениями гармоник в IEEE 519.

Не всегда практично или необходимо измерять на реальной ТОП и преобразовывать значения THD в TDD. Некоторые нагрузки, такие как потребители, имеют более высокий THD при незначительной нагрузке, даже если они создают меньше общего гармонического тока в амперах и, таким образом, вызывают меньшее гармоническое искажение напряжения. Это не всегда удобно или необходимо измерять в истинной ТОП или преобразовать THD в значение TDD. Зная, как в IEEE 519 должны быть оценены пределы, когда это возможно, позволять инженеру определять, достаточно хорош ли его или её подход для работы под рукой.

Ссылки

IEEE Std 519-1992, "IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control hi Electric Power Systems," © Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. 1993.
IEEE 519 Working Group [Online]. Available: (March 15,2004).
D. J. Carnovale, T. J. Dionise, and T. M. Blooming, "Price and Performance Considerations for Harmonic Solutions," Power Systems World, Power Quality 2003 Conference, Long Beach, California.