Методы уменьшения несинусоидальности напряжения и тока в электрических сетях низкого напряжения

Аннотация

Общая постановка проблемы

Современные приемники электрической энергии имеют нелинейную зависимость потребляемого из сети тока и напряжения. Отличающийся от синусоидальной формы ток создает на элементах электрической сети искажение синусоидального напряжения, это, в свою очередь, снижает качество электрической энергии. Как правило, источниками несинусоидальности напряжения и тока в современной промышленности являются мощные сталеплавильные электрические печи, сварочные установки [4]. В быту — электроприборы и электронные выпрямительные устройства, люминесцентные и газоразрядные лампы. В процессе работы эти устройства потребляют электрическую энергию основной частоты, которая расходуется не только на совершение полезной работы и покрытие потерь, но еще и на образование высших гармонических составляющих, которые передаются обратно во внешнюю сеть.

Искажение сетей переменного тока высшими гармониками может вести к следующим негативным для электротехники последствиям: снижение срока службы конденсаторов, преждевременное срабатывание защитной аппаратуры, выход из строя или ошибочная деятельность компьютеров, нестабильная работа электроприводов, помехи в линиях связи, перегрев устройств электрического освещения и др. чувствительных потребителей.

Согласно ГОСТу 32144-2013 главными поставщиками искажения напряжения являются потребители с нелинейными вольт-амперными характеристиками [3]. Несинусоидальность напряжения можно уменьшить, применяя разделение линейных и нелинейных нагрузок на отдельные системы шин. Выделение нелинейных потребителей на отдельную секцию шин электрически удаляет чувствительные к внешним гармоникам нагрузки от источников гармоник. Разделение потребителей позволяет уменьшить содержание высших гармоник в сети. Распределение нелинейных нагрузок по различным узлам электросети приводит к понижению их мощности в узлах и к уменьшению уровней высших гармоник [1].

Одним из методов снижения несинусоидальности напряжения является использование электрических фильтров. Наиболее распространенным решением являются пассивные фильтры, состоящие из комбинации конденсаторов, индуктивностей и сопротивлений. При эксплуатации пассивного резонансного фильтра его схема подстраивается на определенную частоту гармоники, т. е. резонансные частоты последовательного фильтра очень близки к частотам имеющихся гармоник. Основное отличие пассивного фильтра — возможность компенсировать только несколько выбранных гармоник [5]. Основное преимущество пассивных резонансных фильтров — это дешевизна, а главный недостаток — это необходимость продолжительного и тщательного анализа электросети при проектировании. Также эти фильтры имеют ограниченные возможности в отношении уменьшения сигналов на высоких частотах, т. е. чем выше порядок гармоники, тем ниже эффективность пассивного фильтра.

Активные фильтры предназначены для снижения уровня гармоник нелинейных нагрузок. Они обеспечивают высокую скорость изменения реактивной мощности в соответствии с текущей потребностью. Активные фильтры гармоник имеют разные схемы подключения: последовательное, параллельное и их различные комбинации [2]. При параллельном подключении фильтр работает как источник тока, искажения уменьшаются путем прямого введения компенсирующего тока. Основное преимущество параллельных схем подключения активного фильтра: простота усовершенствования имеющихся систем для стандартных измерительных трансформаторов тока. Недостатком же данного подключения является то, что фильтр, подключенный параллельно, может влиять на напряжение гармоник не напрямую, а косвенно. При последовательном подключении активный фильтр гармоник присоединяется к электросети через обмотку трансформатора. Преимуществом последовательного подключения фильтра является способность напрямую влиять на напряжение гармоник и уменьшать падение напряжения, так как в данной цепи активный фильтр работает как источник напряжения. Недостатком последовательного подключения фильтра является высокая стоимость по сравнению с параллельным (шунтирующим) подключением, сложность ремонта и технической модернизации имеющихся систем из-за необходимости использования последовательного трансформатора.

В настоящее время в проектировании электросетей низкого напряжения для уменьшения несинусоидальности чаще всего используется параллельное включение фильтров. Данное подключение применяется из-за низкой стоимости и преимуществ, связанных с простотой усовершенствования существующих систем и электросетей.

Выводы

Таким образом, существующие способы искажения синусоидальности напряжения и тока имеют ограниченные области применения. Выбор способа должен осуществляться в результате техникоэкономического обоснования.

Список использованной литературы

1. Алиев И. И. Справочник по электротехнике и электрооборудованию : учебное пособие для вузов. — М. : Высшая школа, 2007. — 255 с.
2. Бакалов В. П., Воробиенко П. П., Крук Б. И. Теория электрических цепей : учебник — М. : Радио и связь, 1998. — 444 с.
3. . ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. — М. : Стандартинформ, 2014. — 17 с.
4. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий расчетов. — М. : Энергоатомиздат, 2004. — 358 с.
5. Зиновьев Г. С. Силовая электроника : учебное пособие для бакалавров : в 2 ч. — Люберцы : Юрайт, 2016. — Ч. 2. — 285 c.