Аннотация

Проведены экспериментальные исследования и рассмотрен анализ причин возникновения высших гармоник напряжения и тока в городских системах электроснабжения и их влияние на надежность работы электроприемников. Исследованы источники гармонических искажений, их влияние на качество электрической энергии и последствия для электрооборудования городских сетей 0,4 кВ.

Ключевые направления исследования

🏙️

Городские сети

Анализ высших гармоник в системах электроснабжения городов

🔌

Источники гармоник

Исследование современного оборудования как источника гармонических искажений

📈

Экспериментальные данные

Анализ коэффициента искажения синусоидальности в реальных условиях

⚠️

Последствия гармоник

Влияние гармонических искажений на надежность электрооборудования

Основные положения и методы

Теоретические основы гармонических искажений:

Гармоники – это синусоидальные волны, суммирующиеся с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц. Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты:

\[ i(t) = I_0 + \sum_{k=0}^{n} I_{km} \sin(k\omega t + \varphi_k) \]

I₀ — постоянная составляющая

I_km — амплитуда k-й гармоники

φ_k — начальная фаза k-й гармоники

n — номер последней из учитываемых высших гармоник

Основные источники гармоник в городских сетях:

⚡

Силовое электронное оборудование

Частотные приводы переменного тока
Приводы постоянного тока
Источники бесперебойного питания (UPS)
Выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова)
Конвертеры и тиристорные системы
Диодные мосты
Плавильные печи высокой частоты

🔥

Сварочное и дуговое оборудование

Дуговые плавильные печи
Сварочные автоматы
Освещение (ДРЛ-ртутные и люминесцентные лампы)

🔋

Насыщаемые устройства

Трансформаторы
Двигатели
Генераторы

Гармонические амплитуды на этих устройствах обычно незначительны по сравнению с элементами силовой электроники

Технология возникновения гармонических составляющих:

Ток, потребляемый приемниками с нелинейной нагрузкой, имеет ярко выраженный импульсный характер. Например, у импульсных источников питания при наличии сетевого выпрямителя и сглаживающего емкостного фильтра электронные вентили диодного моста скачкообразно меняют свое сопротивление, что приводит к появлению коротких импульсов потребляемого тока и искажению формы кривой синусоидального тока.

\[ U_n(t) = U_c(t) - i(t)Z_c \]

U_n(t) — деформированная синусоида напряжения на зажимах нагрузки

U_c(t) — синусоидальное напряжение питающей сети

i(t) — импульсный ток нагрузки

Z_c — полное сопротивление сети со стороны зажимов нагрузки

Экспериментальные исследования:

Проведенные исследования Испытательной лабораторией по качеству электрической энергии при ТГТУ на одной из подстанций города с помощью прибора Ресурс UF-2M показали характер изменения коэффициента искажения синусоидальной кривой напряжения K_U.

\[ K_U = \frac{\sqrt{\sum_{n=2}^{N} U_{(n)}^2}}{U_{(1)}} \times 100\% \]

U_(n) — действующее значение n-ой гармонической составляющей напряжения

U₍₁₎ — действующее значение напряжения основной частоты

n — порядок гармонической составляющей напряжения

N — порядок последней из учитываемых гармонических составляющих

Характер изменения коэффициента искажения синусоидальности K_U

Согласно полученным данным K_U увеличивается с приходом вечернего времени суток и достигает максимального значения в период с 20:00 – 23:00. Это связано с приходом домой жителей города и включением бытовой техники: телевизоров, компьютеров и т.д. Далее, в ночное время наблюдается спад искажения до минимального значения и начиная с 10:00 увеличение K_U.

Суточный график изменения K_U

День: 10:00-20:00

Умеренные значения K_U

Вечер: 20:00-23:00

Максимальные значения K_U

Ночь: 23:00-10:00

Минимальные значения K_U

Особенности гармоник, кратных трем:

Высшие гармоники тока кратные трем (3, 9, 15, 21 и т.д.) имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах. В трехфазных цепях они сдвинуты на 360° друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали:

\[ I_n = 3\sqrt{I_3^2 + I_9^2 + I_{15}^2 + \ldots} \]

Важно: С учетом того, что гармоники, кратные трем, составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи. Это может привести к повреждению нулевого проводника, перекосу фаз и выходу из строя бытовой аппаратуры потребителей.

Последствия гармоник тока для электроустановок 0,4 кВ:

🔥

Перегрев проводников

Перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий

⚡

Потери в трансформаторах

Дополнительные потери в силовых трансформаторах (вплоть до выхода из строя)

🚨

Ложные срабатывания

Ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей

🔋

Разрушение конденсаторов

Повышенный износ, вспучивание и преждевременное разрушение конденсаторов установок компенсации реактивной мощности

📉

Старение изоляции

Ускоренное старение изоляции проводов и кабелей

💻

Сбои в работе оборудования

Сбои в работе и физический выход из строя компьютерного оборудования

🔄

Выход из строя двигателей

Преждевременный выход из строя электродвигателей

📊

Резонансные явления

Резонансные явления в электроустановках 0,4 кВ

📈

Снижение коэффициента мощности

Снижение коэффициента мощности электроустановок

Выводы и практическая значимость

Проблема высших гармоник напряжений и токов в распределительных сетях электроснабжения города является крайне актуальной и требует пристального внимания со стороны научно-исследовательских структур и электротехнических служб

Современное электронное оборудование (компьютеры, энергосберегающие лампы, ИБП) является основным источником гармонических искажений в городских сетях

Коэффициент искажения синусоидальности K_U имеет ярко выраженную суточную динамику с максимумом в вечерние часы (20:00-23:00)

Гармоники, кратные трем, представляют особую опасность для трехфазных сетей, так как суммируются в нулевом проводе и могут привести к его перегрузке и повреждению

Литература

1. Суднова В.В. Качество электрической энергии. – М.: Изд-во ЗАО «Энергосервис», 2000. – 80 с.

2. Григорьев О. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ // Новости электротехники. – 2002. – № 6. – С. 18–19.

3. Григорьев О. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ // Новости электротехники. – 2003. – № 1. – С. 18–19.

4. Петухов В. Энергосберегающие лампы как источник гармоник тока // Новости электротехники. – 2009. – № 5. – С. 59.

гармоники в системах электроснабжения источники гармоник качество электрической энергии коэффициент искажения синусоидальности городские сети 0,4 кВ экспериментальные исследования нелинейные нагрузки нулевой проводник гармоники кратные трем

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В ГОРОДСКИХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ