- Czym są harmoniczne?
- Przyczyny i źródła harmonicznych w sieciach elektrycznych
- Kategorie i zasada separacji
- Możliwe konsekwencje
- Ochrona harmoniczna
- Wideo do artykułu
Pomóż w opracowaniu witryny, udostępniając artykuł znajomym!
Praca większości urządzeń elektrycznych jest zapewniona przez jakość dostarczanej do nich energii elektrycznej. Ale nawet w warunkach bezproblemowej pracy w systemie powstają procesy powodujące występowanie harmonicznych w sieciach elektrycznych. Jednocześnie nie mogą wystąpić żadne rozłączenia lub naruszenia, większość harmonicznych jest cicho wytwarzana we wszystkich obwodach, niezależnie od rodzaju obciążenia. Jednak wraz ze wzrostem ich wielkości możliwe są liczne negatywne konsekwencje zarówno dla konsumentów, jak i dla całej sieci energetycznej.
Czym są harmoniczne?
Jeśli napięcie i prąd wytwarzane przez źródło, jak najbliżej kształtu idealnej sinusoidy, a następnie z powodu nieliniowych obciążeń podłączonych do obwodu elektrycznego, kształt sygnału początkowego ulega zniekształceniu. Harmoniczne są pochodnymi głównej fali sinusoidalnej o częstotliwości 50 Hz i są wielokrotnością jej wartości 1].
Wielość harmonicznych dzieli się na parzyste i nieparzyste. Oznacza to, że liczba harmoniczna 1 - wynosi 50 Hz, 2 - 100 Hz, 3 -150 Hz itd. Każdy z nich jest jednym ze składników wynikowej postaci napięcia i prądu. Oznacza to, że napięcie i prąd w sieci można swobodnie rozłożyć na składowe harmoniczne 2].
Spójrz na powyższy obrazek, tutaj widzisz szczegółowy przykład rozkładu sinusoidy na harmoniczne i ich wpływ na kształt sinusoidalnego napięcia. W pierwszej pozycji wyświetlana jest wynikowa funkcja z nieliniowymi zniekształceniami, które wynikają z pokazanych poniżej nieparzystych harmonicznych i podobnych z wyższą częstotliwością. Wielkość tych harmonicznych określa wielkość skoków i spadków sygnału wynikowego. Dlatego im bardziej ta lub ta harmoniczna się przejawia, tym bardziej krzywa będzie się różnić od fali sinusoidalnej.
W rzeczywistości harmoniczna jest pasożytniczym emfem, który nie jest absorbowany przez istniejących konsumentów lub jest absorbowany tylko częściowo. Z powodu tego, co ma negatywny wpływ na wszystkie sieci energetyczne. Naturalna absorpcja jest przeprowadzana tylko przez aktywny opór, ale w ilości proporcjonalnej do pobieranej przez nie mocy. Jednocześnie samych konsumentów można uznać za źródła aktywnie generujące zniekształcony sygnał.
Przyczyny i źródła harmonicznych w sieciach elektrycznych
Główną przyczyną zniekształceń harmonicznych jest występowanie jakichkolwiek stanów nieustalonych w sieciach elektrycznych. Niezależnie od natury tworzonego obciążenia, proces przejścia można zaobserwować w pracy tej samej żarówki, która, jak się wydaje, charakteryzuje się bardzo aktywnymi stratami. Zatem różnica między oporem żarnika lampy w stanie zimnym i ogrzanym tworzy proces przejścia, który wprowadza skok. Ale z powodu niskiego poziomu zniekształceń i stosunkowo krótkiego przebiegu wpływ na cały system jest nieznaczny.
Dlatego możemy śmiało powiedzieć, że zarówno rezystancja czynna, jak i bierna w sieciach zasilających może przyczynić się do generowania harmonicznych. Niemniej jednak istnieje wiele urządzeń, które powodują znaczne zniekształcenia, które mogą spowodować znaczne uszkodzenie instrumentów. W praktyce źródła zniekształceń obejmują następujące rodzaje sprzętu:
- Elektryczne urządzenia zasilające - napędy pieców do topienia prądu stałego i przemiennego, pieców do topienia o wysokiej częstotliwości, przetworniki półprzewodnikowe, zasilacze bezprzerwowe (UPS), przetwornice częstotliwości.
- Urządzenia działające na zasadzie tworzenia łuku elektrycznego - elektryczne urządzenia spawalnicze, piece łukowe, lampy oświetleniowe (DRL, świecące i inne).
- Urządzenia nasycone - silniki, transformatory z rdzeniem magnetycznym, które mogą osiągnąć nasycenie pętli histerezy. Bez takiego nasycenia ich udział w tworzeniu składowej harmonicznej będzie nieznaczny.
Wśród urządzeń gospodarstwa domowego te same kuchenki mikrofalowe w znaczący sposób przyczyniają się do wytwarzania elementów niesinusoidalnych. Należy pamiętać, że ze względu na cechy trybu pracy jeden z takich pieców może na krótko zmniejszyć poziom napięcia w sieci o 2 - 4%, a co ważniejsze, zwiększyć współczynnik zniekształcenia swojej krzywej o 6 - 18%.
Kategorie i zasada separacji
Zgodnie ze specyfiką przepływu procesu w sieciach i źródłach zasilania, wszystkie składowe harmoniczne są konwencjonalnie dzielone według następujących parametrów:
- wzdłuż ścieżki propagacji emitują przestrzenne lub przewodzące;
- w zależności od przewidywalności czasu wystąpienia wyróżnia się losowo lub systematycznie;
- czas trwania może być krótkotrwały (pulsujący) lub długi.
Perturbacje impulsowe są więc spowodowane pojedynczymi komutacjami w sieci zasilającej, zwarciami, przepięciami, które po wyłączeniu wymagają ręcznego przełączenia. W przypadku operacji automatycznego ponownego załączania przewidywane zmiany, które są obserwowane w kilku okresach, pojawiają się w głównej harmonicznej.
Długotrwałe zmiany są spowodowane jakimkolwiek cyklicznym obciążeniem dostarczanym przez potężnych konsumentów. Dla pojawienia się takich wyższych harmonicznych, z reguły konieczna jest ograniczona moc sieci i stosunkowo duże obciążenia nieliniowe, powodujące wytwarzanie mocy biernej.
Możliwe konsekwencje
W przypadku stałego czynnika generującego harmoniczne, ich działanie może powodować różne negatywne konsekwencje w sieci elektrycznej. Z których należy podkreślić:
- Równoczesne ogrzewanie, wyłączenie izolacji silników, uzwojeń transformatorów, zmniejszenie rezystancji kondensatorów itp. Podczas ogrzewania drutu fazowego lub innych elementów przewodzących w dielektrykach zachodzą procesy nieodwracalne, zmniejszając ich właściwości izolacyjne.
- Fałszywe uruchomienie w sieciach dystrybucyjnych - prowadzi do wyłączenia maszyn, przełączników wysokiego napięcia i innych urządzeń, które reagują na zmiany trybu z powodu harmonicznych.
- Powoduje asymetrię w sieciach przemysłowych ze źródłami trójfazowymi, gdy harmoniczne występują w jednej fazie. Co może zakłócić normalną pracę trójfazowych prostowników, transformatorów mocy, trójfazowych zasilaczy UPS i innych urządzeń.
- Występowanie hałasu w sieciach komunikacyjnych, wpływ na sąsiednie kable niskiego i wysokiego napięcia z powodu indukowanej EMF. Na wielkość emf harmonicznych wpływa zarówno odległość między przewodnikami, jak i czas trwania ich przybliżenia.
- Powoduje przedwczesne starzenie elektryczne sprzętu. Ze względu na niszczenie wrażliwych elementów precyzyjne przyrządy tracą klasę dokładności i ulegają przedwczesnemu zużyciu.
- Powoduje dodatkowe koszty finansowe z powodu strat z obciążeń indukcyjnych, zatrzymania produkcji, napraw awaryjnych i przedwczesnej awarii.
- Konieczność zwiększenia przekroju przewodów zerowych w połączeniu z sumą harmonicznych wielokrotności 3 w sieciach trójfazowych.
Rozważmy przykład negatywnego wpływu na działanie obwodów trójfazowych. Idealnie, gdy każda faza zasila obciążenie liniowe, układ znajduje się w równowadze. Oznacza to, że w sieci nie ma harmonicznych i nie ma prądu w przewodzie neutralnym, ponieważ wszystkie prądy o symetrycznym obciążeniu są przesunięte o 120º i kompensują się wzajemnie w położeniu neutralnym.
Jeśli konsument lub czynnik, który wygina prąd zmienny, powstaje w obwodzie zasilania w jednej z faz, następuje automatyczna zmiana pozostałych prądów fazowych, ich przesunięcie względem wartości początkowej i kąta. Z powodu naruszenia symetrii i braku kompensacji w przewodzie neutralnym zaczyna płynąć prąd.
Jak pokazano na rysunku 2, harmoniczne nieparzyste są wielokrotnościami trzeciego i mają ten sam kierunek, co prąd główny. Ale z powodu naruszenia efektu kompensacji systemu symetrycznego, nakładają się na siebie i są w stanie dostarczyć do neutralnego prąd znacznie wyższy niż nominalny dla tego obwodu. Z powodu przegrzania, które może powodować sytuacje awaryjne.
Wszystkie powyższe konsekwencje prowadzą do obniżenia jakości energii elektrycznej, nadmiernych przeciążeń i późniejszego spadku napięcia fazowego. W szczególnych przypadkach konsekwencje przepływu harmonicznych mogą stanowić zagrożenie dla personelu i konsumentów. Aby zapobiec takim konsekwencjom w elektrowniach, kablach trójfazowych i innym sprzęcie, ustanawia się ochronę przed harmonicznymi 3].
Ochrona harmoniczna
Do ochrony wykorzystywane są urządzenia z elementami aktywnymi i pasywnymi, których działanie ma na celu absorbowanie lub kompensowanie harmonicznych w sieci. Najprostszą opcją są filtry LC składające się z dławika liniowego i kondensatora.
Spójrz na rysunek 3, poniżej przedstawiono schemat filtra. Jego praca opiera się na rezystancji indukcyjnej cewki L, która nie pozwala na natychmiastowe zwiększenie lub utratę wartości prądu. I na pojemności kondensatora C, która zapewnia stopniowy wzrost lub spadek napięcia. Oznacza to, że harmoniczne nie mogą radykalnie zmienić kształtu sinusoidy i zapewnić jej płynny wzrost i spadek na RN obciążenia.
Gdy cewka i kondensator są połączone szeregowo z określonym wyborem parametrów, ich impedancja będzie wynosić zero dla pewnego rodzaju harmonicznej. Wadą tego pasywnego filtra jest potrzeba utworzenia oddzielnego obwodu dla każdego komponentu w sieci. Dlatego konieczne jest uwzględnienie ich interakcji. Na przykład, gdy wygaszamy piątą harmoniczną, pojawia się siódme wzmocnienie, więc w praktyce kilka filtrów jest instalowanych w rzędzie, jak pokazano na rysunku 4.
Ze względu na fakt, że każdy łańcuch L1-C1, L2-C2, L3-C3 przesuwa odpowiedni komponent, filtr nazywany jest bocznikiem. Ponadto urządzenia z aktywnym tłumieniem harmonicznych mogą być używane jako filtr wejściowy.
Spójrz na rysunek 5, tutaj jest aktywny filtr. Źródło prądu wytwarza prąd i ps, na który wpływa obciążenie nieliniowe, dzięki czemu w sieci uzyskuje się krzywą niesinusoidalną i n . Aktywne harmoniczne klimatyzatora (ACG) mierzą wielkość wszystkich nieliniowych prądów i ahc i wyprowadzają te same prądy do sieci, ale pod przeciwnym kątem. Pozwala to zneutralizować harmoniczne i dać konsumentowi prąd pierwszej harmonicznej jak najbliżej fali sinusoidalnej.
Instalacja dowolnego z istniejących typów ochrony wymaga szczegółowej analizy składowych harmonicznych, obciążeń, współczynników amplitudy i współczynników mocy dla konkretnej sieci. Aby znaleźć najbardziej skuteczny sposób usunięcia i wprowadzenia odpowiednich ustawień.