Лекция. Несинусоидальность напряжения

Содержание лекции: несинусоидальность напряжения, влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования.

Цель лекции: изучить основные формулы расчета несинусоидальности напряжения.

Несинусоидальность напряжения – искажение синусоидальной формы кривой напряжения (см. рисунок 5.1). Несинусоидальность напряжения характеризуется значением коэффициента искажения кривой, %, и коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения, % [4, 8].

Рисунок 5.1 – Несинусоидальность напряжения

Причина возникновения несинусоидальности напряжения – это силовое оборудование с тиристорным управлением, люминесцентные лампы, сварочные установки, преобразователи частоты, импульсные преобразователи напряжения.

Источниками искажений являются синхронные генераторы электростанций, силовые трансформаторы, работающие при повышенных значениях магнитной индукции в сердечнике (при повышенном напряжении на их выводах), преобразовательные устройства переменного тока в постоянный и ЭП с нелинейными вольт - амперными характеристиками (или нелинейные нагрузки).

Искажения, создаваемые синхронными генераторами и силовыми трансформаторами, малы и не оказывают существенного влияния на систему электроснабжения и на работу ЭП. Главной причиной искажений являются вентильные преобразователи, электродуговые сталеплавильные и руднотермические печи, установки дуговой и контактной сварки, преобразователи частоты, индукционные печи, ряд электронных технических средств (телевизионные приемники, ПЭВМ), газоразрядные лампы и др. Электронные приемники электроэнергии и газоразрядные лампы создают при своей работе невысокий уровень гармонических искажений на выходе, но общее количество таких ЭП велико.

Несинусоидальность влияниет на рост потерь в электрических машинах, вибрации; нарушение работы автоматики защиты; увеличение погрешностей измерительной аппаратуры; отключение чувствительных ЭПУ.

ЭП с нелинейной вольтамперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электросети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Например, полупроводниковые преобразователи потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря - выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы.

35% электроэнергии преобразуется и потребляется на постоянном напряжении.

Источниками несинусоидальности напряжения являются статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, СД, сварочные установки, газоразрядные осветительные приборы, офисная и бытовая техника и так далее.

Строго говоря, все потребители имеют нелинейную вольтамперную характеристику, кроме ламп накаливания, да и те запрещены.

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

- коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения;

- коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения К_U определяется по выражению, %:

где U_(n) – действующее значение n-ой гармонической составляющей напряжения, В;

n – порядок гармонической составляющей напряжения;

N – порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения, стандартом устанавливается N=40;

U₍₁₎ – действующее значение напряжения основной частоты, В.

Допускается К_U определять по выражению, %:

где U_ном – номинальное напряжение сети, В.

Коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения равен, %:

Допускается К_U(п) вычислять по выражению, %:

Для вычисления необходимо определить уровень напряжения отдельных гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой.

Фазное напряжение гармоники в расчетной точке сети находят из выражения:

где I_(n) – действующее значение фазного тока n-ой гармоники;

U_КП – напряжение нелинейной нагрузки(если расчетная точка совпадает с точкой присоединения нелинейной нагрузки, то U_КП =U_ном);

U_ном – номинальное напряжение сети;

S_к – мощность короткого замыкания в точке присоединения нелинейной нагрузки.

Для расчета U_(п) необходимо предварительно определить ток соответствующей гармоники, который зависит не только от электрических параметров, но и от вида нелинейной нагрузки.

Нормально допустимые и предельно допустимые значения К_U в точке общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1 – Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

- фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию КЛ электропередач, - учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю пробиваются конденсаторы;

- в электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения K_U = 10% – суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10-15%;

- возрастает недоучёт ЭЭ, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности;

- неправильно срабатывают устройства управления и защиты;

- выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих, с частотой в n-раз превышающих частоту сети электроснабжения - частоту первой гармоники (f_n=1=50Гц, f_n=2=100Гц, f_n=3=150Гц).

В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования, различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трём).

С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается.

ГОСТ 13109-97 требует оценивать весь ряд гармонических составляющих от 2-й до 40-й включительно.

Мероприятия по снижению несинусоидальности напряжения:

- аналогично мероприятиям по снижению колебаний напряжения;

- применение оборудования с улучшенными характеристиками;

- ненасыщающиеся трансформаторы;

- преобразователи с высокой пульсностью;

- подключение к мощной системе электроснабжения;

- питание нелинейной нагрузки от отдельных трансформаторов или секций шин;

- снижение сопротивления питающего участка сети;

- применение фильтрокомпенсирующих устройств (см. рисунок 5.2).

L-С цепочка, включенная в сеть, образует колебательный контур, реактивное сопротивление которого для токов определённой частоты равно нулю. Подбором величин L и С фильтр настраивается на частоту гармоники тока и замыкает её, не пропуская в сеть. Набор таких контуров, специально настроенных на генерируемые данной нелинейной нагрузкой высшие гармоники тока, и образует фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ), которое не пропускает в сеть гармоники тока и компенсирует протекание реактивной мощности по сети.

Рисунок 5.2 – Применение фильтрокомпенсирующих устройств