Утицај виших хармоника напона и струје на рад електричне опреме

Виши хармоници напона и струје утичу на елементе електроенергетских система и комуникационих водова.

Главни облици утицаја виших хармоника на електроенергетске системе су:

• повећање струја и напона виших хармоника услед паралелних и серијских резонанција;

• смањење ефикасности процеса производње, преноса, коришћења електричне енергије;

• старење изолације електричне опреме и последично смањење њеног радног века;

• лажан рад опреме.

Утицај резонанција на системе

Резонанције у енергетским системима се обично разматрају у смислу кондензатора, посебно енергетских кондензатора. Када хармоници струје пређу максимално дозвољене нивое за кондензаторе, ови други не погоршавају своје перформансе, али после неког времена не успевају.

Још једна област у којој резонанције могу да изазову оштећење опреме су системи контроле оптерећења звуком. Да би се спречило да се сигнал апсорбује од стране кондензатора снаге, њихова кола су одвојена подешеним серијским филтером (филтер-«урез»). У случају локалне резонанце, хармоници струје у колу кондензатора снаге нагло се повећавају, што доводи до оштећења подешеног кондензатора серијског филтера.

У једној од инсталација, филтери подешени на фреквенцију од 530 Хз са струјом пролаза од 100 А блокирали су свако коло енергетског кондензатора који је имао 15 секција од 65 квар. кондензатори ови филтери су отказали након два дана. Разлог је било присуство хармоника фреквенције 350 Хз, у чијој непосредној близини су успостављени резонантни услови између подешеног филтера и енергетских кондензатора.

Утицај хармоника на ротационе машине

Хармоници напона и струје доводе до додатних губитака у намотајима статора, у круговима ротора и у челику статора и ротора. Губици у проводницима статора и ротора услед вртложних струја и површинског ефекта већи су од оних које одређује омски отпор.

Струје цурења узроковане хармоницима у крајњим зонама статора и ротора доводе до додатних губитака.

У индукционом мотору са суженим ротором са пулсирајућим магнетним флуксом у статору и ротору, виши хармоници изазивају додатне губитке у челику. Величина ових губитака зависи од угла нагиба прореза и карактеристика магнетног кола.

Просечну расподелу губитака од виших хармоника карактеришу следећи подаци; намотај статора 14%; ланци ротора 41%; крајње зоне 19%; асиметрични талас 26%.

Осим асиметричних губитака таласа, њихова дистрибуција у синхроним машинама је приближно иста.

Треба напоменути да суседни непарни хармоници у статору синхроне машине изазивају хармонике исте фреквенције у ротору. На пример, 5. и 7. хармоници у статору изазивају хармонике струје 6. реда у ротору, који се окрећу у различитим правцима. За линеарне системе, просечна густина губитака на површини ротора је пропорционална вредности, али због различитог смера ротације, густина губитака у неким тачкама је пропорционална вредности (И5 + И7) 2.

Додатни губици су једна од најнегативнијих појава узрокованих хармоницима у ротирајућим машинама. Они доводе до повећања укупне температуре машине и до локалног прегревања, највероватније у ротору. Мотори са кавезним кавезом дозвољавају веће губитке и температуре од мотора са намотаним ротором. Неке смернице ограничавају дозвољени ниво струје негативне секвенце у генератору на 10% и ниво напона негативне секвенце на улазима индукционог мотора на 2%. Толеранција хармоника у овом случају одређена је нивоима напона и струја негативног низа које стварају.

Обртни моменти генерисани хармоницима. Хармоници струје у статору стварају одговарајуће моменте: хармоници који формирају позитиван низ у смеру ротације ротора, а формирају обрнути низ у супротном смеру.

Хармоничне струје у статору машине изазивају погонску силу, што доводи до појаве обртних момента на вратилу у правцу ротације хармонијског магнетног поља. Обично су веома мали и такође су делимично померени због супротног смера. Међутим, они могу изазвати вибрацију осовине мотора.

Утицај хармоника на статичку опрему, далеководе. Хармоници струје у водовима доводе до додатних губитака електричне енергије и напона.

У кабловским водовима хармоници напона повећавају ефекат на диелектрик сразмерно повећању максималне вредности амплитуде. Ово заузврат повећава број кварова каблова и трошкове поправке.

У ЕХВ водовима, хармоници напона могу изазвати повећање губитака короне из истог разлога.

Утицај виших хармоника на трансформаторе

Хармоници напона изазивају повећање хистерезисних губитака и губитака на вртложне струје у челику у трансформаторима, као и губитака у намотајима. Век трајања изолације је такође смањен.

Повећање губитака у намотају је најважније у трансформатору за снижавање јер присуство филтера, обично спојеног на страну наизменичне струје, не смањује струјне хармонике у трансформатору. Због тога је потребно уградити велики енергетски трансформатор. Такође се примећује локално прегревање резервоара трансформатора.

Негативан аспект утицаја хармоника на трансформаторе велике снаге је циркулација троструке струје нулте секвенце у трокутастим намотајима. Ово их може преплавити.

Утицај виших хармоника на кондензаторске батерије

Додатни губици у електричним кондензаторима доводе до њиховог прегревања. Генерално, кондензатори су дизајнирани да издрже одређено струјно преоптерећење. Кондензатори произведени у Великој Британији дозвољавају преоптерећење од 15%, у Европи и Аустралији - 30%, у САД - 80%, у ЗНД - 30%. Када се ове вредности прекораче, посматрано у условима повећаног напона виших хармоника на улазима кондензатора, ови се прегревају и отказују.

Утицај виших хармоника на уређаје заштите електроенергетског система

Хармоници могу ометати рад заштитних уређаја или ометати њихов рад. Природа кршења зависи од принципа рада уређаја. Дигитални релеји и алгоритми засновани на дискретизованој анализи података или анализи преласка нуле посебно су осетљиви на хармонике.

Најчешће су промене у карактеристикама мале. Већина типова релеја ће радити нормално до нивоа изобличења од 20%. Међутим, повећање удела енергетских претварача у мрежама може променити ситуацију у будућности.

Проблеми који произилазе из хармоника су различити за нормалне и хитне режиме и разматрани су посебно у наставку.

Утицај хармоника у хитним режимима

Заштитни уређаји обично реагују на напон или струју основне фреквенције и сви пролазни хармоници се или филтрирају или не утичу на уређај. Ово последње је карактеристично за електромеханичке релеје, посебно коришћене у прекострујној заштити. Ови релеји имају велику инерцију, што их чини практично неосетљивим на више хармонике.

Значајнији је утицај хармоника на перформансе заштите на основу мерења отпора. Дистанциона заштита, где се отпор мери на основној фреквенцији, може дати значајне грешке у присуству виших хармоника у струји кратког споја (нарочито 3. реда). Висок садржај хармоника се обично примећује када струја кратког споја тече кроз уземљење (отпор уземљења доминира укупним отпором петље). Ако се хармоници не филтрирају, вероватноћа лажног рада је веома велика.

У случају металног кратког споја, струјом доминира основна фреквенција. Међутим, услед засићења трансформатора долази до изобличења секундарне криве, посебно у случају велике једносмерне компоненте у примарној струји. У овом случају постоје и проблеми са обезбеђивањем нормалног рада заштите.

У стационарним радним условима, нелинеарност повезана са прекомерном побудом трансформатора изазива само хармонике непарног реда. Све врсте хармоника се могу јавити у пролазним модовима, при чему су највеће амплитуде обично 2. и 3.

Међутим, уз правилан дизајн, већина наведених проблема се лако решава. Избор праве опреме елиминише многе потешкоће у вези са мерним трансформаторима.

Хармонско филтрирање, посебно у дигиталним заштитама, је најважније за заштиту на даљину. Радови спроведени у области метода дигиталног филтрирања су показали да иако су алгоритми за такво филтрирање често прилично сложени, постизање жељеног резултата не представља посебне потешкоће.

Утицај хармоника на заштитне системе при нормалним режимима рада електричних мрежа. Ниска осетљивост заштитних уређаја на параметре режима у нормалним условима доводи до практичног одсуства проблема повезаних са хармоницима у овим режимима. Изузетак је проблем везан за укључивање снажних трансформатора у мрежу, праћен налетом струје магнетизирања.

Амплитуда пика зависи од индуктивности трансформатора, отпора намотаја и тренутка у коме се укључује укључивање. Преостали флукс у тренутку пре укључивања незнатно повећава или смањује амплитуду, у зависности од поларитета флукса у односу на почетну вредност тренутног напона. Пошто током магнетизације на секундарној страни нема струје, велика примарна струја може изазвати лажно активирање диференцијалне заштите.

Најлакши начин да избегнете лажне аларме је да користите временско одлагање, али то може изазвати озбиљну штету на трансформатору ако дође до незгоде док је укључен. У пракси, други хармоник присутан у ударној струји, несвојствен за мреже, служи за блокирање заштите, иако заштита остаје прилично осетљива на унутрашње кварове трансформатора при укључивању.

Утицај хармоника на опрему потрошача

Утицај виших хармоника на телевизоре

Хармоници који повећавају вршни напон могу изазвати изобличење слике и промену осветљености.

Флуоресцентне и живине сијалице. Пригушнице ових лампи понекад садрже кондензаторе и под одређеним условима може доћи до резонанције, што резултира кваром лампе.

Утицај виших хармоника на рачунаре

Постоје ограничења у погледу дозвољених нивоа изобличења у мрежама које напајају рачунаре и системе за обраду података. У неким случајевима, они се изражавају као проценат номиналног напона (за рачунар ИВМ — 5%) или у облику односа вршног напона према просечној вредности (ЦДЦ поставља своје дозвољене границе на 1,41 ± 0,1).

Утицај виших хармоника на опрему за претварање

Зарези у синусоидном напону који се јављају током пребацивања вентила могу утицати на тајминг друге сличне опреме или уређаја који се контролишу током криве нултог напона.

Утицај виших хармоника на опрему за брзину којом се управља тиристором

У теорији, хармоници могу утицати на такву опрему на неколико начина:

• зарези синусног таласа доводе до квара због погрешног паљења тиристора;

• хармоници напона могу изазвати прескакање паљења;

• настала резонанца у присуству разних врста опреме може довести до пренапона и вибрација машина.

Горе описане утицаје могу осетити други корисници повезани на исту мрежу. Ако корисник нема потешкоћа са тиристорском контролом опреме у својим мрежама, мало је вероватно да ће то утицати на друге кориснике. Потрошачи који се напајају различитим аутобусима теоретски могу утицати једни на друге, али електрична удаљеност смањује вероватноћу такве интеракције.

Утицај хармоника на мерења снаге и енергије

Мерни уређаји су обично калибрисани на чисте синусне напоне и повећавају несигурност у присуству виших хармоника. Величина и правац хармоника су важни фактори јер је знак грешке одређен правцем хармоника.

Грешке мерења узроковане хармоницима у великој мери зависе од врсте мерних инструмената. Конвенционални индукциони мерачи обично прецењују очитавања за неколико процената (сваки по 6%) ако корисник има извор изобличења. Такви корисници се аутоматски кажњавају за уношење дисторзија у мрежу, па је у њиховом интересу да успоставе одговарајућа средства за сузбијање ових дисторзија.

Не постоје квантитативни подаци о утицају хармоника на тачност мерења вршног оптерећења. Претпоставља се да је утицај хармоника на тачност мерења вршног оптерећења исти као и на тачност мерења енергије.

Прецизно мерење енергије, без обзира на облик криве струје и напона, обезбеђују електронска бројила, која имају већу цену.

Хармоници утичу како на тачност мерења реактивне снаге, која је јасно дефинисана само у случају синусоидних струја и напона, тако и на тачност мерења фактора снаге.

Утицај хармоника на тачност прегледа и калибрације инструмената у лабораторијама ретко се помиње, иако је и овај аспект материје важан.

Утицај хармоника на комуникациона кола

Хармоници у струјним колима изазивају шум у комуникационим колима.Низак ниво буке доводи до извесне нелагодности, како се повећава, део пренетих информација се губи, у екстремним случајевима комуникација постаје потпуно немогућа. С тим у вези, код било каквих технолошких промена у системима напајања и комуникација, потребно је водити рачуна о утицају далековода на телефонске водове.

Утицај хармоника на шум телефонске линије зависи од реда хармоника. У просеку, телефон - људско уво има функцију осетљивости са максималном вредношћу на фреквенцији реда 1 кХз. Да се ​​процени утицај различитих хармоника на шум ц. телефон користи коефицијенте који су збир хармоника узетих са одређеним тежинама.Најчешћа су два коефицијента: псофометријско пондерисање и Ц-пренос. Први фактор је развио Међународни консултативни комитет за телефонске и телеграфске системе (ЦЦИТТ) и користи се у Европи, други — Белла Телепхоне Цомпани и Едисон Елецтротецхницал Институте — користи се у Сједињеним Државама и Канади.

Хармоничне струје у три фазе не компензују у потпуности једна другу због неједнакости амплитуда и фазних углова и утичу на телекомуникације са резултујућом струјом нулте секвенце (слично струјама земљоспоја и струјама земље из вучних система).

Утицај могу изазвати и хармонијске струје у самим фазама због разлике у растојању фазних проводника до оближњих телекомуникационих водова.

Ове врсте утицаја могу се ублажити правилним одабиром линијских трагова, али у случају неизбежних укрштања линија долази до таквих утицаја.Посебно се снажно манифестује у случају вертикалног распореда жица далековода и када су жице комуникационог вода транспоноване у близини далековода.

На великим растојањима (више од 100 м) између водова, главни фактор утицаја је струја нулте секвенце. Када се номинални напон далековода смањи, утицај се смањује, али се испоставља да је приметан због употребе заједничких носача или ровова за полагање нисконапонских далековода и комуникационих водова.