Лекція 4. Несинусоїдальність напруги
Лекція 4. Несинусоїдальність напруги
1. Характеристика несинусоидальності напруги
2. Вплив несинусоїдальності напруги на роботу електрообладнання
3. Заходи щодо зниження несинусоїдальності напруги
Зміст лекції: несинусоидальність напруги, вплив несинусоїдальності напруги на роботу електрообладнання.
Мета лекції: вивчити основні формули розрахунку несинусоїдальності напруги.
1. Характеристика несинусоїдальності напруги
Несинусоїдальність напруги - спотворення синусоїдальної форми кривої напруги (див. Рисунок 5.1). Несинусоїдальність напруги характеризується значенням коефіцієнта спотворення кривої,%, і коефіцієнтом n-ой гармонійної складової напруги,% [4, 8].
Малюнок 5.1 - Несинусоїдальність напруги
Причина виникнення несинусоїдальності напруги - це силове обладнання з тиристорним керуванням, люмінесцентні лампи, зварювальні установки, перетворювачі частоти, імпульсні перетворювачі напруги.
Джерелами спотворень є синхронні генератори електростанцій, силові трансформатори, що працюють при підвищених значеннях магнітної індукції в осерді (при підвищеній напрузі на їх висновках), перетворюючі пристрої змінного струму в постійний і ЕП з нелінійними вольт - амперних характеристиками (або нелінійні навантаження).
Спотворення, створювані синхронними генераторами і силовими трансформаторами, малі і не роблять істотного впливу на систему електропостачання і на роботу ЕП. Головною причиною спотворень є вентильніперетворювачі, електродуги сталеплавильні і рудотермічні печі, установки дугового і контактного зварювання, перетворювачі частоти, індукційні печі, ряд електронних технічних засобів (телевізійні приймачі, ПЕОМ), газорозрядні лампи тощо. Електронні приймачі електроенергії та газорозрядні лампи створюють при своїй роботі невисокий рівень гармонійних спотворень на виході, але загальна кількість таких ЕП велике.
Несинусоїдальність вліяніет на зростання втрат в електричних машинах, вібрації; порушення роботи автоматики захисту; збільшення похибок вимірювальної апаратури; відключення чутливих ЕПУ.
ЕП з нелінійної вольтамперной характеристикою споживають струм, форма кривої якого відрізняється від синусоїдальної. А протікання такого струму за елементами електромережі створює на них падіння напруги, відмінне від синусоїдального, це і є причиною спотворення синусоїдальної форми кривої напруги.
Наприклад, напівпровідникові перетворювачі споживають струм трапецієподібної форми, образно кажучи - вихоплюють з синусоїди шматочки прямокутної форми.
35% електроенергії перетвориться і споживається на постійній напрузі.
Джерелами несинусоїдальності напруги є статичні перетворювачі, дугові сталеплавильні та індукційні печі, трансформатори, СД, зварювальні установки, газорозрядні освітлювальні прилади, офісна та побутова техніка і так далі.
Строго кажучи, всі споживачі мають нелінійну вольтамперних характеристику, крім ламп розжарювання, та й ті заборонені.
Несинусоїдальність напруги характеризується наступними показниками:
- коефіцієнтом спотворення синусоидальности кривої напруги;
- коефіцієнтом n-ой гармонійної складової напруги.
Коефіцієнт спотворення синусоидальности кривої напруги КU визначається за виразом,%:
де U - діюче значення n-ой гармонійної
складової напруги, В;
n - порядок гармонійної складової напруги;
N - порядок останньої з врахованих гармонійних складових напруги, стандартом встановлюється N = 40;
U (1) - діюче значення напруги основної частоти, В.
Допускається КU визначати за виразом,%:
де Uном - номінальна напруга мережі, В.
Коефіцієнт n-ой гармонійної складової напруги дорівнює,%:
Допускається КU(п) обчислювати за виразом, %:
Для обчислення необхідно визначити рівень напруги окремих гармонік, що генеруються нелінійним навантаженням.
Фазна напруга гармоніки в розрахунковій точці мережі знаходять з виразу:
де I - діюче значення фазного струму
n-ої гармоніки;
UКП - напруга нелінійного навантаження (якщо розрахункова точка збігається з точкою приєднання нелінійного навантаження, то UКП = Uном);
Uном - номінальна напруга мережі;
Sк - потужність короткого замикання в точці приєднання нелінійного навантаження.
Для розрахунку U (п) необхідно попередньо визначити струм відповідної гармоніки, який залежить не тільки від електричних параметрів, але і від виду нелінійного навантаження.
Нормально допустимі і гранично допустимі значення КU в точці загального приєднання до електричних мереж з різним номінальним напругою наведені в таблиці 5.1.
Таблиця 5.1 - Значення коефіцієнта спотворення синусоидальности кривої напруги
|
Нормально допустимі значення при Uном, кВ |
Гранично допустимі значення при Uном, кВ |
||||||
|
0,38 |
6-20 |
|
110-330 |
0,38 |
6-20 |
|
110-330 |
|
8,0 |
5,0 |
4,0 |
2,0 |
12,0 |
8,0 |
6,0 |
3,0 |
2. Вплив несинусоїдальності напруги на роботу електрообладнання:
- фронти несинусоидального напруги впливають на ізоляцію КЛ електропередач, - частішають однофазні короткі замикання на землю. Аналогічно кабелю пробиваються конденсатори;
- в електричних машинах, включаючи трансформатори, зростають сумарні втрати. Так, при коефіцієнті спотворення синусоїдальної форми кривої напруги KU = 10% - сумарні втрати в мережах підприємств, великих промислових центрів, мережах електрифікованої залізничної транспорту можуть досягати 10-15%;
- зростає недооблік ЕЕ, внаслідок гальмуючого впливу на індукційні лічильники гармонік зворотній послідовності;
- неправильно спрацьовують пристрої управління і захисту;
- виходять з ладу комп'ютери.
Функцію, що описує несинусоїдальну криву напруги, можна розкласти в ряд Фур'є синусоїдальних (гармонічних) складових, з частотою в n-разів перевищують частоту мережі електропостачання - частоту першої гармоніки (fn = 1 = 50Гц, fn = 2 = 100Гц, fn = 3 = 150Гц ).
У зв'язку з різними особливостями генерації, поширення по мережах і впливу на роботу обладнання, розрізняють парні і непарні гармонійні складові, а також складові прямої послідовності (1, 4, 7 і т.д.), зворотній послідовності (2, 5, 8 і т.д.) і нульової послідовності (гармоніки кратні трьом).
З підвищенням частоти (номера гармонійної складової) амплітуда гармоніки знижується.
ГОСТ 13109-97 вимагає оцінювати весь ряд гармонійних складових від 2-ї до 40-ї включно.
3. Заходи щодо зниження несинусоїдальності напруги:
- аналогічно заходам по зниженню коливань напруги;
- застосування обладнання з поліпшеними характеристиками;
- ненасищаемой трансформатори;
- перетворювачі з високою пульсностью;
- підключення до потужної системі електропостачання;
- харчування нелінійного навантаження від окремих трансформаторів або секцій шин;
- зниження опору живильного ділянки мережі;
- застосування фільтрокомпенсуючі пристроїв (див. Рисунок 5.2).
L-С ланцюжок, включена в мережу, утворює коливальний контур, реактивний опір якого для струмів певної частоти дорівнює нулю. Підбором величин L і С фільтр налаштовується на частоту гармоніки струму і замикає її, не пропускаючи в мережу. Набір таких контурів, спеціально налаштованих на генеруються даної нелінійним навантаженням вищі гармоніки струму, і утворює Фільтркомпенсуючий пристрій (ФКУ), який не пропускає в мережу гармоніки струму і компенсує протікання реактивної потужності по мережі.
Малюнок 5.2 – Застосування фільтрокомпенсуючих пристроїв
3. Заходи щодо зниження несинусоїдальності напруги
3. Заходи щодо зниження несинусоїдальності напруги:
- аналогічно заходам по зниженню коливань напруги;
- застосування обладнання з поліпшеними характеристиками;
- ненасищаемой трансформатори;
- перетворювачі з високою пульсностью;
- підключення до потужної системі електропостачання;
- харчування нелінійного навантаження від окремих трансформаторів або секцій шин;
- зниження опору живильного ділянки мережі;
- застосування фільтрокомпенсуючі пристроїв (див. Рисунок 5.2).
L-С ланцюжок, включена в мережу, утворює коливальний контур, реактивний опір якого для струмів певної частоти дорівнює нулю. Підбором величин L і С фільтр налаштовується на частоту гармоніки струму і замикає її, не пропускаючи в мережу. Набір таких контурів, спеціально налаштованих на генеруються даної нелінійним навантаженням вищі гармоніки струму, і утворює Фільтркомпенсуючий пристрій (ФКУ), який не пропускає в мережу гармоніки струму і компенсує протікання реактивної потужності по мережі.
Малюнок 5.2 – Застосування фільтрокомпенсуючих пристроїв