гармоники и фильтры в электросетях

[samsony1]

гармоники в электросетях

Как нам хорошо известно, сетевое напряжение имеет синусоидальную форму и частоту равную 50 Гц. Это в идеале, но на практике так бывает далеко не всегда. И дело здесь в гармонических составляющих сети, представляющих из себя частотные сигналы, отличающиеся от основной частоты, и вносящих искажения в синусоидальную форму питающего напряжения, а это, в свою очередь, становится причиной ухудшения качества электроэнергии, нарушению нормальной работы электропотребителей и т. д.

Появление гармонических составляющих
Дело в том, что в цепях с линейной нагрузкой, к которым можно отнести сопротивление, индуктивность и емкость, протекающий через нагрузку ток пропорционален прикладываемому напряжению и следовательно синусоидальной форме сигнала напряжения соответствует токовая синусоида, поэтому разность фаз между ними равна нулю. А вот в случае, если наблюдается нелинейная зависимость протекающего тока от приложенного напряжения, синусоидальная форма сигнала искажается.

Связано это, в первую очередь, с ростом количества электрооборудования, имеющего нелинейные характеристики, вызванные наличием в схемотехнике полупроводниковых элементов. Наиболее «проблемными» в этом плане являются тиристорные регуляторы, преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, электронные балласты, сварочные аппараты, электродуговые печи и другое оборудование с импульсными источниками питания.

Это приводит к возникновению импульсных токов, содержащих большое количество гармонических составляющих — так называемых высших гармоник, отличающихся от основной гармоники, которые затем попадают в электрические сети и вносят искажения. Гармоники образуются на частотах, кратных основной. Так, первая или основная гармоника имеет частоту 50 Гц, частота гармоники третьего порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники пятого порядка — 250 Гц и т. д. Получается, что реальное напряжение в сети представляет собой сумму основного синусоидального сигнала и его гармонических составляющих.



Надо учитывать, что полностью избавиться от влияния гармонических составляющих невозможно, и пока уровень гармоник не превышает допустимых норм, в принципе можно не беспокоиться о каких-то серьезным последствиях. Согласно ГОСТ 13109-97, нормально допустимое значение коэффициентов гармонических составляющих напряжения для сетей 0,38 кВ составляет 8 %, а предельно допустимое — 12. Также в этом ГОСТе приведены допустимые значения для каждой n-ой гармонической составляющей, например для третьей гармоники это 5 %, для пятой гармоники — 6,0, для седьмой — 5 и т. д. Считается, что наибольшие искажения в синусоидальный сигнал вносят гармоники 3, 5 и 7 порядка.

источник - здесь

[samsony1]

Немного расчётов
Параметр, указывающий на уровень влияния нелинейных искажений, или по другому степень отличия формы сигнала от синусоидальной, называется коэффициентом нелинейных искажений Ku (THD — Total harmonic distortions).



где:

U(1) — действующее значение напряжения первой гармоники,
U(2), U(3)...U(40) — действующие значения напряжения высших гармоник.
Таким образом можно определить общую долю суммарного напряжения высших гармоник по отношению к напряжению основной частоты. Еще одним параметром является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения.



n — номер гармонической составляющей, кратной основной частоте. По этой формуле вычисляется вклад конкретной гармоники в общие искажения.

Основные характеристики гармоник
Все гармоники можно разделить по трем основным характеристикам — порядковому номеру, частоте и типу последовательности.

Порядковый номер гармоники — это число, показывающее во сколько раз частота гармонической составляющей превышает частоту основной гармоники.

Частота гармоники определяется путем умножения порядкового номера гармоники на значение основной частоты — 50 Гц.

По типу последовательности разделяют гармоники прямой, обратной и нулевой последовательности. Гармоники 4, 7, 10, 13 и т. д. порядка образуют симметричную систему напряжений прямой последовательности, то есть совпадающей с последовательностью фаз первой гармоники. Гармоники 2, 5, 8, 11, 14 и т. д. образуют системы напряжений обратной последовательности по отношению к основной частоте. Гармоники с порядковым номером, кратным третьей гармоники (3, 6, 9, 12 и. д.) имеют нулевой порядок следования фаз, т. е. совпадают, и следовательно, образуют симметричные системы нулевой последовательности.

Последствия возникновения
Какие же проблемы приносят гармонические составляющие в случае отклонения от предельно допустимых показателей? На самом деле негативных воздействий немало:
 - увеличение потерь в сетях,
 - перегрев трансформаторов,
 - перегрузки на нейтральных проводах,
 - гармонические шумы,
 - искажение формы синусоидальной кривой,
 - перегрузка и следовательно уменьшение срока службы конденсаторов коррекции коэффициента мощности,
 - поверхностный эффект.

И это еще перечислены не все последствия данного эффекта. Совокупность приведённых факторов приводит в конечном итоге к экономическим и энергетическим потерям, а также сокращению срока службы оборудования.

Поэтому в случае увеличения количества гармоник и их выхода за допустимые пределы, необходимо задуматься о принятии решений для снижения их уровня, при этом предварительно проводятся измерения гармонических искажений, по результату которых уже определяются необходимые меры.

источник - здесь

[samsony1]

Измерение показателей гармоник в сети
Для анализа качества электросети и выявления высших гармоник применяются, в частности, многофункциональные измерительные приборы или, по-другому, анализаторы качества электроэнергии. - подробнее см. здесь



Они позволяют получать подробную информацию по всем основным характеристикам качества электроэнергии:
 - коэффициентам мощности и амплитуды;
 - среднеквадратичным значениям тока и напряжения;
 - значениям активной, реактивной и полной мощности;
 - активной и реактивной энергии в прямом и обратном направлении;
 - суммарном коэффициенте гармоник THD-тока и напряжения;
 - коэффициенту n-й гармонической составляющей напряжения;
 - дисбалансу напряжения.

И целый ряд других параметров, которые по совокупности позволяют получить точную оценку не только гармонических величин, но и провести полный анализ состояния сетей.

Кроме этого анализаторы имеют дополнительные функции, такие как ведение журнала событий, проверка последовательности чередования фаз, передача данных на верхний уровень по интерфейсу RS-485 или Ethernet, светодиодная индикация, дискретные входы/выходы.

источник - здесь

[samsony1]

Способы уменьшения гармонических составляющих
На основании полученных данных можно принимать решения о внедрении средств, направленных на уменьшение гармонических составляющих.

К основным способам уменьшения гармоник относятся разделение линейных и нелинейных нагрузок, обеспечение симметричного режима работы трехфазной системы, снижение полного сопротивления распределительной сети за счет увеличения сечения кабелей, применение линейных дросселей и изолирующих трансформаторов с обмотками «треугольник»/«звезда», использование пассивных и активных фильтров.

Одним из наиболее простых способов снижения уровня высших гармоник является установка линейных дросселей переменного тока. В частности, такой способ фильтрации широко применяется для подавления помех, возникающих при работе частотных преобразователей.



Дроссель имеет малое значение индуктивного сопротивления на основной частоте 50 Гц и большое значение сопротивления для высших гармоник, что приводит к их ослаблению. Помимо дросселей переменного тока для частотных преобразователей могут применяться и дроссели звена постоянного тока, а также пассивные и активные фильтры, о которых подробнее.

Пассивный фильтр гармоник
Пассивные фильтры строятся на основе индуктивно-емкостной схемы (LC-фильтры), состоящей из продольных индуктивностей и поперечной цепи, состоящей из последовательно включенных индуктивности и емкости которые образуют последовательный колебательный контур, настроенный на определенную гармонику. Если необходимо уменьшение коэффициента искажения по нескольким гармоникам, можно использовать несколько параллельно включенных фильтров. Такой метод часто используется в цепях с источниками бесперебойного питания ( UPS).



Недостатком такого метода является его ограниченный только определенными гармониками эффект, поэтому для подавления всего спектра гармонических составляющих в сети используются активные фильтры.

Активный фильтр гармоник
Представляет собой электронное устройство, можно сказать является управляемым источником тока, подключаемым параллельно с нагрузкой, генерирующей высшие гармоники. Принцип действия основан на анализе гармоник нелинейной нагрузки и генерировании в распределительную сеть таких же гармоник, но противофазе. В результате высшие гармонические составляющие нейтрализуются в точке подключения фильтра и на выходе получается почти синусоидальная форма.

Такой метод благодаря своей эффективности является одним из наиболее действенных способов подавления высших гармоник, но не самым дешевым. Его применение оправдано там, где наблюдается большой уровень искажений.

источник - здесь

[samsony1]

Активные фильтры. Практика компенсации высших гармоник в электроустановках

Увеличение количества нелинейных потребителей повышает уровень высших гармоник в сети, что негативно влияет на синусоидальность напряжения. Примеры применения активных фильтров для повышения надежности работы электроустановок в условиях промпредприятий приводят Игорь Зобов и Александр Мелентьев, Инженерный центр «Автоматизация ресурсо­сберегающих технологий», г. Санкт-Петербург.

источник - здесь

[samsony1]

Выбор настроенного (резонансного) пассивного фильтра гармоник

В подавляющем большинстве силовых сетей с общим коэффициентом гармонических искажений до 30-40 % основную долю возмещений формируют гармоники первых двух десятков порядков, причем с значительными амплитудами — 3, 5, 7, 9, 11 (в зависимости от характера и типа нелинейных нагрузок). Причем в каждой отдельно взятой силовой сети (или ее сегменте) спектр гармоник с амплитудами выше нормы может быть разным вплоть до одной-двух, что делает экономически целесообразным использование пассивных фильтров — колебательных LC- или RLC-контуров, настроенных на резонансные частоты (tuned filter).

Справка
В отличие от LC-контуров демпфированные (сопротивлением) RLC-фильтры имеют добавочное реактивное сопротивление, позволяющее снизить зависимость работы фильтра от сопротивления силовой сети, увеличить полосу пропускания частот, но снижающее добротность контура. Для демпфированных фильтров добротность g=Х0/R, где Х0= — реактивное сопротивление фильтра на резонансной частоте, а полоса пропускания ∆f=fрез/g, т. е. чем больше демпфирующее сопротивление в контуре, тем меньше добротность, но шире полоса пропускания фильтра.

При необходимости подавления двух и более гармоник настроенные пассивные фильтры изготавливаются в виде блоков с отдельными ветками-модулями, каждый из которых представляет собой LC- или RLC-контур, настраивается на свою резонансную частоту. Модуля в блоке подключаются все одновременно, при необходимости автономно, попарно (например, 5 и 7, 5 и 11-й гармоник), но только последовательно в порядке возрастания частот настройки (5, 7, 11 и т. д.), и отключаются также последовательно, в обратном порядке.

Важно
Частоты гармонических возмущений и их амплитуды необходимо выявлять профессиональным анализом всего спектра гармоник в каждой конкретной сети в рамках энергоаудита объекта. Причем спектр и амплитуды частот искажений в идеале должны определяться, как в часы пиковой нагрузки, так и в полностью ненагруженной смети для выявления наличия, спектра, амплитуд гармоник, мигрирующих в сеть из распределительной сети (или любых других сетей аналогичного или разного уровня напряжения, балансовой принадлежности).

Для превентивной оценки требуемой конфигурации, мощности и стоимости фильтра, ориентировочные данные для расчетов пассивных настроенных фильтров можно взять из паспортов нелинейной нагрузки и/или справочников.

источник - здесь

[samsony1]

Выбор топологии и расчет пассивного фильтра гармоник

При выборе места подключения, топологии пассивного настроенного фильтра следует придерживаться следующих правил:

 - если по данным анализа качества электроэнергии в силовой сети (под и без нагрузки) выявлен факт трансмиссии гармоник из других сетей, в том числе распределительной, то согласно ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, определяющему ответственности сетевой организации и абонента сети, стоит подать рекламацию в сетевую организацию и нивелировать эмиссию гармоник источников в своей силовой сети;
 - если по данным анализа качества электроэнергии выявлено превышение нормы:
      -одной гармоники, то можно использовать наиболее простой настроенный фильтр;
      -двух и более гармоник, но не более 4 — блок из соответствующего числа модулей-фильтров;
      -более 4 гармоник — блок из 3-4 настроенных резонансных фильтров (узкополосных) плюс один широкополосный демпфирующий фильтр с частотой последней, не
 - компенсированной гармоники;

Действующие с начала 2021 ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, определяют индикативные уровни электромагнитной эмиссии гармоник, сверх- и интергармоник в сетях разного напряжения, по которым можно ориентироваться о целесообразности подавления гармонических возмущений тех или иных порядков.
IEC 61642 рекомендует применение демпфирующих (сглаживающих) фильтров (damped filter) с характеристическим волновым сопротивлением р=XL1/XC1=7 % (здесь XL1/XC1 — отношение индуктивного и емкостного сопротивления на фундаментальной частоте f1), настроенных на частоту 3,78*f1, которую стандарт считает оптимальной для большинства сетей с нелинейными нагрузками.

источник - здесь

[samsony1]

На практике широкополосные фильтры эффективны в подавлении частот, близких к частоте настройки, но работают тем хуже, чем выше гармоники от этой частоты. Поэтому для примышленных сетей (и трансформаторных подстанций разной балансовой принадлежности чаще используются пакетные решения из 2-3 резонансных и одного демпфирующего фильтра.


Типовая топология фильтрокомпенсирующего устройства

Типовая топология фильтрокомпенсирующего устройства ТП из двух демпфированных узкополосных (11 и 13 гармоники) и одного демпфирующего широкополосного пассивных фильтров гармоник

 - Если в силовой сети по результатам анализа выявлены значительные искажения частоты, то нужно использовать демпфированные резонансные фильтры, а не обычные LC-контуры.
 - При выборе емкости конденсатора (конденсаторов) в фильтре учитывается вырабатываемая ими реактивная мощность Q=n2/(n2—1)*U21*C*2πf1, где n — порядок гармоники резонансной частоты, U1 и f1 — напряжение и частота фундаментальной частоты. Из этой формулы находят емкость конденсатора (конденсаторного модуля), затем из условий резонанса ХС=1/2π*f1*С=ХL=2π*f1*L находят индуктивность по емкости L=С/(4π2*f12);
 - Определяемая расчетом индуктивность пассивного фильтра является пороговой минимальной и базовой.

Т. е. при комплектации выбирается реактор с индуктивностью из серийных значений, но большей, чем определенная расчетом пороговая величина. Затем по формуле 1/2π*f1*С=2π*f1*L проводят перерасчет емкости, на значение которой при сборке выходят (при необходимости) варьированием параллельного и последовательного подключения конденсаторов.

Важно
Характеристическое волновое сопротивление р=XL1/XC1=(f1/fрез)1/2 и кроме того, показывает изменение напряжения емкости в контуре при увеличении/уменьшении резонансной частоты Uc=Un*(1/(1-p)). Поскольку емкость зависит и от реального напряжения, и от температуры эксплуатации, то эти показатели учитываются при профессиональном расчете пассивных фильтров во время проектирования.

источник - здесь

[samsony1]

фильтры гармоник

Завод конденсаторных установок «МИРКОН» - здесь

[samsony1]

фильтры гармоник - см. так же - установки компенсации реактивной мощности - здесь

[samsony1]

Если придерживаться формализованной терминологии, то в силовой электронике по IEC 61642 фильтр (filter) — устройство, состоящее из конденсаторов, реакторов и, при необходимости, резисторов. Настроенный или резонансный фильтр (tunedfilter) имеет частоту настройки в диапазоне не более 10 % фильтруемой частоты, расстроенный фильтр (detunedfilter) имеет частоту настройки более, чем на 10 % ниже самой малой по порядку гармоники с наибольшей амплитудой, а демпфирующий фильтр (dampedfilter) имеет низкий импеданс в широкой полосе частот в отличие от «узкополосного» настроенного.

Все фильтры:

 - считают пассивными по способу демпфирования гармоник — искажения ослабляются за счет потерь при преодолении активного сопротивления цепи в отличие от активных фильтров гармоник (АФГ), где инвертор генерирует токи в противофазе токам гармоник;
 - по факту RLC-цепи, формирующие колебательные контура и использующие в работе специфику резонансов напряжений (реже резонанса токов);
 - в основном используются для поглощения нечетных гармоник, за исключением кратных 3, т. е. 5, 7, 11, 13, 17, 19 и т. д., но могут разрабатываться и для 3-ей гармоники, возникающей между фазой и нейтралью, а также неканонических гармоник в случае формирования цепей демпфирующих фильтров 2-го, 3-го порядков, С- или двойного типа (1 — 4 на рис. ниже соответственно).


Демпфирующие фильтры: 1 — 2-го порядка, 2 — 3-го порядка, 3 — С-типа, 4 — двойного типа

источник - здесь

[samsony1]

Справка
Наибольшее распространение в промышленных сетях отечественных объектов получили резонансные (настроенные) фильтры с последовательным соединением реакторов, конденсаторов и включением в сеть параллельно по схеме «звезда», реже «треугольник».


Настроенные пассивные фильтры с последовательным соединением реакторов, конденсаторов и включением в сеть параллельно по схеме «треугольник» (а) и «звезда» (б)

источник - здесь

[samsony1]

Резонансы токов и напряжений в силовых сетях

Наиболее лаконичное и грамотное объяснение резонансов дано в IEC 61642, стандарт которого и определяет две следующих концепции.

Seriesresonance. Резонанс напряжений
При последовательном соединении индуктивности и емкости в сети, что приводит к очень низкому сопротивлению в определенном частотном диапазоне, близком к резонансной частоте, и, соответственно увеличению напряжения в местах присоединения нагрузки.


Последовательный резонанс напряжений в силовой сети


Импеданс при резонансе напряжений на частоте гармоники 11 порядка по IEC 61642

Parallelresonance. Резонанса токов
При параллельном соединении индуктивности и емкости в сети, что обуславливает очень высокое сопротивление в определенном частотном диапазоне, близком к резонансной частоте, и, соответственно скачкообразное увеличение амплитуд токов через нагрузку.


Параллельный резонанс токов в силовой сети


Импеданс при резонансе токов на частоте гармоники 11 порядка по IEC 61642

источник - здесь

[samsony1]

Настроенные, расстроенные и демпфирующие пассивные фильтры в силовых сетях

На текущий момент наиболее целесообразными для подавления гармоник в силовых сетях объектов остаются шунтирующие резонансные фильтры, настраиваемые на частоту гармоники с наибольшей амплитудой.

Расстроенные фильтры в виде автономных колебательных LC-контуров применяют для снижения рисков пробоя конденсаторов в установках повышения коэффициента мощности УКРМФ, демпфирующие (широкополосные) пассивные фильтры— для подавления искажений оборудования с (условно) статичным спектром гармоник, но в условиях отсутствия (или учета) в сети УКРМ, с которыми они могут войти в параллельный резонанс.

При проектировании резонансных фильтров измеряют импеданс распределительного трансформатора, анализируют частотный спектр источника гармонических возмущений (и в сети), при наличии нескольких гармоник с большими амплитудами формируют комплектное устройство с модулями-фильтрами, подсоединяемыми параллельно и настроенными на соответствующие частоты.

Важно
Нередко причиной высоких гармонических искажений в силовой сети объекта является трансмиссия гармоник из сетей другого уровня напряжения и/или балансовой принадлежности, что уже формализовано в ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020. Поэтому оптимальным вариантом проектирования фильтра можно признать анализ гармонического спектра сети, как в часы пиковых нагрузок, так и ненагруженной, что позволит определить реальные доли эмиссии и трансмиссии гармонических возмущений и предъявить рекламации виновнику согласно правилам и границам ответственностей ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020.

На фундаментальной частоте благодаря конденсаторам шунтирующий резонансный фильтр работает, как компенсатор реактивной мощности, что следует учитывать при наличии установок повышения коэффициента мощности для исключения рисков перекомпенсации. Модуля в блоке пассивного фильтра могут подключаться одновременно или отдельно, но только последовательно в порядке возрастания частот настройки (5, 7, 11 и т. д.), а отключаются в обратном порядке.


Полное сопротивление блока пассивного фильтра из 4 резонансных контуров, настроенных на гармоники 5, 7, 9 и 11 порядков (сверху) и зависимость импеданса каждого модуля от частоты

По рекомендациям IEC 61642 в силовых сетях с шести- и двенадцати импульсными ШИМ-преобразователями целесообразно применять резонансные фильтры 5, 7, 11 и 13-й высших гармоник или, в зависимости от реального уровня помех, только 5, 5 и 7, 5 и 11-й гармоники. В сетях с 12-импульсными ШИМ преобразователями рациональны фильтры с настройкой по частотам 11 и 13 или только 11-й высших гармоник. В силовых сетях с электролизными установками, электродуговыми печами, сварочными автоматами целесообразными будут резонансные фильтры 3, 5 и 7 или 3 и 5-й гармоник.

источник - здесь

[samsony1]

Пассивные фильтры гармоник — колебательные контура из индуктивности L и емкости С (по факту RLC — цепи), в которых (упрощенно) происходит трансформация энергии электрического поля (при разряде конденсатора) в энергию магнитного поля (при протекании тока по катушке индуктивности) и наоборот. По сути, после разряда конденсатора ток идет в катушку, где возникает противодействующее ЭДС с противоположным по знаку напряжением, что приводит к перезарядке конденсатора и т. д. «по кругу» до полного затухания колебаний из-за потерь энергии на активном сопротивлении.

Емкостное сопротивление контура ХС=1/2πfС=1/ωС, индуктивное ХL=2πfL=ωL (угловая частота ω=2πf), а модуль комплексного сопротивления контура:


Расчёт комплексного сопротивления контура

При последовательном соединении в цепочку емкости и индуктивности и параллельном присоединении контура в сеть комплексное сопротивление контура может быть или индуктивным, или емкостным, поскольку с повышением частоты индуктивное сопротивление увеличивается, а емкостное уменьшается.


Зависимость комплексного сопротивления контура от частоты

На определенной частоте f0 (или ω0), называемой резонансной ХС=1/2πf0С=ХL=2πf0L и комплексное сопротивление равно активному, т. е. минимально. Тогда токи резонансной (или близкой к ней) частоты пойдут от нагрузки не в сеть, а через контур, где будут «гаситься» активным сопротивлением цепочки, при частотах больше резонансной контур будет работать, как насыщающийся реактор с ослаблением гармонических колебаний, при более низких частотах — как компенсатор реактивной мощности емкостного характера.


Электрическое сопротивление для гармонических процессов

По этому принципу построены большинство пассивных шунтирующих фильтров, подключаемых параллельно в силовую сеть, а резонансная частота подбирается в зависимости от частоты гармоники с максимальной амплитудой по IEC 61642, где определены безопасные (для информационных каналов телекоммуникаций) частоты резонанса для промышленных и аналогичных им по характеру нагрузок сетей.

В целом мощность фильтра зависит от нагрузки, амплитуды шунтируемых токов и основным элементом контура считается индуктивность, а конденсатор (или модуль, батарея) подбирается по реактору для вывода RLC — цепи на требуемую резонансную частоту.

источник - здесь