гармоники и фильтры в электросетях

[samsony1]

«Традиционные» источники гармоник и реактивной мощности в силовых сетях
К традиционным источникам гармоник и реактивной мощности в силовых сетях правомерно отнести
трансформаторы,
электродвигатели,
электроплавильные печи и
аппараты дуговой сварки.

Кривая намагничивания у трансформаторов более нелинейные, чем электродвигателей, генерирующих преимущественно третью гармонику, что обуславливает достаточно емкий спектр гармонических искажений от трансформатора и особенно в условиях насыщения — при работе выше номинальной мощности (обычно в периоды пиковой нагрузки), с повышением напряжения выше номинальных значений (обычно в условиях небольшой нагрузки) или из-за переключения нагрузок с большой реактивной мощностью. Даже небольшое перенапряжение (выше номинального значения) вызывает значительное увеличение тока намагничивания, а это и реактивная энергия на фундаментальной частоте и мощность гармоник с большими амплитудами (до 11-13 порядков).

Дуговые печи и сварочные аппараты обычно потребляют много электроэнергии, что в совокупности с сильно нелинейной вольтамперной характеристикой создает значительные (по мощности) гармонические искажения, причем из-за особенностей процесса с сильными и резкими изменениями параметров спектр включает и четные, и нечетные гармоники.

источник - здесь

[samsony1]

«Новые» источники гармоник и реактивной мощности в силовых сетях

Импульсные источники питания (SMPS — Switched mode power supplies)
Импульсные источники питания созданы для преобразования нерегулируемого входного напряжения переменного тока в регулируемое выходное напряжение постоянного тока. В отличие от более старых линейных источников питания SMPS потребляют импульсы тока, а не непрерывный ток, а эти импульсы содержат большое количество гармоник вплоть до 34 порядка.

Частотно-регулируемые приводы
Частотно-регулируемые приводы, по сути, — группа оборудования, в которой используются статические преобразователи на основе трехфазного моста, но поскольку (в целом) спектр гармоник связан с количеством импульсов нелинейной нагрузки (или путей проводимости), то импульсный преобразователь генерирует пары гармоник, в которых одна на единицу меньше, а другая на единицу больше порядка, кратного числу импульсов. Т. е. 6-импульсный преобразователь будет генерировать 5-ю и 7-ю, 11-ю и 13-ю, 17-ю и 19-ю и т. д. гармоники, 12-импульсный — 11-ю и 13-ю, 23-ю и 25-ю, 35-ю и 37-ю и т. д.

источник - здесь

[samsony1]

Польза и вред конденсаторных батарей, установок компенсации реактивной мощности. ч. 1

Компенсация реактивной мощности в силовых сетях низкого и/или низкого среднего напряжения конденсаторными установками УКРМ, УКРМТ была и, безусловно, остается одним из оптимальных финансово выгодных способов решения проблем нестабильности электроснабжения и больших счетов за электроэнергию. Однако те же УКРМ, УКРМТ или конденсаторные батареи могут ухудшить ситуацию при бездумном выборе только по мощности, интеграции батарей, установок где удобнее и/или технически безграмотном проектировании без энергоаудита, мониторинга параметров качества электросети и учета (условно) негативов, вносимых самими конденсаторными установками повышения коэффициента мощности в силовую сеть.

Так, конденсаторы, модули, батареи и конденсаторные установки большой мощности из-за переходных процессов при коммутациях вызывают скачки тока и напряжения, повышают нагрузку на коммутационные устройства и системы изоляции, зачастую виновны в значительных межфазных напряжениях на трансформаторах ТП, могут нанести ущерб чувствительным нагрузкам и т. д. Вместе с тем, из-за рыночных отношений и специфического маркетинга в нашей стране почти никто из производителей, инсталляторов конденсаторных батарей и установок не дает информации, а возможно и не учитывает при проектировании изменения параметров сети при включении, отключении, пробое силовых конденсаторов, явления первого и второго резонанса, например, при использовании двух батарей, установок до и после понижающего трансформатора, негативное влияние на ШИМ-преобразователи через перенапряжение, системы привода (через увеличение тока самовозбуждения, автоматические выключатели через скачки тока и пр.

источник - здесь

PS - если речь идет про проектирование вновь строящихся зданий, то эти случаи просто неприменимы.
Скорее речь идет про монтаж и эксплуатацию либо существующего, либо про пусконаладку нового оборудования, проектирование тут конечно не при чем, поскольку в реально не существующем (проектируемом) электрооборудовании объекта измерять и изучать не чего.

[samsony1]

Броски тока и напряжения при переходных процессах во время коммутации конденсаторных батарей, установок
Упрощенно в момент подключения через контактор конденсатора, модуля, конденсаторной батареи происходит короткое замыкание с просадкой напряжения в питающей линии и скачком тока, а затем сетевые параметры восстанавливаются преимущественно за счет высокочастотных колебаний, причем:

На начальной стадии колебаний амплитуда напряжения может в два раза превышать сетевое, а затухание до номинальных значений происходит за 5-6 и более циклов.
Пусковой ток проходит аналогичные колебания, но максимальные амплитуды находятся в высокочастотном спектре, что при условиях резонанса может привести к значениям, в 15-17 раз превышающим номинальные и допустимые, как для самих конденсаторов, так и других силовых элементов сборки и/или оборудования и кабелей в силовой сети.
Искажения сетевых параметров при коммутации конденсаторной батареи de facto свободно распространяются по силовой сети, перегенерируются и могут быть усилены, как трансформаторами (особенно в случае, если частота переходного процесса совпадает с частотой индуктивности трансформатора — первичный резонанс), так и конденсаторной батареей/установкой более низкого уровня напряжения в этой линии силовой сети — вторичный резонанс.
Положение усугубляется при быстром повторном включении конденсаторах батареи, когда разрядные устройство конденсаторов не успевает снизить остаточный заряд до 50 В или менее в течение 1 мин для конденсаторов 600 В или менее 5 мин для конденсаторов напряжением более 600 В по требованиям ANSI/IEEE, а также отечественных стандартов.
Риски резонансов на порядки взрастают при интеграции конденсаторной батареи, установки возле нелинейной нагрузки без превентивной защиты от эмиссии гармонических искажений фильтрами.

Справка
Без силовых конденсаторов, конденсаторной батареи, установки собственная резонансная частота энергосистемы довольно высокая и намного выше любой гармоники, генерируемой нелинейной нагрузкой. По мере увеличения частоты емкостное реактивное сопротивление уменьшается, а индуктивное реактивное сопротивление увеличивается, что при подключении конденсаторной батареи может привести к ситуации, когда на генерируемой нагрузкой гармонике с большой амплитудой система будет работать, как одна параллельная ветвь колебательного контура, а батарея — как другая.

источник - здесь

[samsony1]

зарубежные исследования средневольтной конденсаторной батареи в линии 13.8 кВ (отечественный аналог — сеть 10.5 кВ), подключенной к магистрали 138 кВ (наш аналог 110 кВ) через понижающий трансформатор показали:

 - скачки напряжения при переходном процессе с амплитудой начала колебаний 24 кВ и пускового пикового тока 4,58 кА на частоте 770 Гц, и выход на номинальные значения параметров через 6 колебаний;
 - генерацию гармоник небольшого спектра, но с 11-й гармоникой, амплитуда которой составляла 130 % тока основной частоты.

Т. е. по факту при переходных процессах коммутации конденсаторная батарея становится источником эмиссии гармонических возмущений и поэтому оптимальным решением проблемы будет использование полосового шунтирующего фильтра, который защитит и конденсаторы в установке и саму сеть от наброса токов гармоник.

источник - здесь

[samsony1]

Польза и вред конденсаторных батарей, установок компенсации реактивной мощности. ч.2

В условиях перехода на современные производственно-технологические процессы, инфраструктуру, поддерживаемые прогрессивными силовыми сетями «цифрового формата» с автоматическим управлением критически необходимой при выборе любого оборудования становится оценка рисков негативного влияния интегрируемой нагрузки на саму сеть или каналы телекоммуникации с программно-аппаратными комплексами АСУ.

Это правомерно и для технических средств компенсации реактивной мощности, локализации источников гармонических возмущений и нивелирования гармоник, однако вред от конденсаторных батарей, установок УКРМ, УКРМТ, УКРМТФ, фильтров de facto является условным, поскольку наличие или отсутствие негативов напрямую зависит от профессионального уровня проектирования.

Или проще:
— Выбор, как способа компенсации, так и конденсаторной установки повышения коэффициента мощности по «опросному листу», калькулятору, советам от «специалистов» был неразумным, но сегодня стал буквально nonsense с учетом ряда (возможных) негативных влияний УКРМ, УКРМФ, УКРМТ на силовую сеть, оборудование и информационные каналы связи с серверами АСУ.
— Опросные листы, калькуляторы могут и должны использоваться, но только для превентивной оценки комплектации, мощности и, основное — инвестиций в нивелирование перетоков реактивной энергии, наброса гармоник, а также окупаемости и экономической целесообразности финансовой выгоды от применения УКРМ, УКРМФ, УКРМТ и т. д. или фильтров гармоник.

Любая УКРМ, УКРМТ, УКРМТФ или фильтр гармоник должны проектироваться только профильными специалистами высокого квалификационного уровня и исключительно для конкретной силовой сети конкретного объекта с ее спецификой режима работы, особенностями нагрузок и на базе полного энергоаудита с регистрацией и анализом пакета параметров качества электроэнергии.

Только в этом случае все возможные негативные влияния на сеть будут превентивно нивелированы, а их de facto достаточно немало и наиболее критические максимально упрощенно для понимания рассмотрены в предыдущей статье и материале ниже.

источник - здесь


PS - если речь идет про проектирование вновь строящихся зданий (виртуальных объектов), то эти случаи просто неприменимы.
Скорее речь идет про монтаж и эксплуатацию либо существующего, либо реконструкцию, либо про пусконаладку нового оборудования, проектирование тут конечно не при чем, поскольку в реально не существующем (проектируемом) электрооборудовании объекта измерять и изучать не чего.
Кроме того, наличие в проектах таких установок обязывают и нормативные документы, и техусловия на подключение проектируемых зданий.
И уж совсем глупо голословно утверждать, что проектировщики не знают проектирование УКРМ, фильтроустановок и пр. и их размещение в сети электроснабжения предприятий по принципу групповая, индивидуальная, централизованная - эти процессы и расчеты подобных установок глубоко изучают на многих специальностях электрофакультетов многих ВУЗов.
И согласно проектных расчетов проектируемого электроснабжения без особого труда можно определить нужные места установки этого оборудования.

[samsony1]

Некоторые особенности фильтровых или дроссельных УКРМФ
Типичным решением проблемы резонанса со значительными токами на конденсаторных батареях, способными привести к пробою диэлектрика, возгоранию в установке остается использование токоограничивающих реакторов (неформально — дросселей), подключаемых к батарее последовательно и настраиваемых на определенную «антирезонансную» частоту.

De facto реактор действительно снижает емкостное реактивное сопротивление, а чистый выход кВАр от контура «дроссель-конденсаторы» увеличивается, поскольку напряжение на клеммах конденсатора возрастает, а генерируемая реактивная мощность изменяется пропорционально квадрату напряжения:

V=n2/(n2-1) и Sf=S0*n2/(n2-1), где:

V — напряжение на конденсаторах,
Sf и S0 — мощность ступени с и без реактора соответственно,
n = fn/f, fn — частота настройки с реактором,
f — фундаментальная частота.
Т. е. по факту реактор в фильтровых УКРМФ, УКРМТФ защищает конденсаторы от перегрузки по току, но батарея (ступень) или конденсаторная установка будет генерировать в сеть большую мощность, что может вызвать перекомпенсацию с ее негативными последствиями для силовой сети.

Второй проблемой фильтровых УКРМФ, УКРМТФ являются значительные риски аварийности из-за повышения температуры внутри шкафа при недостаточном пространстве и отсутствии принудительной вентиляции. Это обусловлено «гашением» токов гармоник сопротивлением обмоток реактора с трансформацией электрической энергии в тепловую и, соответственно выделением тепла, причем из-за скин-эффекта гармонические токи проходят тем ближе к поверхности сечения обмотки, чем выше частота и градиент температур по сечению может привести к разрушению проводов. Единственным решением этой проблемы остается принудительная вентиляция с обеспечением достаточного по нормативам пространства между ректором, конденсаторами, стенками шкафа и пр.

источник - здесь

[samsony1]

Проблемы вторичного резонанса при неправильном выборе способа компенсации
Традиционно для решения проблемы перетоков реактивной мощности сегодня предлагают централизованную, групповую, индивидуальную и комбинированную, сочетающую разные способы компенсацию, причем типичными из-за снижения инвестиций стали сочетания централизованной, групповой или индивидуальной с интеграцией конденсаторных установок на линиях разного уровня напряжения.

Вместе с тем почти никто из интеграторов конденсаторных установок/батарей не говорит о высоких рисках вторичного резонанса, возникающего в установке меньшего напряжения из-за переходных процессов при коммутации ступеней УКРМ на линии большего напряжения и особенно во вторичных цепях, резонансные частоты которых близки к собственной частоте высоковольтной конденсаторной батареи — (fc/fm)2=LmCm/LcCc, где, соответственно, fc и fm — частоты УКРМ, а LcCc и LmCm — индуктивность и емкость во вторичной, то есть меньшего напряжения, и главной — большего напряжения — сети.

При малых fc/fm из-за переходных процессов коммутации УКРМ в главной сети перенапряжение на УКРМ вторичной сети может превышать номинальное значение в пять раз. Аналогично, в моменты коммутации при низких отношениях, наблюдаются наброс гармонических токов, способных вызвать пробой конденсаторов на линии низкого напряжения.


Изменения относительных параметров в сети при разных соотношениях fc/fm



Переходные процессы будут преобладать, когда мощность коммутируемой конденсаторной батареи в главной сети намного больше, чем мощность низковольтной установки и кабельных линий, что, как правило, типично, а самые значительные перенапряжения и набросы токов больших амплитуд возникают, когда частота УКРМ в главной сети близкая с резонансной частотой последовательного контура, образованного понижающим трансформатором и емкостью низковольтной конденсаторной установки или батареи.

Поэтому лучше всего применять конденсаторные установки, батареи только с одним уровнем напряжения, а если технически необходим комбинированный способ компенсации, то необходим тщательный анализ переходных процессов переключения для предварительного определения точек резонанса и их устранения.

источник - здесь

[samsony1]

см. так же - здесь
см. так же - здесь