Несинусоидальность напряжения что это

Несинусоидальность напряжения

2014-02-24
5731

Несинусоидальность напряжения – искажение синусоидальной формы кривой напряжения.

Электроприёмники с нелинейной вольт­-амперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электрической сети 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:

-дуговые сталеплавильные печи,

Рис. 9.2 Компенсация тока обратной последовательности

-вращающиеся электрические машины, питаемые через вентильные преобразователи;

-люминесцентные и ртутные лампы.

Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания, имеют нелинейную вольтамперную характеристику.

Качество электрической энергии по коэффициенту n-ой гармонической составляющей напряжения в точке общего присоединения считают соответствующим требованиям ГОСТ 54149-2010, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений коэффициентов n-ой гармонической составляющей напряжения не превышает предельно допустимого значения. А значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, соответствующее вероятности 95% за установленный период времени, не превышает нормально допустимого значения.

Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода измеренных значений данного показателя за нормально и предельно допустимые значения. При этом качество электрической энергии по коэффициенту n-ой гармонической составляющей напряжения считают соответствующим требованиям ГОСТ 54149-2010, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5% от установленного периода времени, т.е. 1 ч 12 мин, а за предельно допустимые значения — 0% от этого периода времени.

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, К_u , %

Высшие гармоники появляются в электрических сетях содержащих нелинейные элементы. Как известно, таковыми в электроэнергетических системах в первую очередь являются трансформаторы и электрические машины. При синусоидальном напряжении сети магнитный поток трансформатора синусоидален, поэтому напряжение на вторичной стороне также синусоидально. В идеальном случае при отсутствии гистерезиса поток и вызывающий его ток намагничивания связаны нелинейной кривой намагничивания.

Поэтому синусоидальному потоку соответствует несинусоидальная кривая тока намагничивания. Учет явления гистерезиса не меняет общей картины характера изменения тока намагничивания. В токе намагничивания присутствуют все нечетные гармоники, в основном гармоники, кратные трем. Для исключения распространения по сети гармоник, кратных трем, на силовых трансформаторах одна из обмоток соединяется в треугольник. В этом случае трансформатор для гармоник, кратных трем, представляет собой «фильтр-ловушку». Гармоники «отсасываются» в трансформатор и в сеть не поступают.

У силовых трансформаторов токи намагничивания значительно увеличиваются при включении трансформатора под напряжение и при восстановлении напряжения после ликвидации КЗ. Особенно большими будут токи намагничивания, если существует остаточное намагничивание сердечника трансформатора. Ток намагничивания с большим содержанием высших гармоник в этих режимах может превышать в 3-5 раз номинальный ток трансформатора. Хотя время существования таких токов составляет всего несколько периодов, влияние их на работу устройств релейной защиты и автоматики может оказаться значительнее.

Вращающиеся машины также являются источниками высших гармонических составляющих. Так как магнитный поток электромагнитной системы не является строго синусоидальным, то имеют место нечетные гармоники.

Другим широко распространенным источником искажения кривых питающего тока и напряжения являются дуговые сталеплавильные печи. Дуговые электропечи имеют нелинейные характеристики электрической дуги, что приводит к появлению высших гармоник тока и напряжения.

Работа электрических печей оказывает существенное влияние на режим работы электрической сети на начальной стадии цикла работы в период расплава. В установившемся режиме процесс плавки идет «спокойно» и обрыва дуг практически не происходит. Тем не менее, принято считать, что токи высших гармоник являются случайными величинами, поэтому их уровни необходимо представлять в виде вероятностных характеристик.

Искажение формы кривой переменного напряжения (тока)-  отличие формы кривой переменного напряжения (тока) от требуемой.

Коэффициент формы кривой переменного напряжения (тока)-  величина, равная отношению действующего значения периодического напряжения (тока) к его среднему значению (за полпериода).

Для синусоиды . (9.6) Коэффициент амплитуды кривой переменного напряжения (тока) — величина, равная отношению максимального по модулю за период значения напряжения (тока) к действующему значению периодического напряжения (тока). (Для синусоиды ).

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (тока) — один из основных показателей качества электроэнергии, равный отношению действующего значения суммы высших гармонических составляющих к действующему значению основной составляющей переменного напряжения (тока):

где n — порядковый номер гармонической составляющей напряжения. Вторым показателем несинусоидальности является коэффициент n-й гармонической составляющей напряжения:

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

— Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельныхлиний 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 электроэнергии, 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 превышающую частоту сети электроснабжения – частоту первой гармоники (f, n =1 = 50 Гц, f , n = 2 = 100 Гц, f, n = 3 = 150 Гц . ).

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.

Источник



Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения – это степень искажения формы кривой напряжения от основной синусоиды напряжения. Степень несинусоидальности напряжения характеризуется следующими показателями:

– коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения К_u;

– коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряжения К_u(n).

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, %:

где U и U₁ – действующие значения соответственно -й и 1-й гармоник напряжения.

В таблице 2.1 приведены нормы коэффициента искажения синусоидальности напряжения при различных значениях напряжения электросети.

Таблица 2.1 — Нормы коэффициента искажения синусоидальности напряжения

При определении коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения допускается не учитывать гармонические составляющие порядка n > 40 или действующее значение которых менее 0,3 от U₁.

Усредненное значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения К_u(n) в процентах (%) за N наблюдений К_u(n)i на интервале времени 3 с, определяется по формуле:

Нормально допустимые значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разными номинальными напряжениями приведены в таблице 2.2.

Предельно допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения вычисляют по формуле

где K_u(n)норм — нормально допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, определяемое по таблице 2.2.

Таблица 2.2 – Нормально допустимые значения коэффициента К_u(n), %

Примечания. 1. n_i – номер гармонической составляющей напряжения; n₁ – нечетные гармоники, не кратные 3; n₂ – нечетные, кратные 3; n₃ – четные.

2. Нормально допустимые значения, приведенные для n, равные 3 и 9, относятся к однофазным электрическим сетям. В трехфазных трехпроводных электрических сетях эти значения принимают вдвое меньше приведенных в таблице 2.2.

Измерение коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения К_u осуществляют для междуфазных (фазных) напряжений.

Несинусоидальность формы кривой напряжения и тока обусловлена широким внедрением приемников электрической энергии с нелинейными вольт — амперными характеристиками (электросварочные установки, вентильные преобразователи, газоразрядные источники света, трансформаторы и электродвигатели). Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падения напряжения на сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.

При прохождении токов высших гармоник по элементам системы электроснабжения возникают дополнительные потери активной мощности

где R_ν – активное сопротивление элемента току ν–й гармоники; I_ν — ток ν–й гармоники.

Наибольшие дополнительные потери активной мощности имеют место в трансформаторах, двигателях и генераторах. Эти потери могут привести к недопустимому перегреву обмоток электрических машин и во всех случаях приводят к дополнительным потерям электроэнергии. При наличии гармоник в кривой напряжения процесс старения изоляции протекает более интенсивно, чем в случае работы при синусоидальном напряжении. Высшие гармоники тока и напряжения влияют на погрешности электроизмерительных приборов (до 10%); на работу вентильных преобразователей, ухудшая качество выпрямления тока; ухудшают работу телемеханических устройств; вызывают ложное срабатывание устройств релейной защиты и т.д.

Наиболее ощутимое влияние высшие гармоники оказывают на работу батарей конденсаторов. Батареи конденсаторов, работающие при несинусоидальном напряжении, могут быстро выйти из строя в результате вспучиваний и взрывов. Причиной разрушения конденсаторов является перегрузка их токами высших гармоник, которая возникает при возникновении в сети резонансного режима на частоте одной из гармоник.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Оценка влияния несинусоидальности напряжения на электрооборудование

Научный руководитель: д. т. н. Чурсинова Аурика Александровна

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

• Введение
• 1. Влияние несинусоидальности напряжения
• 2. Чем опасны высшие гармоники?
• 3. Нормирование несинусоидальности напряжения
• 4. Снижение несинусоидальности напряжения и токов
• Выводы
• Список источников

Введение

С развитием электрооборудования на промышленных предприятиях увеличилось внедрение электроприемников с нелинейными вольтамперными характеристиками. В связи с этим под несинусоидальностью напряжения понимают искажение синусоидальной формы кривой напряжения.

При проектировании электроснабжения необходимо предусматривать мероприятия по нормализации режимов электрических сетей, питающих электроприёмники, работа которых неблагоприятно влияет на качество электроэнергии. Решение проблемы качества электроэнергии является одной из наиболее трудных для выполнения задач при проектировании электроснабжения. Необходимо обеспечивать надлежащее качество электроэнергии, установленное соответствующими стандартами, правилами устройства и эксплуатации.

1. Влияние несинусоидальности напряжения

В трехфазных сетях качество электроэнергии характеризуется отклонениями напряжения, колебаниями напряжения и частоты, несинусоидальностью формы кривой напряжения, а также несимметрией напряжений и смещением нейтрали. Показатели качества электроэнергии должны соответствовать требованиям ГОСТ 32144-2013 Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения [1], в котором регламентированы нормы качества и допустимые отступления. Мероприятия по обеспечению показателей качества электроэнергии, приведенные в [1], должны решаться комплексно при проектировании электроснабжения. Они должны базироваться на рациональной технологии и режимах производства, правильном выборе типов и параметров электрооборудования также на оптимальном решении системы электроснабжения в целом с учетом энергетических и технологических факторов.

Необходимо предусматривать и прорабатывать обязательные рекомендации и мероприятия по осуществлению при эксплуатации необходимого ежедневного контроля показателей качества электроэнергии и по проведению необходимых и своевременных переключений при разных режимах работы. В этой связи в проектах должны предусматриваться приборы и устройства, необходимые для контроля показателей качества электроэнергии в [1]. Электропромышленность должна обеспечивать поставку электротехнического оборудования, не ухудшающего показатели качества электроэнергии в системах электроснабжения.

Соблюдение показателей [1] способствует увеличению выпуска продукции, повышению её качества и общей рентабельности производства. Промышленные предприятия обязаны принимать меры, чтобы такие показатели качества электроэнергии, как несинусоидальность формы кривой напряжения, колебания напряжения, несимметрия находились в пределах нормированных величин, так как ухудшение этих показателей вызвано работой определенных видов электроприемников и практически не зависит от энергосистемы [2].

Проблема обеспечения синусоидальности напряжения и тока в питающих сетях энергосистем и сетях электроснабжения возникла в связи с применением мощных электроприемников с нелинейной вольтамперной характеристикой, таких как статические преобразователи, дуговые сталеплавильные и индукционные печи, трансформаторы, синхронные двигатели, сварочные установки. В настоящее время проблема возникновения высших гармоник это одна из важных частей общей проблемы электромагнитной совместимости приемников электроэнергии с питающей электрической сетью.

В электрических сетях искажения кривой напряжения приводят к следующим отрицательным последствиям:

• ухудшается, а иногда и нарушается работа приемников электроэнергии, в том числе и тех, которые создают несинусоидальность в электрических сетях;

• появляются добавочные потери мощности в трансформаторах, питающих линиях, батареях конденсаторов и т.д.;

• выходят из строя компьютеры;

• ускорение старения изоляции электрических машин, аппаратов и кабелей, что приводит к уменьшению надежности и срока службы электрооборудования;

• ухудшается точность электрических измерений;

• появляются нарушения в работе автоматики, телемеханики и релейной защиты;

• затрудняется, а в ряде случаев становится невозможным использование силовых цепей в качестве каналов для передачи информации;

• ограничивается применение батарей конденсаторов из-за перегрузки их токами высших гармоник и возникновения резонансных явлений.

2. Чем опасны высшие гармоники?

Эффекты, вызываемые проявлением высших гармоник можно разделить по продолжительности воздействия на мгновенные и длительные. К мгновенным принято относить: искажение формы напряжения питания, падение напряжения на распределительной сети, эффекты от гармоник, в том числе резонанс на частоте гармоник, вредные наводки на сети передачи данных, шум в акустическом диапазоне, вибрация машин. К проблемам длительным относятся: избыточные потери на нагрев в генераторах и трансформаторах, перегрев конденсаторов и распределительных сетей (проводников).

Рассмотрим подробнее влияние гармоник напряжения и тока на изоляцию электрических машин и конденсаторов, а также на устройства автоматики. Искажение формы кривой напряжения отрицательно сказывается на возникновении и протекании процессов ионизации в изоляции электрических машин и трансформаторов. При протекании газовых включений в изоляции возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей их нейтрализации. Нейтрализация зарядов связана с рассеянием энергии, следствием этого является механическое, электрическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик. В связи с этим развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к увеличению диэлектрических потерь и к сокращению срока службы.

В трансформаторах гармоники напряжения вызывают увеличение потерь на гистерезис, потери, связанные с вихревыми токами в стали, и потери в обмотках. Кроме того, сокращается срок службы изоляции. Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в случае преобразовательного трансформатора, так как наличие фильтра, присоединенного обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоник тока в трансформаторе. Кроме того, могут наблюдаться локальные перегревы трансформаторного бака. Отрицательный аспект воздействия гармоник на мощные трансформаторы состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последовательности в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к их перегрузке.

В двигателях гармоники напряжения и тока приводят к появлению добавочных потерь в обмотках ротора, в цепях статора, а также в стали ротора и статора. Из-за вихревых токов и поверхностного эффекта потери в проводниках статора и ротора больше, чем определяемые омическим сопротивлением. Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, также приводят к дополнительным потерям. Дополнительные потери – одно из отрицательных явлений, вызываемое гармониками во вращающихся машинах. Они приводят к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе, что может привести к серьезным последствиям. Также следует отметить, что при определенных условиях наложения гармоник может возникнуть механическая вибрация ротора [3].

В кабельных линиях гармоники напряжения увеличивают воздействие на диэлектрик пропорционально увеличению максимального значения амплитуды. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабеля и стоимость ремонтов.

В батареях конденсаторов гармоники тока также приводят к добавочным потерям энергии. В связи с этим происходит дополнительный нагрев конденсатора, который может привести к выходу последнего из строя. Также возможно повреждение конденсатора при возникновении гармонических резонансов в сети.

Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Наиболее распространенными являются ложные срабатывания, которые вероятны в работе систем защиты, основанных на измерении сопротивлений. Влияние гармоник на индукционные приборы измерения мощности и учета электроэнергии приводит к ухудшению точности результатов их измерений.

Также следует отметить влияние гармоник, возникающих в силовых цепях, на сигналы в линиях связи (в частности, в телефонных линиях). Малый уровень шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть передаваемой информации теряется, а в исключительных случаях связь становится невозможной. В связи с этим при любых технологических изменениях систем электроснабжения и систем связи необходимо рассматривать влияние линий электропередачи на линии телефонной связи.

Люминесцентные и ртутные лампы. Балластные устройства этих ламп иногда содержат конденсаторы и при определенных условиях может возникнуть резонанс, приводящий к выходу ламп из строя.

Влияние высших гармоник на преобразовательное оборудование. Вырезы на синусоиде напряжения, возникающие во время коммутации вентилей, могут влиять на синхронизацию другого подобного оборудования или устройств, управление которыми осуществляется в момент перехода кривой напряжения нулевого значения.

3. Нормирование несинусоидальности напряжения

Нормальная работа электрооборудования зависит от качества электроэнергии питающей системы. Взаимное влияние электрооборудования и питающей системы называют электромагнитной совместимостью.

На промышленных предприятиях применяют устройства с нелинейной вольтамперной характеристикой. Характерной особенностью этих устройств является потребление ими из сети несинусоидальных токов при подведении к зажимам синусоидального напряжения. Несинусоидальные кривые токов можно рассматривать как сложные гармонические колебания, состоящие из совокупности простых гармонических колебаний различных частот. При этом периодическую функцию изменения несинусоидальных токов можно разложить в ряд Фурье:

где v – номер гармоники;

a_v, b_v – коэффициенты ряда Фурье;

n – номер последней из гармоник, которую учитывают.

При v=1 определяют первую гармонику или основную (с частотой 50 Гц), другие члены ряда называют высшими гармониками.

Токи высших гармоник, проходя по элементам сети, вызывают падение напряжения в сопротивлениях этих элементов, которые, накладываясь на основную синусоиду напряжения, приводят к искажению формы кривой напряжения.

Нормы качества электроэнергии, устанавливаемые стандартом [4], являются уровнями электромагнитной совместимости для электромагнитных помех в системах электроснабжения общего назначения. При соблюдении указанных норм обеспечивается электромагнитная совместимость электрических сетей систем электроснабжения общего назначения и электрических сетей потребителей электроэнергии (приемников электроэнергии).

Несинусоидальность напряжения во всех стандартах оценивается по коэффициентам K_U искажения синусоидальности напряжения. Несинусоидальность напряжения характеризуется такими показателями как [5]:

• коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения:

• коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения:

Интервал осреднения количество N наблюдений должно быть равным не менее 9.

Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в [2].

Нормально допустимые значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением U_н приведены в [2].

4. Снижение несинусоидальности напряжения и токов

В тех случаях, когда значения токов или напряжений высших гармоник больше допустимых необходимо предусматривать ряд мероприятий по снижению несинусоидальности напряжений и токов. Целесообразность мер по понижению несинусоидальности может быть также обусловлена и улучшением технико-экономических показателей работы элементов электрических сетей [6]. Снижение несинусоидальности можно осуществить одним из следующих способов:

• уменьшение нелинейности источника помех;

• перевод питания источников помех на отдельную секцию шин или на более высокое напряжение;

• использованием активных и пассивных фильтров.

Снижение уровней высших гармоник, генерируемых преобразователями, можно осуществить за счет увеличения числа фаз выпрямления в преобразовательных установках (как правило, до 12) или применения специальных схем преобразователей и законов управлениями ими, обеспечивающих улучшение формы кривой их первичных, т. е. сетевых, токов.

Рациональное построение схемы сети с точки зрения снижения несинусоидальности состоит в питании нелинейных нагрузок от отдельных линий или трансформаторов либо подключении их к отдельным обмоткам трехобмоточных трансформаторов.

Использование фильтров – распространенный способ снижения уровня высших гармоник. Фильтр высших гармоник представляет собой последовательно соединенные реактор и конденсаторную батарею (рис. 1).

Рисунок 1 – Схема фильтра высших гармоник

где R_c – сопротивление сети;

x_l, x_c – сопротивление реактора и конденсаторной батареи фильтра.

Параметры реактора и конденсаторной батареи подбирают так, чтобы их результирующее сопротивление для определенной частоты гармоники было равно нулю. В общем случае на каждую гармонику нужен свой фильтр. Фильтр образует ветвь с очень малым сопротивлением, параллельную электрической сети, шунтирует ее на частоте заданной гармоники и соответственно снижает напряжение этой гармоники [7]. Такие фильтры могут присоединяться как в местах генерации высших гармоник (на вентильных установках), так и в узлах сети с недопустимым уровнем гармоник тока или при резонансе токов.

Выводы

Батареи конденсаторов, применяемые в фильтрах, целесообразно одновременно использовать для компенсации реактивной мощности. Экономически целесообразно применение таких многофункциональных устройств, предназначенных не только для снижения несинусоидальности, но и для компенсации реактивной мощности. Такие установки часто называют фильтрокомпенсирующими [8].

Рисунок 2 – Фильтры высших гармонических составляющих напряжения
(анимация: 7 кадров, повторяется всегда, 61 килобайт)

Фильтры высших гармоник улучшают коэффициент мощности, значительно снижая уровень высших гармоник. Уменьшение потерь, вызванных процессами передачи и распределения электроэнергии, улучшают качественные показатели электроэнергии, повышают надежность энергетической системы объекта. Благодаря этим эксплуатационным характеристикам применение фильтра высших гармоник дают видимый экономический эффект, который складывается из таких факторов:

• уменьшаются расходы на обслуживание оборудования;

• уменьшается потребление электроэнергии;

• повышается качество и надежность электроснабжения;

• минимизируется риск штрафных санкций, предусмотренных за недостаточно высокий коэффициент мощности.

Влияние несинусоидальности негативно сказывается на работе силового электрооборудования, систем защиты, автоматики, телемеханики и связи. В результате воздействия гармоник напряжения возникают экономические ущербы, которые обусловлены ухудшением энергетических показателей, снижением надежности функционирования электрических сетей и сокращением срока службы электрооборудования. Поэтому важно применять средства борьбы с несинусоидальностью напряжения.

Уменьшение несинусоидальности напряжения способствует повышению рентабельности производства, позволяет уменьшить потери на электроэнергию, а значит это экономически выгодно с точки зрения затрат, особенно когда количество потребителей постоянно растёт.

Источник