Влиянието на по-високите хармоници на напрежението и тока върху работата на електрическото оборудване

По-високите хармоници на напрежението и тока засягат елементите на системите за захранване и комуникационните ленти.

Основните форми на влияние на по-високите хармоници върху захранващите системи са:

• увеличаване на токовете и напреженията на по-високи хармоници, дължащи се на паралелни и алтернативни резонанси;
  

• намаляване на ефективността на производството, преноса и използването на електроенергия;
  

• стареене на изолацията на електрическото оборудване и последващото намаляване на експлоатационния му живот;
  

• неправилна работа на оборудването.

Влияние на резонансите върху системите

Резонансите в системите за захранване обикновено се разглеждат във връзка с кондензатори, а именно мощни кондензатори. Когато текущите хармоници надвишават максимално допустимите нива на кондензаторите, последните не изострят работата си, но след известно време те не успеят.

Друга област, в която резонансите могат да доведат до повреда на части от оборудването, са системи за управление на натоварването, използващи тонални честоти. За да се предотврати абсорбирането на сигнала от силовите кондензатори, техните схеми се разделят от последователен филтър (филтър-щепсел). В случая на локален резонанс текущите хармоници в силовата кондензаторна верига се увеличават рязко, което води до неизправност на настроения кондензатор на алтернативния филтър.

В една инсталация, филтри, настроени на честота от 530 Hz с пропускателен ток от 100 А, блокираха всяка верига на мощност кондензатор завод с 15 секции от 65 квар. Кондензаторите на тези филтри се провалиха след два дни. Предпоставката беше наличието на хармонична честота от 350 Hz, в специфична близост до която бяха намерени резонансни условия между настроения филтър и мощните кондензатори.

Влиянието на хармоници върху въртящите машини

Напречните и токови хармоници водят до допълнителни загуби в намотките на статора, в роторните вериги, също и в статорните и роторни стомани. Загубите в проводниците на статора и ротора, дължащи се на вихрови токове и ефекта на повърхността, са още по-значими от тези, определени от омичното съпротивление.

Токовете на утечка, причинени от хармоници в крайните зони на статора и ротора, водят до допълнителни загуби.

В индукционния двигател с ротор със скосени канали и пулсиращи магнитни потоци в статора и ротора, по-високите хармоници причиняват допълнителни загуби в стоманата. Размерът на тези загуби зависи от ъгъла на скосяване на жлебовете и характеристиките на магнитната верига.

Средното разпределение на загубите от по-високи хармоници се характеризира със следните данни: статорни намотки 14% - роторни вериги 41% - крайни зони 19% - асиметрични пулсации 26%.

В допълнение към загубата на асиметрични пулсации, тяхното разпръскване в синхронни машини е приблизително същото.

Трябва да се подчертае, че съседните нечетни хармоници в статора на синхронната машина причиняват подобна честота на хармония в ротора. Например, петата и седмата хармоници в статора предизвикват хармонични токове от 6-и ред в ротора, които се въртят в различни посоки. За линейни системи средната плътност на загубите на повърхността на ротора е пропорционална на големината, но поради различната посока на въртене плътността на загубите в определени точки е пропорционална на стойността (I5 + I7) 2.

Допълнителните загуби са един от най-негативните явления, причинени от хармоници в центробежните машини. Те водят до увеличаване на общата температура на машината и до местно прегряване, което е по-възможно в ротора. Двигателите с ротор "катерица с катерици" позволяват по-високи загуби и температура, отколкото двигателите с фазов ротор. Някои контроли ограничават допустимото ниво на тока на обратната последователност в генератора 10%, а нивото на напрежението на обратната последователност при индукциите на индукционните двигатели е 2%. Допустимостта на хармоници в този случай се определя от това какви нива на напрежение и токове от обратната последователност, която те правят.

Моменти на въртене, създадени от хармоници. Токовите хармоници в статора предизвикват правилните моменти на въртене: хармоници, образуващи права последователност в посоката на въртене на ротора и образуване на обратна последователност в обратната посока.

Хармоничните токове в статора на машината предизвикват движещата сила, което води до появата на въртящ момент на вала в посоката на въртене на магнитното поле на хармоника. Обикновено те са много малки и освен това са частично компенсирани поради обратната посока. Независимо от това, те могат да доведат до вибрации на вала на двигателя.

Влиянието на хармоници върху статичното оборудване, лентите за предаване на енергия. Хармониките на тока в линиите водят до допълнителни загуби на електроенергия и напрежение.

При кабелните линии, хармониците на напрежението увеличават ефекта върху диелектрик пропорционално на увеличението на най-голямата стойност на амплитудата. Това на свой ред увеличава броя на кабелните неизправности и разходите за ремонт.

В линиите на ултрависокото напрежение, напрежението хармоници по същата причина може да доведе до увеличаване на загубите на короната.

Ефекти на по-високи хармоници върху трансформаторите

Трансформаторите на напрежението предизвикват увеличение на загубите в трансформаторите поради хистерезис и загуба, свързани с вихрови токове в стоманата, както и загуби в намотките. Удължен е и експлоатационният живот на изолацията.

Увеличаването на загубите в намотките е по-важно в трансформаторния трансформатор, тъй като наличието на филтър, който обикновено е прикрепен към страната на променливотоковото захранване, не намалява хармоници на тока в трансформатора. Ето защо е необходимо да инсталирате огромен трансформатор. Наблюдавано е и локално прегряване на трансформаторния резервоар.

Отрицателният нюанс на ефекта на хармоници върху масивните трансформатори се състои в циркулацията на тройния остатъчен ток в намотките, свързани в триъгълник. Това може да доведе до претоварване.

Ефектът от по-високи хармоници върху кондензаторните банки

Допълнителни загуби в електронните кондензатори водят до
прегряване. В общия случай, кондензаторите са проектирани да позволят известно токово претоварване. Кондензаторите, произведени в Англия, позволяват претоварване от 15%, в Европа и Австралия - 30%, в САЩ - 80%, в ОНД - 30%. Когато тези стойности са превишени, които се наблюдават в критериите за надценяване на напрежението на по-високи хармоници на входовете на кондензаторите, последното се прегрява и се прекъсва.

Ефектът от по-високи хармоници върху устройствата за защита на захранването

Хармониката може да наруши функционирането на защитните устройства или да влоши техните свойства. Разрушаването зависи от механизма на устройството. Цифровите релета и методите, базирани на анализ на събирането на данни или нулеви точки за пресичане, са особено чувствителни към хармоници.

В повечето случаи конфигурацията на функциите не е значителна. Повечето видове релета обикновено работят при индекс на пречупване до 20%. Но увеличаването на дела на масивните преобразуватели в мрежите може допълнително да промени ситуацията.

Трудностите, възникващи от хармоници, са различни за нормалните и аварийните режими и са разгледани по-долу.

Въздействие на хармоници в аварийни режими

Устройствата за защита обикновено отговарят
напрежението или тока на фундаменталната честота и всички хармоници в преходния режим или
са филтрирани или не влияят на устройството. Последното е типично за
електромеханични релета, специално използвани в най-високата защита от ток.
Тези релета имат огромна инерция, което ги прави практически нечувствителни
високи хармоници.

По-важен е ефектът на хармониците върху работата на защитата, която е изградена върху измерването на съпротивлението. Отдалечената защита, при която съпротивлението се измерва при основната честота, може да доведе до значителни грешки в присъствието в тока на късо съединение на по-високи хармоници (особено на третия ред). Огромно съдържание на хармоници обикновено се наблюдава в случаите, когато течението на късо съединение преминава през земята (земното съпротивление доминира в общото съпротивление на веригата). Ако хармониците не се филтрират, вероятността от неправилна работа е много висока.

В случай на късо съединение с желязо, основната честота преобладава в тока. Но във връзка с насищането на трансформатора се появява вторично изкривяване на кривата, особено в случая на голям апериодичен компонент в първичния ток. Същевременно има и трудности при осигуряването на нормална защита.

В режимите на работа в равновесно състояние, нелинейността, свързана с преекспресирането на трансформатора, причинява само хармоници на нечетен ред. При преходни режими могат да се появят хармоници, най-големите амплитуди обикновено са 2- и 3-то.

Но с правилния дизайн, повечето от изброените проблеми
просто решен. Правилният избор на оборудване спестява много проблеми,
свързани с измервателни трансформатори.

Филтрирането на хармоници, особено в цифровата защита, е по-важно за дистанционните защити. Работата, извършена в областта на методите за цифрово филтриране, показа, че въпреки че методите за такова филтриране често са доста сложни, получаването на подходящ резултат не създава особени проблеми.

Ефектът на хармониците върху защитните системи в обичайните режими на работа на електронните мрежи. Ниската чувствителност на устройствата за защита към характеристиките на режима при обичайните условия прави практическа липса на проблеми, свързани с хармониките в тези режими. Изключение е проблемът, свързан с включването в мрежата на масови трансформатори, придружени от виден магнетизиращ ток.

Амплитудата на пика зависи от индуктивността на трансформатора, съпротивлението на намотката и от момента, в който се извършва превключването. Остатъчният поток в момента преди включването до известна степен увеличава или намалява амплитудата в зависимост от полярността на потока спрямо първоначалната стойност на моментното напрежение. Тъй като по време на магнетизацията няма вторичен ток, голям първичен ток може да причини неправилна работа на диференциалната защита.

По-често срещаният метод за елиминиране на фалшивите положителни резултати е прилагането на забавяне на времето, но това може да доведе до сериозни щети на трансформатора, ако възникне катастрофа по време на нейното активиране. На практика, нехарактерно за мрежите, втората хармонична, присъстваща в превключващия ток, се използва за блокиране на защитата, въпреки че защитата остава по-скоро чувствителна към вътрешните повреди на трансформатора по време на включването.

Влиянието на хармоници върху потребителското оборудване

Ефектът на по-високите хармоници върху телефоните

Хармониките, които увеличават върха на напрежението, могат да доведат до пречупване на изображението и промяна в яркостта.

Флуоресцентни и живачни лампи. Баластните устройства на тези лампи съдържат кондензатори от време на време и при определени условия може да възникне резонанс, което води до неизправност на лампите.

Ефектът на по-високите хармоници върху компютрите

Съществуват ограничения за допустимите нива на изкривяване в мрежите, доставящи компютри и системи за обработка на данни. В някои случаи те се изразява в проценти от номиналното напрежение (за IBM PC - 5%) или стойността на върховото напрежение към настоящия случай (CDC определя нейните гранични стойности на параметрите стойности 1,41 ± 0,1).

Ефектът на по - високите хармоници върху
оборудване за преобразуване

Секции със синусоидално напрежение, възникващи по време на комутация на портите, могат да повлияят на синхронизацията на друго сходно оборудване или устройства, които се управляват по време на прехода на кривата на нулевото напрежение.

Ефектът от по - високи хармоници върху оборудването с
тиристорна контролирана скорост на въртене

На теоретично ниво хармониците могат да повлияят на това оборудване по няколко начина:

• прекъсванията на синусоидното напрежение причиняват неправилна работа поради неправилно включване на тиристорите;
  

• напрежение хармоници може да предизвика запалване не в изискваното време;
  

• Възникналият резонанс при наличието на различни типове оборудване може да доведе до пренапрежение и разтърсване на машините.
  

Ефектите, описани по-горе, могат да бъдат почувствани от други потребители, свързани към същата мрежа. Ако потребителят не изпитва трудности с оборудването, контролирано от тиристора в собствените си мрежи, е малко вероятно той да окаже въздействие върху други потребители. Потребителите, които ядат от различни гуми на теоретично ниво, могат да се влияят един друг, но електронното разстояние намалява възможността за такова взаимодействие.

Влиянието на хармоници върху измерването на мощността и енергията

Измервателните устройства обикновено се калибрират при чисто синусоидално напрежение и увеличават грешката при наличие на по-високи хармоници. Величината и посоката на хармоничните елементи са необходими фактори, тъй като символът за грешка се определя от посоката на хармониците.

Грешките на измерване, причинени от хармоници, са много зависими от вида на инструментацията. Обикновените индукционни броячи обикновено надценяват показанията с няколко процента (6% всяка), ако потребителят има източник на пречупване. Такива потребители се наказват автоматично за въвеждане на нарушения в мрежата, поради което е в техен собствен интерес да се установят подходящи средства за потискане на тези изкривявания.

Количествени данни за ефекта на хармоници върху точността на измерване на максималното натоварване там. Ефектът от хармоници върху точността на измерване на максималното натоварване е същият като точността на измерване на енергията.

Точното измерване на енергията, независимо от формата на кривите на тока и напрежението, се осигурява от електромери с по-висока цена.

Хармониката оказва влияние върху точността на измерване на реактивната мощност, която правилно се определя само за опцията за синусоидални токове и напрежения и точността на измерване на коефициента на мощността.

Понякога се споменава ефектът на хармоничните елементи върху точността на калибрирането и калибрирането на устройствата в лабораториите, въпреки че този аспект на проблема също е от съществено значение.

Влиянието на хармоници върху комуникационната схема

Хармониките в силовите вериги предизвикват шум в комуникационните схеми. Ниското ниво на шум води до известен дискомфорт, тъй като се увеличава, част от предаваната информация изчезва, в крайни случаи комуникацията става като цяло неприложима. Във връзка с това за всички технологични конфигурации на системите за електрозахранване и комуникационни системи е необходимо да се обмисли ефекта на електропроводите върху телефонните ленти.

Влиянието на хармоници върху шума в телефонните линии зависи от реда на хармоници. Средно телефонната система - човешкото ухо има функция за чувствителност с най-голяма стойност на честота от порядъка на 1 kHz. За да се оцени ефекта на различните хармоници върху шума в. телефонът използва коефициенти, които представляват сумата от хармоници, взети с определени тегла. Най-често срещаните са два коефициента: псофометрично претегляне и С-предаване. Първи фактор разработен международно от Консултативния комитет по телефон и телеграфни системи (CCITT) и се използва в Европа, а вторият - на телефонната компания "Белла" и Edison Електротехника институт - използва в САЩ и Канада.

Хармонични токове в 3 фази не напълно обезсилват взаимно поради неравенството на амплитудите и фазови ъгли и акт на телекомуникациите, възникнали по едно и също нулева последователност ток (подобни течения и земята на късо съединение в земята на тягови системи).

Ударът може да бъде причинен и от самите хармонични токове във фазите, дължащи се на разликата в разстоянията от фазовите проводници до тези, разположени в близост до далекосъобщителните линии.

Тези видове удари могат да бъдат намалени чрез правилния избор на следи от линии, но при неизбежни пресичания на линиите се появява подобен удар. По-специално, това е много очевидно в случая на вертикално подреждане на проводниците на предавателната линия и при транспониране на проводниците на комуникационната линия в близост до електропроводната линия.

В големи разстояния (100 м) между линиите на последователност ток нула е основният фактор влияние се понижава, номиналната предаване лента напрежение пада ефект, но тя е забележимо поради използването на общи стълбове или изкопи за полагане на ниска мощност линии напрежение и комуникационни линии.