Influența armonicilor superioare de tensiune și curent asupra funcționării echipamentelor electrice

Armonicile mai mari de tensiune și curent afectează elementele sistemelor de alimentare și liniile de comunicație.

Principalele forme de influență ale armonicilor superioare asupra sistemelor de putere sunt:

• creșterea curenților și tensiunilor armonicilor superioare datorită rezonanțelor în paralel și în serie;

• reducerea eficienței proceselor de producere, transport, utilizare a energiei electrice;

• îmbătrânirea izolației echipamentelor electrice și, ca urmare, reducerea duratei de viață a acestuia;

• funcționarea falsă a echipamentului.

Influența rezonanțelor asupra sistemelor

Rezonanțe în sistemele de putere sunt de obicei considerate în termeni de condensatori, în special condensatori de putere. Când armonicile curentului depășesc nivelurile maxime admise pentru condensatoare, aceștia din urmă nu își deteriorează performanța, dar eșuează după un timp.

Un alt domeniu în care rezonanța poate cauza deteriorarea echipamentului este în sistemele de control al sarcinii de tonalitate. Pentru a preveni absorbția semnalului de către condensatoarele de putere, circuitele acestora sunt separate printr-un filtru în serie reglat (filtru-«crestătură»). În cazul rezonanței locale, armonicile curentului din circuitul condensatorului de putere cresc brusc, ceea ce duce la deteriorarea condensatorului reglat al filtrului în serie.

Într-una dintre instalații, filtrele reglate la o frecvență de 530 Hz cu un curent de trecere de 100 A au blocat fiecare circuit al unui condensator de putere care avea 15 secțiuni de 65 kvar. Condensatoare aceste filtre au eșuat după două zile. Motivul a fost prezența unei armonice cu frecvența de 350 Hz, în imediata apropiere a căreia s-au stabilit condiții de rezonanță între filtrul reglat și condensatorii de putere.

Efectul armonicilor asupra mașinilor rotative

Armonicile de tensiune și curent duc la pierderi suplimentare în înfășurările statorului, în circuitele rotorului și în oțelul statorului și al rotorului. Pierderile în conductoarele statorului și rotorului datorate curenților turbionari și efectului de suprafață sunt mai mari decât cele determinate de rezistența ohmică.

Curenții de scurgere cauzați de armonici în zonele de capăt ale statorului și rotorului conduc la pierderi suplimentare.

Într-un motor de inducție cu rotor conic cu flux magnetic pulsatoriu în stator și rotor, armonicile mai mari provoacă pierderi suplimentare în oțel. Mărimea acestor pierderi depinde de unghiul de înclinare a fantelor și de caracteristicile circuitului magnetic.

Distribuția medie a pierderilor de la armonici superioare este caracterizată de următoarele date; înfăşurare statorică 14%; lanțuri rotoare 41%; zone de capăt 19%; val asimetric 26%.

Cu excepția pierderilor de unde asimetrice, distribuția lor în mașinile sincrone este aproximativ aceeași.

Trebuie remarcat faptul că armonicile impare adiacente din statorul unei mașini sincrone provoacă armonici de aceeași frecvență în rotor. De exemplu, armonicile a 5-a și a 7-a din stator provoacă armonici de curent de ordinul 6 în rotor, rotindu-se în direcții diferite. Pentru sistemele liniare, densitatea medie de pierdere pe suprafața rotorului este proporțională cu valoarea, dar datorită direcției diferite de rotație, densitatea pierderilor în anumite puncte este proporțională cu valoarea (I5 + I7) 2.

Pierderile suplimentare sunt unul dintre cele mai negative fenomene cauzate de armonici la mașinile rotative. Acestea duc la o creștere a temperaturii generale a mașinii și la supraîncălzirea locală, cel mai probabil în rotor. Motoarele cu cușcă de veveriță permit pierderi și temperaturi mai mari decât motoarele cu rotor bobinat. Unele ghiduri limitează nivelul admisibil de curent cu secvență negativă în generator la 10% și nivelul tensiunii secvență negativă la intrările motorului cu inducție la 2%. Toleranța armonicilor în acest caz este determinată de ce niveluri de tensiuni și curenți de secvență negativă creează.

Cuplurile generate de armonici. Armonicele curentului din stator dau naștere la cuplurile corespunzătoare: armonici care formează o secvență pozitivă în sensul de rotație a rotorului și formează o secvență inversă în sens opus.

Curenții armonici din statorul mașinii provoacă o forță de antrenare, ceea ce duce la apariția unor cupluri pe arbore în sensul de rotație al câmpului magnetic armonic. Ele sunt de obicei foarte mici și sunt, de asemenea, parțial compensate din cauza sensului opus. Cu toate acestea, ele pot provoca vibrarea arborelui motorului.

Influența armonicilor asupra echipamentelor statice, liniilor electrice. Armoniile de curent din linii conduc la pierderi suplimentare de electricitate și tensiune.

În liniile de cablu, armonicile de tensiune măresc efectul asupra dielectricului proporțional cu creșterea valorii maxime a amplitudinii. Acest lucru, la rândul său, crește numărul defecțiunilor de cablu și costurile de reparație.

În liniile EHV, armonicile de tensiune pot provoca o creștere a pierderilor corona din același motiv.

Influența armonicilor superioare asupra transformatoarelor

Armonicile de tensiune provoacă o creștere a pierderilor de histerezis și a pierderilor de curenți turbionari în oțelul din transformatoare, precum și a pierderilor de înfășurare. Durata de viață a izolației este, de asemenea, redusă.

Creșterea pierderilor de înfășurare este cea mai importantă într-un transformator coborâtor deoarece prezența unui filtru, de obicei conectat la partea de curent alternativ, nu reduce armonicile de curent în transformator. Prin urmare, este necesar să instalați un transformator de putere mare. Se observă și supraîncălzirea locală a rezervorului transformatorului.

Un aspect negativ al efectului armonicilor asupra transformatoarelor de mare putere este circulația curentului triplu cu secvență zero în înfășurările conectate în delta. Acest lucru îi poate copleși.

Influența armonicilor superioare asupra băncilor de condensatoare

Pierderile suplimentare din condensatoarele electrice duc la supraîncălzirea acestora. În general, condensatoarele sunt proiectate să reziste la o anumită suprasarcină de curent. Condensatoarele produse în Marea Britanie permit o suprasarcină de 15%, în Europa și Australia - 30%, în SUA - 80%, în CSI - 30%. Când aceste valori sunt depășite, observate în condiții de creștere a tensiunii de armonici superioare la intrările condensatoarelor, aceștia din urmă se supraîncălzesc și eșuează.

Influența armonicilor superioare asupra dispozitivelor de protecție a sistemului de alimentare

Armonicele pot interfera cu funcționarea dispozitivelor de protecție sau pot afecta funcționarea acestora. Natura încălcării depinde de principiul de funcționare a dispozitivului. Releele digitale și algoritmii bazați pe analiza datelor discretizate sau analiza de trecere cu zero sunt deosebit de sensibili la armonici.

Cel mai adesea, modificările caracteristicilor sunt minore. Majoritatea tipurilor de relee vor funcționa normal până la un nivel de distorsiune de 20%. Cu toate acestea, creșterea ponderii convertoarelor de putere în rețele poate schimba situația în viitor.

Problemele care decurg din armonici sunt diferite pentru modurile normal și de urgență și sunt discutate separat mai jos.

Impactul armonicilor în modurile de urgență

Dispozitivele de protecție răspund de obicei la tensiunea sau curentul frecvenței fundamentale și orice armonică tranzitorie fie este filtrată, fie nu afectează dispozitivul. Acesta din urmă este caracteristic releelor ​​electromecanice, utilizate în special în protecția la supracurent. Aceste relee au o inerție mare, ceea ce le face practic insensibile la armonici superioare.

Mai semnificativă este influența armonicilor asupra performanței de protecție bazată pe măsurarea rezistenței. Protecția la distanță, unde rezistența este măsurată la frecvența fundamentală, poate da erori semnificative în prezența armonicilor superioare în curentul de scurtcircuit (în special de ordinul 3). Conținutul de armonici ridicat este de obicei observat atunci când curentul de scurtcircuit trece prin pământ (rezistența pământului domină rezistența totală a buclei). Dacă armonicile nu sunt filtrate, probabilitatea unei funcționări false este foarte mare.

În cazul unui scurtcircuit metalic, curentul este dominat de frecvența fundamentală. Cu toate acestea, din cauza saturației transformatorului, apare o distorsiune a curbei secundare, mai ales în cazul unei componente mari DC în curentul primar. În acest caz, există și probleme cu asigurarea funcționării normale a protecției.

În condiții de funcționare în regim de echilibru, neliniaritatea asociată cu supraexcitarea transformatorului cauzează doar armonici de ordin impar. Tot felul de armonici pot apărea în moduri tranzitorii, cele mai mari amplitudini fiind de obicei a 2-a și a 3-a.

Cu toate acestea, cu un design adecvat, majoritatea problemelor enumerate sunt ușor de rezolvat. Alegerea echipamentului potrivit elimină multe dintre dificultățile asociate cu transformatoarele de măsurare.

Filtrarea armonică, în special în protecțiile digitale, este cea mai importantă pentru protecția la distanță. Lucrările efectuate în domeniul metodelor de filtrare digitală au arătat că, deși algoritmii pentru o astfel de filtrare sunt adesea destul de complexi, obținerea rezultatului dorit nu prezintă dificultăți deosebite.

Influența armonicilor asupra sistemelor de protecție în modurile normale de funcționare ale rețelelor electrice. Sensibilitatea scăzută a dispozitivelor de protecție la parametrii modului în condiții normale duce la absența practică a problemelor asociate cu armonicile în aceste moduri. O excepție este problema asociată cu includerea transformatoarelor puternice în rețea, însoțită de o creștere a curentului de magnetizare.

Amplitudinea vârfului depinde de inductanța transformatorului, de rezistența înfășurării și de momentul în care este pornit. Fluxul rezidual în momentul înainte de pornire crește sau scade ușor amplitudinea, în funcție de polaritatea fluxului față de valoarea inițială a tensiunii instantanee. Deoarece nu există curent pe partea secundară în timpul magnetizării, un curent primar mare poate provoca declanșarea falsă a protecției diferențiale.

Cea mai ușoară modalitate de a evita alarmele false este să utilizați o întârziere, dar acest lucru poate provoca daune grave transformatorului dacă are loc un accident în timp ce acesta este pornit. În practică, a doua armonică prezentă în curentul de pornire, necaracteristică rețelelor, este utilizată pentru blocarea protecției, deși protecția rămâne destul de sensibilă la defecțiunile interne ale transformatorului în timpul pornirii.

Efectul armonicilor asupra echipamentelor de consum

Influența armonicilor superioare asupra televizoarelor

Armonicele care cresc tensiunea de vârf pot provoca distorsiuni ale imaginii și modificarea luminozității.

Lămpi fluorescente și cu mercur. Balastele acestor lămpi conțin uneori condensatori și în anumite condiții poate apărea rezonanță, ducând la defectarea lămpii.

Efectul armonicilor superioare asupra computerelor

Există limite ale nivelurilor permise de distorsiune în rețelele care alimentează computerele și sistemele de procesare a datelor. În unele cazuri, acestea sunt exprimate ca procent din tensiunea nominală (pentru un computer IVM - 5%) sau sub forma raportului dintre tensiunea de vârf și valoarea medie (CDC își stabilește limitele admisibile la 1,41 ± 0,1).

Influența armonicilor superioare asupra echipamentelor de conversie

Crestăturile tensiunii sinusoidale care apar în timpul comutării supapei pot afecta sincronizarea altor echipamente sau dispozitive similare care sunt controlate în timpul curbei tensiunii zero.

Influența armonicilor superioare asupra echipamentelor de viteză controlate de tiristoare

În teorie, armonicele pot afecta astfel de echipamente în mai multe moduri:

• crestăturile undei sinusoidale provoacă o defecțiune din cauza aprinderii greșite a tiristoarelor;

• armonicile de tensiune pot provoca rateuri;

• rezonanța rezultată în prezența diferitelor tipuri de echipamente poate duce la supratensiuni și vibrații ale mașinilor.

Impacturile descrise mai sus pot fi resimțite de alți utilizatori conectați la aceeași rețea. Dacă utilizatorul nu are dificultăți cu echipamentele controlate cu tiristoare din rețelele sale, este puțin probabil ca acesta să afecteze alți utilizatori. Consumatorii alimentați de autobuze diferite se pot influența, teoretic, unul pe celălalt, dar distanța electrică reduce probabilitatea unei astfel de interacțiuni.

Efectul armonicilor asupra măsurătorilor de putere și energie

Dispozitivele de măsurare sunt de obicei calibrate la tensiuni sinusoidale pure și cresc incertitudinea în prezența armonicilor superioare. Mărimea și direcția armonicilor sunt factori importanți deoarece semnul erorii este determinat de direcția armonicilor.

Erorile de măsurare cauzate de armonici sunt foarte dependente de tipul instrumentelor de măsurare. Contoarele de inducție convenționale supraestimează de obicei citirile cu câteva procente (6% fiecare) dacă utilizatorul are o sursă de distorsiune. Astfel de utilizatori sunt penalizați automat pentru introducerea distorsiunilor în rețea, așa că este în interesul lor să stabilească mijloace adecvate de suprimare a acestor distorsiuni.

Nu există date cantitative privind influența armonicilor asupra preciziei măsurării sarcinii de vârf. Se presupune că influența armonicilor asupra preciziei măsurării sarcinii de vârf este aceeași ca și asupra preciziei măsurării energiei.

Măsurarea precisă a energiei, indiferent de forma curbelor de curent și tensiune, este asigurată de contoare electronice, care au un cost mai mare.

Armonicele afectează atât acuratețea măsurării puterii reactive, care este clar definită numai în cazul curenților și tensiunilor sinusoidale, cât și acuratețea măsurării factorului de putere.

Influența armonicilor asupra acurateței inspecției și etalonării instrumentelor din laboratoare este rar menționată, deși acest aspect al problemei este de asemenea important.

Influența armonicilor asupra circuitelor de comunicație

Armonicele din circuitele de putere provoacă zgomot în circuitele de comunicație.Un nivel scăzut de zgomot duce la un anumit disconfort, pe măsură ce crește, o parte din informația transmisă se pierde, în cazuri extreme, comunicarea devine complet imposibilă. În acest sens, cu orice schimbări tehnologice în sistemele de alimentare și comunicații, este necesar să se țină cont de influența liniilor electrice asupra liniilor telefonice.

Efectul armonicilor asupra zgomotului liniei telefonice depinde de ordinea armonicilor. În medie, telefonul - urechea umană are o funcție de sensibilitate cu o valoare maximă la o frecvență de ordinul a 1 kHz. Pentru a evalua influența diferitelor armonici asupra zgomotului c. telefonul foloseste coeficienti, care sunt suma armonicilor luate cu anumite greutati.Doi coeficienti sunt cei mai frecventi: ponderarea psofometrica si transmisia C. Primul factor a fost dezvoltat de Comitetul Consultativ Internațional pentru Sisteme Telefon și Telegrafice (CCITT) și este utilizat în Europa, al doilea — de către Bella Telephone Company și Institutul Electrotehnic Edison — este utilizat în Statele Unite și Canada.

Curenții armonici din cele trei faze nu se compensează pe deplin din cauza inegalității amplitudinilor și unghiurilor de fază și afectează telecomunicațiile cu curentul de secvență zero rezultat (similar curenților de defect de pământ și curenții de pământ de la sistemele de tracțiune).

Influența poate fi cauzată și de curenții armonici în fazele în sine, datorită diferenței de distanțe de la conductorii de fază la liniile de telecomunicații din apropiere.

Aceste tipuri de influențe pot fi atenuate prin selectarea corectă a urmelor de linie, dar în cazul trecerilor inevitabile ale liniilor apar astfel de influențe.Se manifestă mai ales puternic în cazul unei dispoziții verticale a firelor liniei de alimentare și atunci când firele liniei de comunicații sunt transpuse în vecinătatea liniei de alimentare.

La distanțe mari (mai mult de 100 m) între linii, principalul factor de influență se dovedește a fi curentul de ordine zero. Când tensiunea nominală a liniei electrice scade, influența scade, dar se dovedește a fi vizibilă datorită utilizării unor suporturi comune sau șanțuri pentru așezarea liniilor electrice de joasă tensiune și a liniilor de comunicație.