Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения характеризуется следующими показателями:

— коэффициентом искажения синусоидальности кривой напряжения Ku;

— коэффициентом n-ой гармонической составляющей напряженияKu(n).

Нормы приведенных показателей установлены в п.1.-п.2.

1. Нормально допустимые и предельно допустимые значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в точках общего присоединения к электрическим сетям с разным номинальным напряжением приведены в таблице 1.

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

Таблица 1 — Значения коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения

Нормально допустимое значение при Uном, кВ Предельно допустимое значение при Uном, кВ,  (%)
0,38 6-20 35 110-330 0,38 6-20 35 110-330
8,0 5,0 4,0 2,0 12,0 8,0 6,0 3,0

 Таблица 2 — Значения коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения

рисунок_77й

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

                                               KU(n)=1,5 KU(n)норм,

где KU(n)норм — нормально допустимое значение коэффициента n-ой гармонической составляющей напряжения, определяемое по таблице 2.

Основные источники искажения синусоидальности напряжения

Возникновение высших гармонических составляющих в спектре питающего напряжения связано с применением электрооборудования с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Такое оборудование потребляет ток несинусоидальной формы, искажая синусоиду питающего напряжения, поэтому электрооборудование  с нелинейной вольт-амперной характеристикой будет являться генератором высших гармоник тока. Пояснить это может рисунок 1

рисунок_79

Рисунок 1 — Схема, поясняющая возникновение несинусоидальности в сети.

1-вольт-амперная характеристика нелинейного сопротивления; 2-синусоидальное напряжение на нем;3-ток через нелинейное сопротивление; Eист — э.д.с. источника; zист — внутреннее сопротивление источника; zл-сопротивление питающих линий; zнг-нелинейное сопротивление.

Прежде всего источники искажения качества электрической энергии по несинусоидальности напряжения и тока стоит разделить на две группы: нелинейные электроприемники и нелинейные элементы сети. К первым в связи с широким внедрением современного электрооборудования в производство и быт сельского хозяйства можно отнести частотно — регулируемый привод, электронные выпрямительные устройства, люминесцентные лампы, газоразрядные лампы.  Главной причиной искажений в коммунально-бытовом секторе являются электронные технические средства (телевизионные приемники, ПЭВМ), те же люминесцентные и газоразрядные лампы и др., которые создают при своей работе невысокий уровень гармонических искажений на выходе, но общее количество таких ЭП велико. О приведенных выше электроприемниках, как источниках высших гармоник дано много публикаций.

К нелинейным элементам сети можно отнести силовые трансформаторы, реакторы, т.е устройства имеющие нелинейную ветвь намагничивания — это трансформаторы, например

Об источниках искажения синусоидальности напряжения на примере искусственного освещения сказано в нашей статье.

Зачастую возникают вопросы о том, как помехи распространяются по сети и как они складываются — на это мы попытались дать пояснение в нашей публикации: Суммирование помех в электрической сети

Влияние несинусоидальности напряжения на электрооборудование

Снижение качества электроэнергии приводит к отрицательным последствиям электротехнического и технологического характера.

Отдельные группы электрооборудования по-разному реагируют на изменение искажения синусоидальности, но они все подвержены влиянию несинусоидальности. Вызвано это не только тепловым дополнительным нагревом электроприемников от высших гармоник тока, но и тем, что высшиегармоники образуют составляющие прямой последовательности (1, 4, 7-я и т.д.), обратной последовательности (2, 5, 8-я и т.д.) и нулевой последовательности (гармоники кратные трем). Эти последовательности различаются порядком чередования фаз напряжения (тока), чем и вызвано различие в их влиянии на работу электроприемников. В частности, токи нулевой последовательности создают дополнительное подмагничивание стали в электрических машинах, что приводит к ухудшению характеристик этих электроприемников и дополнительному нагреву статоров АД и магнитопроводов трансформаторов. Обычно высшие гармоники напряжения, суммируясь с основной гармоникой, способствуют повышению действующего значения напряжения на зажимах ЭП.

Как утверждает ряд авторов высшие гармоники напряжения снижают результирующий cosφ асинхронного двигателя. Неопасные величины несинусоидальности снижают экономичность работы асинхронных двигателей вследствии снижения их коэффициента мощности и увеличения потерь. Увеличение потерь в двигателях приводит к увеличению нагревов, которые не представляя непосредственной опастности, в значительной мере могут снижать срок службы двигателей.

Высшие гармоники напряжения и тока неблагоприятно влияют на электрооборудование, создавая дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, сокращая срок службы изоляции электрических машин и аппаратов, повышая аварийность в кабельных сетях, вызывая сбои в работе систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи. Высшие гармоники напряжения и тока влияют также на значения коэффициента мощности, вращающего момента электродвигателей. Однако снижение этих характеристик, даже при коэффициенте искажения формы кривой напряжения 10-15%, оказывается весьма небольшим. Уровень дополнительных активных потерь от высших гармоник в основных сетях электрических систем составляет несколько процентов от потерь при синусоидальном напряжении.

Пояснить вышесказанное могут формулы дополнительных потерь мощности и дополнительного нагрева от искажения синусоидальности напряжения для асинхронных двигателей (АД), линий электропередач (ЛЭП), конденсаторных установок (КУ), трансформаторов.

рисунок_78

Для кабельных линий при воздействии высших гармоник характерно увеличение тока утечки, что отражает изменение свойства диэлектрика. Установлено, что при =6,85% за 2,5 года ток утечки возрастает на 36%, а через 3,5 года – на 43%.

При несинусоидальном напряжении наблюдается ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов, конденсаторов и кабелей результате повышенного нагрева токоведущих частей, а также необратимых физико-химических процессов, протекающих под воздействием электрических полей, создаваемых высшими гармониками тока. Такой эффект можно объяснить тем, что токи высших гармоник не проникают в обмотку статора из-за того, что она является достаточно большим сопротивлением, и тем большим, чем больше порядок гармоники. Кроме того, амплитуды гармоник напряжения существенно убывают с ростом порядка гармоники. Исключение могут представлять явления, связанные с резонансами напряжений.

Возникновение резонансных явлений возможно при определенных условиях, которые может обеспечить сопротивление элементов сети (индуктивное сопротивление) и конденсаторная батарея (емкостное сопротивление). Тогда воздействие высших гармоник при таких условиях может привести к отказу оборудования под влиянием перенапряжений или сверхтоков.

Несинусоидальные режимы могут приводить к разрушению нулевых рабочих проводников. Это происходит по вине токов гармоник кратных трем, которые совпадают по фазе, образуя нулевую последовательность. В результате ток в нейтрали составляет:

рисунок_811

Стоит отметить, что элементы системы учета электроэнергии спроектированы для работы при качественной электроэнергии. При этом значения показателя качества электроэнергии, характеризующего несинусоидальность, близок к нулю. В реальных распределительных сетях значение   не только не равно нулю, но и может превышать значения приведенных в ГОСТ 13109-97 [42], что приводит к увеличению погрешностей измерительного комплекса. Дополнительная токовая погрешность трансформатора тока возникает вследствие того, что действительный коэффициент трансформации не равен номинальному. В публикациях получено выражение для определения доли дополнительных потерь электроэнергии в трансформаторе тока при искажении качества электроэнергии:

рисунок_8111

 где  рисунок_81111, -полное, активное и реактивное сопротивление вторичной цепи; рисунок_81йййй -коэффициент несимметрии токов по обратной и нулевой последовательности соответственно; рисунок_8132-коэффициент несинусоидальности кривой тока n-й гармонической составляющей; Фи-фазовый сдвиг между вторичной ЭДС и вторичным током; Пси-угол потерь, характеризующий отношение активной составляющей МДС к реактивной; n-номер гармонической составляющей.

Как видно из выражения , в котором второе слагаемое не может быть меньше единицы по определению, а третье либо равно нулю, либо отрицательно низкое качество электроэнергии всегда приводит к недоучету электроэнергии в трансформаторе тока.

Качество электроэнергии оказывает влияние на точность измерений трансформаторов напряжения. Работа трансформатора напряжения при искажении синусоидальности кривой тока и напряжения (как и симметрии) приводит к недоучету энергии.

Высшие гармоники тока и напряжения влияют на систему измерения электроэнергии счетчиками. Данное обстоятельство было установлено исследованиями, в которых показано, что показания электронных и цифровых приборов в цепи с источником высших гармоник меньше показаний без искажающей нагрузки на сумму энергии высших гармоник. Связаны это с тем, что счетчики определяют активную мощность по каждой фазе как сумму мощностей на гармониках от первой до сороковой включительно. Поэтому если поток мощности по основной гармонике совпадает с направлением потока мощности искажений на частоте n-й гармоники, то они суммируются; иначе из мощности первой вычитают мощность высших гармоник.