Файл: Catec-RU.pdf

Гармоники

Определение

Токи или напряжения высших гармоник – это «паразитные» токи или напряжения в питающей электросети. Они искажают форму волны тока или напряжения и приводят к следующим явлениям:

•увеличение значения действующего тока,

•прохождение тока через нейтраль, превышающего фазный ток,

•работа трансформатора в режиме насыщения,

•помехи в сетях низкого тока,

•внезапное срабатывание защитных устройств и т.д.,

•ошибки в измерениях (ток, напряжение, мощность и т.д.). Гармонические токи могут возникать вследствие работы трансформаторов тока и электродуговых устройств (дуговых печей, сварочных аппаратов, флуоресцентных или газоразрядных ламп), но в большинстве случаев их наличие связано со статическими выпрямителями и преобразователями (силовая электроника). Такие нагрузки называют нелинейными (см. далее).

Гармоники напряжения возникают вследствие прохождения гармонического тока по сетям и сопротивления трансформатора.

Линейные и нелинейные нагрузки

Нагрузка называется линейной, если кривая тока имеет такую же форму, как и кривая напряжения:

catec_101_a_1_gb_cat.

Рис. 4.

Если форма кривой тока не совпадает с формой кривой напряжения, то такая нагрузка называется нелинейной:

catec_009_a_1_x_cat.

Рис. 1.Чистый синусоидальный ток.

catec_010_a_1_x_cat.

Рис. 2.Ток, искаженный гармониками.

catec_100_a_1_x_cat.

catec_102_a_1_gb_cat.

Рис. 5.

Нелинейные нагрузки приводят к высоким значениям тока нейтрали, которые могут значительно превышать значения фазного тока.

Пик-фактор тока (fp):

Для нелинейных нагрузок искажение тока может быть выражено пик-фактором:

fp = Ιpeak Ιrms

catec_103_a_1_gb_cat.

Рис. 3. Напряжение, искаженное гармониками.

Пути решения

•Защита нелинейных нагрузок при помощи ИБП;

•Применение компенсаторов гармоник;

•Увеличение сечения проводников;

•Завышение номинальной мощности устройств.

Рис. 6. пик-фактор: fp = Ipeak/Irms.

Примеры значений fp:

• резистивная нагрузка (чистая синусоидальная кривая):2 = 1,414;

•главный компьютер (сервер): от 2 до 2,5;

•рабочая станция на ПК: от 2,5 до 3;

•принтер: от 2 до 3.

Эти значения пик-фактора показывают, что кривая тока может сильно отличаться от чистой синусоиды.

Гармоники

Гармоническое число

Частоты гармоник являются кратными частоте электросети (50 Гц). Соответствующий множитель называется гармоническим числом.

Пример:

Ток 5-й гармоники имеет частоту 5 x 50 Гц = 250 Гц.

Ток 1-й гармоники называется фундаментальным током.

Табл. A: гармонические токи в сети

Гармонические токи сети

Ток, циркулирующий в сети, является суммой чистого синусоидального тока (фундаментального) и определенного количества гармонических токов в зависимости от типа нагрузки.

Пример: газоразрядная лампа производит токи только 3й, 5й, 7й, 9й, 11й, и 13й гармоник. Четные гармоники отсутствует.

Искажения в измерительных приборах

Ферромагнитные измерительные устройства (амперметры, вольтметры и т.д.) предназначены для измерения параметров синусоиды на заданной частоте (как правило, 50 Гц). Это же относится и к цифровым устройствам (кроме пробников). При наличии гармонических искажений показания данных приборов искажаются (см. пример ниже).

Правильные значения действующего напряжения дают только приборы, учитывающие искажения сигнала.

catec_104_a_1_gb_cat.

Рис. 1. Искажения при измерении.

Пример (рис. 1): сигнал 1 искажается третьей гармоникой. Действующее значение тока синусоидальной волны с тем же пиковым значением составляет: 100 A / √2 = 70A. Реальный действующий ток составляет 84A (измеренный при помощи соответствующего устройства, (см. DIRIS стр. D.55).

Расчет действующего (среднеквадратичного) тока

Обычно расчет действующего тока производится только для первых 10 – 20 значительных гармоник тока.

Действующий фазный ток:

Ιrms = Ι2n + Ι22 + Ι23 + … + Ι2k

где In – номинальный ток искажающего устройства; I2, I3 и т.д. – токи 2-й, 3-й и т.д. гармоник.

В нейтрали суммируются гармоники с нечетными номерами, кратными 3:

Действующие значения токов гармоник I2, I3 и т.д определить сложно. (Пожалуйста, обращайтесь к нам за консультацией, указав тип нагрузки, токовый пик-фактор, мощность нагрузки и напряжение в сети).

Пример:

Определение фазного тока и тока нейтрали в сети с двухполупериодным выпрямителем.

•Пик-фактор тока: 2.5

•Нагрузка 180 кВА → эквивалент эффективного значения тока (50 Гц):

• Высшими гармониками можно пренебречь в силу их незначительности.

Ток в одной фазе:

Ιp = (182)2 + (146)2 + … = 260A

Ток в нейтрали:

ΙNeutral = (3 x 146)2 + (3 x 13)2 = 440A

Ток в нейтрали превышает фазовый ток. Это следует учитывать при выборе сечений кабелей и типа оборудования.

Показатели искажения и гармоник

Общий уровень гармонических искажений:

Ιrms

Во избежание проблем с гармониками, данный показатель не должен превышать 5%.

Уровень n-й гармоники: действующий ток n-й гармоники, поделенный на действующий фундаментальный ток. Он должен быть меньше 3%. Это определение справедливо и для гармоник напряжения.

Улучшение качества электросети

Допуски по напряжениям, необходимые для нормальной работы электросетей, содержащих нагрузки, чувствительные к искажениям (электронное и компьютерное оборудование и т.п.), приведены в таблице:

Для достижения этих показателей можно установить альтернативный источник питания и/или реализовать определенные меры предосторожности при проектировании электроустановки.

Альтернативные источники электропитания

Различные альтернативные источники питания приведены в таблице:

Выбор подходящей системы заземления

Система IT гарантирует непрерывную работу, предотвращая, например, размыкание цепи дифференциальной защиты при ее внезапном срабатывании после броска напряжения.

Обеспечение избирательности реагирования (селективности) защитных устройств

Селективность защитных устройств ограничивает аварийное размыкание цепи (см. стр D.52 - D.54 и D.63).

Правильное использование заземления сети:

•заземление сети в соответствии с выполняемыми функциями (компьютерная техника и т.д.);

•каждая сеть имеет цепную связь для достижения макс. эквипотенциальности (наименьшее сопротивление между разными точками заземленной сети);

•подключение сетей «звездой», как можно ближе к штырю заземления;

•использование кабельных лотков, шахт, труб и металлических желобов, подключенных к заземлению в определенных точках.

Меры предосторожности для электроустановки

Изолирование нелинейных нагрузок:

•электропитание от отдельного высоковольтного входа (для больших нагрузок);

•разделение цепей: сбой в одной цепи должен как можно меньше сказываться на других цепях;

•разделение цепей, включающих в себя нелинейные нагрузки. Эти цепи должны быть отделены от других цепей на как можно более высоком уровне низковольтных установок для максимального использования эффекта сопротивления кабеля с целью уменьшения искажений.

•отделение нелинейных цепей от чувствительных цепей при прокладке кабелей в одном лотке;

•для достижения эквипотенциальности - частое применение для заземления шкафов, конструкций и т.п.

catec_106_a_1_gb_cat.

Рис. 1.

catec_108_a_1_gb_cat.

Рис. 3.