- Što su harmonici?
- Uzroci i izvori harmonika u električnim mrežama
- Kategorije i načelo odvajanja
- Moguće posljedice
- Harmonička zaštita
- Video za članak
Pomozite razvoju web mjesta, dijelite članak s prijateljima!
Rad većine električnih uređaja osigurava se kvalitetom isporučene električne energije. No, čak iu uvjetima rada bez problema, u sustavu nastaju procesi koji uzrokuju pojavu harmonika u električnim mrežama. U isto vrijeme, ne može doći do prekida ili povreda, većina harmonika se tiho proizvodi u svim krugovima, bez obzira na vrstu opterećenja. Međutim, s povećanjem njihove veličine mogući su brojni negativni učinci, kako za potrošače, tako i za elektroenergetsku mrežu u cjelini.
Što su harmonici?
Ako je napon i struja proizvedena od strane izvora, što je bliže moguće obliku idealnog sinusoida, onda zbog nelinearnih opterećenja spojenih na električni krug, oblik početnog signala dobiva izobličenje. Harmonici su derivati glavnog sinusnog vala na frekvenciji od 50 Hz i višestruki su vrijednosti 1].
Po mnoštvu harmonika dijeli se na parne i neparne. To jest, harmonički broj 1 - je 50 Hz, 2 - 100 Hz, 3 -150 Hz, itd. Svaki od njih je jedna od komponenti nastalog oblika napona i struje. To znači da se napon i struja u mreži mogu slobodno dekomponirati na harmonijske komponente 2].
Pogledajte gornju sliku, ovdje možete vidjeti detaljan primjer dekompozicije sinusoida u harmoniku i njihov utjecaj na oblik sinusoidnog napona. U prvom položaju rezultirajuća funkcija je prikazana s nelinearnim izobličenjima, koja su posljedica neparnih harmonika prikazanih u nastavku i sličnih s većom frekvencijom. Veličina tih harmonika će odrediti veličinu skokova i padova na rezultirajućem signalu. Stoga, što se ovaj ili onaj harmonik više manifestira, krivulja će se više razlikovati od sinusnog vala.
U stvari, harmonik je parazitski emf, koji ne apsorbiraju postojeći potrošači ili se apsorbira samo djelomično. Zbog toga postoji negativan utjecaj na sve elektroenergetske mreže. Prirodna apsorpcija provodi se samo aktivnim otporom, ali u iznosu proporcionalnom potrošenoj snazi. Istovremeno, sami potrošači mogu se smatrati izvorima koji aktivno generiraju iskrivljeni signal.
Uzroci i izvori harmonika u električnim mrežama
Glavni uzrok harmonijskog izobličenja je pojava bilo kakvih prijelaznih pojava u električnim mrežama. Bez obzira na prirodu stvorenog opterećenja, proces tranzicije može se promatrati u radu iste žarulje sa žarnom niti, koja se, čini se, karakterizira iznimno aktivnim gubicima. Dakle, razlika između otpora žarulje svjetiljke u hladnom i zagrijanom stanju stvara prijelazni proces koji uvodi skok. No, zbog niske razine izobličenja i relativno kratkog tečaja, utjecaj na cijeli sustav je beznačajan.
Stoga možemo sa sigurnošću reći da i aktivni i reaktivni otpori u elektroenergetskim mrežama mogu doprinijeti stvaranju harmonika. Ipak, postoji određen broj uređaja koji uzrokuju značajnu distorziju koja može prouzročiti značajna oštećenja instrumenata. U praksi, izvori izobličenja uključuju sljedeće vrste opreme:
- Energetska električna oprema - pogoni izravne i izmjenične struje, visokofrekventne peći za topljenje, poluvodički pretvarači, neprekidni izvori napajanja (UPS), frekventni pretvarači.
- Uređaji koji djeluju na principu električnog luka - elektroinstalacijska postrojenja, elektrolučne peći, rasvjetna svjetla (DRL, luminiscentna i dr.).
- Zasićeni uređaji - motori, transformatori s magnetskom jezgrom, koji mogu doseći zasićenost histerezne petlje. Bez takvog zasićenja njihov doprinos stvaranju harmonijske komponente bit će beznačajan.
Među kućanskim aparatima, iste mikrovalne pećnice značajno doprinose stvaranju komponenti koje nisu sinusoidne. Napominjemo da zbog karakteristika načina rada jedna takva peć može nakratko smanjiti naponsku razinu u mreži za 2 - 4%, a što je još značajnije, povećati koeficijent izobličenja njegove krivulje za 6 - 18%.
Kategorije i načelo odvajanja
U skladu s osobitostima tijeka procesa u mrežama i izvorima napajanja, sve harmonijske komponente su konvencionalno podijeljene prema sljedećim parametrima:
- duž puta propagacije emitiraju prostorne ili vodljive;
- prema predvidljivosti vremena pojavljivanja, razlikuju se nasumice ili sustavno;
- u trajanju može biti kratkoročno (pulsirajuće) ili dugo.
Dakle, impulsne perturbacije uzrokovane su pojedinačnim komutacijama u opskrbnoj mreži, kratkim spojevima, prenaponima, koji bi, nakon isključivanja, zahtijevali ručno prebacivanje. A u slučaju automatskog ponovnog uključivanja, predviđene promjene, koje se promatraju u nekoliko razdoblja, pojavljuju se u glavnom harmoniku.
Dugoročne promjene uzrokovane su bilo kakvim cikličkim opterećenjem koje isporučuju snažni potrošači. Za pojavu takvih viših harmonika, u pravilu, potrebna je ograničena snaga mreže i relativno velika nelinearna opterećenja, koja uzrokuju stvaranje reaktivne snage.
Moguće posljedice
U slučaju stalno prisutnog faktora koji stvara harmoniku, njihov učinak može uzrokovati razne negativne posljedice u električnoj mreži. Od toga treba naglasiti:
- Istodobno grijanje, onemogućavanje izolacije motora, namota transformatora, smanjenje otpornosti kondenzatora, itd. Kod zagrijavanja fazna žica ili drugih provodnih elemenata u dielektricima javljaju se nepovratni procesi koji smanjuju njihova izolacijska svojstva.
- Lažno aktiviranje u distribucijskim mrežama - dovodi do onemogućavanja strojeva, visokonaponskih sklopki i drugih uređaja koji reagiraju na promjene načina rada zbog harmonika.
- Uzrokuje asimetriju u industrijskim mrežama s trofaznim izvorima kada se harmonika javlja u jednoj fazi. Što može poremetiti normalan rad trofaznih ispravljača, energetskih transformatora, trofaznog UPS-a i ostale opreme.
- Pojava buke u komunikacijskim mrežama, utjecaj na susjedne niskonaponske i energetske kabele zbog induciranih EMF-a. Na veličinu harmonijskog emf-a utječe i udaljenost između vodiča i trajanje njihove aproksimacije.
- Uzrokuje prerano električno starenje opreme. Zbog uništavanja osjetljivih elemenata, precizni instrumenti gube klasu točnosti i podložni su prijevremenom trošenju.
- Uzrokuje dodatne financijske troškove zbog gubitaka od induktivnog opterećenja, zaustavljanja proizvodnje, hitnih popravaka i prijevremenog kvara.
- Potreba za povećanjem poprečnog presjeka nula žica u vezi sa zbrajanjem harmonika višestrukih trećih u trofaznim mrežama.
Razmotrite primjer negativnog utjecaja na rad trofaznih krugova. U idealnom slučaju, kada svaka faza hrani linearno opterećenje, sustav je u ravnoteži. To znači da u mreži nema harmonika i nema struje u neutralnom vodiču, jer su sve struje sa simetričnim opterećenjem pomaknute za 120º i međusobno se kompenziraju u neutralnom položaju.
Ako se potrošač ili faktor koji savija izmjeničnu struju javlja u strujnom krugu napajanja u jednoj od faza, tada postoji automatska promjena u preostalim faznim strujama, njihov pomak u odnosu na početnu vrijednost i kut. Zbog narušavanja simetrije i nedostatka kompenzacije u neutralnoj žici počinje protjecati struja.
Kao što je prikazano na slici 2, neparni harmonici su višestruki od trećeg i imaju isti smjer kao i glavna struja. No, zbog kršenja kompenzirajućeg učinka simetričnog sustava, oni se međusobno preklapaju i mogu isporučiti u neutralnu struju mnogo veću od nominalne za taj krug. Zbog toga postoji pregrijavanje koje može uzrokovati hitne situacije.
Sve navedene posljedice dovode do smanjenja kvalitete električne energije, prekomjernih preopterećenja i posljedičnog pada faznog napona. U posebnim slučajevima posljedice protoka harmonika mogu predstavljati prijetnju osoblju i potrošačima. Kako bi se spriječile takve posljedice na elektranama, trofaznim kablovima i drugoj opremi, uspostavljena je zaštita od harmonika 3].
Harmonička zaštita
Za zaštitu se koriste uređaji s aktivnim i pasivnim elementima čije djelovanje je usmjereno na apsorpciju ili kompenzaciju harmonika u mreži. Najjednostavnija opcija su LC filteri koji se sastoje od linearnog prigušivača i kondenzatora.
Pogledajte sliku 3, ovdje je shematski dijagram filtra. Njegov rad temelji se na induktivnom otporu zavojnice L, koja ne dopušta struji da odmah dobije ili izgubi vrijednost. A na kapacitivnosti kondenzatora C, koja omogućuje postupno povećanje ili smanjenje napona. To znači da harmonici ne mogu dramatično promijeniti oblik sinusoida i osigurati njegovo glatko povećanje i smanjenje na opterećenju RN .
Kada su svitak i kondenzator spojeni u seriju s određenim odabirom parametara, njihova impedancija će biti nula za neku vrstu harmonika. Nedostatak ovog pasivnog filtra je potreba za formiranjem zasebnog kruga za svaku komponentu u mreži. Stoga je potrebno uzeti u obzir njihovu interakciju. Tako, na primjer, pri gašenju petog harmonika dolazi do sedmog pojačanja, tako da je u praksi instalirano nekoliko filtara u nizu, kao što je prikazano na slici 4. \ t
Zbog činjenice da svaki lanac L1-C1, L2-C2, L3-C3 skreće odgovarajuću komponentu, filtar se naziva skretanje. Osim toga, kao ulazni filtar mogu se koristiti uređaji s aktivnim prigušivanjem harmonika.
Pogledajte sliku 5, ovdje je aktivni filtar. Izvor energije generira struju i ps na koju utječe nelinearno opterećenje, zbog čega se u mreži dobiva ne-sinusna krivulja n . Harmonici aktivnog klima uređaja (ACG) mjere veličinu svih nelinearnih struja i ahc i izlaze iste struje u mrežu, ali s suprotnim kutom. To vam omogućuje neutraliziranje harmonika i davanje potrošaču struje prvog harmonika što je moguće bliže sinusnom valu.
Instaliranje bilo koje od postojećih vrsta zaštite zahtijeva detaljnu analizu harmonijskih komponenti, opterećenja, faktora amplitude i faktora snage za određenu mrežu. Da biste pronašli najučinkovitiji način da uklonite i napravite odgovarajuće postavke.