19.3. Несинусаидальность в электроэнергетических системах и мероприятия по борьбе с нею

Причины возникновения несинусоидальности напряжений и токов - наличие вентильных преобразовательных установок и электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

Электроприемники с нелинейной вольт-амперной характеристикой - это, например, газоразрядные линии (ртутные и люминесцентные), распространенные в промышленных и городских сетях.

Источниками несинусоидальности в энергосистемах могут быть также генераторы или трансформаторы при работе их на нелинейной части кривой намагничивания. Как правило, генераторы и трансформаторы работают при относительно невысоком насыщении стали, то есть на линейной части кривой намагничивания, и создаваемые ими высшие гармоники настолько малы, что их можно не учитывать.

Неблагоприятное влияние несннусоидальности на работу сетей, электрооборудования и электроприемников состоит в следующем:

- появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, а также дополнительные отклонения напряжения;

- затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью БК;

- сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов;

- ухудшается работа устройств автоматики, телемеханики и связи[2].

Действующее значение напряжения, определяется по формуле:

(19.4)

где - напряжения высших гармоник, кратных гармонике основной частоты ;

при N - порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения.

Гармоники относительно низких порядков в наибольшей мере влияют на дополнительные потери мощности и энергии в электрических машинах и в линиях электрических сетей.

Несинусоидальность напряжений и токов вызывает ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов и кабелей в основном в результате повышенного нагрева, а также из-за возникновения и протекания в изоляции ионизационных процессов, обусловливающих ее старение при высоких частотах электрического поля. Для электрических машин, трансформаторов и кабелей наиболее существенно тепловое старение изоляции. Влияние полей высших гармоник на ионизационные процессы в изоляции проявляется лишь при весьма значительных искажениях форм кривых напряжений, и этим влиянием можно пренебречь.

Наличие высших гармоник токов и напряжений существенно увеличивает погрешности активных и реактивных счетчиков индукционного типа. Помехи, вызываемые высшими гармониками, могут привести к ухудшению работы устройств автоматики, телемеханики и связи как на промышленных предприятиях, так и в энергосистемах. Гармоники тока, проникая в сети энергосистем, приводят к ухудшению работы высокочастотной связи и систем автоматики, а также вызывают ложные срабатывания некоторых релейных защит.

Допустимые значения коэффициента несинусоидалыюсти кривой напряжения:

(19.5)

Снижение несинусоидальности напряжений и токов необходимо в тех случаях, когда значения токов или напряжений высших гармоник больше допустимых. Целесообразность мер по понижению несинусоидальности может быть также обусловлена и улучшением технико-экономических показателей работы элементов электрических сетей и ЭП. Снижение несннусоидальности можно осуществить одним из следующих способов:

- снижением уровня высших гармоник, генерируемых вентильными преобразователями;

- рациональным построением схемы электрической сети;

- использованием фильтров высших гармоник,

Снижение уровней высших гармоник, генерируемых преобразователями, можно осуществить за счет увеличения числа фаз выпрямления в преобразовательных установках (как правило, до 12) или применения специальных схем преобразователей и законов управлениями ими, обеспечивающих улучшение формы кривой их первичных, т. е. сетевых, токов.

Рациональное построение схемы сети с точки зрения снижения несинусоидальности состоит, например, в питании нелинейных нагрузок от отдельных линий или трансформаторов либо подключении их к отдельным обмоткам трехобмоточных трансформаторов. На рис.19.1. приведены схемы питания района города от ЦП шин низшего напряжения районной подстанции, на которой установлен трансформатор Т. Нагрузка питается непосредственно от шин ЦП, а нагрузка - от шин распределительного пункта РП. На рис.19.1,а выпрямительная установка (ВУ) электротяговой подстанции через специальный трансформатор присоединена к шинам РП. Если больше допустимой величины, то для снижения несинусоидальности надо питать ВУ от отдельной линии ЦП - РП (рис.19.1,б). Другой способ рационального построения сети состоит в применении в преобразовательных агрегатах трансформаторов с первичным напряжением 110 - 220 кВ (рис.19.1,в), исключающих влияние несинусоидалыюсти на потребителей распределительных сетей 0,38 - 10 кВ. При такой схеме сети высшие гармоники, генерируемые преобразователями, попадают с шин высшего напряжения районной подстанции сразу в питающую сеть 110 - 220 кВ (рис.19.1,в), а не в распределительную сеть 0,38—10 кВ (рис.19.1, а, б). Однако в этом случае могут появляться недопустимые напряжения гармоник в питающих сетях энергосистемы. Эффективность питания преобразователей от трансформаторов 110 - 220 кВ (рис.19.1, в) ограничивается возможностью появления недопустимых высших гармоник напряжений и токов в питающих сетях энергосистемы.

Использование фильтров - распространенный способ снижения уровня высших гармоник. За рубежом распространено мнение, что установка фильтров более экономична, чем увеличение числа фаз преобразователей. Фильтр высших гармоник представляет собой последовательно соединенные реактор и БК (рис.19.2). Параметры реактора и БК подбирают так, чтобы их результирующее сопротивление для определенной частоты гармоники было равно нулю. В общем случае на каждую гармонику нужен свой фильтр. Фильтр образует ветвь с очень малым сопротивлением, параллельную электрической сети, шунтирует ее на частоте заданной гармоники и соответственно снижает напряжение этой гармоники. Такие фильтры могут присоединяться как в местах генерации высших гармоник (на вентильных установках), так и в узлах сети с недопустимым уровнем гармоник тока или при резонансе токов.

Б

Рис.19.1. Схемы питания выпрямительной установки:

а – по общей линии; б – по отдельной линии; в – трансформатор выпрямительной установки с первичным напряжением 110 – 220 кВ

Рис 19.2. Схема фильтра высших гармоник:

- сопротивление сети; - сопротивление реактора и БК фильтра.

атареи конденсаторов, применяемые в фильтрах, целесообразно одновременно использовать для компенсации реактивной мощности. Экономически целесообразно применение таких многофункциональных устройств, предназначенных не только для снижения синусоидальности, но и для компенсации Q. Такие установки часто называют фильтрокомпенсирующими (ФКУ).