Усина С. Исследование гармонического состава тока регулируемого трехфазного выпрямителя

результатов за установленные интервалы времени (обычно 10 минут или 2 часа).

Случайные изменения напряжения – это внезапные кратковременные, но в то же время значительные отклонения параметров электрической сети, которые происходят хаотически и не поддаются точному прогнозированию. К ним относят прерывания, провалы напряжения и перенапряжения, а также импульсные помехи. Они обусловлены такими внешними воздействиями на сеть, как природные явления (грозы, сильный ветер), поломки и неисправности в системе энергоснабжения, электромагнитные помехи, внезапные изменения в нагрузке сети (например, большое количество устройств одновременно включается или выключается). В соответствии с документом, случайные изменения напряжения не подлежат строгому нормированию из-за своей непредсказуемости. Вместо этого стандартом приводятся статистические данные, позволяющие оценить риски и предусмотреть соответствующие меры.

Далее в данном разделе проводится детальный анализ параметров качества электроэнергии.

2.3. Отклонение частоты

Отклонение частоты ∆f характеризует разницу между фактической частотой в электрической сети и её номинальным значением:

f fm fnom,

где fm – текущее значение частоты напряжения в электросети, измеренное на промежутке времени равном 10 секундам, Гц; fnom – номинальное значение частоты напряжения, Гц.

В России номинальная частота напряжения равняется 50 Гц.

Отклонения частоты происходят из-за нарушения баланса между генери-

руемой и потребляемой активной мощностью. При увеличении потребляемой 21

мощности без соответствующего наращивания генерируемой мощности происходит снижение частоты, поскольку существующие генераторы испытывают повышенную механическую нагрузку и снижают скорость вращения. И наоборот, при резком уменьшении нагрузки без своевременного снижения генерируемой мощности частота в сети возрастает. Такого рода дисбаланс может происходить по различным причинам:

-нестабильная работа генераторов, аварийные ситуации, а также отключения или выход из строя генераторов;

-колебания нагрузки (суточные пики, включение и отключение крупных потребителей);

-интеграция возобновляемых источников энергии (солнечные и ветровые электростанции) вносит дополнительную нестабильность из-за их стохастического характера генерации энергии.

Для контроля частоты в электросетях, согласно нормативному документу, установлены такие нормы:

-в общих (синхронизированных) сетях частота должна оставаться в пределах от 49.8 Гц до 50.2 Гц большую часть времени (95 % в течение недели). При этом не допускается отклонение частоты больше чем на 0.4 Гц;

-в изолированных сетях (например, где работают автономные генераторы

инет подключения к большим энергосистемам) допускаются более сильные отклонения: частота должна оставаться в пределах от 49 Гц до 51 Гц большую часть времени (95 % за неделю) и не отклоняться более чем на 5 Гц.

2.4. Медленные изменения напряжения

Медленные изменения напряжения – это устойчивые длительные отклонения напряжения, имеющие продолжительность более 1 минуты.

Выделяют два показателя качества электроэнергии, относящихся к медленным изменениям напряжения – отрицательное δU(-) и положительное δU(+)

отклонения напряжения. Оба показателя измеряются в процентах % и показы22

вают, насколько сильно напряжение сети отклонилось относительно номинального или согласованного значения:

δU( ) (U0 Um( ) ) 100;

U0

δU( ) (Um( ) U0 ) 100,

U0

где Um(-), Um(+) – численные значения напряжения, меньшие U0 и большие U0 соответственно, усредненные в интервале времени равном 10 минут, В; U0 – номинальное либо согласованное значение напряжения, В.

В российских электросетях приняты следующие стандартные номинальные напряжения Unom: для низковольтных сетей используются значения 220 В (фазное напряжение) и 380 В (линейное напряжение). Для сетей среднего и высокого напряжения вместо понятия номинального напряжения применяется термин «согласованное напряжение» (Uc), которое определяется в соответствии с установленными нормативами и техническими условиями.

Основной причиной возникновения подобных отклонений является изменение нагрузки в электрической сети. При увеличении нагрузки происходит падение напряжения из-за роста потерь в линиях электропередачи и трансформаторах, тогда как при снижении нагрузки напряжение может повышаться.

Для сетей общего назначения установлено, что положительное δU(+) и отрицательное δU(-) отклонения напряжения не должны превышать 10 %. Например, в сетях с напряжением 220 В это означает допустимый диапазон от 198 В до 242 В.

2.5. Колебания напряжения и фликер

Кратковременные колебания напряжения длительностью менее минуты и одиночные быстрые изменения напряжения обусловливают появления фликера,

23

который проявляется в виде мерцания света, когда яркость светотехнического

оборудования меняется из-за нестабильного напряжения.

Чтобы оценивать фликер, используют два показателя:

1.Pst (кратковременная доза фликера) – измеряется за 10 минут;

2.Plt (длительная доза фликера) – измеряется за 2 часа.

Доза фликера – это показатель, который отображает влияние колебаний напряжения на освещение. Кратковременная доза фликера показывает, насколько сильно мерцание ощущается в короткий промежуток времени. Длительная доза фликера учитывает длительные колебания и показывает, насколько сильно фликер влияет в течение продолжительного времени. В кратком изложении, доза фликера – это показатель, который помогает понять, насколько неприятны скачки напряжения для человеческого глаза и бытовых приборов. Для их измерения используется специальный прибор – фликерметр.

В соответствии с нормативным документом, кратковременная доза фликера не должна превышать 1.38. Длительная доза фликера не должна превышать 1.0. Эти нормативы основаны на обширных физиологических исследованиях восприятия мерцания света человеческим глазом.

2.6. Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения – это показатель, характеризующий степень отклонения формы напряжения от идеальной синусоиды. Основная причина появления такого искажения – наличие нелинейных нагрузок (к которым в том числе относятся и рассматриваемые в данной работе выпрямители) в электрической сети.

Рассматриваемый стандарт устанавливает два ключевых параметра для оценки несинусоидальности: суммарный коэффициент гармонических составляющих KU и коэффициенты для отдельных гармонических составляющих (до 40-го порядка) KU(n).

24

Суммарный коэффициент гармонических составляющих KU, % – это обобщенный показатель, который учитывает все гармонические составляющие до 40-го порядка. Он показывает общее влияние всех гармоник на качество напряжения:

40

Un2

KU n 2 100%,

U1

где n – номер гармонической составляющей; Un – значение напряжения n-ной гармонической составляющей, В; U1 – значение напряжения основной гармонической составляющей, В.

В международных стандартах и литературе также применяется термин коэффициент нелинейных искажений THD (Total Harmonic Distortion), но расчет и физический смысл идентичен суммарному коэффициенту гармонических составляющих.

Коэффициенты гармонических составляющих напряжения KU(n), % - показатели, измеряющие долю конкретной гармонической составляющей от напряжения основной гармоники U1:

KU (n) Un 100%,

U1

где n – номер гармонической составляющей; Un – значение напряжения n-ной гармонической составляющей, В; U1 – значение напряжения основной гармонической составляющей, В.

Стандарт нормирует данные показатели следующим образом:

1) Усредненные значения коэффициентов KU(n) на промежутке измерения равном 10-ти минутам должны быть меньше значений, представленных в таблице 2.1, в течение 95 % времени на интервале 7 дней, а также меньше значе-

25

ний, представленных в таблице 2.1, увеличенных в 1.5 раза, в течение 100 % времени на интервале 7 дней.

2) Усредненные значения суммарных коэффициентов KU на промежутке измерения равном 10-ти минутам должны быть меньше значений, представленных в таблице 2.2, в течение 95 % времени на интервале 7 дней, а также меньше значений, представленных в таблице 2.3, в течение 100% времени на интервале 7 дней.

Таблица 2.1 – Значения коэффициентов KU(n)

26

Таблица 2.2 - Значения суммарных коэффициентов гармонических составляю-

щих напряжения KU

Установленные значения коэффициентов KU, %

Напряжение сети, кВ

Таблица 2.3 - Значения суммарных коэффициентов гармонических составляю-

щих напряжения KU

Установленные значения коэффициентов KU, %

Напряжение сети, кВ

Вышеописанные показатели качества электроэнергии относятся к гармоническим составляющим напряжения (гармоники с частотой, кратной номинальной частоте 50 Гц, т.е. гармоники с частотой 100 Гц, 150 Гц, 200 Гц т.д.). Кроме гармонических составляющих на несинусоидальность напряжения влияют еще интергармонические составляющие.

Интергармонические составляющие напряжения представляют собой гармоники, частоты которых не кратны основной частоте сети (например, 37 Гц, 75 Гц, 120 Гц). Основные источники интергармоник - статические преобразователи, такие как инверторы и устройства с широтно-импульсной модуляцией, а также электроприводы с переменной нагрузкой. Вопросы контроля и нормирования интергармонических составляющих напряжения находятся на стадии разработки, поэтому на данный момент для них не установлены конкретные допустимые значения отклонений.

2.7. Несимметрия напряжений в трехфазных системах

В идеальной трехфазной системе напряжения имеют равные амплитуды и сдвинуты по фазе на 120° (прямая последовательность). Такая симметрия обес-

27

печивает оптимальные условия работы электрооборудования. Однако в реальных сетях часто возникают отклонения, которые стандарт классифицирует как несимметрию и строго нормирует.

Чтобы разобраться и понять суть показателей качества электроэнергии касательно несимметрии напряжений, нужно рассмотреть понятие «чередование фаз», а также коснуться метода симметричных составляющих.

Ключевая мысль метода симметричных составляющих состоит в том, что любую несимметричную систему напряжений (либо токов) можно представить в виде суммы трех симметричных составляющих, т.е. в виде суммы прямой, обратной и нулевой последовательностей (см. рисунок 2.1). При этом, несимметричная система допускает лишь одно единственное разложение.

Рисунок 2.1 - Метод симметричных составляющих

Чередование фаз – это последовательность нарастания напряжения в каждой из фаз. На рисунке 2.2 представлена прямая последовательность чередования фаз: порядок нарастания напряжения идет от UA к UB, и затем UC. Это означает, что фазы следуют друг за другом поочередно в порядке A, B, C. Такое наблюдается при симметричных нагрузках и нормальных условиях работы системы.

28

а б

Рисунок 2.2 – Прямая последовательность чередования фаз:

а – временная диаграмма; б – векторная диаграмма Обратная последовательность чередования фаз изображена на рисун-

ке 2.3 а. Векторная диаграмма показывает, что фазы следуют в обратном порядке – А, С, В. Обратная последовательность появляется при неравномерном распределении нагрузки по фазам (например, при подключении мощных однофазных потребителей) или при коротких замыканиях между фазами.

Нулевая последовательность (рисунок 2.3 б) существенно отличается от прямой и обратной последовательности, поскольку она представляет собой систему напряжений, совпадающих по фазе и имеющих одинаковую амплитуду. Такое возникает в случаях замыкания фазы на землю либо при обрыве нейтрального провода (в четырехпроводных системах).

UA

UB

Рисунок 2.3– Векторные диаграммы:

а – обратная последовательность; б – нулевая последовательность

29

Для оценки несимметрии напряжений в трехфазных системах используются два следующих показателя – коэффициент несимметрии по обратной последовательности К2U и коэффициент несимметрии по нулевой последовательности К0U, измеряющиеся в процентах %:

K2U U2 100%;

U1

K0U U0 100%,

U1

где U1 – амплитудное значение напряжения прямой последовательности, В; U2

– амплитудное значение напряжения обратной последовательности, В; U0 – амплитудное значение напряжения нулевой последовательности, В.

В соответствии с нормативным документом, значения коэффициентов, усредненные в интервале времени 10 мин, могут превышать 2 % в течение 5 % времени интервала в одну неделю, но при этом не превышать 4 %.

Превышение норм приводит к перегреву оборудования и увеличению по-

терь.

2.8. Прерывания напряжения

Прерывание напряжения представляет собой ситуацию, когда напряжение во всех трех фазах становится ниже 5 % от опорного значения напряжения. При измерениях опорное значение принимается равным номинальному или согласованному значению (если иное не оговорено), либо фактическому среднему значению за установленный интервал времени. Важно отметить, что если значение напряжения опустилось ниже 5 % не во всех фазах, то данный случай относится к провалу напряжения, которое рассмотрено ниже.

Прерывания напряжения могут возникнуть преднамеренно при проведении запланированных ремонтных работ. Помимо преднамеренных прерываний,

30