Моменты, развиваемые высшими гармониками тока, также
составляют очень малую величину вращающего момента асинхронных и синхронных
двигателей, определяемого первой гармоникой питающего напряжения. Так, для
асинхронного двигателя средней мощности при удельном весе 5-й гармоники
напряжения, равном 20% основной, момент, обусловленный 5-й гармоникой, не
превосходит 0,1% момента, развиваемого при промышленной частоте.
6.4. Влияние гармоник на изоляцию
электроустановок
Искажение формы кривой напряжения оказывает существенное
влияние на возникновение и протекание ионизационных процессов в изоляции
электрических машин и трансформаторов.
При наличии газовых включений в изоляции в этих включениях
возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных
зарядов и последующей нейтрализации их. Нейтрализация заряда связана с
рассеиванием энергии, следствием которого является электрическое, механическое
и химическое воздействие на окружающий диэлектрик. В результате ионизационных
процессов развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к снижению ее
электрической прочности, возрастанию диэлектрических потерь и в конечном счете
к сокращению срока службы.
Количество разрядов в газовых включениях зависит от формы
кривой напряжения, приложенного к изоляции.
Подробные многолетние исследования форм кривых напряжения в
сетях промышленных предприятий показывают, что в большинстве случаев за счет
высших гармоник кривые напряжения принимают более заостренную форму в сравнении
с синусоидой и поэтому наличие высших гармоник в этих сетях приводит к
ускоренному старению изоляции электрических машин и трансформаторов.
При наличии гармоник в кривой напряжения процесс старения
диэлектрика конденсаторов протекает также более интенсивно, чем в случае, когда
конденсаторы работают при синусоидальном напряжении. Это объясняется тем, что
физико-химические процессы в диэлектриках, обусловливающие старение их,
значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля. Аналогично
влияет дополнительный нагрев, вызванный протеканием высших гармоник тока.
Таким образом, наличие высших гармоник в кривой напряжения,
даже в допустимых пределах, приводит к значительной интенсификации процесса
старения диэлектрика конденсаторов и как следствие сокращению срока службы их.
В соответствии с ГОСТ 1262-68 батареи конденсаторов могут
длительно работать при перегрузке их токами высших гармоник не более чем на
30%; допустимое повышение напряжения лимитируется величиной 10%. Однако при
длительной эксплуатации конденсаторов в этих условиях срок службы их
сокращается. В условиях промышленных предприятий, как правило, конденсаторы
периодически оказываются в режиме, близком к резонансу токов на частоте
какой-либо из гармоник низкого порядка; вследствие систематических перегрузок
они быстро выходят из строя. В настоящее время на многих крупных промышленных
предприятиях, где имеются мощные вентильные преобразователи, батареи
конденсаторов без применения специальных мер защиты их от высших гармоник, по
существу, не работают. В результате снижается коэффициент мощности
электроустановок цехов и производств, ухудшаются экономические показатели
систем электроснабжения предприятий.
При несинусоидальном напряжении сети происходит ускоренное
старение изоляции силовых кабелей. Для подтверждения этого положения были сопоставлены
результаты замеров токов утечки кабелей, проложенных почти одновременно и
работающих в сходных температурных условиях; часть обследованных кабелей
работала при практически синусоидальном напряжении, другая — при уровне
гармоник в кривой напряжения в пределах 6—8,5% (преобладали 5-я и 7-я
гармоники). Токи утечки во втором случае через 2,5 года эксплуатации оказались
в среднем на 36% больше, через 3,5 года — на 43%.
6.5. Влияние высших гармоник на системы
автоматики
Воздействие высших гармоник на системы импульсно-фазового
управления вентильными преобразователями может привести к воз-никновению так
называемой гармонической неустойчивости. Явление гармонической неустойчивости
состоит в появлении на шинах многофазного преобразователя большого напряжения
четной гармоники или гармоники, кратной трем; при этом в кривой напряжения сети
появляются также другие гармоники четных порядков и кратные трем, однако
меньшие по величине. Искажения кривой напряжения сети могут быть столь
большими, что в инверторном режиме преобразователя появятся нарушения
коммутации; при этом работа системы импульсно-фазового управления также может
оказаться неустойчивой.
Гармоническая неустойчивость может возникнуть при
подключении преобразователя к электрической системе, мощность короткого
замыкания которой соизмерима с мощностью преобразователя, в случае, если
имеются другие источники гармоник (например, силовые трансформаторы). Основной
причиной появления гармонической неустойчивости является асимметрия управляющих
импульсов, неизбежная в реальных системах импульсно-фазового управления.
Следствием этой асимметрии является появление в спектре тока преобразователя
четных гармоник и гармоник, кратным трем; усиление их при наличии указанных
выше условий и приводят к гармонической неустойчивости.
Повышение напряжения на частоте какой-либо гармоники
существенно ограничивается при использовании заградительных фильтров в системах
импульсно-фазового управления.
Возникновение гармонической неустойчивости исключается при
соблюдении условия
, (6.1)
где xк
— сопротивление короткого замыкания питающей энергосистемы
на шинах преобразователя; Idн — номинальный выпрямленный ток преобразователя; U—линейное напряжение сети.
Для преобразователей ПМ СС-3:
;
На входе систем импульсно-фазового управления подключаются
фильтры, благодаря чему усиление четных гармоник и гармоник, кратных трем,
практически не имеет места.
В некоторых энергосистемах были зафиксированы случаи
неверной работы блокировок от качаний, причиной которых были высшие гармоники
тока, в частности пятая гармоника. Наблюдались также случаи ложной работы
устройств релейной защиты, в которых использовались фильтры токов обратной
последовательности, из-за наличия токов высших гармоник, которые образуют
систему обратной последовательности. Влияние высших гармоник на работу релейной
защиты проявляется при уровне гармоник а токе нагрузки линии порядка 5—7%.
Высшие гармоники тока и напряжения в сети ухудшают работу
телемеханических устройств и даже вызывают сбои, если силовые цепи используются
в качестве каналов связи между полукомплектами диспетчерского и контролируемого
пунктов. Затрудняется использование простой и дешевой системы циркуляторного
телеуправления по линиям распределительных сетей с использованием четных
гармоник.
6.6. Расчет компенсации реактивной
мощности
Составим уравнение баланса реактивной мощности
, (6.2)
где -
реактивная мощность подлежащая компенсации
-
потери реактивной мощности
;
;
;
.
Дополнительные потери активной мощности в ВЛ от передачи
реактивной
;
6.7. Расчет компенсации реактивной
мощности с учетом подключения силовых резонансных фильтров
При комплексном подходе к решению проблемы качества
электроэнергии в сетях с нелинейными нагрузками применим многофункциональные
устройства - силовые резонансные фильтры (СРФ) высших гармоник, которые наряду
со снижением уровней высших гармоник генерируют в питающую сеть реактивную
мощность.
По номограммам рис.8.2.[2] определим возможность
подключения вентильной нагрузки исходя из допустимого уровня коэффициента
несинусоидальности.
Для подъемных машин СС-3:
;
Из данного соотношения следует, что при данной мощности
нелинейной (вентильной) нагрузки в сеть будут выдаваться высшие гармоники
недопустимого уровня и подключение батарей конденсаторов к шинам ГПП-33
приведет к выходу последних из строя.
Для более точных данных о значении коэффициента
несинусоидальности воспользуемся данными из литературы [5].
Проведенное исследование показателей качества электрической
энергии в узлах нагрузки с тиристорными преобразователями показало:
Таблица 6.1.
Показатели качества электрической энергии.
Коэфф.несинус.
|
с 0.00 до 8.00
|
с 8.00 до 16.00
|
с 16.00 до
24.00
|
Сред. за сутки
|
ПМ “Юг”
|
4,175
|
3,35
|
8,425
|
5,325
|
ПМ “Север”
|
11,85
|
10,8
|
19,3
|
14
|
На обеих подъемных машинах Кнс>5%.
Наметим к установке СРФ на каждую подъемную машину.
Для подъемных машин КС-3:
;
По номограммам рис.8.2.[4] определить возможность
подключения вентильной нагрузки исходя из допустимого уровня коэффициента
несинусоидальности затруднительно, т.к. полученная точка находится на границе зоны
недопустимости установки БК.
Для более точной оценки воспользуемся формулой:
, (6.3)
где ,
(6.4)
Кр=4 при двенадцати пульсной схеме выпрямления
Кр=0 при шести пульсной схеме выпрямления
Для большой подьемной машины:
;
%.
Для малой подьемной машины:
;
%.
СС-3:
Реактивная нагрузка группы преобразователей
;
Допустимое значение реактивной нагрузки группы
преобразователей
;
Реактивная мощность группы преобразователей подлежащая
компенсации
;
6.8. Расчет силовых резонансных
фильтров
Существующая практика применения резонансных фильтров
основывается на использовании комплекта фильтров, настроенных по возможности
точно на частоты гармоник, преобладающих в амплитудном спектре токов нелинейных
нагрузок. Такой подход определялся, главным образом, стремлением снизить
уровень гармоник в сети до минимального значения (теоретически до нуля).
Применение фильтров малой и средней мощности (с отношением мощности батарей
фильтра Qр к мощности короткого замыкания сети Sкз порядка
Кр = Qр/Sкз< 0,01) обусловливало
повышенные требования к точности настройки с целью избежать усиление отдельных
гармоник напряжения в сети, перегрузки фильтров и других неблагоприятных
явлений.
Возрастание удельного веса нелинейных нагрузок, имеющих
низкий коэффициент мощности, привело к необходимости применять в составе
фильтров батареи конденсаторов весьма большой мощности (Кр >0,015), что
позволило значительно снизить требования к точности настройки фильтров. Следует
также отметить, что ущерб, обусловленный высшими гармониками тока и напряжения в
сети максимален при значительных величинах напряжения гармоник и уменьшается в
квадратичной зависимости. Поэтому необходимость полного снижения уровней
гармоник на основе экономических соображений, практически отсутствует;
достаточно снизить их до предела, определяемого техническими требованиями,
например, до значения коэффициента несинусоидальности 5%, допустимого согласно
ГОСТ 13109-67. При таком подходе в рассматриваемом случае (Кр>0,015 )
отпадает необходимость устанавливать большое число фильтров.
Действующее значение основной и высших гармоник
;
где n - порядковый номер гармоники
;
;
;
;
Реактивная мощность преобразователя подлежащая компенсации
Q=7,43/2=3,715МВАр;
По табл.16-19 [6] выбираем конденсатор:
тип КС2-6,3-100-2УЗ
емкость С=8,03мкФ; цена Ц=2,15у.е./кВАр.
Вариант распределения реактивной мощности между фильтрами
Ф11 Q=1,5МВАр – 5 параллельно
включенных конденсаторов в каждой фазе
Ф13 Q=1,5МВАр – 5 параллельно
включенных конденсаторов в каждой фазе
Ф23 Q=0,9МВАр – 3 параллельно
включенных конденсаторов в каждой фазе
Фильтр 25 гармоники не устанавливаем, т.к. имеем
перекомпенсацию реактивной мощности.
Рассмотрим необходимость установки Ф23 гармоники с точки
зрения обоснования точности настройки СРФ.
Ф11 ;
Ф13 ;
Ф23 ;
Т.к. ,
то снижать требования к точности настройки СРФ нельзя и необходимо использовать
все 3 СРФ.
;
6.9. Анормальные гармоники, генерируемые
вентильными преобразователями
При симметрии управляющих импульсов систем
импульсно-фазового управления вентильные преобразователи являются источниками
нечетных высших гармоник тока, которые могут быть найдены по соответствующим
формулам или кривым. При гармоническом анализе кривых линейных токов
управляемых преобразователей в ряде случаев имеет место асимметрия управляющих
импульсов; углы управления a по отдельным каналам системы управления
могут отличаться друг от друга и от установочного значения a на
величину ошибки.
Наличие ошибок углов управления в статическом режиме работы
преобразователя обусловливается разбросом параметров элементов, из которых
собраны устройства импульсно-фазового управления, а также несовершенством
частотных фильтров на входе этих устройств; последнее существенно при питании
их от сети с несинусоидальным напряжением. Появление значительных ошибок возможно
также при некачественной настройке систем импульсно-фазового управления. При
6-фаз-ной схеме в спектре тока преобразователя содержатся как гармоники
канонических порядков (n=5; 7; 11;13 ), так и неканонические, или
анормальные гармоники (n=2; 3; 4; 6; 8; 9; 10...).
Распределение ошибок углов зажигания управляемых вентилей
подчиняется нормальному закону. Это объясняется в первую очередь тем, что на
величину ошибки влияет большое число независимых случайных факторов.
Величины анормальных гармоник тока, генерируемых
вентильными преобразователями, очень малы; они не могут создать значительных
гармоник напряжения в питающей сети.
6.10. Параметры силовых фильтров
Цепи фильтров включаются в звезду с изолированной
нейтралью, соединение в треугольник не применяется из опасения, что перекрытие
изоляции одной фазы конденсаторов, приводящее к междуфазному замыканию, может
вызвать большие повреждения фильтров. К нулевой точке в большинстве случаев
подключаются реакторы; при этом корпусная изоляция конденсаторов имеет
напряжение относительно земли на несколько процентов меньше, чем в случае,
когда к нулевой точке подключены, конденсаторы; это соображение считается
существенным и такое включение является рекомендуемым.
В соответствии с техническими условиями эксплуатации
батарей конденсаторов, принятыми в большинстве европейских стран, длительно
допустимые превышения напряжения и тока сверх номинальных значений лимитируются
некоторыми величинами соответственно Си и Ci (в долях от
номинальных значений). Согласно ГОСТ1282-68 Си ==1,1 и Сi
==1,3; длительные перегрузки конденсаторов приводят к
сокращению срока службы их.
Для конденсаторов, работающих в схемах силовых фильтров,
стремятся не допускать превышения напряжения в сравнении с номинальным
значением (Сu=1) Фазное напряжение промышленной частоты на
зажимах батареи конденсаторов фильтра определяется по формуле
, (6.5)
где Un—фазное напряжение промышленной частоты на шинах
подстанции.
, (6.6)
Коэффициент характеризует степень увеличения напряжения на
батарее, в сравнении с напряжением на шинах за счет последовательного включения
реактора.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13
|