Augstāku sprieguma un strāvas harmoniku ietekme uz elektroiekārtu darbību

Augstāka sprieguma un strāvas harmonikas ietekmē energosistēmu un sakaru līniju elementus.

Galvenās augstāko harmoniku ietekmes formas uz energosistēmām ir:

• augstāku harmoniku strāvu un spriegumu palielināšanās paralēlas un virknes rezonanses dēļ;

• elektroenerģijas ražošanas, pārvades, izmantošanas procesu efektivitātes samazināšana;

• elektroiekārtu izolācijas novecošana un līdz ar to tās kalpošanas laika samazināšanās;

• nepareiza iekārtas darbība.

Rezonanses ietekme uz sistēmām

Rezonanse energosistēmās parasti tiek uzskatīta par kondensatoriem, īpaši jaudas kondensatoriem. Ja strāvas harmonikas pārsniedz maksimālos pieļaujamos kondensatoru līmeņus, pēdējie nepasliktina savu darbību, bet pēc kāda laika sabojājas.

Vēl viena joma, kurā rezonanse var izraisīt aprīkojuma bojājumus, ir virstoņu slodzes kontroles sistēmas. Lai signāls netiktu absorbēts jaudas kondensatoros, to ķēdes ir atdalītas ar noregulētu sērijas filtru (filtrs-«notch»). Vietējās rezonanses gadījumā strāvas harmonikas jaudas kondensatora ķēdē strauji palielinās, kas izraisa sērijas filtra noregulētā kondensatora bojājumus.

Vienā no instalācijām filtri, kas noregulēti uz 530 Hz frekvenci ar 100 A caurlaides strāvu, bloķēja katru jaudas kondensatora ķēdi, kurai bija 15 sekcijas ar 65 kvar. Kondensatori šie filtri neizdevās pēc divām dienām. Iemesls bija harmonikas klātbūtne ar frekvenci 350 Hz, kuras tiešā tuvumā tika izveidoti rezonanses apstākļi starp noregulēto filtru un jaudas kondensatoriem.

Harmoniku ietekme uz rotējošām mašīnām

Sprieguma un strāvas harmonikas rada papildu zudumus statora tinumos, rotora ķēdēs un statora un rotora tēraudā. Zudumi statora un rotora vadītājos virpuļstrāvu un virsmas efekta dēļ ir lielāki par tiem, ko nosaka omiskā pretestība.

Noplūdes strāvas, ko rada harmonikas statora un rotora gala zonās, rada papildu zudumus.

Konusveida rotora indukcijas motorā ar pulsējošu magnētisko plūsmu statorā un rotorā augstākās harmonikas rada papildu zudumus tēraudā. Šo zudumu lielums ir atkarīgs no spraugu slīpuma leņķa un magnētiskās ķēdes īpašībām.

Augstāko harmoniku radīto zudumu vidējo sadalījumu raksturo šādi dati; statora tinums 14%; rotoru ķēdes 41%; beigu zonas 19%; asimetrisks vilnis 26%.

Izņemot asimetrisko viļņu zudumus, to sadalījums sinhronajās mašīnās ir aptuveni vienāds.

Jāņem vērā, ka blakus esošās nepāra harmonikas sinhronās mašīnas statorā izraisa tādas pašas frekvences harmonikas rotorā. Piemēram, 5. un 7. harmonika statorā izraisa 6. kārtas strāvas harmonikas rotorā, kas griežas dažādos virzienos. Lineārām sistēmām vidējais zudumu blīvums uz rotora virsmas ir proporcionāls vērtībai, bet atšķirīgā griešanās virziena dēļ zudumu blīvums dažos punktos ir proporcionāls vērtībai (I5 + I7) 2.

Papildu zudumi ir viena no negatīvākajām parādībām, ko rada harmonikas rotējošās mašīnās. Tie izraisa iekārtas kopējās temperatūras paaugstināšanos un lokālu pārkaršanu, visticamāk, rotorā. Vāveres sprostu motori nodrošina lielākus zudumus un temperatūru nekā tinuma rotora motori. Dažas vadlīnijas ierobežo pieļaujamo negatīvās secības strāvas līmeni ģeneratorā līdz 10% un negatīvās secības sprieguma līmeni asinhronā motora ieejās līdz 2%. Harmoniku pielaidi šajā gadījumā nosaka tas, kādus negatīvās secības spriegumu un strāvu līmeņus tie rada.

Griezes momenti, ko rada harmonikas. Strāvas harmonikas statorā rada atbilstošus griezes momentus: harmonikas veido pozitīvu secību rotora griešanās virzienā un apgrieztu secību pretējā virzienā.

Harmoniskās strāvas iekārtas statorā rada dzinējspēku, kas noved pie griezes momentu parādīšanās uz vārpstas harmoniskā magnētiskā lauka griešanās virzienā. Tie parasti ir ļoti mazi un arī ir daļēji izlīdzināti pretējā virziena dēļ. Tomēr tie var izraisīt motora vārpstas vibrāciju.

Harmoniku ietekme uz statiskām iekārtām, elektropārvades līnijām. Strāvas harmonikas līnijās rada papildu elektroenerģijas un sprieguma zudumus.

Kabeļu līnijās sprieguma harmonikas palielina ietekmi uz dielektriķi proporcionāli amplitūdas maksimālās vērtības pieaugumam. Tas savukārt palielina kabeļu bojājumu skaitu un remonta izmaksas.

Tā paša iemesla dēļ EHV līnijās sprieguma harmonikas var izraisīt korona zudumu pieaugumu.

Augstāko harmoniku ietekme uz transformatoriem

Sprieguma harmonikas izraisa histerēzes zudumu un virpuļstrāvas zudumu pieaugumu tēraudā transformatoros, kā arī tinumu zudumus. Samazinās arī izolācijas kalpošanas laiks.

Tinumu zudumu palielināšanās ir vissvarīgākā pazeminošā transformatorā, jo filtra klātbūtne, kas parasti ir savienota ar maiņstrāvas pusi, nesamazina strāvas harmonikas transformatorā. Tāpēc ir nepieciešams uzstādīt lielu jaudas transformatoru. Tiek novērota arī transformatora tvertnes lokāla pārkaršana.

Negatīvs harmoniku ietekmes aspekts uz lieljaudas transformatoriem ir trīskāršās nulles secības strāvas cirkulācija trīsstūra savienotajos tinumos. Tas viņus var pārņemt.

Augstāko harmoniku ietekme uz kondensatoru bankām

Papildu zudumi elektriskajos kondensatoros izraisa to pārkaršanu. Kopumā kondensatori ir paredzēti, lai izturētu noteiktu strāvas pārslodzi. Lielbritānijā ražotie kondensatori pieļauj 15% pārslodzi, Eiropā un Austrālijā - 30%, ASV - 80%, NVS - 30%. Ja šīs vērtības tiek pārsniegtas, ja tiek novērots paaugstināts augstāku harmoniku spriegums pie kondensatoru ieejām, pēdējie pārkarst un sabojājas.

Augstāko harmoniku ietekme uz energosistēmu aizsardzības ierīcēm

Harmonikas var traucēt aizsargierīču darbību vai pasliktināt to darbību. Pārkāpuma raksturs ir atkarīgs no ierīces darbības principa. Digitālie releji un algoritmi, kuru pamatā ir diskretizēta datu analīze vai nulles šķērsošanas analīze, ir īpaši jutīgi pret harmonikām.

Visbiežāk īpašību izmaiņas ir nelielas. Lielākā daļa releju veidu normāli darbosies līdz 20% kropļojuma līmenim. Tomēr jaudas pārveidotāju īpatsvara palielināšana tīklos var mainīt situāciju nākotnē.

Problēmas, kas rodas no harmoniskām normālām un avārijas režīmiem, atšķiras, un tās ir apskatītas atsevišķi turpmāk.

Harmoniku ietekme avārijas režīmos

Aizsardzības ierīces parasti reaģē uz pamatfrekvences spriegumu vai strāvu, un visas pārejas harmonikas tiek filtrētas vai neietekmē ierīci. Pēdējais ir raksturīgs elektromehāniskajiem relejiem, īpaši izmantots pārslodzes aizsardzībā. Šiem relejiem ir augsta inerce, kas padara tos praktiski nejutīgus pret augstākām harmonikām.

Nozīmīgāka ir harmoniku ietekme uz aizsardzības veiktspēju, pamatojoties uz pretestības mērījumiem. Attāluma aizsardzība, kur pretestība tiek mērīta pamatfrekvenci, var radīt būtiskas kļūdas augstāku harmoniku klātbūtnē īssavienojuma strāvā (īpaši 3. kārtas). Augsts harmonikas saturs parasti tiek novērots, kad īsslēguma strāva plūst caur zemi (zemes pretestība dominē kopējā cilpas pretestībā). Ja harmonikas netiek filtrētas, nepareizas darbības iespējamība ir ļoti augsta.

Metāla īssavienojuma gadījumā strāvā dominē pamata frekvence. Tomēr transformatora piesātinājuma dēļ rodas sekundārās līknes kropļojumi, īpaši lielas līdzstrāvas komponentes gadījumā primārajā strāvā. Šajā gadījumā ir arī problēmas ar aizsardzības normālas darbības nodrošināšanu.

Stabila stāvokļa darbības apstākļos nelinearitāte, kas saistīta ar transformatora pārmērīgu ierosmi, izraisa tikai nepāra kārtas harmonikas. Pārejas režīmos var rasties visa veida harmonikas, un lielākās amplitūdas parasti ir 2. un 3.

Tomēr ar pareizu dizainu lielākā daļa no uzskaitītajām problēmām ir viegli atrisināmas. Pareiza aprīkojuma izvēle novērš daudzas grūtības, kas saistītas ar transformatoru mērīšanu.

Harmoniskā filtrēšana, īpaši digitālajās aizsardzībās, ir vissvarīgākā attāluma aizsardzībai. Digitālās filtrēšanas metožu jomā veiktais darbs ir parādījis, ka, lai gan šādas filtrēšanas algoritmi bieži ir diezgan sarežģīti, vēlamā rezultāta iegūšana nesagādā īpašas grūtības.

Harmoniku ietekme uz aizsargsistēmām elektrisko tīklu normālos darbības režīmos. Aizsargierīču zemā jutība pret režīma parametriem normālos apstākļos noved pie tā, ka šajos režīmos praktiski nav problēmu, kas saistītas ar harmonikām. Izņēmums ir problēma, kas saistīta ar jaudīgu transformatoru iekļaušanu tīklā, ko papildina magnetizējošās strāvas pārspriegums.

Pīķa amplitūda ir atkarīga no transformatora induktivitātes, tinuma pretestības un ieslēgšanas brīža. Atlikušā plūsma brīdī pirms ieslēgšanas nedaudz palielina vai samazina amplitūdu atkarībā no plūsmas polaritātes attiecībā pret momentānā sprieguma sākotnējo vērtību. Tā kā magnetizācijas laikā sekundārajā pusē nav strāvas, liela primārā strāva var izraisīt nepatiesu diferenciālās aizsardzības atslēgšanos.

Vienkāršākais veids, kā izvairīties no viltus trauksmes, ir izmantot laika aizkavi, taču tas var izraisīt nopietnus transformatora bojājumus, ja notiek avārija, kad tas ir ieslēgts. Praksē aizsardzības bloķēšanai tiek izmantota otrā ieslēgšanas strāvā esošā, tīkliem neraksturīgā harmonika, lai gan aizsardzība ieslēgšanas laikā saglabājas diezgan jutīga pret transformatora iekšējiem bojājumiem.

Harmoniku ietekme uz patērētāju aprīkojumu

Augstāko harmoniku ietekme uz televizoriem

Harmonikas, kas palielina maksimālo spriegumu, var izraisīt attēla kropļojumus un spilgtuma izmaiņas.

Luminiscences un dzīvsudraba spuldzes. Šo lampu balasti dažkārt satur kondensatorus, un noteiktos apstākļos var rasties rezonanse, kā rezultātā lampa var sabojāties.

Augstāko harmoniku ietekme uz datoriem

Ir noteikti ierobežojumi pieļaujamajiem kropļojumu līmeņiem tīklos, kas darbina datorus un datu apstrādes sistēmas. Dažos gadījumos tos izsaka procentos no nominālā sprieguma (datoram IVM - 5%) vai maksimālā sprieguma attiecības veidā pret vidējo vērtību (CDC nosaka pieļaujamās robežas 1,41 ± 0,1).

Augstāko harmoniku ietekme uz pārveidošanas aprīkojumu

Sinusoidālā sprieguma robi, kas rodas vārsta pārslēgšanas laikā, var ietekmēt citu līdzīgu iekārtu vai ierīču laiku, kuras tiek kontrolētas nulles sprieguma līknes laikā.

Augstāku harmoniku ietekme uz tiristoru kontrolētu ātruma aprīkojumu

Teorētiski harmonikas var ietekmēt šādu aprīkojumu vairākos veidos:

• sinusoidālā viļņa robi izraisa darbības traucējumus tiristoru nepareizas aizdedzes dēļ;

• sprieguma harmonikas var izraisīt aizdedzes izlaidumus;

• radošā rezonanse dažāda veida iekārtu klātbūtnē var izraisīt mašīnu pārspriegumus un vibrācijas.

Iepriekš aprakstīto ietekmi var izjust citi lietotāji, kas ir savienoti ar to pašu tīklu. Ja lietotājam nav grūtību ar tiristoru vadāmām iekārtām savos tīklos, maz ticams, ka tas ietekmēs citus lietotājus. Patērētāji, kurus darbina dažādas kopnes, teorētiski var viens otru ietekmēt, taču elektriskais attālums samazina šādas mijiedarbības iespējamību.

Harmoniku ietekme uz jaudas un enerģijas mērījumiem

Mērierīces parasti tiek kalibrētas uz tīru sinusoidālu spriegumu un palielina nenoteiktību augstāku harmoniku klātbūtnē. Harmoniku lielums un virziens ir svarīgi faktori, jo kļūdas zīmi nosaka harmoniku virziens.

Harmoniku radītās mērījumu kļūdas ir ļoti atkarīgas no mērinstrumentu veida. Parastie indukcijas skaitītāji parasti pārvērtē rādījumus par dažiem procentiem (katrs 6%), ja lietotājam ir izkropļojumu avots. Šādi lietotāji tiek automātiski sodīti par traucējumu ieviešanu tīklā, tāpēc viņu pašu interesēs ir izveidot atbilstošus līdzekļus šo traucējumu novēršanai.

Nav kvantitatīvu datu par harmoniku ietekmi uz maksimālās slodzes mērījumu precizitāti. Tiek pieņemts, ka harmoniku ietekme uz maksimālās slodzes mērījuma precizitāti ir tāda pati kā uz enerģijas mērījuma precizitāti.

Precīzu enerģijas mērīšanu neatkarīgi no strāvas un sprieguma līkņu formas nodrošina elektroniskie skaitītāji, kuru izmaksas ir augstākas.

Harmonikas ietekmē gan reaktīvās jaudas mērīšanas precizitāti, kas ir skaidri noteikta tikai sinusoidālo strāvu un spriegumu gadījumā, gan jaudas koeficienta mērījuma precizitāti.

Harmoniku ietekme uz instrumentu pārbaudes un kalibrēšanas precizitāti laboratorijās tiek pieminēta reti, lai gan arī šis lietas aspekts ir svarīgs.

Harmoniku ietekme uz sakaru ķēdēm

Strāvas ķēžu harmonikas rada troksni sakaru ķēdēs.Zems trokšņa līmenis rada zināmu diskomfortu, jo tas palielinās, tiek zaudēta daļa pārraidītās informācijas, ārkārtējos gadījumos saziņa kļūst pilnīgi neiespējama. Šajā sakarā ar jebkādām tehnoloģiskām izmaiņām elektroapgādes un sakaru sistēmās ir jāņem vērā elektropārvades līniju ietekme uz telefona līnijām.

Harmoniku ietekme uz telefona līnijas troksni ir atkarīga no harmoniku secības. Vidēji tālrunim - cilvēka ausij ir jutīguma funkcija ar maksimālo vērtību ar frekvenci 1 kHz. Novērtēt dažādu harmoniku ietekmi uz troksni c. tālrunis izmanto koeficientus, kas ir harmoniku summa, kas ņemta ar noteiktiem svariem.Visizplatītākie ir divi koeficienti: psofometriskā svēršana un C-pārraide. Pirmo faktoru izstrādāja Starptautiskā telefona un telegrāfa sistēmu konsultatīvā komiteja (CCITT), un to izmanto Eiropā, otro — Bella Telephone Company un Edison Electrotechnical Institute — izmanto Amerikas Savienotajās Valstīs un Kanādā.

Harmoniskās strāvas trijās fāzēs pilnībā nekompensē viena otru amplitūdu un fāzes leņķu nevienlīdzības dēļ un ietekmē telekomunikācijas ar iegūto nulles secības strāvu (līdzīgi kā zemējuma defektu strāvām un zemējuma strāvām no vilces sistēmām).

Ietekmi var izraisīt arī harmoniskās strāvas pašās fāzēs, jo atšķiras attālumi no fāzes vadiem līdz tuvējām telekomunikāciju līnijām.

Šāda veida ietekmi var mazināt, pareizi izvēloties līnijas pēdas, bet neizbēgamu līniju šķērsošanas gadījumā šāda ietekme rodas.Īpaši spēcīgi tas izpaužas elektrolīnijas vadu vertikālā izkārtojuma gadījumā un sakaru līnijas vadu transponēšanas gadījumā elektrolīnijas tuvumā.

Lielos attālumos (vairāk nekā 100 m) starp līnijām galvenais ietekmējošais faktors izrādās nulles secības strāva. Samazinoties elektrolīnijas nominālajam spriegumam, ietekme samazinās, bet tā izrādās pamanāma, jo zemsprieguma elektropārvades līniju un sakaru līniju ieguldīšanai tiek izmantoti kopēji balsti vai tranšejas.