 |
ДОКАЗАНО: В ЭЛЕКТРОСЕТЯХ CУЩЕСТВУЮТ
ВЫСШИЕ ГАРМОНИКИ С ЧАСТОТАМИ СВЫШЕ 2 КГЦ
Опубликованный в нашем журнале материал «Исследователи ждут большего от современных измерительных приборов» («Новости ЭлектроТехники» № 4(28) 2004) вызвал большой интерес у читателей. Одним из первых откликнулся Анатолий Красовский из ОАО ВНИПИ «Тяжпромэлектропроект»:
«В статье приведены осциллограммы напряжений с составляющими высших гармоник 59, 61, 71 и 73-й. Эти гармоники выше возможностей анализаторов сети, выполненных в соответствии с ГОСТ 13109-97 (до 40-й включительно). Нами зарегистрированы осциллограммы напряжений и токов на выходе статического источника бесперебойного питания (UPS) с составляющими высших гармоник тока 158, 160, 162-й. Источник гармоник – транзисторные устройства UPS с частотой коммутации 8 кГц. Для их измерения потребовалось дорабатывать стандартное программное обеспечение. Так какими же должны быть анализаторы сети?»
Мы обратились к авторам материала, которые подтвердили, что проблема существования в электрических сетях промышленных предприятий таких гармоник имеется и, к сожалению, пока не решена. Для этого законодателям необходимо внести изменения в нормативные документы, а производителям измерительных приборов – усовершенствовать свою продукцию.
Леонид Кучумов,
проф. СПбГПУ,
Антон Кузнецов,
доцент СПбГПУ,
Михаил Сапунов,
инженер,
ЗАО «НПФ «Энергосоюз»,
г. Санкт-Петербург
Российский ГОСТ 13109-97 при оценке качества напряжения разрешает учитывать только целочисленные гармоники до 40-го порядка по отношению к основной частоте 50 Гц, то есть до 2 кГц. Это положение стандарта представляется ошибочным.
В работе [1] на рис. 3 приводился пример осциллограммы напряжений в сети 10 кВ с вентильным электроприводом прокатного стана. Частота измерений здесь была равна 10 кГц, когда при разложении в ряд Фурье можно выделить предельную 100-ю гармонику частоты 5 кГц. Наблюдались гармоники кратности 60–80 с амплитудой до 15%, тогда как коэффициент несинусоидальности напряжения, рассчитанный по ГОСТ, равен
 .
Коэффициент несинусоидальности в этой сети, рассчитанный с учетом всех гармоник, равен
 ,
а долевой вклад высших гармоник кратности >40 составил
 .
Здесь и далее приводятся усредненные по трем фазам значения коэффициентов.
Анатолий Красовский приводит сведения об опасных гармонических возмущениях на еще больших частотах в 7,9–8,1 кГц (158–162-я гармоники).
Заметим, что возмущения на частотах 9 кГц – 30 МГц традиционно изучаются специалистами по связи, причем CISPR (Интернациональный Комитет по Радиопомехам) накладывает соответствующие нормативные ограничения на напряжения и токи больших частот. Предполагается, что диапазон 2–9 кГц должен контролироваться специалистами электрических систем. Но этого не произошло, очевидно, вследствие относительно малого количества наблюдавшихся экстремальных ситуаций, требующих решения, и явной неподготовленности парка измерительных приборов.
Приведем ряд дополнительных примеров, показывающих проблемы в работе электрооборудования из-за наличия гармоник с порядковым номером n>40.
Пример первый
На рис. 1 показаны мгновенные значения и гармонические спектры фазных напряжений в одной из сетей 6 кВ, питающей 12-пульсные выпрямители преобразователей частоты мощностью 4 МВт. Высокочастотные колебания напряжения приводят к сбоям в работе находящихся в сети электронных приборов (компьютеров, цифровых реле и электросчетчиков), создают телефонные помехи.
Спектр напряжений, рассчитанный до частоты 10 кГц (fизм = 20 кГц), явно имеет гармоники с частотой более 200-й кратности. Если бы приводились измерения прибором, ориентированным на учет гармоник до 40-й, то пользователь зафиксировал бы коэффициент искажения синусоидальности напряжения KU ГОСТ=4,6% (близкое к норме ГОСТ значение) с небольшим превышением допустимых уровней для 35 и 37-й гармоник. Но действующее значение коэффициента искажения синусоидальности в действительности составляет
 .
а доля гармоник порядков n>40 превышает допустимое по ГОСТ значение для низкочастотного диапазона n = 2–40 (KU n>40 = 10,2%).
Главной причиной появления столь высокочастотных гармоник (рис. 1), подтвержденных математическим моделированием процессов в данной сети, является относительно малая величина емкостной проводимости изоляции в сочетании с наличием высокочастотных возмущений от управляемых тиристорных преобразователей (см. рис. 2).
При относительно малой в данном случае нагрузке преобразователей (около 25%) наблюдаются близкие к нолю углы коммутации и большие di/dt. Двенадцать раз на периоде возникают резкие срезы обратных токов тиристоров, в результате чего спектр гармонических возмущений по току не затухает и на 200-й гармонике. Недопустимые гармонические возмущения наблюдались и при нагрузке, приближающейся к номинальной, несмотря на увеличение углов коммутации.
Рис. 1
Фазные
напряжения в сети
с нагрузкой преобразователей
частоты
и их спектры
 .
 .
Рис. 2
Токи нагрузки, приводящие
к показанным
на рис. 1
возмущениям напряжения
 .
 .
Пример второй
На рис. 3 показаны спектры напряжения в сети 6 кВ завода, где работают выполненные с 12-пульсными выпрямителями электропечи высокочастотного нагрева мощностью 5 МВА фирмы АВВ. При изменениях нагрузки печи за счет переключения ступеней регулирования (их всего 14) наблюдаются существенные изменения гармонических спектров токов и напряжений. При относительно невысоких величинах показателя KU ГОСТ имеем недопустимо большие коэффициенты KU и KUn>40, особенно при работе на ступенях с малой нагрузкой. Выполнить такой подробный анализ гармоник оказалось возможным с использованием осциллографа-анализатора «НЕВА-ИПЭ» [1].
Рис. 3
Зависимость спектров напряжений в сети 6 кВ от режима работы электропечи с частотным преобразователем
 .
На основании изложенного можно сделать следующие выводы:
1. ГОСТ 13109-97 должен быть дополнен разделом, посвященным нормированию гармоник в диапазоне 2–9 кГц. К этой ответственной работе следует приступить как можно скорее.
2. Разработчикам приборов ПКЭ необходимо расширить диапазон измеряемых гармоник.
3. Следует рекомендовать исследователям при возникновении подозрений на существование недопустимых высокочастотных помех использовать для измерений различного рода осциллографы и специализированные алгоритмы обработки измеренных сигналов.
4. Необходимо активизировать исследовательские работы по поиску рациональных путей подавления высокочастотных помех.
Литература
1. Кучумов Л. А., Кузнецов А. А., Сапунов М. В. Исследователи ждут большего от современных измерительных при-
боров // Новости Электротехники. – 2004. – № 4. – С. 64–66.
| 
|
