Высшие гармоники напряжения и тока влияют на элементы систем электроснабжения и полосы связи.

Основными формами воздействия высших гармоник на системы электроснабжения являются:

• повышение токов и напряжений высших гармоник вследствие параллельного и поочередного резонансов;
  

• понижение эффективности процессов генерации, передачи, использования электроэнергии;
  

• старение изоляции электрического оборудования и сокращение вследствие этого срока его службы;
  

• неверная работа оборудования.

Воздействие резонансов на системы

Резонансы в системах электроснабжения обычно рассматриваются применительно к конденсаторам, а именно к силовым конденсаторам. При превышении гармониками тока уровней, максимально допустимых для конденсаторов, последние не усугубляют свою работу, но через некое время выходят из строя.

Другой областью, где резонансы могут приводить к выходу из строя частей оборудования, являются системы управления нагрузкой при помощи тональных частот. Для того, чтоб предупредить поглощение сигнала силовыми конденсаторами, их цепи делят настроенным поочередным фильтром (фильтр-«пробка»). В случае местного резонанса гармоники тока в цепи силового конденсатора резко растут, что приводит к отказу настроенного конденсатора поочередного фильтра.

В одной из установок фильтры, настроенные на частоту 530 Гц с проходным током 100 А каждый, блокировали цепь силовой конденсаторной установки, имеющей 15 секций по 65 квар. Конденсаторы этих фильтров вышли из строя через два денька. Предпосылкой оказалось наличие гармоники с частотой 350 Гц, в конкретной близости к которой были обнаружены условия резонанса меж настроенным фильтром и силовыми конденсаторами.

Воздействие гармоник на крутящиеся машины

Гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, также в стали статора и ротора. Утраты в проводниках статора и ротора из-за вихревых токов и поверхностного эффекта при всем этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением.

Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, приводят к дополнительным потерям.

В индукционном движке с ротором со скошенными пазами и пульсирующими магнитными потоками в статоре и роторе высшие гармоники вызывают дополнительные утраты в стали. Величина этих утрат находится в зависимости от угла скоса пазов и черт магнитопровода.

Среднее рассредотачивание утрат от высших гармоник характеризуется последующими данными; обмотки статора 14 %; цепи ротора 41 %; торцевые зоны 19 %; асимметричные пульсации 26 %.

Кроме утрат на асимметричные пульсации их рассредотачивание в синхронных машинах примерно аналогично.

Необходимо подчеркнуть, что примыкающие нечетные гармоники в статоре синхронной машины вызывают в роторе гармонику схожей частоты. К примеру, 5- и 7-я гармоники в статоре вызывают в роторе гармоники тока 6-го порядка, крутящиеся в различные стороны. Для линейных систем средняя плотность утрат на поверхности ротора пропорциональна величине , но из-за различного направления вращения плотность утрат в неких точках пропорциональна величине (I5 + I7)2.

Дополнительные утраты — одно из самых отрицательных явлений, вызываемое гармониками во крутящихся машинах. Они приводят к увеличению общей температуры машины и к местным перегревам, более возможным в роторе. Движки с ротором типа «беличья клеточка» допускают более высочайшие утраты и температуру, чем движки с фазным ротором. Некие управления ограничивают допустимый уровень тока оборотной последовательности в генераторе 10 %, а уровень напряжения оборотной последовательности на вводах индукционных движков 2 %. Допустимость гармоник в данном случае определяют по тому, какие уровни напряжений и токов оборотной последовательности они делают.

Моменты вращения, создаваемые гармониками. Гармоники тока в статоре вызывают надлежащие моменты вращения: гармоники, образующие прямую последовательность в направлении вращения ротора, а образующие оборотную последовательность – в оборотном направлении.

Токи гармоник в статоре машины вызывают движущую силу, приводящую к возникновению на валу крутящих моментов в направлении вращения магнитного поля гармоники. Обычно они очень малы и к тому же отчасти компенсируются из-за обратного направления. Невзирая на это, они могут привести к вибрации вала мотора.

Воздействие гармоник на статическое оборудование, полосы электропередачи. Гармоники тока в линиях приводят к дополнительным потерям электроэнергии и напряжения.

В кабельных линиях гармоники напряжения наращивают воздействие на диэлектрик пропорционально повышению наибольшего значения амплитуды. Это, в свою очередь, наращивает число повреждений кабеля и цена ремонтов.

В линиях сверхвысокого напряжения гармоники напряжения по той же причине могут вызывать повышение утрат на корону.

Воздействия высших гармоник на трансформаторы

Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах повышение утрат на гистерезис и утрат, связанных с вихревыми токами в стали, а так же утрат в обмотках. Сокращается также срок службы изоляции.

Повышение утрат в обмотках более принципиально в преобразовательном трансформаторе, потому что наличие фильтра, присоединяемого обычно к стороне переменного тока, не понижает гармоники тока в трансформаторе. Потому требуется устанавливать огромную мощность трансформатора. Наблюдаются также локальные перегревы бака трансформатора.

Отрицательный нюанс воздействия гармоник на массивные трансформаторы состоит в циркуляции тройного тока нулевой последовательности в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к их перегрузке.

Воздействие высших гармоник на батареи конденсаторов

Дополнительные утраты в электронных конденсаторах приводят к
их перегреву. В общем случае конденсаторы проектируются так, чтоб допускать определенную токовую перегрузку. Конденсаторы, выпускаемые в Англии, допускают перегрузку 15%, в Европе и Австралии – 30%, в США – 80%, в СНГ – 30%. При превышении этих величин, наблюдающихся в критериях завышенных напряжении высших гармоник на вводах конденсаторов, последние перенагреваются и выходят из строя.

Воздействие высших гармоник на устройства защиты энергосистем

Гармоники могут нарушать работу устройств защиты либо усугублять их свойства. Нрав нарушения находится в зависимости от механизма работы устройства. Цифровые реле и методы, основанные на анализе подборки данных либо точки скрещения нуля, в особенности чувствительны к гармоникам.

В большинстве случаев конфигурации черт несущественны. Большая часть типов реле нормально работает при коэффициенте преломления до 20%. Но повышение толики массивных преобразователей в сетях может в дальнейшем поменять ситуацию.

Трудности, возникающие из-за гармоник, различны для обычных и аварийных режимов и ниже рассмотрены раздельно.

Воздействие гармоник в аварийных режимах

Устройства защиты обычно реагируют на
напряжение либо ток основной частоты, а все гармоники в переходном режиме или
отфильтровываются, или не действуют на устройство. Последнее типично для
электромеханических реле, в особенности применяемых в наибольшей токовой защите.
Эти реле имеют огромную инерцию, что делает их фактически не чувствительными к
высшим гармоникам.

Более значимым оказывается воздействие гармоник на работу защиты, строящейся на измерении сопротивлении. Дистанционная защита, в какой делается измерение сопротивлений на основной частоте, может давать значимые ошибки в случае наличия в токе недлинного замыкания высших гармоник (в особенности 3-го порядка). Огромное содержание гармоник обычно наблюдается в случаях, когда ток недлинного замыкания течет через землю (сопротивление земли доминирует в общем сопротивлении контура). Если гармоники не отфильтровываются, возможность неверной работы очень высока.

В случае железного недлинного замыкания в токе преобладает основная частота. Но в связи с насыщением трансформатора появляется вторичное искажение кривой, в особенности в случае большой апериодической составляющей в первичном токе. При всем этом также появляются трудности обеспечения обычной работы защиты.

В установившихся режимах работы нелинейность, связанная с перевозбуждением трансформатора, вызывает только гармоники нечетного порядка. В переходных режимах могут появиться любые гармоники, самые большие амплитуды имеют обычно 2- и 3-я.

Но при правильном проектировании большая часть из перечисленных заморочек
просто разрешаются. Верный выбор оборудования избавляет огромное количество проблем,
связанных с измерительными трансформаторами.

Фильтрация гармоник, в особенности в цифровых защитах, более принципиальна для дистанционных защит. Работы, выполненные в области цифровых методов фильтрации, проявили, что хотя методы таковой фильтрации нередко довольно сложны, получение подходящего результата не представляет особенных проблем.

Воздействие гармоник на системы защиты в обычных режимах работы электронных сетей. Низкая чувствительность устройств защиты к характеристикам режима в обычных критериях обусловливает практическое отсутствие заморочек, связанных с гармониками в этих режимах. Исключение составляет неувязка, связанная с включением в сеть массивных трансформаторов, сопровождающимся видном намагничивающего тока.

Амплитуда пика находится в зависимости от индуктивности трансформатора, сопротивления обмотки и момента времени, в который происходит включение. Остаточный поток в момент перед включением несколько наращивает либо уменьшает амплитуду зависимо от полярности потока по отношению к исходному значению моментального напряжения. Потому что ток на вторичной стороне в течение намагничивания отсутствует, большой первичный ток может вызвать неверное срабатывание дифференциальной защиты.

Более обычным методом исключения неверных срабатываний является внедрение задержки времени, но это может привести к суровому повреждению трансформатора, если катастрофа произойдет во время его включения. На практике нехарактерную для сетей 2-ю гармонику, присутствующую в токе включения, употребляют для блокировки защиты, хотя зашита остается довольно чувствительной к внутренним повреждениям трансформатора во время включения.

Воздействие гармоник на оборудование потребителей

Воздействие высших гармоник на телеки

Гармоники, увеличивающие пик напряжения, могут вызвать преломления изображения и изменение яркости.

Люминесцентные и ртутные лампы. Балластные устройства этих ламп время от времени содержат конденсаторы и при определенных критериях может появиться резонанс, приводящий к выходу ламп из строя.

Воздействие высших гармоник на компы  

Есть пределы на допустимые уровни искажений в сетях, питающих компы и системы обработки данных. В неких случаях они выражаются в процентах от номинального напряжения (для компьютера IВМ — 5%) или в виде дела пика напряжения к действующему значению (СDС устанавливает допустимые его пределы значениями 1,41 ± 0,1).

Воздействие высших гармоник на
преобразовательное оборудование

Вырезы на синусоиде напряжения, возникающие во время коммутации вентилей, могут оказывать влияние на синхронизацию другого подобного оборудования либо устройств, управление которыми осуществляется в момент перехода кривой напряжения нулевого значения.

Воздействие высших гармоник на оборудование с
тиристорно-регулируемой скоростью вращения

На теоретическом уровне гармоники могут оказывать влияние на такое оборудование несколькими методами:

• вырезы на синусоиде напряжения вызывают некорректную работу из-за пропусков зажигания тиристоров;
  

• гармоники напряжения могут вызвать зажигание не в требуемый момент;
  

• возникающий резонанс при наличии различных типов оборудования может привести к перенапряжениям и качаниям машин.
  

Описанные выше воздействия могут ощущаться и другими потребителями, присоединенными к той же сети. Если потребитель не испытывает затруднений с тиристорно-управляемым оборудованием в собственных сетях, он навряд ли окажет воздействие на других потребителей. Потребители, питающиеся от различных шин, на теоретическом уровне могут оказывать влияние друг на друга, но электронная удаленность понижает возможность такового взаимодействия.

Воздействие гармоник на измерение мощности и энергии

Измерительные устройства обычно калибруются при чисто синусоидальном напряжении и наращивают погрешность при наличии высших гармоник. Величина и направление гармоник являются необходимыми факторами, потому что символ погрешности определяется направлением гармоник.

Погрешности измерения, вызываемые гармониками, очень зависят от типа измерительной аппаратуры. Обыденные индукционные счетчики, обычно, завышают показания на несколько процентов (по 6%) при наличии у потребителя источника преломления. Такие потребители оказываются автоматом наказанными за внесение искажений в сеть, потому в их собственных интересах установить надлежащие средства для угнетения этих искажений.

Количественных данных о воздействии гармоник на точность измерения максимума нагрузки нет. Воздействие гармоник на точность измерения максимума нагрузки предположительно такое же, как и на точность измерения энергии.

Четкое измерение энергии независимо от формы кривых тока и напряжения обеспечивается электрическими счетчиками, имеющими более высшую цена.

Гармоники оказывают воздействие и на точность измерения реактивной мощности, которая верно определена только для варианта синусоидальных токов и напряжения, и на точность измерения коэффициента мощности.

Изредка упоминается воздействие гармоник на точность поверки и калибровки устройств в лабораториях, хотя эта сторона вопроса также принципиальна.

Воздействие гармоник на цепи связи

Гармоники в силовых цепях вызывают шумы в цепях связи. Низкий уровень шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть передаваемой инфы пропадает, в предельных случаях связь становится вообщем неосуществимой. В связи с этим при всех технологических конфигурациях систем электроснабжения и систем связи нужно рассматривать воздействие линий электропередачи на полосы телефонной связи.

Воздействие гармоник на шумы в телефонных линиях находится в зависимости от порядка гармоники. В среднем система телефонный аппарат — человеческое ухо имеет функцию чувствительности с наибольшим значением на частоте порядка 1 кГц. Для оценки воздействия разных гармоник на шумы в. телефоне употребляются коэффициенты, представляющие из себя сумму гармоник, взятых с определенными весами. Наибольшее распространение получили два коэффициента: псофометрического взвешивания и С-передачи. 1-ый коэффициент разработан Интернациональным консультативным комитетом по телефонным и телеграфным системам (МККТТ) и употребляется в Европе, 2-ой — Телефонной компанией «Белла» и Эдисоновским электротехническим институтом — употребляется в США и Канаде.

Токи гармоник в 3-х фазах не стопроцентно компенсируют друг дружку из-за неравенства амплитуд и фазовых углов и действуют на телекоммуникации возникающим при всем этом током нулевой последовательности (аналогично токам замыкания на землю и токам в земле от тяговых систем).

Воздействие может быть также вызвано самими токами гармоник в фазах вследствие различия расстояний от фазных проводов до расположенных вблизи линий телекоммуникации.

Эти типы воздействия могут быть уменьшены правильным выбором трасс линий, но при неминуемых пересечениях линий такое воздействие появляется. В особенности очень оно проявляется в случае вертикального расположения проводов полосы электропередачи и при транспозиции проводов полосы связи поблизости от полосы электропередачи.

При огромных расстояниях (более 100 м) меж линиями ток нулевой последовательности оказывается главным влияющим фактором, При понижении номинального напряжения полосы электропередачи воздействие падает, но оно оказывается приметным из-за использования общих опор либо траншей для прокладки силовых линий низкого напряжения и линий связи.