К.т.н. Пантєлєєва І.В., к.пед.н. Олійник Ю.С.

Українська інженерно-педагогічна академія, м. Харків, Україна

аналіз впливу вищих гармонік на якість електричної енергії

В електроенергетиці мають місце ринкові відносини, що призводить до обов’язкового дотримання показників якості електроенергії: з однієї сторони, за рахунок однієї сертифікації електроенергії, а з іншого боку – за рахунок рознесення частки відповідальності між поставщиками електроенергії та її споживачами за погіршення якості електроенергії. Ця задача не має законодавчого та технічного розв’язання, та економічного обґрунтування.

Одним з традиційних способів зниження несинусоїдальності кривих струму та напруги є використання пасивних фільтрів. Пасивні фільтри – це LC- ланцюги, які настроєні на резонанс на частоті вищих гармонік. Головною перевагою пасивних фільтрів є низька вартість. Однак, наявність ряду серйозних недоліків таких, як низька добротність, технологічний розброс параметрів реакторів та конденсаторів фільтру, можливість виникнення небезпечних резонансних явищ та негативний вплив на перехідні процеси в системі електропостачання при установці фільтрів призвели до значного скорочення та обмеження використання пасивних фільтрів.

З розвитком електроніки з’явилася можливість створення активних фільтрів вищих гармонік. Активний фільтр, який має у своїй основі чотирьох квадратний перетворювач на повністю управляємих силових напівпровідникових приладах, забезпечує високу ефективність фільтрації вищих гармонік. Однак, широке використання активних фільтрів обмежує їх висока вартість, яка пов’язана з встановленою потужністю. У зв’язку з цим, найбільш перспективним напрямком є розробка силових управляємих фільтрів, які представляють собою комбінацію пасивного фільтру та активного елементу (регулятору) на базі малопотужного активного фільтру. Практика використання показує, що є необхідність фільтрації однієї або декількох вищих гармонійних складових системи електропостачання. Силовий управляємий фільтр не має недоліків пасивного фільтру, та дозволяє вирішити задачу зниження рівнів вищих гармонік при суттєво меншій вартості пристрою у порівнянні з активним фільтром [4, 6].

Особливо важним спектром, який не враховується у багатьох розробках, є функціонування силового управляємого фільтру у перехідних режимах роботи СЕП, наприклад, при підключенні або відключенні споживачів. В результаті, не дивлячись на ефективну фільтрацію на частоті настроювання у встановленому (статичному) режимах СЕП, регулятор негативно впливає на перехідний процес у СЕП. Це пов’язано з протиріччю вимог до регулятору у статичних та динамічних режимах роботи систем електропостачання.

Таким чином, необхідна корекція параметрів системи управління активного елементу у динамічних режимах, при цьому повністю знешкоджує недоліки пасивного фільтру у статичних режимах роботи СЕП.

Причиною перевищення допустимих значень напруги ВГ відповідності до «Правил використання знижок» може бути споживач або мережа. Діючі правила містять наступну інформацію: причиною порушення якості електроенергії може бути споживач, якщо його фактична складова величин К_у та К_и(п) перевищує допустимі значення. Ця величина визначається результатами порівняння цих величин при споживачі, який спочатку відключений, а потім – підключений до мережі. Зроблені раніше опрацювання вимірювань режимів ВГ в мережах високої напруги свідчать про те, що зміни визначених коефіцієнтів К_у та К_и(п) при підключенні нелінійних навантажень не відповідають правилам [3, 4].

Нормативно-технічна документація, яка сформульована з врахуванням властивостей несинусоїдальних режимів в промислових електричних мережах, не враховує властивості несинусоїдальних режимів в електричних мережах високої напруги з продовженими лініями електропередач (ЛЕП). В промислових мережах опір мережі визначається опором трансформаторів, що живляться. Нелінійні навантаження розташовані близько один від одного, фази напруг основної гармоніки для різних нелінійних навантажень близькі. В мережах з продовженими ЛЕП опір у вузлі мережі у значній мірі залежить від опорів ЛЕП. Нелінійні навантаження віддалені один від іншого на великі відстані, фази напруг у вузлах підключення дуже розрізняються, в коефіцієнтах розподілення струмів в мережах з продовженими лінями з’являється хвильовий ефект [2, 3, 4-6]. Визначення причини спотворення напруги у вузла мережі з продовженими ЛЕП важко, оскільки підключення нелінійного споживача може зменшити рівні напруги ВГ у вузлі та поліпшити якість електричної енергії на відміну від промислових мереж. Тому необхідно вивчення властивостей режимів ВГ в мережах високої напруги з метою врахування їх у нормативних документах.

Питання техніки вимірювання режимів ВГ та аналізу відповідності режимів ВГ нормативним вимогам детально розглянуті у [3, 4, 6]. Для вимірювання якості електричної енергії наразі використовуються вимірювальні комплекси "Омск", ППКЭ-50, ЭРИС-КЭ та інші. Вимірювальні комплекси дозволяють дослідити із заданим інтервалом часу режими навантажень та параметри показників якості електричної енергії, у тому числі ВГ та створювати архіви таких вимірювань. Використання вимірювальних комплексів створило умови для статичного аналізу режимів ВГ мережі і струмів нелінійних навантажень. У повному обсязі особливості несинусоїдальних режимів в мережах високої напруги з продовженими ЛЕП виявилися після появи вимірювально-розрахункового комплексу «Омськ». Комплекс дозволив протягом доби здійснювати вимірювання параметрів несинусоїдальних режимів – струмів та напруг ВГ, зберегти, а потім опрацювати вимірювальну інформацію. По результатам вимірювань, які проводилися з 1994 року, було встановлено наступні факти:

- Рівні напруги ВГ швидко та у значній мірі змінюються, наприклад, протягом 10 хвилин вони можуть змінитися за величиною більше ніж у 3 рази;

- У фазах мережі рівні напруг ВГ значно відрізняються між собою;

- При комутаціях в схемі і змінах режиму на основній частоті рівні наруг ВГ можуть змінюватися на досить значну величину;

- Високі ріні напруг ВГ можуть виникати у вузлах мережі, які віддалені від місць комутації на великі відстані;

- Спотворення, які вносяться одно типовими нелінійними навантаженнями в мережу, можуть у значній мірі відрізнятися один від іншого;

З врахуванням використання вимірювальних комплексів для вимірювання режимів ВГ заявилася можливість визначення статистичних параметрів режимів ВГ мережі і навантажень з метою використання при розрахунках.

Причиною несинусоїдальних режимів в електричних мережах є нелінійні споживачі з нелінійною вольт-амперної характеристикою. До мереж високої напруги підключено ватаго таких споживачів, у тому числі великої потужності: тягові підстанції залізниці, алюмінієві заводи, металургійні виробництва та інші. Споживання електричної енергії нелінійними споживачами супроводжується спотворенням форм кривих струмів та напруг, що призводить до погіршення якості електричної енергії.

Збільшені рівнів напруг ВГ є причиною багатьох негативних наслідків: збільшення втрат електричної енергії, пошкодження та зменшення тривалості роботи обладнання, порушення роботи систем управління, автоматики, захисту, неправильна робота лічильників електроенергії та інше.

Необхідною умовою успішної роботи системи загального електропостачання є забезпечення якості електричної енергії (ЯЕ) у вузлах підключення споживачів. Питання забезпечення відносяться до проблеми електромагнітної сумісності електричної мережі та споживачів, що до неї підключені. Показники ЯЕ регламентуються ДСТ 13109-97 [1]. До показників ЯЕ входять коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої напруги К_и та коефіцієнти гармонійних складових напруги К_и(п). Для цих величин нормуються нормально допустимі значення і гранично допустимі значення. Нормально допустимі та гранично допустимі значення величини К_и для мереж загального призначення наведені у [1]. Нормально допустимі значення для К_и(п) наведені у [1]. Гранично допустимі значення величин К_и(п) перевищують нормально допустимі значення у 1,5 раз.

ЛІТЕРАТУРА:

1. ГОСТ 13109-97. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. - М.: 1997,-60 с.

2. Аррилага Д., Брэдли Д., Боджер П. Гармоники в электрических системах. -М.: Энергоатомиздат, 1990. 320 с.

3. Жежеленко И. В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. М.: Энергоатомиздат. 1984.

4. Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения пром. предприятий. М.: Энергоатомиздат, 2000. - 331 с.

5. Зак Л. Статистическое оценивание. Пер. с нем. М.: Статистика, 1976. -598 с.

6. Правило устройства электроустановок / Минэнерго СССР. М.: Энергоатомиздат, 1986.-424с.