Снижение гармонических искажений: Практическое руководство для надежных энергосистем

Гармонические искажения — одна из тех проблем качества электроэнергии, которые редко заявляют о себе. Двигатели нагреваются немного сильнее, нейтральные проводники пропускают больший ток, чем ожидалось, конденсаторные батареи рано выходят из строя, а электронное оборудование отключается по причинам, которые не сразу очевидны. К тому времени, когда кто-то спрашивает о смягчении гармонических искажений, симптомы часто развиваются в течение нескольких месяцев.

Смягчение редко представляет собой отдельный продукт или однострочное исправление. Это последовательность измерений, проектирования системы, выбора оборудования и ввода в эксплуатацию. Хорошей новостью является то, что проблема хорошо изучена, и большинство установок можно вернуть в стабильное состояние без замены всей системы распределения.

Что гармонические искажения делают с системой

Нелинейные нагрузки потребляют ток короткими импульсами, а не плавными синусоидальными волнами. Частотно-регулируемые приводы, выпрямители, источники бесперебойного питания, драйверы светодиодов, дуговые печи и многие виды офисного и заводского оборудования вносят свой вклад. Результирующий сигнал тока содержит частоты, кратные основной частоте источника питания. Эти дополнительные частоты и есть гармоники.

Наиболее распространенной мерой является полное гармоническое искажение или THD. Высокий показатель THD является предупреждением, но не диагнозом. Порядок гармоник, сопротивление источника питания и расположение нагрузки — все имеет значение. Проблема пятой гармоники ведет себя иначе, чем проблема высокочастотных пульсаций, и оборудование для подавления должно соответствовать реальному спектру.

Если оставить их в покое, гармонические искажения увеличивают потери в трансформаторе и кабелях, нагревают обмотки, создают нагрузку на изоляцию, перегружают нейтральные проводники в трехфазных четырехпроводных системах и могут привести к выходу из строя конденсаторных батарей. Это также может привести к нежелательным срабатываниям выключателя, неточным измерениям и слышимому шуму. Цена – это не только потеря энергии; это сокращение срока службы оборудования и непредвиденные простои.

Начните с измерений, а не с оборудования

Прежде чем выбирать фильтр или реактор, запишите систему. Анализатор качества электроэнергии должен регистрировать гармоники напряжения и тока в точках общего соединения и на главных фидерах, которые обслуживают нелинейные нагрузки. По возможности запечатлейте полный производственный цикл, включая выходные и смены. Уровни гармоник часто меняются в зависимости от нагрузки, и показания в одной точке могут ввести в заблуждение.

Используйте опрос для определения доминирующих порядков гармоник, существующей коррекции коэффициента мощности, импеданса трансформатора и любого риска резонанса. Конденсаторная батарея, которая выглядит безобидной в синусоидальной системе, может усиливать гармонический ток и создавать серьезное перенапряжение. Вот почему уменьшение гармонических искажений следует начинать с исследования, а не с заказа по каталогу. Более широкий взгляд на симптомы и причины можно найти в нашей статье о проблемы качества электроэнергии на промышленных предприятиях проходит через общие закономерности.

Основные варианты смягчения последствий и где они подходят

Не существует универсального лучшего метода. Пассивные фильтры, реакторы, активные компенсаторы и улучшенные характеристики трансформатора решают разные части проблемы. В таблице ниже сравниваются практические варианты, не делая вид, что одна строка применима к каждому сайту.

Правильный микс обычно сочетает в себе два или три такта. Уменьшить гармоники в приводе дешевле, чем очистить их на главной шине, а защитить конденсаторную батарею дешевле, чем ее заменить.

Фильтры и реакторы: сопоставьте устройство со спектром

Пассивные фильтры остаются рабочей лошадкой для стабильных промышленных нагрузок. Они надежны и экономичны, если хорошо известен спектр гармоник. Расстроенные реакторы часто используются с батареями конденсаторов, чтобы предотвратить резонанс и удерживать батарею в пределах ее тепловых пределов. Активные фильтры более гибки, когда несколько нагрузок включаются и выключаются, но им нужна четкая цель управления и реалистичный номинальный ток.

Для защиты конденсаторной батареи и фильтрации реактор не является товарным аксессуаром. Его индуктивность, линейность, термический класс и устойчивость к короткому замыканию влияют на производительность. Наши реакторы серии сухого типа с железным сердечником созданы для такого рода задач, и выбор по-прежнему начинается с изучения.

Реакторы серии CKSC с железным сердечником сухого типа Этот литой полимерный реактор обеспечивает защиту конденсаторной батареи и фильтрацию, предлагая различные номиналы по напряжению и реактивному сопротивлению, а также низкий уровень шума и работу без технического обслуживания. Посмотреть продукт →

Проектирование трансформаторов для нагрузок с высоким содержанием гармоник

Гармоники увеличивают потери на вихревые токи и могут создавать горячие точки, которые не видны на простой паспортной табличке. Трансформатор, который хорошо работает при чистой линейной нагрузке, может нагреваться сильнее, чем ожидалось, при питании от приводов и выпрямителей. По этой причине снижение гармонических искажений должно включать спецификацию трансформатора, а не только комплект фильтров.

Запросите данные о потерях и повышении температуры на основе фактического профиля нелинейной нагрузки. Проверьте, необходимо ли снижение номинальных характеристик, подтвердите расположение нейтрального проводника и учтите будущий рост нагрузки. В промышленных и коммерческих проектах внутри помещений часто выбираются трансформаторы сухого типа, отлитые из эпоксидной смолы, из-за их огнестойкости и низких эксплуатационных расходов. Наша линейка эпоксидных отливок мощностью 800–25 000 кВА является частью распределительного решения; окончательное значение номинала и импеданса по-прежнему определяется гармоническим исследованием.

Трансформаторы сухого типа SC10, отлитые из эпоксидной смолы Эта линейка безмасляных литых трансформаторов предназначена для внутреннего промышленного и коммерческого распределения и охватывает 800–25 000 кВА с низким уровнем частичных разрядов и гибкими конфигурациями напряжения. Посмотреть продукт →

Для наружного или коммунального распределения масляные трансформаторы остаются обычным явлением. Применяются те же правила: проверьте тепловой запас, нейтральный ток и влияние ожидаемого спектра гармоник. Стандартный распределительный трансформатор с низкими потерями может быть хорошим выбором, но не следует ожидать, что он сам по себе будет подавлять гармоники.

Полностью герметичные распределительные трансформаторы S11/S13/S20/S22 Эти полностью герметичные масляные трансформаторы мощностью 30–2500 кВА предназначены для использования в пыльных промышленных и коммунальных сетях с гофрированными баками и дополнительными устройствами мониторинга. Посмотреть продукт →

Соответствие мер смягчения приложению

Промышленные предприятия часто имеют самое сложное сочетание: сварочное оборудование, большие приводы, индукционный нагрев и устаревшую коррекцию коэффициента мощности на одной шине. В промышленное производство , первоочередной задачей обычно является отделение чувствительных нагрузок от искажающих нагрузок и предотвращение резонанса между конденсаторами и источником питания.

Коммерческие здания и инфраструктурные проекты, как правило, имеют множество небольших электронных нагрузок, а не один большой выпрямитель. Гармоники могут быть ниже по величине, но широко распространены. В этих случаях нейтральный выбор, снижение номинальных характеристик трансформатора и локальная фильтрация в больших приводах с регулируемой скоростью имеют большее значение, чем центральный пассивный фильтр.

Возобновляемые источники энергии и коммунальные услуги имеют свой собственный профиль. Солнечные инверторы и аккумуляторные преобразователи могут вносить гармоники, а сопротивление сети в точке подключения влияет на распространение этих гармоник. Исследование гармоник должно быть частью проекта межсетевого соединения, при этом характеристики фильтрации и трансформатора должны быть согласованы, а не добавлены позже.

Практическая последовательность выбора

1. Измерьте существующие гармоники напряжения и тока в точках общего соединения и на главных фидерах.
2. Определите доминирующие порядки гармоник, существующую емкость, сопротивление трансформатора и условия резонанса.
3. Уменьшите гармоники в источнике, где это возможно, используя приводные дроссели, многоимпульсные схемы или усовершенствованную конструкцию выпрямителя.
4. Выберите пассивные фильтры, расстроенные реакторы или активные фильтры для устранения остаточных искажений с рейтингами, основанными на измеренном спектре.
5. Проверьте снижение номинальных характеристик трансформатора, нейтральный ток, настройки защиты и координацию батареи конденсаторов.
6. Проведите повторное обследование и подтвердите, что согласованные пределы соблюдаются в условиях реальной нагрузки.

Распространенные ошибки, которых следует избегать

• Покупка фильтра перед измерением спектра гармоник и импеданса питания.
• Добавление конденсаторов коррекции коэффициента мощности без проверки риска резонанса.
• Снижение номинальных характеристик трансформатора рассматривается как необязательная деталь, а не как фактор проектирования.
• Игнорирование нейтрального тока в трехфазных четырехпроводных системах с множеством электронных нагрузок.
• Ввод в эксплуатацию без последующего измерения при нормальных условиях эксплуатации.

Собираем это вместе

Снижение гармонических искажений работает лучше всего, когда оно рассматривается как часть электрического проекта, а не как спасательный пакет после того, как оборудование начинает выходить из строя. Сначала измерьте, уменьшите искажения в источнике, где это возможно, выберите фильтры и реакторы для реального спектра и укажите трансформаторы для теплового режима, который они будут видеть. Такой подход обеспечивает стабильность системы, защищает оборудование и позволяет избежать траты денег на оборудование, которое не решает реальную проблему.

Если вы планируете новую систему распределения или корректируете существующую, наша команда инженеров может просмотреть профиль нагрузки и помочь подобрать трансформаторы, реакторы и распределительные устройства в соответствии с результатами исследования. Цель состоит не в том, чтобы продать самый большой пакет, а в том, чтобы выбрать наименьший набор мер, обеспечивающих надежное качество электроэнергии.