Причины возникновения несинусоидальности напряже­ний и токов — наличие вентильных преобразовательных установок и электроприемников с нелинейной вольт-амперной характеристикой. Основное влияние оказывают вен­тильные преобразователи, которые в настоящее время широко применяются в промышленности и на транспорте.
Наиболее распространены вентильные преобразователи на полупроводниках (тиристорные преобразователи), мощ­ность которых все время растет. Вентильные преобразова­тели широко применяются для преобразования перемен­ного тока в постоянный и используются в качестве источников питания на металлургических заводах для термических установок, на химических заводах и предприятиях цветной металлургии для электролизных установок, на машино­-
строительных и других предприятиях для установок элек­тродуговой и контактной сварки. Выпускаются тиристор­ные преобразовательные агрегаты мощностью до 12 МВт
для автоматизированных электроприводов постоянного то­ка, широко применяемых в промышленности. Тиристорные преобразователи используются в преобразователях часто­-
ты, в различного рода переключающих устройствах, а так­же в специальных регулируемых приводах, например к бу­маге- и картоноделательным машинам, кранам и другим
механизмам с электродвигателями, имеющими релейноконтакторное управление.

Вентильные преобразователи применяются для питания электрифицированного железнодорожного, а также внутри­заводского и городского транспорта.

Электроприемники с нелинейной вольт-амперной харак­теристикой—это, например, газоразрядные линии (ртут­ные и люминесцентные), распространенные в промышлен­-
ных и городских сетях.

В энергосистемах в линиях постоянного тока, а также во вставках, предназначенных для параллельной работы энергосистем с различной частотой (см. гл. 7), используют­ся вентильные преобразователи переменного тока в постоян­ный и наоборот. В энергосистемах применяют токоограничивающие устройства и источники реактивной мощности (ИРМ), использующие тиристорные преобразователи.

Источниками несинусоидальности в энергосистемах мо­гут быть также генераторы или трансформаторы при рабо­те их на нелинейной части кривой намагничивания. Как правило, генераторы и трансформаторы работают при от­носительно невысоком насыщении стали, т. е. на линейной части кривой намагничивания, и создаваемые ими высшие гармоники настолько малы, что их можно не учитывать.

В общем случае источники несинусоидальности оказываются включенными несимметрично, например тяговые подстанции железных дорог, электрифицированные на перемен­ном токе, а также дуговые сталеплавильные печи. При этом подключаются к сети однофазные преобразователи, каж­дый из которых регулируется по собственной нагрузке. В этих случаях надо учитывать совместно и несинусоидальность, и несимметрию напряжений и токов.

Неблагоприятное влияние несинусоидальности на работу сетей, электрооборудования и электроприемников состо­ит в следующем: 1) появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях, а так­же дополнительные отклонения напряжения; 2) затрудня­-
ется компенсация реактивной мощности с помощью БК; 3) сокращается срок службы изоляции электрических ма­шин и аппаратов; 4) ухудшается работа устройств авто­матики, телемеханики и связи.

Высшие гармоники напряжений и токов приводят к до­полнительным всегда положительным отклонениям напря­жения у приемников. Для осветительных и нагревательных приборов важно действующее значение напряжения, опре­деляемое по формуле

                                   (5.21)

где U_v: при v > 1 — напряжения высших гармоник, кратных гармонике основной частоты U₁, при N —порядок послед­ней из учитываемых гармонических составляющих напря­жения.

Гармоники относительно низких порядков (v ≤ 7) в наи­большей мере влияют на дополнительные потери мощности и энергии в электрических машинах и в линиях электриче­ских сетей.

В соответствии с ГОСТ 1282—79 Е БК могут длительно работать при перегрузке их токами высших гармоник не более чем на 30 %; допустимое повышение напряжения со­ставляет 10 %. Однако при длительной эксплуатации БК даже в этих допустимых условиях срок их службы сокра­щается, поскольку наличие высших гармоник в кривой на­пряжения, даже в допустимых пределах, приводит к интен­сификации процесса старения диэлектрика конденсаторов.
Батареи конденсаторов обладают относительно малыми сопротивлениями для высших гармоник, так как x_с =1 /ωС, а чем выше номер гармоники, тем больше ω; БК периодически оказываются в режиме, близком к резонансу токов на частоте какой-либо из гармоник; вследствие систематиче­-
ских перегрузок они быстро выходят из строя.

Несинусоидальность напряжений и токов вызывает ускоренное старение изоляции электрических машин, трансформаторов и кабелей в основном в результате повышенного
нагрева, а также из-за возникновения и протекания в изо­ляции ионизационных процессов, обусловливающих ее ста­рение при высоких частотах электрического поля. Для
электрических машин, трансформаторов и кабелей наиболее существенно тепловое старение изоляции. Влияние полей высших гармоник на ионизационные процессы в изоляции
проявляется лишь при весьма значительных искажениях форм кривых напряжений, и этим влиянием можно пренебречь.

Высшие гармоники в кривой напряжения приводят к со­кращению срока службы кабелей, повышению аварийности в кабельных сетях, увеличению числа необходимых ремон­тов, а следовательно, к увеличению затрат на их эксплуа­тацию.

Наличие высших гармоник токов и напряжений сущест­венно увеличивает погрешности активных и реактивных счетчиков индукционного типа. Помехи, вызываемые выс­шими гармониками, могут привести к ухудшению работы
устройств автоматики, телемеханики и связи как на про­мышленных предприятиях, так и в энергосистемах. Гармо­ники тока, проникая в сети энергосистем, приводят к ухуд­шению работы высокочастотной связи и систем автоматики, а также вызывают ложные срабатывания некоторых релей­ных защит.

Как отмечалось в § 5.1, несинусоидальность напряжений и токов вызывает нарушения технологических процессов в большей мере, чем все остальные параметры качества
электроэнергии.

Ущерб из-за несинусоидальности токов и напряжений в основном обусловлен дополнительными потерями мощности и сокращением срока службы изоляции электрообору­дования (в первую очередь электродвигателей).

Допустимые значения коэффициента несинусоидальности кривой напряжения

Снижение несинусоидальности напряжений и токов необходимо в тех случаях, когда значения токов или напря­жений высших гармоник больше допустимых. Целесообразность мер по понижению несинусоидальности может быть также обусловлена и улучшением технико-экономических показателей работы элементов электрических сетей и ЭП. Снижение несинусоидальности можно осуществить одним из следующих способов:

1) снижением уровня высших гар­моник, генерируемых вентильными преобразователями;

2) рациональным построением схемы электрической сети;

3) использованием фильтров высших гармоник.

Снижение уровней высших гармоник, генерируемых преобразователями, можно осуществить за счет увеличения числа фаз выпрямления в преобразовательных установках
(как правило, до 12) или применения специальных схем преобразователей и законов управлениями ими, обеспечи­вающих улучшение формы кривой их первичных, т. е. се­тевых, токов.

Рациональное построение схемы сети с точки зрения сни­жения несинусоидальности состоит, например, в питании нелинейных нагрузок от отдельных линий или трансформа­торов либо подключении их к отдельным обмоткам трехоб­моточных трансформаторов. На рис. 5.10 приведены схемы питания района города от ЦП шин низшего напряжения районной подстанции, на которой установлен трансформа­тор Т.

Рис. 5.10. Схемы питания выпрямительной установки:

а—по общей линии; б—по отдельной линии; в—трансформатор выпрямительной установки с первичным напряжением 110—220 кВ

Нагрузка S_ц.п питается непосредственно от шин ЦП, а нагрузка S_p.п — от шин распределительного пункта РП. На рис. 5.10, а выпрямительная установка (ВУ) электротя­говой подстанции через специальный трансформатор T_в.у присоединена к шинам РП. Если к_нcU больше допустимой величины, то для снижения несинусоидальности надо пи­тать ВУ от отдельной линии ЦП—РП (рис. 5.10,6). Другой способ рационального построения сети состоит в примене­нии в преобразовательных агрегатах трансформаторов с первичным напряжением 110—220 кВ (рис. 5.10, в), ис­ключающих влияние несинусоидальности на потребителей распределительных сетей 0,38—10 кВ. При такой схеме сети высшие гармоники, генерируемые преобразователями, по­падают с шин высшего напряжения районной подстанции сразу в питающую сеть 110—220 кВ (рис. 5.10, в), а не в распределительную сеть 0,38—10 кВ (рис. 5.10, а, б). Од­нако в этом случае могут появляться недопустимые напря-жения гармоник в питающих сетях энергосистемы. Эффек­тивность питания преобразователей от трансформаторов 110—220 кВ (рис. 5.10, в) ограничивается возможностью по­явления недопустимых высших гармоник напряжений и то­ков в питающих сетях энергосистемы. Применение схемы на рис. 5.10, в допустимо в промышленных сетях при отсутствии резонанса токов или напряжений и других нежела­тельных последствий несинусоидальности в питающих се­тях.

Использование фильтров — распространенный способ снижения уровня высших гармоник. За рубежом распрост­ранено мнение, что установка фильтров более экономична, чем увеличение числа фаз преобразователей. Фильтр выс­ших гармоник представляет собой последовательно соединенные реактор и БК (рис. 5.11).

Параметры реактора и БК подбирают так, чтобы их результирующее сопротивление для определеннойчастоты гармоники было равно ну­лю. В общем случае на каждую гармонику нужен свой фильтр. Фильтр образует ветвь с очень малым со­противлением, параллельную элек­трической сети, шунтирует ее на частоте заданной гармоники и соответственно снижает напряжение
этой гармоники. Такие фильтры могут присоединяться как в местах генерации высших гармоник (на вен­тильных установках), так и в узлах сети с недопустимым уровнем гармоник тока или при резонансе токов.

Батареи конденсаторов, применяемые в фильтрах, целе­сообразно одновременно использовать для компенсации реактивной мощности. Экономически целесообразно применение таких многофункциональных устройств, предназначен­ных не только для снижения синусоидальности, но и для компенсации Q. Такие установки часто называют фильтрокомпенсирующими (ФКУ). При определенных условиях ФКУ могут использоваться также для симметрирования на­-
пряжения в сети [15].

Иногда для исключения резонансных явлений на опре­деленной гармонике последовательно с БК может быть включен защитный реактор.

В начало