Что является причиной возникновения высших гармоник

Современные проблемы высших гармоник в городских системах электроснабжения Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ГАРМОНИКИ В СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ / ИСТОЧНИКИ ГАРМОНИК / КАЧЕСТВО ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ / КОЭФФИЦИЕНТ ИСКАЖЕНИЯ СИНУСОИДАЛЬНОСТИ / HARMONICS IN THE POWER SUPPLY SYSTEMS / QUALITY OF ELECTRIC ENERGY / SOURCES OF HARMONICS / WAVEFORM DISTORTION FACTOR

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Кобелев Александр Викторович, Зыбин Артем Алексеевич

Проведены экспериментальные исследования и рассмотрен анализ причин возникновения высших гармоник напряжения и тока в городских системах электроснабжения и их влияние на надежность работы электроприемников.Es sind die experimentellen Untersuchungen und die Analyse der Ursachen der Entstehung der höchsten Harmoniken der Spannung und des Stroms in den Stadtsystemen der Energieversorgung und ihre Einwirkung auf die Sicherheit des Funktionierens des Verbrauchsgerätes durchgeführt.Sont effectuées les études expérimentales et lanalyse des causes de lapparition des plus hauts plis de la tension et du courant dans les systèmes urbains de lélectricité ainsi que leur influence sur la sécurité du fonctionnement des récepteurs électriques.The paper presents the experimental studies and the analysis of the causes of the higher harmonics of voltage and current in the urban systems of power supply and their impact on the reliability of the electrical receivers.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Текст научной работы на тему «Современные проблемы высших гармоник в городских системах электроснабжения»

УДК 621.311.004.12 (075.8)

СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ ВЫСШИХ ГАРМОНИК

В ГОРОДСКИХ СИСТЕМАХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ

А.В. Кобелев1, 2, А.А. Зыбин1

Кафедра «Электрооборудование и автоматизация» (1);

НОЦ «Региональных проблем энергетики и энергосбережения» (2),

ГОУВПО «ТГТУ»; noc_energo.tamb@mail.ru

Представлена членом редколлегии профессором В.И. Коноваловым

Ключевые слова и фразы: гармоники в системах электроснабжения; источники гармоник; качество электрической энергии; коэффициент искажения синусоидальности.

Аннотация: Проведены экспериментальные исследования и рассмотрен анализ причин возникновения высших гармоник напряжения и тока в городских системах электроснабжения и их влияние на надежность работы электроприемников.

Электрическая энергия как товар используется во всех сферах жизнедеятельности человека, обладает совокупностью специфических свойств и непосредственно участвует при создании других видов продукции, влияя на их качество. Понятие качества электрической энергии (КЭ) отличается от понятия качества других видов продукции. Каждый электроприемник предназначен для работы при определенных параметрах электрической энергии: номинальной частоте, напряжении, токе и тому подобное, поэтому для нормальной его работы должно быть обеспечено требуемое КЭ [1].

Постоянно увеличивающиеся требования промышленности и народного хозяйства к стабильности, приспосабливаемости и точности контроля в электрическом оборудовании привело к появлению относительно дешевых силовых диодов, тиристоров, SCR (Silicon Controlled Rectifier) и других силовых полупроводников. Сейчас, широко используемые в выпрямительных цепях UPS полупроводники, статические преобразователи переменного напряжения в постоянное, устройства плавного пуска, пришедшие на смену устаревшим устройствам, системы зажигания современных люминесцентных ламп изменили картину формы тока и напряжения в электросетях. Хотя твердотельные реле, такие как тиристоры, привнесли существенные изменения в схемотехнику систем контроля, они также создали проблему генерации гармоник тока.

Гармоники — это синусоидальные волны, суммирующиеся с фундаментальной (основной) частотой 50 Гц (то есть первая гармоника — 50 Гц, пятая гармоника — 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами

i(t) = I0 + X Ikm sin(kro+9kX (1)

где 10 — постоянная составляющая; Ikm sin(kro + 9k ) — гармоники или гармонические составляющие k-го порядка с амплитудой Ikm и начальной фазой

Можно выделить следующие источники гармоник в системах электроснабжения:

— силовое электронное оборудование: частотные приводы переменного тока; приводы постоянного тока; источники бесперебойного питания UPS; выпрямители (шестифазные, по схеме Ларионова); конвертеры; тиристорные системы; диодные мосты; плавильные печи высокой частоты;

— сварочное, дуговое оборудование: дуговые плавильные печи; сварочные автоматы; освещение (ДРЛ-ртутные и люминесцентные лампы);

— насыщаемые устройства: трансформаторы; двигатели; генераторы и т.д.

Гармонические амплитуды на этих устройствах обычно незначительны по

сравнению с элементами силовой электроники и сварочным оборудованием, при условии, что насыщение не происходит.

Технология возникновения гармонических составляющих заключается в следующем. Ток, потребляемый приемниками электрической энергии, имеющими нелинейную нагрузку, имеет ярко выраженный импульсный характер, что объясняется их схемными особенностями. К примеру, у импульсных источников питания, при наличии сетевого выпрямителя (диодного моста) и сглаживающего емкостного фильтра при приближении кривой питающего напряжения к максимальному значению электронные вентили диодного моста скачкообразно меняют свое сопротивление от бесконечности до определенного малого значения. Подобный характер изменения сопротивления вентиля равносилен включению или отключению им нагрузки. Таким образом, периодическое включение и отключение приводят к появлению коротких импульсов потребляемого тока и искажению формы кривой синусоидального тока. Синусоида напряжения становится «плоской», так как в момент импульса тока увеличивается падение напряжения на внутреннем сопротивлении сети [2]

Uk (t)= Uc (t) — i(t)ZC , (2)

где UH (t) — деформированная синусоида напряжения на зажимах нагрузки; U с (t) — синусоидальное напряжение питающей сети; i(t) — импульсный ток нагрузки; Zc — полное сопротивление сети со стороны зажимов нагрузки.

Исследования, проведенные в Центре электромагнитной безопасности (г. Москва) при подключении компактных люминесцентных ламп (CFL -Compact Fluorescent Lamps) показали следующую осциллограмму тока (рис. 1).

Не меньшее искажение наблюдается и при подключении компьютерной нагрузки [2] (рис. 2).

Проведенные исследования Испытательной лабораторией по качеству электрической энергии при ТГТУ на одной из подстанций города с помощью прибора Ресурс UF-2M показали характер изменения коэффициента искажения синусоидальной кривой напряжения Ки , % (рис. 3),

где и(п) — действующее значение п-ой гармоническои составляющей напряжения, В; и(1) — действующее значение напряжения основной частоты, В; п — порядок

гармонической составляющей напряжения; N — порядок последней из учитываемых гармонических составляющих напряжения.

U I « & А « 4 * te a • .•> ¿F Чб л и V* ü! b Ü£ щ ô

at^t I ■» fl G3SI ‘ E5Î3 I 5 ■____________________________________________________________________________________

» ’ и* ‘ *.*» $.4 ’ «.«« У» V«; о ‘чмг; ‘юл и*и 4« ‘«ох»’ ‘но «ои

Рис. 1. Осциллограмма тока при подключении трех СЕЬ

0,0 4,8 9,6 14,4 19,2 т, м-с

Рис. 2. Изменение тока на одной из фаз в фидере питания компьютерных нагрузок

Рис. 3. Коэффициент искажения синусоидальности фазных напряжений:

1 — К№; 2 — Кив, 3 — Кис, 4 — Кпд; -5 — Кинд

File-1. CIR Temperature — 20

Согласно полученным данным Ки увеличивается с приходом вечернего времени суток и достигает максимального значения в период с 20:00 — 23:00. Это связано с приходом домой жителей города и включением бытовой техники: телевизоров, компьютеров и т.д. Далее, в ночное время наблюдается спад искажения до минимального значения и начиная с 10:00 увеличение Ки (см. рис. 3).

Нужно отметить, что высшие гармоники тока кратные трем (то есть 3, 9, 15, 21 и т.д.), определяющие высокое значение коэффициента амплитуды и генерируемые однофазными нагрузками, имеют специфическое результирующее воздействие в трехфазных системах. В сбалансированной (симметричной) трехфазной системе гармонические (синусоидальные) токи во всех трех фазах сдвинуты на 120° по отношению друг к другу, и, в результате, сумма токов в нейтральном проводнике равна нулю. Следовательно, не возникает и падения напряжения на проводнике нейтрали в кабеле. Это утверждение остается справедливым для большинства гармоник. Однако некоторые из них имеют направление вращения вектора тока в ту же сторону, что и основная гармоника (первая «фундаментальная» 50 Гц), то есть они имеют прямую последовательность. Другие же вращаются в обратном направлении и, таким образом, имеют обратную последовательность. Это не относится к гармоникам, кратным третьей

В трехфазных цепях они сдвинуты на 360° друг к другу, совпадают по фазе и образуют нулевую последовательность. Нечетные гармоники, кратные третьей, суммируются в проводнике нейтрали

В результате, с учетом того, что они составляют большую долю в действующем значении фазных токов, общий ток в нейтрали может превышать фазные токи. Это может привести к повреждению нулевого проводника, а вследствие этого вызовет перекос фаз и выход из строя бытовой аппаратуры потребителей.

К последствиям гармоник тока для электроустановок 0,4 кВ можно отнести

— перегрев и разрушение нулевых рабочих проводников кабельных линий;

— дополнительные потери в силовых трансформаторах (вплоть до выхода из строя);

— ложное срабатывание предохранителей и автоматических выключателей;

— повышенный износ, вспучивание и преждевременное разрушение конденсаторов установок компенсации реактивной мощности;

— ускоренное старение изоляции проводов и кабелей;

— ухудшение качества (несинусоидальность) питающего напряжения;

— сбои в работе и физический выход из строя компьютерного оборудования;

— преждевременный выход из строя электродвигателей;

— резонансные явления в электроустановках 0,4 кВ;

— снижение коэффициента мощности электроустановок.

Таким образом, проблема высших гармоник напряжений и токов в распределительных сетях электроснабжения города является крайне актуальной и требует пристального внимания со стороны научно-исследовательских структур, электротехнических служб и электроизмерительных лабораторий, занимающихся анализом и измерениями показателей качества электрической энергии.

1. Суднова, В.В. Качество электрической энергии / В.В. Суднова. — М. : Изд-во ЗАО «Энергосервис», 2000. — 80 с.

3(2k +1), где k = 0, 1, 2.

2. Григорьев, О. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ / О. Григорьев // Новости электротехники. — 2002. — № 6. — С. 18-19.

3. Григорьев, О. Высшие гармоники в сетях электроснабжения 0,4 кВ / О. Григорьев // Новости электротехники. — 2003. — № 1. — С. 18-19.

4. Петухов, В. Энергосберегающие лампы как источник гармоник тока / В. Петухов // Новости электротехники. — 2009. — № 5. — С. 59.

Current Issues of Higher Harmonics in the Power Urban Systems

A.V. Kobelev, AA Zybin

Department “Electrical Equipment and Automation” (1);

REC “Regional Problems of Energy and Energy Efficiency” (2),

Key words and phrases: harmonics in the power supply systems; quality of electric energy; sources of harmonics; waveform distortion factor.

Abstract: The paper presents the experimental studies and the analysis of the causes of the higher harmonics of voltage and current in the urban systems of power supply and their impact on the reliability of the electrical receivers.

Moderne Probleme der höchsten Harmoniken in den Stadtsystemen der Energieversorgung

Zusammenfassung: Es sind die experimentellen Untersuchungen und die Analyse der Ursachen der Entstehung der höchsten Harmoniken der Spannung und des Stroms in den Stadtsystemen der Energieversorgung und ihre Einwirkung auf die Sicherheit des Funktionierens des Verbrauchsgerätes durchgeführt.

Problèmes contemporains des plus hauts plis dans les systèmes urbains de l’électricité

Résumé: Sont effectuées les études expérimentales et l’analyse des causes de l’apparition des plus hauts plis de la tension et du courant dans les systèmes urbains de l’électricité ainsi que leur influence sur la sécurité du fonctionnement des récepteurs électriques.

Авторы: Кобелев Александр Викторович — кандидат технических наук, доцент кафедры «Электрооборудование и автоматизация», директор НОЦ «Региональных проблем энергетики и энергосбережения»; Зыбин Артем Алексеевич -магистрант кафедры «Электрооборудование и автоматизация», ГОУ ВПО «ТГТУ».

Рецензент: Сазонов Сергей Николаевич — доктор технических наук, профессор, ГНУ «Всероссийский научно-исследовательский и проектно-технологический институт по использованию техники и нефтепродуктов в сельском хозяйстве», г. Тамбов.

Вопрос — ответ|Гармоники

В процессе работы этого оборудования возникает паразитная ЭДС, которая накладывается на синусоидальный сигнал. В результате появляются провалы, скачки и другие искажения.

Влияние гармоник на электрооборудование

Гармонические колебания в сети оказывают негативное влияние на работу электрооборудования. К ним относятся:

Асимметрия в трехфазных сетях при возникновении искажений на одной или двух фазах. Это вызывает ненормальные режимы работы двигателей, другой электротехники.
Ложное срабатывание защиты. На гармоники реагируют автоматические выключатели, релейные схемы защиты, отключающие напряжение в распределительной сети.
Избыточный нагрев обмоток электрических машин, трансформаторов, проводов.
Увеличение уровня шума в слаботочных сетях. Про частом переходе синусоиды через ноль в соседних контрольных кабелях возникают наводки, искажающие сигнал.
Увеличение тока нейтрали. Гармонические искажения вызывают падение напряжения в нейтральном и фазных проводах, нагреву нулевого проводника.

Последствия влияния гармоник

Искажения формы переменного тока и напряжения снижают срок службы изоляции, конденсаторов, качество напряжения в сети, увеличиваиют погрешности средств измерений. Это приводит:

К уменьшению межремонтных промежутков электрооборудования и увеличению эксплуатационных затрат.
К частым остановкам технологического оборудования. В результате ложного срабатывания схем защиты прерываются производственные процессы.
К авариям электроустановок. В результате падений напряжения и избыточного нагрева возникает пробой изоляции и короткие замыкания.

Высшие гармоники вызывают значительные экономические убытки.

Способы защиты от высших гармоник для частотных преобразователей

Преобразователи частоты содержат инверторы и ШИМ-модуляторы, которые являются источниками искажения напряжения в сети. Это отрицательно сказывается как на работе электродвигателей, так и на качестве электроэнергии в сети. Для защиты от этого явления используют различные фильтры.

Эти устройства устанавливают во входной и выходной цепях преобразователей частоты. Для защиты от искажений формы напряжения и тока применяют:

Сетевые дроссели. Эти устройства защищают от импульсных перепадов напряжения, несимметричной нагрузке, продлевают срок службы конденсаторов звена постоянного тока.
Электромагнитные фильтры. Устанавливаются во входной силовой цепи преобразователя. Защищают сеть от гармоник, генерируемых инвертором ПЧ.
Синусные и dU/dt фильтры. Эти устройства устанавливают в частотно-регулируемом приводе с возможностью рекупации электроэнергии, в цепях электрических машин с частыми пусками, отключениями и реверсами, при использовании для подключения неэкранирумых кабелей.

При выборе фильтра необходимо убедиться, что конкретная модель преобразователя частоты совместима с типом защитного устройства. Эта информация указана в технической документации ПЧ. Компания «Данфосс» выпускает несколько линеек частотных преобразователей со встроенными фильтрами высших гармоник. Это избавляет от необходимости рассчитывать характеристики устройств и расходов на покупку дополнительного оборудования.

FAQ по гармоникам

Что такое гармоники?

Гармоники – это синусоидальные волны суммирующиеся с фундаментальной. Гармоники – есть продолжительные возмущения или искажения в электрической сети, имеющие различные источники и проявления такие как импульсы, перекосы фаз, броски и провалы, которые могут быть категоризованы как переходные возмущения.

Основной частотой 50 Гц(т.е. 1-я гармоника = 50 Гц 5-я гармоника = 250 Гц). Любая комплексная форма синусоиды может быть разложена на составляющие частоты, таким образом комплексная синусоида есть сумма определенного числа четных или нечетных гармоник с меньшими или большими величинами.

Когда возникают гармоники?

Гармонические искажения возникают при работе нелинейных потребителей тока (в том числе частотных преобразователей).

Какие гармоники не появляются от работы ПЧ?

При работе от преобразователя частоты не появляются четные гармоники.

Чем опасны гармоники по току?

Гармонические искажения тока вызывают перегрев силового трансформатора, повышенное потребление реактивной мощности, увеличение потерь в меди силовых проводов и трансформатора. Они являются причиной появления гармоник по напряжению.

Чем опасны гармоники по напряжению?

Наличие гармонических искажений по напряжению приводят к выходу из строя оборудования.

Как бороться с гармониками?

Гармонические искажения можно уменьшать при помощи входных фильтров. Например, в серии VLT HVAC Basic FC 101 имеется встроенный фильтр гармоник на звене постоянного тока.

Проблема высших гармоник: фильтр высших гармоник

Гармоники в силовых системах возникают при работе любых устройств с нелинейными рабочими характеристиками. При использовании оборудования, которое может генерировать гармоники, или при наличии проблем, связанных с гармониками в сети, решением может быть применение конденсаторных установок с фильтрами высших гармоник. Токи высших гармоник могут быть причиной нарушений в работе сетей энергоснабжения, а также неблагоприятно сказываться на работе электрооборудования, в том числе на конденсаторной установке для коррекции коэффициента мощности.

Проблемы, создаваемые гармониками:

перегрев и повреждение конденсаторов, плавких предохранителей, трансформаторов, электродвигателей, балластов люминесцентных осветительных приборов и т.д.;
ложные срабатывания автоматических выключателей или перегорание предохранителей;
наличие 3-й гармоники и гармоник, кратных трем, в системах с заземлённой нейтралью может потребовать увеличения сечения нулевых проводников;
помехи приводят к сбоям в работе компонентов систем управления;
повреждение чувствительного электронного оборудования;
помехи в линиях связи.

Источники гармоник можно разделить на 3 основные группы:

силовые электронные устройства: различные приводы (частотно-регулируемые приводы переменного тока, приводы постоянного тока, приводы с ШИМ и т.д.), системы бесперебойного питания, выпрямители, импульсные источники питания, статические преобразователи, тиристорные системы, диодные мосты, индукционные печи и другие системы с тиристорным управлением;
оборудование, использующее электрическую дугу: дуговые печи, сварочное оборудование, системы освещения (ртутные лампы, люминесцентные лампы);
устройства, которые могут работать в режиме насыщения: трансформаторы, двигатели, генераторы и т.д. Если эти устройства не насыщаются, амплитуды создаваемых ими гармоник обычно незначительны по сравнению с гармониками, создаваемыми силовыми полупроводниковыми преобразователями и дуговыми устройствами.

Форма тока

Гармоники представляют собой синусоиды с частотами, кратными частоте основной гармоники 50 Гц.
Все сигналы сложной формы могут быть представлены в виде совокупности синусоидальных сигналов различных частот, то есть любой сигнал сложной формы является суммой чётных и нечётных гармоник различных амплитуд. Гармоники могут присутствовать постоянно (устойчивое состояние), внося искажения в сеть энергоснабжения и нарушая нормальную ее работу, или появляться совершенно независимо в виде выбросов, бросков, провалов, которые можно назвать кратковременными нарушениями работы.

Кратковременные искажения обычно устраняются установкой ограничительных или разделительных устройств, таких как конденсаторы защиты от перенапряжений, разделительные трансформаторы. Эти устройства могут помочь при кратковременных проблемах, но неэффективны для уменьшения гармоник низшего порядка или при проблемах, связанных с резонансом на частотах гармоник.

Перегрузка конденсаторов токами гармоник

Ток, протекающий через цепь, определяется её сопротивлением. Так как сопротивление сети обычно содержит индуктивную составляющую, сопротивление сети увеличивается с ростом частоты, а сопротивление конденсатора, напротив, уменьшается. В результате большая часть тока с частотой выше частоты основной гармоники поглощается конденсатором и связанными с ним устройствами.

В определённых случаях токи гармоник могут превысить значение тока основной частоты. Это может привести к увеличению напряжения на диэлектрике конденсатора и выходу его из строя.

Решение для повышения качества электроэнергии

Системы передачи и распределения электроэнергии предназначены для работы с синусоидальными напряжениями и токами. При подключении к системе нелинейных нагрузок, появляются высшие гармоники, приводящие к искажениям формы тока и напряжения.

Ёмкость конденсаторной установки и индуктивность сети могут образовать параллельный резонансный контур, в котором токи гармоник способны достигать величин, превышающих норму в 20 раз. Если собственная частота резонансного контура соответствует частоте имеющейся гармоники, возникают искажения тока, которые приводят к дальнейшему искажению напряжения. Вот почему на коррекцию коэффициента мощности может влиять присутствие гармоник в сети.
В системах с гармониками коррекция коэффициента мощности должна производиться с помощью фильтров гармоник. Такие фильтры состоят из последовательно соединённых конденсаторов с фильтрами и могут компенсировать реактивную мощность на частоте сети без усиления гармоник.

Коррекция коэффициента мощности при наличии гармоник

Фильтры гармоник предназначены для коррекции коэффициента мощности в системах, в которых присутствуют гармоники. Каждая ступень состоит из конденсатора и фильтра, включенных последовательно. Эти компоненты образуют последовательную резонансную схему, настроенную на частоту ниже частоты самой низшей гармоники, имеющейся в системе.

На частоте ниже частоты резонанса, например на частоте сети (50 Гц), фильтр гармоник представляет собой ёмкость, генерирующую реактивную мощность. На частоте выше частоты резонанса фильтр гармоник представляет собой индуктивность, т.е. он не может усиливать высшие гармоники, например 5-ю, 7-ю, или 11-ю. Кроме того, фильтр в определённой степени ослабляет гармониками более низкого порядка.

Так же как и в обычных конденсаторных установках, в установках с фильтрами, регулятор коэффициента мощности DCRK включает и выключает ступени для получения необходимых значений реактивной мощности.

О резонансе на частотах гармоник, предотвращении и борьбы с ним, а также о защите реакторов и конденсаторов читайте в разделе «Полезные статьи» в материале «Фильтры гармоник».

Высшие гармоники в низковольтных электрических сетях — Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения

Глава первая
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ИССЛЕДОВАНИЙ И ОСОБЕННОСТИ ПРОБЛЕМЫ ВЫСШИХ ГАРМОНИК В НИЗКОВОЛЬТНЫХ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ СЕТЯХ
Причины образования высших гармоник в сетях низкого напряжения
В электроснабжении получил широкое распространение термин «электромагнитная помеха». Он приобрел формы, обусловленные разнообразием существующих электроприемников, которые могут быть как относительно мощными (силовыми) — синхронные и асинхронные двигатели, статические и машинные преобразователи, сварочные агрегаты и другие электротехнологические установки, так и небольшой единичной мощности — средства компьютерной техники, электробытовые приборы и др. Все указанные потребители объединены сетью электроснабжения (за исключением автономных систем), что вызывает необходимость определения степени воздействия на сеть электромагнитных помех, возникающих в результате работы отдельных электроприемников.
Под электромагнитной помехой (в дальнейшем помехой) понимаются электрическое и (или) магнитное явления (процессы), созданные любым источником в пространстве или проводящей среде и нежелательно влияющие или способные оказать нежелательное влияние на состояние электроприемника (функционирование, эффективность использования, потери, старение изоляции и т. д.). Носителями помех выступают постоянные или изменяющиеся во времени значения напряжения, тока, электрического заряда или магнитного потока.
Помехи можно классифицировать по разным признакам. В зависимости от путей распространения помехи подразделяют на пространственные и кондуктивные, по предсказуемости времени появления и формы — на случайные (вероятностные) и регулярные (систематические). Помехи из сети питания переменного тока можно подразделять на импульсные (кратковременные) и длительные. Исследование электромагнитной обстановки в рассматриваемой точке сети представляет собой определение количественных характеристик длительных и импульсных помех, характерных для данного участка сети. К длительным помехам относят отклонения напряжения от номинального значения длительностью более 5 мс, превышающие допустимые пределы изменения в сторону увеличения или уменьшения. К импульсным помехам относят импульсы напряжения разной полярности, накладываемые на нормальный уровень мгновенного значения синусоиды или постоянного напряжения длительностью от долей наносекунд до единиц миллисекунд. К помехам также следует отнести провалы напряжения, вызванные, например, срабатыванием автоматического повторного включения или автоматического включения резерва. Учитывая максимально возможные затяжные пуски мощных двигателей, можно предположить, что самые продолжительные длительные помехи лежат в пределах 10 с. К разряду помех не будут относиться только отключения (аварийные или рабочие), связанные с последующим ручным включением напряжения.
По характеру протекания процесса во времени различают помехи одиночные, периодические, гармонические и шумы. Одиночные помехи вызваны коммутацией сетей и электроприемников, короткими замыканиями, статическими или атмосферными разрядами либо другими процессами, вызывающими кратковременные независимые друг от друга возмущения тока и напряжения в сети. Периодические помехи связаны в основном с импульсно-циклическим характером нагрузки мощных электроприемников. Гармонические помехи (высшие гармоники) возникают с частотой сети или кратной ей и вызываются в основном мощными нелинейными электропотребителями при ограниченной мощности питающей сети. Гармонические и периодические помехи, как правило, приводят к возникновению несинусоидальности напряжения [13, 18,29,98, 115, 131, 174, 181, 193, 209].
Причины возникновения высших гармоник на разных участках сети также различны. Если в высоковольтных сетях появление высших гармоник обусловлено наряду с воздействием мощных нелинейных электроприемников коронными разрядами, грозовыми явлениями и аварийными режимами ЛЭП, то в низковольтных сетях они обусловлены преимущественно нестационарными процессами и нелинейными характеристиками отдельных электроприемников. При этом высшие гармоники, вызываемые низковольтными нелинейными потребителями, в соответствии с приведенной выше классификацией назовем систематическими, гармоническими, кондуктивными помехами.
Очевидно, что причиной нарушения КЭ может являться недопустимое ухудшение любого из его параметров, вызванное свойствами одного из потребителей либо их группы при совместной эксплуатации. Обычно КЭ ухудшает каждый из потребителей и, при некотором их количестве, такое ухудшение достигает граничного значения, вызывающего сбои и отказы аппаратуры. В этом случае конкретного виновника просто не существует. При этом сложно привести пример электроприемника, являющегося по отношению к сети чисто активной нагрузкой. Даже обычная лампа накаливания за счет разности сопротивления холодной и нагретой нити накаливания создает при включении заметные перегрузки. Значительно проще привести примеры явно искажающих сетевое напряжение электроприемников, таких как сварочные аппараты, управляемый электропривод, компьютерная и другая электронная техника. Значительная часть этих потребителей генерирует в сеть высшие гармоники, серьезным образом обостряя ситуацию с КЭ в низковольтных сетях [3]. Поэтому в условиях насыщенности указанных сетей нелинейными электропотребителями доминирующим фактором ухудшения КЭ становится несинусоидальность токов и напряжений.
Проведенный анализ показывает, что вызываемые такими электроприемниками искажения синусоидальности кривых токов в сетях НН могут быть весьма существенными [30, 97]. Например, для входящих быстрыми темпами в быт СВЧ-печей, которые удобны и энергоэффективны (в связи с кратковременностью работы вследствие быстрого достижения требуемого теплового эффекта) характерны коэффициенты искажения синусоидальности кривой входного тока от 15 («Электроника», СП23, ЗИЛ, 1300ВА) до 29 % (Daewoo, MOD KOR-8167, 1350ВА). Эти показатели сами по себе вроде бы и не вызывают опасения, к тому же относительные значения гармоник тока быстро убывают в зависимости от порядкового номера: в первом случае
I(3) = 13,5 %, I(5) = 3,6 % , I(7) =2,7 % и т. д., а во втором — I(3) = 25,2% , I(5) = 11,2%, I(7) =5,2% и т. д. Однако включение этих печей в типовых условиях приводит не только к снижению значения напряжения питающей сети на 2—4 %, но, что значительно серьезнее, и к увеличению коэффициента искажения синусоидальности кривой этого напряжения на 6—18 %.
Современные компактные люминесцентные лампы (КЛЛ) из-за своей высокой стоимости используются, в первую очередь, в целях демонстрации престижности и, лишь во вторую — как энергоэффективные светильники, которые различаются в 4—5
раз большей светоотдачей и в 5—6 раз большим сроком службы, чем лампы накаливания [203]. Коэффициент искажения синусоидальности кривой питающего тока (К) КЛЛ с электромагнитным балластом (ЭМБ) находится, по свидетельству [203], на том же уровне, что и в СВЧ-печах: для лампы Life Look 50 фирмы NEC (Япония) — 13,1 % (здесь и далее учитываются гармоники по тринадцатую включительно), для лампы Globolux 125 фирмы TUNGSRAM (Австрия) — 18,5 %. Это подтверждают и проведенные нами исследования: для лампы NLS-18W (Р) фирмы RADIUM (Германия) К1 = 25,4%, для лампы ЛЕЦ-20 (Украина) K1= 12,2 %.
Желание избавиться от естественных недостатков КЛЛ с ЭМБ (сравнительно большая масса; низкий cos φ; высокое напряжение зажигания, что может не позволить им вообще зажечься при снижении питающего напряжения ниже 190—220 В; длительное время запуска) явилось причиной разработки и внедрения электронной пускорегулирующей аппаратуры (ЭПРА). Однако избавление от указанных недостатков в таких источниках было достигнуто ценой резкого ухудшения формы кривой потребляемого тока. В [83] приведены следующие данные: для лампы PLC Elektronic фирмы Philips (Голландия) 134,9%; для лампы Dulux Elektronic фирмы OSRAM (Германия) К= 162,4 %; для лампы GP-12B фирмы ECONOLAMP (Гонконг) К, = 169,4 %. Необходимо отметить чрезвычайно широкий спектр гармоник тока, потребляемого КЛЛ с ЭПРА, и то, что снижение амплитуды гармоник при увеличении их номера происходит весьма медленно (например, для последней из упомянутых ламп
I(3) = 92,6 % , I(5) = 85,1 %, I(7) = 74,7 %, I(9) = 61,7 % .

С изменением значения питающего напряжения форма тока и его гармонический состав изменяются мало. Так, для лампы FLE 16 TBX/827/LC фирмы TUNGSRAM при 220В К= 150,5 %, а при 180В К= 152 %. Однако из-за наличия внутренней системы стабилизации, которая по сути поддерживает неизменным световой поток, при этом резко (примерно в полтора раза) возрастают абсолютные значения токов потребления первой и всех высших гармоник.
Следует отметить, что темпы производства КЛЛ с ЭПРА с каждым годом возрастают.
Если ориентироваться на прогноз, данный в [61) о возможной замене 50 % ламп накаливания КЛЛ, то можно ожидать дальнейшего существенного ухудшения ситуации с несинусоидальностью напряжений в сетях НН, ведь на освещение в 1994 году в Украине расходовалось около 17 % всей производимой электроэнергии.
Проведенный анализ показывает, что основными источниками высших гармоник в сетях НН являются потребители энергии, имеющие в своем составе выпрямитель с мощным емкостным фильтром. Это так называемые преобразователи с бестрансформаторным входом или, по международной терминологии, AC/DC Switch Mode Power Supply (SMPS) [172], которые реализуют ту же идеологию, что и ЭПРА. В настоящее время это самая серьезная проблема, которая порождена развитием электроники и усугубляется по мере расширения масштабов ее использования.
В 70-е годы XX века достижения в области электрофизики и технологии производства высокочастотных полупроводниковых приборов позволили повысить их рабочие напряжения до 200— 600 В при токах 10—20 А. Это определило актуальность работ по созданию сетевых источников вторичного электропитания (ИВЭП) с бестрансформаторным входом, в которых преобразование параметров электроэнергии производилось на высокой частоте (10—20 кГц), а фильтрация и стабилизация напряжения осуществлялась за счет высокочастотной импульсной модуляции. Подобные работы проводились практически во всех развитых странах и привели к повышению КПД устройств электропитания до 0,75—0,9 при увеличении удельной выходной мощности до 100 Вт/дм3 [7, 16, 33, 67, 112]. В середине 80-х годов XX века накопленный опыт проектирования и эксплуатации систем электропитания с широким применением ИВЭП с бестрансформаторным входом позволил выявить их некоторые негативные свойства, в первую очередь, касающиеся существенных искажений синусоидальности кривых входных токов.
В частности, трехфазные нагрузки этого типа (частотно управляемые электроприводы, различные инверторы, в том числе, сварочные выпрямители инверторного типа) генерируют мощные пятую и седьмую гармоники (до 70—80 % амплитуды основной гармоники каждая). При этом форма потребляемого тока значительно искажается и коэффициент искажения синусоидальности кривой тока К=80—90 % [177]. Такие однофазные выпрямительные нагрузки из-за своей массовости (компьютеры, мониторы, серверы, телевизоры, телекоммуникационная и медицинская аппаратура, и т. п.) значительно ухудшают КЗ, генерируя в сеть третью и кратные ей гармоники тока и доводя общий К до 120—150 %. Например, в [1] приводятся относительные значения амплитуд гармоник входного тока компьютера по тринадцатую включительно, в соответствии с которыми К=146 %.
Таким образом, рассмотренные потребители относительно питающей сети являются существенно нелинейной нагрузкой. При этом, ограниченная магнитная связь между первичной и вторичной обмотками распределительного трансформатора препятствует распространению высших гармоник в высоковольтную питающую сеть, и они в основном циркулируют в низковольтной сети. Проблема усугубляется тем, что за счет продольного активно-индуктивного сопротивления сети несинусоидальный характер кривой входного тока указанных электроприемников вызывает искажения питающего напряжения, которые являются фактором взаимовлияния высших гармоник в сетях НН.
Известно, что подавляющее большинство электроприемников, подключаемых к сетям НН, являются однофазными и имеют случайные графики нагрузок. Поэтому в любой момент времени в сети наблюдается несимметрия нагрузок по фазам и соответствующая несимметрия токов. При этом следует различать несимметрию токов, определяемую неравномерным подключением электроприемников по фазам (неслучайная несимметрия), и несимметрию, вызванную случайными обстоятельствами (вероятностная несимметрия) [105].
Проведенные исследования показывают, что в низковольтных электрических сетях в нормальном рабочем режиме вероятностная и неслучайная несимметрии токов являются постоянно действующими факторами, а в случае подключения нелинейных электроприемников возникает так называемая несимметрия высших гармоник. Известно, что в симметричном режиме токи высших гармоник 3к + 1 (к — любое целое число) имеют прямой порядок следования фаз, токи высших гармоник 3k +2 — обратный и ЗА — нулевой порядок следования фаз. Если система фазных токов каждой из гармоник становится несимметричной по амплитуде и фазе и может быть разложена в общем случае на симметричные составляющие всех трех последовательностей, будем считать, что имеется несимметрия высших гармоник тока. Тогда при разложении несимметричных гармоник наличие обратной и нулевой последовательностей будет характеризовать несимметрию гармоник 3k + 1, наличие прямой и нулевой — несимметрию гармоник 3k + 2, а прямой и обратной — несимметрию гармоник, кратных трем.

Следует отметить, что вопросам несимметрии нелинейных нагрузок посвящен ряд публикаций [49, 65, 87, 167, 171, 188, 216].
В работах [87, 188], в частности, показано, что сложные формы кривых фазных токов нелинейных потребителей редко имеют одинаковую конфигурацию в каждой из трех фаз. При этом система питания может иметь разные фазные сопротивления и даже различную схему на каждой фазе. В первую очередь это относится к средствам преобразовательной техники, которые отличаются друг от друга мощностью, числом фаз, размещением, схемой соединения, условиями работы и др. С одной стороны, в результате их смешанных и суммирующих воздействий величины высших гармоник в сети существенно отличаются от теоретических предсказаний. С другой стороны, вследствие несимметрии нагрузок, различных задержек в работе отдельных фаз выпрямителя, расхождения в значениях коэффициента трансформации и т. д. не исчезают те гармонические составляющие, которые в соответствии с теорией должны отсутствовать.
Нетрудно понять, что возникающая несимметрия высших гармоник является нарушением КЭ в результате совместного воздействия несимметрии и несинусоидальности токов соответствующих нагрузок. Поэтому в СЭС необходимо выполнять различного рода мероприятия по устранению, а если это не удалось сделать, то по ограничению несимметрии высших гармоник. Например, в свое время Австралийский стандарт (AS 2279—1979) на содержание высших гармоник в сети [171] даже предлагал ввести ограничения на использование однополупериодного и так называемого полууправляемого оборудования, которое вследствие совместного применения диодов и тиристоров создает несимметричную ситуацию в сети. Можно предположить, что если несимметрию высших гармоник нельзя устранить организационными мероприятиями, то необходимы технические средства уменьшения высших гармонических фазных токов в условиях их несимметрии.
В настоящее время наблюдается начавшийся еще в 90-е годы прошлого века рост электропотребления коммунально-бытовым хозяйством и населением Украины. Это объясняется, с одной стороны, спадом энергопотребления промышленными отраслями национальной экономики, а с другой — значительным ростом использования разнообразных электробытовых приборов, очень часто достаточно большой единичной мощности.

Кроме того, в последние годы происходит бурный рост количества управленческих структур, банков и финансовых организаций, учебных центров, издательских фирм и т.д., которые чрезвычайно насыщены разнообразной оргтехникой (многочисленные персональные компьютеры и компьютерные сети, множительная и контрольная техника, средства персональной связи). При этом названные потребители подключаются, как правило, к электрической сети НН соответствующего здания или сооружения. Как было отмечено, характер их электропотребления в значительной степени определяется наличием ИВЭП с бестрансформаторным входом, в качестве входного звена которого используется сетевой выпрямитель с емкостным фильтром.
Таким образом, в настоящее время в низковольтных сетях жилых и общественных зданий получили широкое распространение нелинейные электроприемники сравнительно небольшой мощности, причем существует тенденция к непрерывному увеличению их количества. Несмотря на малую мощность этих потребителей электроэнергии, их массовое применение является причиной значительных искажений синусоидальности кривых напряжений в сетях НН.