Несинусоидальность напряжения

Несинусоидальность напряжения – искажение синусоидальной формы кривой напряжения.

Электроприёмники с нелинейной вольт­-амперной характеристикой потребляют ток, форма кривой которого отличается от синусоидальной. А протекание такого тока по элементам электрической сети создаёт на них падение напряжения, отличное от синусоидального, это и является причиной искажения синусоидальной формы кривой напряжения.

Например, полупроводниковые преобразователи потребляют ток трапециевидной формы, образно говоря, – выхватывают из синусоиды кусочки прямоугольной формы. 35% электроэнергии преобразуется и потребляется на постоянном напряжении.

Источниками несинусоидальности напряжения являются:

-статические преобразователи,

-дуговые сталеплавильные печи,

-индукционные печи,

-трансформаторы,

-синхронные двигатели,

-сварочные установки,

-вентильные преобразователи,

Рис. 9.2 Компенсация тока обратной последовательности

-преобразователи частоты,

-вращающиеся электрические машины, питаемые через вентильные преобразователи;

-телевизионные приемники,

-люминесцентные и ртутные лампы.

Строго говоря, все потребители, кроме ламп накаливания, имеют нелинейную вольтамперную характеристику.

Качество электрической энергии по коэффициенту n-ой гармонической составляющей напряжения в точке общего присоединения считают соответствующим требованиям ГОСТ 54149-2010, если наибольшее из всех измеренных в течение 24 ч значений коэффициентов n -ой гармонической составляющей напряжения не превышает предельно допустимого значения. А значение коэффициента n -ой гармонической составляющей напряжения, соответствующее вероятности 95% за установленный период времени, не превышает нормально допустимого значения.

Дополнительно допускается определять соответствие нормам стандарта по суммарной продолжительности времени выхода измеренных значений данного показателя за нормально и предельно допустимые значения. При этом качество электрической энергии по коэффициенту n -ой гармонической составляющей напряжения считают соответствующим требованиям ГОСТ 54149-2010, если суммарная продолжительность времени выхода за нормально допустимые значения составляет не более 5% от установленного периода времени, т.е. 1 ч 12 мин, а за предельно допустимые значения - 0% от этого периода времени.

Таблица 9.2

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения, К_u, %

Напряжение, кВ	Нормы КЭ
	Нормально допустимые	Предельно допустимые
Uном=0,38 кВ	8,0	12,0
Uном=6-20 кВ	5,0	8,0
Uном=35 кВ	4,0	6,0
Uном=110-330 кВ	2,0	3,0

Высшие гармоники появляются в электрических сетях содержащих нелинейные элементы. Как известно, таковыми в электроэнергетических системах в первую очередь являются трансформаторы и электрические машины. При синусоидальном напряжении сети магнитный поток трансформатора синусоидален, поэтому напряжение на вторичной стороне также синусоидально. В идеальном случае при отсутствии гистерезиса поток и вызывающий его ток намагничивания связаны нелинейной кривой намагничивания.

Поэтому синусоидальному потоку соответствует несинусоидальная кривая тока намагничивания. Учет явления гистерезиса не меняет общей картины характера изменения тока намагничивания. В токе намагничивания присутствуют все нечетные гармоники, в основном гармоники, кратные трем. Для исключения распространения по сети гармоник, кратных трем, на силовых трансформаторах одна из обмоток соединяется в треугольник. В этом случае трансформатор для гармоник, кратных трем, представляет собой «фильтр-ловушку». Гармоники «отсасываются» в трансформатор и в сеть не поступают.

У силовых трансформаторов токи намагничивания значительно увеличиваются при включении трансформатора под напряжение и при восстановлении напряжения после ликвидации КЗ. Особенно большими будут токи намагничивания, если существует остаточное намагничивание сердечника трансформатора. Ток намагничивания с большим содержанием высших гармоник в этих режимах может превышать в 3-5 раз номинальный ток трансформатора. Хотя время существования таких токов составляет всего несколько периодов, влияние их на работу устройств релейной защиты и автоматики может оказаться значительнее.

Вращающиеся машины также являются источниками высших гармонических составляющих. Так как магнитный поток электромагнитной системы не является строго синусоидальным, то имеют место нечетные гармоники.

Другим широко распространенным источником искажения кривых питающего тока и напряжения являются дуговые сталеплавильные печи. Дуговые электропечи имеют нелинейные характеристики электрической дуги, что приводит к появлению высших гармоник тока и напряжения.

Работа электрических печей оказывает существенное влияние на режим работы электрической сети на начальной стадии цикла работы в период расплава. В установившемся режиме процесс плавки идет «спокойно» и обрыва дуг практически не происходит. Тем не менее, принято считать, что токи высших гармоник являются случайными величинами, поэтому их уровни необходимо представлять в виде вероятностных характеристик.

Искажение формы кривой переменного напряжения (тока)-  отличие формы кривой переменного напряжения (тока) от требуемой.

Коэффициент формы кривой переменного напряжения (тока)-  величина, равная отношению действующего значения периодического напряжения (тока) к его среднему значению (за полпериода).

Для синусоиды. (9.6) Коэффициент амплитуды кривой переменного напряжения (тока) - величина, равная отношению максимального по модулю за период значения напряжения (тока) к действующему значению периодического напряжения (тока). (Для синусоиды).

Коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения (тока) - один из основных показателей качества электроэнергии, равный отношению действующего значения суммы высших гармонических составляющих к действующему значению основной составляющей переменного напряжения (тока):

%, (9.7)

где n - порядковый номер гармонической составляющей напряжения. Вторым показателем несинусоидальности является коэффициент n -й гармонической составляющей напряжения:

,%. (9.8)

Влияние несинусоидальности напряжения на работу электрооборудования:

- Фронты несинусоидального напряжения воздействуют на изоляцию кабельныхлиний электропередач, учащаются однофазные короткие замыкания на землю. Аналогично кабелю пробиваются конденсаторы.

- В электрических машинах, включая трансформаторы, возрастают суммарные потери. Так, при коэффициенте искажения синусоидальной формы кривой напряжения K_U = 10 % суммарные потери в сетях предприятий, крупных промышленных центров, сетях электрифицированного железнодорожного транспорта могут достигать 10...15 %.

- Возрастает недоучёт электроэнергии, вследствие тормозящего воздействия на индукционные счётчики гармоник обратной последовательности.

- Неправильно срабатывают устройства управления и защиты.

- Выходят из строя компьютеры.

Функцию, описывающую несинусоидальную кривую напряжения, можно разложить в ряд Фурье синусоидальных (гармонических) составляющих с частотой, в n -раз превышающую частоту сети электроснабжения – частоту первой гармоники (f, n =1 = 50 Гц, f, n = 2 = 100 Гц, f, n = 3 = 150 Гц...).

В связи с различными особенностями генерации, распространения по сетям и влияния на работу оборудования различают чётные и нечётные гармонические составляющие, а также составляющие прямой последовательности (1, 4, 7 и т. д.), обратной последовательности (2, 5, 8 и т. д.) и нулевой последовательности (гармоники, кратные трём). С повышением частоты (номера гармонической составляющей) амплитуда гармоники снижается.