Причини утворення вищих гармонік у мережах низької напруги.
Голова першаСУЧАСНИЙ СТАН ДОСЛІДЖЕНЬ ТА ОСОБЛИВОСТІ ПРОБЛЕМИ ВИЩИХ ГАРМОНИК У НИЗКОВОЛЬТНИХ ЕЛЕКТРИЧНИХ МЕРЕЖАХ НИЗЬКОЇ напруги Причини електропостачання набув широкого поширення терміну «електромагнітна перешкода». Він набув форм, обумовлених різноманітністю існуючих електроприймачів, які можуть бути як відносно потужними (силовими) - синхронні та асинхронні двигуни, статичні та машинні перетворювачі, зварювальні агрегати та інші електротехнологічні установки, так і невеликий одиничної потужності - засоби комп'ютерної техніки, електропобутові прилади та ін. .Всі зазначені споживачі об'єднані мережею електропостачання (за винятком автономних систем), що викликає необхідність визначення ступеня впливу на мережу електромагнітних перешкод, що виникають в результаті роботи окремих електроприймачів. Під електромагнітною перешкодою (надалі перешкодою) розуміються електричне та (або) магнітне явища (процеси), створені будь-яким джерелом у просторі або провідному середовищі і небажано впливають або здатні вплинути на стан електроприймача (функціонування, ефективність використання, втрати, старіння ізоляції тощо). Носіями перешкод виступають постійні або змінюються значення напруги, струму, електричного заряду або магнітного потоку. Перешкоди можна класифікувати за різними ознаками. Залежно від шляхів поширення перешкоди поділяють на просторові та кондуктивні, за передбачуваністю часу появи та форми – на випадкові (імовірнісні) та регулярні(Систематичні). Перешкоди з мережі живлення змінного струму можна поділяти на імпульсні (короткочасні) та тривалі. Дослідження електромагнітної обстановки в точці мережі, що розглядається, являє собою визначення кількісних характеристик тривалих і імпульсних перешкод, характерних для даної ділянки мережі. До тривалих перешкод відносять відхилення напруги від номінального значення тривалістю понад 5 мс, що перевищують допустимі межі зміни у бік збільшення чи зменшення. До імпульсних перешкод відносять імпульси напруги різної полярності, що накладаються на нормальний рівень миттєвого значення синусоїди або постійної напруги тривалістю від часток наносекунд до одиниць мілісекунд. До перешкод також слід віднести провали напруги, спричинені, наприклад, спрацюванням автоматичного повторного увімкнення або автоматичного вмикання резерву. Враховуючи максимально можливі затяжні пуски потужних двигунів, можна припустити, що тривалі тривалі перешкоди лежать в межах 10 с. До розряду перешкод не відноситимуться лише відключення (аварійні або робочі), пов'язані з наступним ручним включенням напруги. За характером перебігу процесу в часі розрізняють перешкоди поодинокі, періодичні, гармонійні та шуми. Поодинокі перешкоди викликані комутацією мереж та електроприймачів, короткими замиканнями, статичними або атмосферними розрядами або іншими процесами, що викликають короткочасні незалежні один від одного збурення струму та напруги в мережі. Періодичні перешкоди пов'язані переважно з імпульсно-циклічним характером навантаження потужних електроприймачів. Гармонічні перешкоди (вищі гармоніки) виникають із частотою мережі або кратною їй і викликаються переважно потужними нелінійними електроспоживачами при обмеженійпотужності мережі живлення. Гармонічні та періодичні перешкоди, як правило, призводять до виникнення несинусоїдності напруги [13, 18,29,98, 115, 131, 174, 181, 193, 209]. Причини виникнення вищих гармонік різних ділянках мережі також різні. Якщо високовольтних мережах поява вищих гармонік зумовлено поруч із впливом потужних нелінійних електроприймачів коронними розрядами, грозовими явищами і аварійними режимами ЛЕП, то низьковольтних мережах вони обумовлені переважно нестаціонарними процесами і нелінійними характеристиками окремих електроприймачів. При цьому вищі гармоніки, що викликаються низьковольтними нелінійними споживачами, відповідно до наведеної вище класифікації, назвемо систематичними, гармонійними, кондуктивними перешкодами. Очевидно, що причиною порушення КЕ може бути неприпустиме погіршення будь-якого з його параметрів, спричинене властивостями одного зі споживачів або їхньої групи при спільній експлуатації. Зазвичай КЕ погіршує кожен із споживачів і, за деякої їх кількості, таке погіршення досягає граничного значення, що викликає збої та відмови апаратури. І тут конкретного винуватця просто немає. При цьому складно навести приклад електроприймача, що є по відношенню до мережі суто активним навантаженням. Навіть звичайна лампа розжарювання за рахунок різниці опору холодної та нагрітої нитки розжарювання створює при включенні помітні навантаження. Значно простіше навести приклади електроприймачів, що явно спотворюють мережеву напругу, таких як зварювальні апарати, керований електропривод, комп'ютерна та інша електронна техніка. Значна частина цих споживачів генерує у мережу вищі гармоніки, серйозно загострюючи ситуацію з КЕ в низьковольтних мережах [3]. Тому в умовахнасиченості зазначених мереж нелінійними електроспоживачами домінуючим фактором погіршення КЕ стає несинусоїдність струмів та напруг. Проведений аналіз показує, що спотворення синусоїдальності кривих струмів в мережах ПН, що викликаються такими електроприймачами, можуть бути дуже суттєвими [30, 97]. Наприклад, для вхідних швидкими темпами в побут НВЧ-печей, які зручні та енергоефективні (у зв'язку з короткочасністю роботи внаслідок швидкого досягнення необхідного теплового ефекту) характерні коефіцієнти спотворення синусоїдальності кривої вхідного струму від 15 (Електроніка, СП23, ЗІЛ, 1300) 29% (Daewoo, MOD KOR-8167, 1350ВА). Ці показники власними силами начебто й викликають побоювання, до того ж відносні значення гармонік струму швидко зменшуються залежно від порядкового номера: у першому випадку I(3) = 13,5 %, I(5) = 3, 6 % , I(7) =2,7 % і т. д., а у другому - I(3) = 25,2% , I(5) = 11,2%, I(7) =5,2 % і т. д. Однак включення цих печей у типових умовах призводить не тільки до зниження значення напруги мережі живлення на 2-4 %, але, що значно серйозніше, і до збільшення коефіцієнта спотворення синусоїдальності кривої цієї напруги на 6-18 %. Сучасні компактні люмінесцентні лампи (КЛЛ) через свою високу вартість використовуються, в першу чергу, з метою демонстрації престижності і, лише в другу — як енергоефективні світильники, які відрізняються в 4—5 разів більшою світловіддачею і в 5-6 разів більшим терміном служби, ніж лампи розжарювання [203]. Коефіцієнт спотворення синусоїдальності кривої струму живлення (К) КЛЛ з електромагнітним баластом (ЕМБ) знаходиться, за свідченням [203], на тому ж рівні, що і в НВЧ-печах: для лампи Life Look 50 фірми NEC (Японія) — 13,1 % (тут і далі враховуються гармоніки по тринадцятувключно), для лампи Globolux 125 фірми TUNGSRAM (Австрія) - 18,5%. Це підтверджують і проведені нами дослідження: лампи NLS-18W (Р) фірми RADIUM (Німеччина) К1 = 25,4%, лампи ЛЕЦ-20 (Україна) K1= 12,2 %. Бажання позбутися природних недоліків КЛЛ з ЕМБ (порівняно велика маса; низький cos φ; висока напруга запалювання, що може не дозволити їм взагалі запалитися при зниженні напруги живлення нижче 190-220 В; тривалий час запуску) стало причиною розробки та впровадження електронної пускорегулюючої апаратури (ЕПРА). Однак звільнення від зазначених недоліків у таких джерелах було досягнуто ціною різкого погіршення форми кривої споживаного струму. [83] наведені такі дані: для лампи PLC Elektronic фірми Philips (Голландія) 134,9%; для лампи Dulux Elektronic фірми OSRAM (Німеччина) К = 162,4%; для лампи GP-12B фірми ECONOLAMP (Гонконг) К = 169,4 %. Необхідно відзначити надзвичайно широкий спектр гармонік струму, що споживається КЛЛ з ЕПРА, і те, що зниження амплітуди гармонік при збільшенні їх номера відбувається дуже повільно (наприклад, для останньої зі згаданих ламп I(3) = 92,6 % , I( 5) = 85,1%, I (7) = 74,7%, I (9) = 61,7%.
Зі зміною значення напруги живлення форма струму і його гармонійний склад змінюються мало. Так, для лампи FLE 16 TBX/827/LC фірми TUNGSRAM при 220В К = 150,5%, а при 180В К = 152%. Однак через наявність внутрішньої системи стабілізації, яка по суті підтримує незмінним світловий потік, при цьому різко (приблизно у півтора рази) зростають абсолютні значення струмів споживання першої та всіх вищих гармонік. Слід зазначити, що темпи виробництва КЛЛ з ЕПРА з кожним роком зростають. Якщо орієнтуватися на прогноз, даний у [61) про можливу заміну 50% ламп розжарювання КЛЛ,то можна очікувати подальшого суттєвого погіршення ситуації з несинусоїдністю напруг у мережах ПН, адже на освітлення у 1994 році в Україні витрачалося близько 17 % усієї електроенергії. Проведений аналіз показує, що основними джерелами вищих гармонік у мережах ПН є споживачі енергії, які мають у своєму складі випрямляч з потужним ємнісним фільтром. Це звані перетворювачі з безтрансформаторним входом чи, за міжнародної термінології, AC/DC Switch Mode Power Supply (SMPS) [172], які реалізують таку ж ідеологію, як і ЭПРА. В даний час це найсерйозніша проблема, яка породжена розвитком електроніки та посилюється в міру розширення масштабів її використання. У 70-ті роки XX століття досягнення в галузі електрофізики та технології виробництва високочастотних напівпровідникових приладів дозволили підвищити їх робочу напругу до 200-600 В при струмах 10-20 А. Це визначило актуальність робіт зі створення мережевих джерел вторинного електроживлення (ІВЕП) з безтрансформаторним входом, у яких перетворення параметрів електроенергії проводилося на високій частоті (10-20 кГц), а фільтрація та стабілізація напруги здійснювалася за рахунок високочастотної імпульсної модуляції. Подібні роботи проводилися практично у всіх розвинених країнах і призвели до підвищення ККД пристроїв електроживлення до 0,75-0,9 зі збільшенням питомої вихідної потужності до 100 Вт/дм3 [7, 16, 33, 67, 112]. У середині 80-х років XX століття накопичений досвід проектування та експлуатації систем електроживлення з широким застосуванням ІВЕП з безтрансформаторним входом дозволив виявити їх деякі негативні властивості, що стосуються істотних спотворень синусоїдальності кривих вхідних струмів. Зокрема, трифазні навантаження цьоготипу (частотно керовані електроприводи, різні інвертори, в тому числі зварювальні випрямлячі інверторного типу) генерують потужні п'яту і сьому гармоніки (до 70-80% амплітуди основної гармоніки кожна). При цьому форма споживаного струму значно спотворюється і коефіцієнт спотворення синусоїдності кривої струму К = 80-90% [177]. Такі однофазні випрямні навантаження через свою масовість (комп'ютери, монітори, сервери, телевізори, телекомунікаційна та медична апаратура, тощо) значно погіршують КЗ, генеруючи в мережу третю і кратні їй гармоніки струму і доводячи загальний К50-120 %. Наприклад, [1] наводяться відносні значення амплітуд гармонік вхідного струму комп'ютера по тринадцяту включно, відповідно до яких К=146 %. Таким чином, розглянуті споживачі щодо мережі живлення є істотно нелінійним навантаженням. При цьому, обмежений магнітний зв'язок між первинною і вторинною обмотками розподільного трансформатора перешкоджає поширенню вищих гармонік у високовольтну мережу живлення, і вони в основному циркулюють в низьковольтній мережі. Проблема ускладнюється тим, що за рахунок поздовжнього активно-індуктивного опору мережі несинусоїдальний характер кривої вхідного струму зазначених електроприймачів викликає спотворення напруги живлення, які є фактором взаємовпливу вищих гармонік в мережах ПН. Відомо, що переважна більшість електроприймачів, що підключаються до мереж ПН, є однофазними та мають випадкові графіки навантажень. Тому будь-якої миті часу в мережі спостерігається несиметрія навантажень по фазах і відповідна несиметрія струмів. При цьому слід розрізняти несиметрію струмів, що визначається нерівномірним підключенням електроприймачів по фазах (невипадкова несиметрія), танесиметрію, викликану випадковими обставинами (імовірнісна несиметрія) [105]. Проведені дослідження показують, що в низьковольтних електричних мережах у нормальному робочому режимі імовірнісна та невипадкова несиметрія струмів є постійно діючими факторами, а у разі підключення нелінійних електроприймачів виникає так звана несиметрія вищих гармонік. Відомо, що в симетричному режимі струми вищих гармонік 3к + 1 (к - будь-яке ціле число) мають прямий порядок проходження фаз, струми вищих гармонік 3k +2 - зворотний і ЗА - нульовий порядок проходження фаз. Якщо система фазних струмів кожної гармонік стає несиметричною по амплітуді і фазі і може бути розкладена в загальному випадку на симетричні складові всіх трьох послідовностей, будемо вважати, що є несиметрія вищих гармонік струму. Тоді при розкладанні несиметричних гармонік наявність зворотної та нульової послідовностей буде характеризувати несиметрію гармонік 3k + 1, наявність прямої та нульової – несиметрію гармонік 3k + 2, а прямий та зворотній – несиметрію гармонік, кратних трьом.
Крім того, в останні роки відбувається бурхливе зростання кількості управлінських структур, банків та фінансових організацій, навчальних центрів, видавничих фірм тощо, які надзвичайно насичені різноманітною оргтехнікою (численні персональні комп'ютери та комп'ютерні мережі, розмножувальна та контрольна техніка, засоби персонального зв'язку ). При цьому ці споживачі підключаються, як правило, до електричної мережі ПН відповідної будівлі або споруди. Як було зазначено, характер їх електроспоживання значною мірою визначається наявністю ІВЕП з безтрансформаторним входом, як вхідна ланка якого використовується мережний випрямляч з ємнісним фільтром. Таким чином, нині в низьковольтних мережах житлових та громадських будівель набули широкого поширення нелінійні електроприймачі порівняно невеликої потужності, причому існує тенденція до безперервного збільшення їх кількості. Незважаючи на малу потужність цих споживачів електроенергії, їхнє масове застосування є причиною значних спотворень синусоїдальності кривих напруг у мережах ПН.