Гармоники в сетях напряжения

Коэффициент мощности и гармоники в электросети

В прошлой статье я рассказал при исследование качества электроэнергии при помощи анализатора HIOKI. Там я обещал продолжить рассказ и поделиться своими знаниями по таким понятиям, как коэффициент мощности (известный в народе как cos φ) и гармоники питающего напряжения. Кроме того, расскажу, что такое PF, DPF, и докажу, что косинус и синус – две большие разницы! 🙂 Для примера разберём, как обстоят дела с косинусом и гармониками на предприятии, которое мы обследовали совместно с “ИК Энергопартнер”.

Косинус угла в электротехнике

Кто хочет, почитайте про cos φ в Википедии, а я расскажу своими словами. Итак, что такое косинус в электротехнике? Дело в том, что есть такое явление, как сдвиг фаз между током и напряжением. Он происходит по разным причинам, и иногда важно знать о его величине. Сдвиг фаз можно измерить в градусах, от 0 до 360. На практике степень реактивности (без указания индуктивного либо емкостного характера) выражают не в градусах, а в функции косинуса, и называют коэффициентом мощности:

cos fi

P – активная мощность, которая тратится на совершение полезной работы,
S – полная мощность.

Полная мощность является геометрической суммой активной Р и реактивной Q мощностей, поэтому формулу коэффициента мощности можно записать в следующем виде:

Формула коэффициента мощности через активную и реактивную мощности

СамЭлектрик.ру в социальных сетях:

Подписывайтесь! Там тоже интересно!

В иностранной литературе коэффициент мощности cos φ называют PF (Power Factor). Фактически, это коэффициент, который говорит о сдвиге сигнала тока по отношению к сигналу напряжения.

На самом деле, всё не так просто, подробности ниже.

Легендарный Алекс Жук очень толково рассказал, что такое реактивная мощность, и всё по этой теме:

В видео подробно и доступно изложена вся теория по теме.

Размерности. Что в чём измеряется

Активная мощность Р ⇒ Вт (то, что измеряет домашний счетчик),

Реактивная мощность Q ⇒ ВАР (Вольт · Ампер Реактивный),

Полная мощность S ⇒ ВА (Вольт · Ампер).

Кстати, в стабилизаторах и генераторах мощность указана в ВА. Так больше. Маркетологи знают лучше.

Также маркетологи знают, что на потребителях (например, на двигателях) мощность лучше указывать в Вт. Так меньше.

Минусы и плюсы наличия реактивной составляющей

При питании нагрузки, имеющей только активный характер, сдвиг фаз между током и напряжением равен нулю. Этот случай можно назвать идеальным, при нем можно питающие сети используются полностью, поскольку нет потерь на бесполезную реактивную составляющую.

Реактивная составляющая не так бесполезна. Она формирует электромагнитное поле, нужное для адекватной работы реактивной нагрузки.

В реальной жизни нагрузка, как правило, имеет индуктивный характер (ток отстает от напряжения), и является активно-реактивной. Поэтому всегда, когда говорят о сдвиге фаз и о косинусе, имеют ввиду индуктивную нагрузку.

Уточню: речь идет о промышленной сфере, где эта проблема стоит особенно остро. В быту нагрузка, как правило, имеет емкостной характер. Но учитывая мизерные мощности и высокий cos φ, реактивные мощности в быту не используют.

Основными источниками реактивной составляющей электроэнергии являются трансформаторы и асинхронные электродвигатели.

Чисто реактивная нагрузка бывает только в учебнике. Реально за счет потерь всегда присутствует и активная составляющая тоже.

Реактивная составляющая мощности питания является негативным фактором, поскольку:

Возникают дополнительные потери в линиях передачи электроэнергии,
Снижается пропускная способность линий электропередачи,
Происходит падение напряжения на линиях передачи из-за увеличения реактивной составляющей тока питающей сети,
Происходит дополнительный нагрев и износ систем распределения и трансформации электроэнергии,
Возможно появление резонансных эффектов на частотах гармоник, что может вызвать перегрев питающих сетей.

По приведенным причинам необходимо понижать долю реактивной мощности в сети (повышать косинус) – это выгодно и энергоснабжающим организациям, и потребителям с распределенными сетями.

Пример: Для передачи определенной мощности нужен ток 100 А при cos φ = 1. Однако, при cos φ = 0,6 для обеспечения той же мощности нужно будет передать ток 166 А! Соответственно, нужно думать о повышении мощности питающей сети и увеличении сечения проводов…

Реактивная мощность – это часть мощности источника питания, эта мощность была накоплена в магнитном поле, а затем возвращена обратно источнику.

Как компенсируют реактивную составляющую мощности?

Для понижения (компенсации) индуктивного характера реактивной составляющей используют введение емкостной составляющей в нагрузку, которая имеет положительный сдвиг фаз напряжения и тока (ток опережает напряжение). Реализуется это путем подключения параллельно нагрузке конденсаторов необходимой емкости. В результате происходит компенсация, и нагрузка со стороны питающей сети становится активной, с малой долей реактивной составляющей.

Компенсаторная установка на контакторах

Важно, чтобы не происходило перекомпенсации. То есть, даже после компенсации косинус не должен быть выше 0,98 – 0,99, и характер мощности всё равно должен оставаться индуктивным. Ведь компенсация имеет ступенчатый характер (контакторами переключаются трехфазные конденсаторы).

Конденсатор компенсатора реактивной мощности

Однако, для конечного потребителя компенсация реактивной мощности не имеет особого смысла. Польза в её компенсации есть только там, где имеются длинные сети передачи, которые “забиваются” реактивной мощностью, что в итоге снижает их пропускную способность.

Поэтому компенсация реактивной мощности относится к вопросу энергосбережения – она позволяет экономить расход топлива на электростанциях, и выработку бесполезной реактивной энергии, которая в конечном счете преобразуется в тепловую энергию и выбрасывается в атмосферу.

На предприятиях учитывается и активная, и реактивная потребляемые мощности, и при составлении договора оговаривается минимальное значение коэффициента мощности, которое нужно обеспечить. Если косинус упал – включается повышающий коэффициент при оплате.

Отрицательный косинус

Из школьного курса геометрии известно, что cos (φ) = cos (-φ), то есть косинус любого угла будет положительной величиной. Но как же отличить индуктивную нагрузку от емкостной? Всё просто – электрики всех стран условились, что при емкостной нагрузке перед знаком косинуса ставится минус!

В практике пользования прибором анализа напряжения HIOKI у меня были случаи, когда значение косинуса было отрицательным. В последствии выяснилось, что была неправильно включена компенсаторная установка и произошла перекомпенсация. То есть cos φ < 0, что и должно быть, но конденсаторные установки используются неправильно, и возможны ситуации, когда напряжение в сети из-за этого может подняться.

Коэффициент реактивной мощности Тангенс φ

Часто более удобным является коэффициент реактивной мощности tg φ, который показывает отношение реактивной мощности к активной. Понятно, что при tg φ = 0 достигается идеал cos φ = 1.

Гармоники питающего напряжения

Кроме образования реактивной мощности, на промышленных предприятиях существует такой негативный фактор, как выработка гармоник напряжения питающей сети.

Гармоники – это та часть спектра питающего напряжения, которая отличается частоты промышленной сети 50 Гц. Как правило, гармоники образуются на частотах, кратных основной. Таким образом, 1-я (основная) гармоника имеет частоту 50 Гц, 2-я – 100, 3-я – 150, и так далее.

Для измерения гармоник напряжения существует формула:

Гармоники напряжения – формула расчета

Кu – коэффициент нелинейных искажений, или THD (Total Harmonic Distortion),
U(1), U(2), и так далее – напряжение соответствующей гармоники, вплоть до 40-й.

Однако, эта формула не удобна на практике, поскольку не дает представления об уровне каждой гармонике в отдельности. Поэтому для практических целей используют формулу:

Коэффициент каждой гармоники напряжения

Кu(n) – коэффициент n-й гармонической составляющей спектра напряжения,
U(n) – напряжение n-й гармоники,
U(1) – напряжение 1-й гармоники

Таким образом, при измерении мы получим детальное распределение гармоник в спектре питающего напряжения, что позволит провести детальный анализ полученной информации и сделать правильные выводы.

Есть ещё гармоники тока, но там всё гораздо хуже…

На основе увеличения гармоник тока построен прибор для обмана счетчика. Кстати, там Автор прибора довольно убедительно доказал пользу своего изобретения)

PF или DPF?

Здесь надо сделать оговорку. Всё, что я говорил выше про косинус – относится к линейной нагрузке. Это означает, что напряжение и ток, хоть и гуляют по фазе, имеют форму синуса.

Но в реальном мире вся нагрузка не только не активная, но и не линейная. Значит, ток через неё имеет хоть и периодическую, но далеко не синусоидальную форму. Искаженная синусоида означает, что кроме первой гармоники имеются и другие, вплоть до бесконечности.

Вот как обстоят иногда дела:

Формы напряжения и тока при нелинейной нагрузке

Гармоники напряжения, тока и мощности

Обычно, когда нагрузка симметричная (трехфазные потребители), за счёт принципов работы все гармоники, кратные 2 и 3, почти отсутствуют. В итоге остаются в основном 5, 7, 11, 13 гармоники, имеющие частоты соответственно частоты 250, 350, 550, 650 Гц.

Поэтому надо понимать, что та теория, что я расписал выше – для идеальных условий (без нелинейных искажений), которых в реале не бывает. Либо, если пренебречь высшими гармониками тока, и взять только первую (50 Гц), что обычно и происходит в жизни.

И если подходить к терминологии строго, то cos φ и PF (Power Factor) – это не одно и то же. PF учитывает также все гармоники напряжения и тока. И с учетом нелинейности реальный PF будет меньше.

Для учета коэффициента мощности в приборе HIOKI есть параметр DPF (Displacement Power Factor, смещённый коэффициент мощности), который учитывает только первую гармонику и равен cos φ.

Коэффициенты мощности полный PF и смещённый DPF (для чистого синуса)

В итоге можно сказать, что справедливо выражение:

cos φ = DPF ≤ PF

Измерения на предприятии

При индуктивном характере нагрузки, который наблюдается на практике в большинстве случаев, ток отстает от напряжения (отрицательный сдвиг фаз), что видно на экране прибора HIOKI 3197 (табличные данные) при проведении измерений:

В данном случае видно, что ток отстает от напряжения примерно на 26°.

Из вышеприведенного измерения видно, что при угле отставания тока (сдвиге фаз) 26° cos φ = 0,898. Данный расчет подтверждается измеренным значением.

Измерение проводилось в течение около двух часов, за это время оборудование (нагрузка) циклически включалось и выключалось. За всё время измерения коэффициент нелинейных искажений напряжения THD не превысил 1,3% по каждой из фаз.

Результаты измерений приведены ниже:

Измеренные гармоники напряжения, тока и мощности

Режим мультиметра – на экране разные параметры

Для проверки проведём расчет по выше приведенной формуле для самых интенсивных гармоник (5, 7, 11):

Расчет гармоник напряжения

Как видно, остальные гармоники имеют пренебрежимо малый вес.

Временной график THD:

График THD (коэфта нелинейных искажений)

Временной график cosϕ:

Анализ полученных результатов обследования

На предприятии нужно было выбрать компенсирующую установку для увеличения коэффициента мощности. Но перед её покупкой было решено обратить внимание на гармоники.

Были реальные случаи, когда из-за высокого уровня гармоник напряжения взрывались и загорались конденсаторные установки

В ГОСТ 13109-97 указан допустимый уровень гармонических искажений по напряжению, равный 8%. По проведенным измерениям, этот уровень не превышен. Однако, при увеличении мощности в 5 раз можно ожидать увеличение процента гармоник (THD) в то же количество раз. Следовательно, возможно увеличение коэффициента гармоник с 2,3 % до 11,5 %.

Однако, по рекомендациям производителей для безопасной эксплуатации батарей конденсаторов установок стандартного исполнения уровень THD не должен превышать 2 %. При этом уровень гармоник тока не учитывается и ГОСТом не регламентируется.

Следовательно, необходимо применять совместно с конденсаторными установками фильтры высших частот (фильтрокомпенсирующие устройства).

Гармоники в электрических сетях: причины, источники, защита

Работа большинства электрических приборов обеспечивается качеством поступающей на них электрической энергии. Но даже в условиях безаварийной работы в системе возникают процессы, обуславливающие возникновение гармоник в электрических сетях. При этом никаких отключений или нарушений может и не происходить, большинство гармоник спокойно вырабатываются во всех цепях, независимо от рода нагрузки. Однако с возрастанием их величины, возможен ряд негативных последствий, как для потребителей, так и для энергосистемы в целом.

Что такое гармоники?

Если напряжение и ток, вырабатываемые источником, максимально приближается к форме идеальной синусоиды, то из-за нелинейных нагрузок, подключенных к электрической цепи, форма начального сигнала получает искажение. Гармоники представляют собой производные по частоте от основной синусоиды в 50 Гц и являются кратными ее величине.

По кратности гармоники подразделяются на четные и нечетные. То есть гармоника №1 – это 50 Гц, 2 – 100 Гц, 3 -150 Гц и т.д. Каждая из них является одной из составляющих результирующей формы напряжения и тока. А значит, что напряжение и ток в сети можно свободно разложить на гармонические составляющие.

Посмотрите на рисунок выше, здесь вы видите детальный пример разложения синусоиды на гармоники и их влияние на форму синусоидального напряжения. В первой позиции изображены результирующая функция с нелинейными искажениями, которые обусловлены показанными ниже нечетными гармониками и подобными им с большей частотой. Величина этих гармоник будет определять величину скачков и провалов на результирующем сигнале. Поэтому, чем больше проявляется та или иная гармоника, тем больше кривая будет отличаться от синусоиды.

По сути, гармоника представляет собой паразитную ЭДС, которая никак не поглощается существующими потребителями или поглощается только частично. Из-за чего возникает негативное влияние на все силовые сети. Естественное поглощение осуществляют лишь активные сопротивления, но в размере пропорциональном потребляемой ими мощности. В то же время, сами потребители можно рассматривать как источники, активно генерирующие искаженный сигнал.

Причины и источники гармоник в электрических сетях

Главной причиной гармонического искажения является протекание каких-либо переходных процессов в электрических сетях. Независимо от характера созданной нагрузки, переходной процесс можно наблюдать в работе той же лампы накаливания, которая, казалось бы, характеризуется исключительно активными потерями. Так, разница между сопротивлением нити лампы в холодном и нагретом состоянии создает переходной процесс, который привносит скачок. Но из-за низкого уровня искажения и относительно кратковременного протекания, влияние на всю систему получается ничтожным.

Поэтому можно смело сказать, что и активные, и реактивные сопротивления в сетях электропитания могут способствовать генерации гармоник. Тем не менее, существует ряд устройств, обуславливающих весомую величину искажения, которая способна нанести существенный ущерб приборам. На практике к источникам искажения относят такие виды оборудования:

Силовое электрооборудование – приводы постоянного и переменного тока, высокочастотные плавильные печи, полупроводниковые преобразователи, источники бесперебойного питания (ИБП), преобразователи частоты.
Устройства, работающие по принципу формирования электрической дуги – электросварочные установки, дуговые печи, лампы освещения (ДРЛ, люминесцентные и другие).
Насыщаемые приборы – двигатели, трансформаторы, обладающие магнитопроводом, который может достигнуть насыщения петли гистерезиса. Без такового насыщения их вклад в формирование гармонической составляющей будет незначительным.

Среди бытовых приборов значительный вклад в генерацию несинусоидальных составляющих вносят те же микроволновые печи. Обратите внимание, что из-за особенностей режима работы одна такая печь способна кратковременно снижать уровень напряжения в сети на 2 – 4%, и, что куда более существенно, повышать коэффициент искажения его кривой на 6 – 18%.

Категории и принцип разделения

В соответствии с особенностями протекания процесса в сетях и источниках электропитания, все гармонические составляющие условно разделяются по таким параметрам:

по пути распространения выделяют пространственные либо кондуктивные;
по прогнозируемости времени возникновения выделяют случайные либо систематические;
по продолжительности могут быть кратковременными (импульсными) либо длительными.

Так, импульсные возмущения обуславливаются единичными коммутациями в питающей сети, короткими замыканиями, перенапряжениями, которые после их отключения потребовали бы ручного включения. А в случае срабатывания АПВ, в основной гармонике появляются уже прогнозируемые изменения, наблюдающиеся в нескольких периодах.

Длительные изменения обуславливаются какой-либо циклической нагрузкой, подаваемой мощными потребителями. Для возникновения таких высших гармоник, как правило, необходима ограниченная мощность сети и относительно большие нелинейные нагрузки, обуславливающие генерацию реактивной мощности.

Возможные последствия

В случае постоянно присутствующего фактора, генерирующего гармоники, их воздействие может обуславливать различные негативные последствия в электрической сети. Из которых особо следует выделить:

Сопутствующий нагрев, выводящий из строя изоляцию двигателей, обмоток трансформаторов, снижающий сопротивление конденсаторов и.т. При нагревании фазного провода или других токопроводящих элементов в диэлектриках возникают необратимые процессы, снижающие их изоляционные свойства.
Ложное срабатывание в распределительных сетях – приводит к отключению автоматов, высоковольтных выключателей и прочих устройств, реагирующих на изменение режима, обусловленное гармониками.
Вызывает асимметрию в промышленных сетях с трехфазными источниками при возникновении гармоники на одной фазе. От чего может нарушаться нормальная работа трехфазных выпрямителей, силовых трансформаторов, трехфазных ИБП и прочего оборудования.
Возникновение шума в сетях связи, влияние на смежные слаботочные и силовые кабели за счет наведенной ЭДС. На величину гармоники ЭДС влияет как расстояние между проводниками, так и продолжительность их приближения.
Приводит к преждевременному электрическому старению оборудования. За счет разрушения чувствительных элементов, высокоточные приборы утрачивают класс точности и подвергаются преждевременному изнашиванию.
Обуславливает дополнительные финансовые расходы, обуславливаемые потерями от индуктивных нагрузок, остановкой производства, внеочередными ремонтами и преждевременной поломкой.
Потребность увеличения сечения нулевых проводов в связи с суммированием гармоник кратных 3-ей в трехфазных сетях.

Рассмотрите на примере негативное влияние на работу трехфазных цепей. В идеальном варианте, когда каждая из фаз запитывает линейную нагрузку, система находится в равновесии. Это означает, что в сети отсутствуют гармоники, а в нулевом проводе ток, так как все токи при симметричной нагрузке смещены на 120º и компенсируют друг друга в нейтрали.

Если в схеме электроснабжения на одной из фаз возникает потребитель или фактор, искривляющий переменный ток, то возникает автоматическое изменение остальных фазных токов, их смещение относительно начальной величины и угла. Из-за нарушения симметрии и отсутствия компенсации в нулевом проводе начинает протекать ток.

Как показано на рисунке 2, нечетные гармоники кратные 3-ей обладают тем же направлением, что и основной ток. Но в связи с нарушением компенсирующего эффекта симметричной системы, они накладываются друг на друга и способны выдать в нейтраль ток, значительно превышающий номинальный для этой цепи. Из-за чего возникает перегрев, который может вызвать аварийные ситуации.

Все вышеперечисленные последствия ведут к снижению качества электрической энергии, чрезмерным перегрузкам и последующему падению фазного напряжения. В частных случаях, последствия протекания гармоник могут создавать угрозу для персонала и потребителей. С целью предотвращения таких последствий на электростанциях, трехфазных кабелях и прочем оборудовании устанавливается защита от гармоник.

Защита от гармоник

Для защиты применяются устройства с активными и пассивными элементами, действие которых направлено на поглощение или компенсацию гармоник в сети. Наиболее простым вариантом являются LC-фильтры, состоящие из линейного дросселя и конденсатора.

Посмотрите на рисунок 3, здесь изображена принципиальная схема фильтра. Его работа основана на индуктивном сопротивлении катушки L, которое не позволяет току мгновенно набирать или терять величину. И на емкости конденсатора C, которая обеспечивает постепенное нарастание или падение напряжения. Это означает, что гармоники не могут резко изменить форму синусоиды и обеспечивают ее плавное нарастание и спад на нагрузке R_Н.

При последовательном включении катушки и конденсатора с конкретной подборкой параметров, их комплексное сопротивление будет равно нулю для какой-то гармоники. Недостатком такого пассивного фильтра является необходимость формирования отдельной цепи для каждой составляющей в сети. При этом необходимо учитывать их взаимодействие. Так, к примеру, при гашении пятой гармоники происходит усиление седьмой, поэтому на практике устанавливаются несколько фильтров подряд, как показано на рисунке 4.

За счет того, что каждая цепочка L1-C1, L2-C2, L3-C3 шунтирует соответствующую составляющую, фильтр получил название шунтирующего. Помимо этого, в качестве входного фильтра могут применяться устройства с активным подавлением гармоник.

Посмотрите на рисунок 5, здесь изображен активный фильтр. Источник питания генерирует ток i_ps, на который оказывает влияние нелинейная нагрузка, из-за чего в сети получается несинусоидальная кривая i_n. Активный кондиционер гармоник (АКГ) измеряет величину всех нелинейных токов i_ahc и выдает в сеть такие же токи, но с противоположным углом. Что позволяет нейтрализовать гармоники и выдать потребителю ток первой гармоники максимально приближенный к синусоиде.

Установка любого из существующих видов защиты требует детального анализа гармонических составляющих, нагрузок, коэффициентов амплитуды и коэффициентов мощности для конкретной сети. Чтобы подобрать наиболее эффективный способ удаления и выполнить соответствующие настройки.

Список использованной литературы

Арриллага Дж., Брэдли Д., Боджер П. «Гармоники в электрических системах» 1990
Бржезицкий В.А., Найдовский А. В., Бутов С. В. «О влиянии высших гармонических составляющих напряжения на характеристики измерительных трансформаторов» 1983
Волков А.И., Макарова ТМ., Полевая В.П., Рыжов ЮМ., Федченко В.Г. «О влиянии долевого участия выпрямительной нагрузки на гармонический состав напряжения автономной системы» 1974
Жаркий А.Ф., Каплычный Н.Н. «Анализ высших гармоник в низковольтных сетях с помощью традиционных моделей» 2001
Шидловский А.К., Драбович Ю.И., Комаров Н.С., Москаленко ГА., Козлов А.В. «Анализ гармонического состава потребляемого тока преобразователя переменного напряжения в постоянное с улучшенной электромагнитной совместимостью» 1987

Гармоники тока и напряжения в электротехнике

Качество поступающей электроэнергии обеспечивает правильную работу электроприборов, гарантирует их надёжность и долговечность. В быту и на производстве при использовании переменного тока предполагается, что он представляет собой идеальный синусоидальный сигнал. На практике это не соответствует действительности.

В реальной жизни форма сигналов является неправильной, имеющей искажения и провалы. Одной из распространённых причин такой проблемы считается воздействие паразитных токов. Знание того, что такое гармоники, понимание физики процесса поможет уменьшить их негативный эффект.

Что такое гармоники

Расскажем, что представляют собой гармоники в электрических сетях для чайников. Теоретически считается, что графики переменного напряжения и тока должны иметь правильную форму. Однако в сети присутствуют сигналы с частотой, кратной основной. Обычно это связано с тем оборудованием, которое потребляет электроэнергию из сети. На самом деле сеть не существует изолированно, а испытывает влияние со стороны подключённых к ней нелинейных нагрузок.

Сигнал, получаемый потребителями, представляет собой сумму не только основного сигнала, но и нескольких гармоник. Уровень их влияния характеризуется коэффициентом искажений. Учитывать влияние нелинейных нагрузок нужно обязательно, но для этого надо понимать природу гармоник и знать, как можно снизить их искажающее воздействие. Гармоники тока и напряжения в электросетях могут обладать разрушительным действием для электрооборудования. Токи высших гармоник способствуют возникновению паразитических импульсов.

С физической точки зрения гармоники представляют собой колебания, кратные частоте основного сигнала. Как известно, в электросетях применяется частота 50 Гц. Таким образом, частота 1-й гармоники составит 50 Гц, 2-й – 100 Гц, 3-й – 150 Гц и так далее. Как видим, третья гармоника имеет период втрое меньший, чем основная гармоника. Каждая из этих характеристик влияет на форму графика напряжения в том виде, в котором оно поступает к потребителям.

Иногда рассматривается нулевая гармоника, представляющая собой среднее значение синусоидального сигнала за определённый период. Наличие паразитных токов меняет его вид до неузнаваемости. Например, высшие гармоники в трехфазных цепях способны разбалансировать нулевую фазу. Высшими принято называть те, частота которых превышает 50 Гц. Бывают также нечетные и четные гармоники, что определяется их номером. Например, вторая является четной.

На изображении выше показаны гармоники тока и напряжения. Верхний график отображает их сумму. Фактически гармоника напряжения в электротехнике – это паразитическая ЭДС, которая попадает в сеть. Из-за своего нестандартного поведения она остаётся невостребованной электроприборами и играет негативную роль.

Фактически паразитные токи генерируются потребителями. Во время работы электроприборов происходят процессы, которые вносят активный вклад в формирование гармоник. Большинство устройств способно оказывать такое влияние на электросеть. В некоторых случаях гармонические составляющие электрического напряжения приводят лишь к краткосрочным искажениям.

Величину гармоники можно определить по формуле:

Эту формулу также используют для определения величины частоты и фазы какой-либо гармонической составляющей электросети или любого синусоидального сигнала.

Классификация

Существуют различные виды гармоник. Их делят не только по номеру, но и другим признакам:

Если учитывать путь распространения, то они могут называться кондуктивными или пространственными.
Гармоники следует разделять по продолжительности, так как некоторые являются импульсными, а воздействие других может иметь длительный характер.
Иногда учитывают степень прогнозируемости возникновения. Оно может быть случайным или иметь систематический характер.

Длительные изменения обычно связаны с регулярной циклической нагрузкой сети, если речь при этом идёт о мощных потребителях.

Источники возникновения гармоник

Обычно воздействие на электросеть создаётся мощными нелинейными нагрузками оборудования, подключенного к ней. Источниками чаще всего являются:

Сварочные аппараты и другие устройства, которые формируют электрическую дугу.
Разновидности энергосберегающих ламп, в число которых, например, входят газоразрядные, дуговые и люминесцентные.
Среди бытовых приборов наиболее сильным влиянием обладают микроволновые печи.
Офисная техника.
Насыщаемые приборы, к которым, в частности, относятся двигатели, трансформаторы, использующие магнитопривод.
Различное силовое оборудование, в том числе приводы постоянного и переменного тока, печи, использующие высокое напряжение для плавки металла, преобразователи частоты.

Влияние нелинейных нагрузок считается существенным при условии, что суммарная мощность составляет не менее 20% от нагрузочной способности электрической сети. Если указанное условие выполняется, необходимо принимать специальные меры для борьбы с искажениями.

Наносимый вред

На первый взгляд трудно определить, насколько гармоники влияют на работу электроприборов. Чтобы понимать, в чём состоит наносимый им вред, нужно принять во внимание следующее:

Гармоники фактически создают паразитные токи, которые негативно сказываются на оборудовании. В качестве примера можно рассмотреть то, как они влияют на электродвигатели. В этом случае паразитные токи могут стать причиной шума и вибраций, которые разрушительно действуют на технику. В сервооборудовании влияние гармоник может приводить к ложным срабатываниям.
В возникновении коротких замыканий также виноваты гармоники.
Наличие гармоник приводит к перегрузке электросети, из-за которой приборы получают ток или напряжение, выше тех с которыми они могут работать.
Повышается интенсивность использования оборудования, что приводит к его преждевременному износу.
Происходит преждевременный износ изоляции проводов, что часто становится причиной аварийной ситуации. При этом происходит нагрев оболочки, а также возникают в ней нежелательные химические процессы.
Высокое напряжение и паразитные токи – одна из причин неисправности электронной техники.
Появляются помехи в работе при произведении записи звука или при передаче данных.
В трехфазных сетях возникает перегрузка нулевого провода, что снижает стабильность их работы.

Чтобы исключить негативное влияние, необходимо принимать специальные защитные меры. Они снизят искажения и обеспечат стабильную работу электроприборов.

В качестве примера опасной ситуации, связанной с наличием паразитных токов, можно привести разбалансировку нулевого провода в трехфазном питании. Обычно нагрузки на каждую фазу являются симметричными. Они компенсируют друг друга и позволяют нулевому проводу выполнять свои функции.

Когда к одной из фаз подключается мощный потребитель, это приводит к возникновению гармоник. При этом не только меняется поведение конкретной фазы, но и соотношение других фаз, что способствует появлению разбалансировки. Поскольку симметрия нарушается, то взаимная компенсация фаз искажается и по нулевому проводу начинает идти ток.

Вследствие этого в бытовых розетках вместо 220 Вольт может быть значительно большая величина, что приводит к нарушению работы электроприборов, возникновению коротких замыканий или к другим последствиям.

Если не обращать должного внимания на описываемую здесь проблему, то это может привести к следующим последствиям:

Проведение внепланового дорогостоящего ремонта.
Поломка оборудования, которая потребует его замены.
Ложное срабатывание при осуществлении автоматических процессов приведёт к получению брака.
Короткое замыкание может стать причиной возгорания и возникновения пожара.

Поэтому важно своевременно распознать проблему и принять меры для её устранения.

Как защититься от воздействия гармоник

Существуют стандартные схемы для защиты от так называемых паразитических гармоник. Их эффективность доказана на практике. Наиболее популярными являются следующие:

Использование резистора для нейтрализации паразитного тока. При его применении излишняя электрическая энергия будет преобразована в тепловую.
Использование специальных фильтров, которые подавляют возникшие в сети паразитические гармоники.

Чтобы применить защитные меры, сначала необходимо провести диагностику сети. Для этой цели применяются приборы проверки качества электроэнергии. Они обычно могут одновременно контролировать не менее 10 её характеристик. В частности, нужно определить полную мощность, а также активную, реактивную и гармоники, которые реально присутствуют в сети и их силу. Следует обратить внимание на наличие провалов или перенапряжений в электросети.

LC-фильтры

Наиболее часто используют защитные схемы, которые называют LC-фильтрами. Они состоят из линейного дросселя и конденсатора.

Катушка имеет индуктивное сопротивление, которое тормозит резкие изменения силы тока, создавая заряд, противоположный по направлению. Конденсатор сглаживает колебания напряжения. При его увеличении пластины накапливают заряд. Когда напряжение снижается, они отдают его. Таким образом замедляются перепады напряжения. Это уменьшает гармоническое искажение и, следовательно, эффект негативного воздействия.

При точном подборе параметров катушки и конденсатора фильтр будет полностью компенсировать воздействие одной конкретной гармоники и отчасти препятствовать влиянию других. Для максимальной эффективности необходимо использовать отдельные фильтры для каждой существующей в сети гармоники.

Ещё одна сложность состоит в том, что некоторые гармоники усиливают действие других. Например, гашение пятой усилит седьмую. Полный фильтр, созданный с использованием указанной схемы, должен учитывать их взаимное влияние.

Шунтирующий фильтр

Схема шунтирующего фильтра строится на использовании последовательного соединения катушки и конденсатора.

Чтобы подобрать наиболее эффективный способ защиты, необходимо детально проанализировать гармонические составляющие, нагрузку, коэффициенты амплитуды и мощности для конкретной сети.

Видео по теме

источники:

https://samelectric.ru/powersupply/koeffitsient-moshhnosti-i-garmoniki-v-elektroseti.html

https://www.asutpp.ru/garmoniki-v-elektricheskih-setyah.html

https://profazu.ru/knowledge/electrical/garmonika-v-elektrotehnike.html