CC BY
7УДК 621.3
Савельева А.Т.
студент 1 курса, направления «Теплоэнергетика и теплотехника» «Национальный исследовательский университет «МЭИ» в г. Волжском
(г. Волжский, Россия)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ НА НАГРЕВ ТРАНСФОРМАТОРА
Аннотация: в работе рассматриваются причины появления высших гармонических составляющих в системах электроснабжения, их влияние на тепловой износ трансформаторного оборудования. Проанализированы существующие методы подавления высших гармонических составляющих.
Ключевые слова: качество электроэнергии, тепловой износ, силовое оборудование, несинусоидальный сигнал, фильтры высших гармоник.
В настоящее время происходит ужесточение требований к надежности и качеству электроснабжения потребителей. Ввиду того, что силовые трансформаторы являются основным оборудованием генерирующих и распределительных предприятий, большое внимание уделяется прогнозированию и поддержке их технического состояния. Актуальность данного исследования базируется на доказанном негативном влиянии высших гармоник в системе электроснабжения (СЭС) на изоляцию трансформаторов, техническую и экономическую эффективность их функционирования.
Рассмотрим причины появления искажений электрического сигнала. Как и большинство явлений, наблюдаемых в электрических сетях и ухудшающих показатели качества электроэнергии (КЭ), рассматриваемый процесс связан с особенностями совместной работы электроприемников и электрической сети.
Появление несинусоидальности сигнала зачастую обусловлено присоединением со стороны нагрузки нелинейных потребителей, таких, как:
• Дуговые печи, сварочные аппараты, выпрямители;
• Люминесцентные, газоразрядные осветительные приборы;
• Прочие бытовые устройства, потребляющие выпрямленный ток. Кроме потребителей с нелинейной нагрузкой, появление высших
гармоник влечет за собой работа промышленного оборудования с нелинейной вольт-амперной характеристикой: трансформаторы в режиме насыщения, диодные мосты, частотные преобразователи мощности, промышленные выпрямители и т.п. Вид получаемого в таких режимах работы электрического сигнала приведен на рисунке 1.
I
Рис. 1. Профиль несинусоидального сигнала (а) и его разложение на составляющие (б)
На данный момент, допустимые отклонения от синусоидальности регламентируются ГОСТ 32144-2013 [1]. В данном стандарте определены требования к коэффициентам гармонических составляющих напряжения и их максимальным значениям. В сетях 0,4 кВ наблюдается значительно больше отклонений параметров КЭ от нормативных, ввиду наличия большего числа электроприемников с нелинейной ВАХ. Негативные последствия наличия искажений выражаются в комплексе следующих явлений:
• Ускоренный износ изоляции трансформаторного оборудования под действием термических факторов, рост температуры наиболее нагретой точки
• Возникновение потерь мощности в трансформаторах;
• Возрастание помех в системах телекоммуникаций;
• Сокращение срока службы конденсаторных установок, усложнение компенсации реактивной мощности посредством батарей силовых конденсаторов;
• Непреднамеренные срабатывания предохранителей и выключателей, реагирующих на температуру контролируемых узлов;
• Вероятность ухудшения работы устройств релейной защиты и автоматики.
Поясним влияние искажений сигнала на тепловой износ силового оборудования. Выбор мощности трансформаторов производится на этапе проектирования, осуществляется по расчетной нагрузке и экономическим интервалам нагрузки:
где $эк.т1П и $эк.тах-минимальная и максимальная границы экономического интервала нагрузки трансформатора принятой номинальной мощности, в зависимости от зоны сооружения подстанции и вида нагрузки потребителей;
Расчетная полная мощность состоит только из активной и реактивной мощностей основной промышленной частоты:
(ННТ);
(1)
5п-нагрузка на шинах подстанции, кВА; ^-количество трансформаторов.
^полн — ^Р^+О2
где Р-активная мощность, кВт, при ,/=50 Гц; Р-реактивная мощность, кВАр, при /=50 Гц.
В результате, из-за влияния нелинейных нагрузок, действительная полная мощность будет отличаться от проектной, что влечет за собой возможную работу трансформатора в режиме перегрузки. Возникающие дефекты изоляции ведут к росту диэлектрических потерь, и, как, итог-снижению срока службы оборудования.
Проведенная в исследовании [2] оценка технических потерь в элементах СЭС промышленного предприятия, эксплуатирующего оборудование с частотным электроприводом, показала годовые суммарные потери в размере 14 % от общего потребления. Из них 5%-потери от несинусоидальности и несимметрии. Потери активной мощности от несинусоидального режима составили более 50% от общих тепловых потерь в цеховом трансформаторе ТМГ-6/0,4 кВ, мощностью 630 кВА. Средний показатель перегрева от воздействия высших гармонических составляющих колеблется в диапазоне 3,2^10,4 °С (определяется на основании метода оценки температуры ННТ). По общепринятым данным, долговременная работа в условиях превышения температуры на 10 °С вдвое сокращает срок службы изоляции.
Для минимизации влияния рассматриваемых искажений на силовое и кабельное оборудование применяют аппаратные и схемные решения. Применение последних возможно на этапе разработки и ввода в эксплуатацию электроэнергетической системы.
К техническим средствам относят линейные дроссели, пассивные и активные фильтры, гибридные фильтры, специальные разделительные трансформаторы, магнитные синтезаторы. Самым простым решением является последовательное включение линейных дросселей, обладающих малым значением сопротивления на промышленной частоте 50 Гц, и увеличенным сопротивлением для высших гармоник. Однако данный способ не всегда позволяет компенсировать искажения. В таком случае целесообразно применение пассивных ЬС-фильтров различных типов-скомпенсированный, нескомпенсированный и нескомпенсированный с коммутатором. При
сбалансированной нагрузке возможно применение разделительных трансформаторов с обмотками «Д-У», позволяющих бороться с гармониками, кратными третьей. Отдельно исследователи выделяют применение активного фильтра гармоник (АФГ), принцип действия которого состоит в специальном генерировании гармонических токов для питания нелинейной нагрузки. При этом основной электрический сигнал сохраняет свою синусоидальность. Ток нагрузки измеряется трансформатором тока, после чего цифровой процессор сигнала производит обработку и определяет картину спектра гармоник. Генератор тока на основании это информации подает в цепь гармонический ток необходимой амплитуды, формы и фазы, компенсирующий искажения нагрузки в следующем цикле. Опыт применения АФГ свидетельствует о снижении гармонических составляющих приблизительно на 90% [3].
В заключение отметим, что учет высших гармоник необходим при расчете скорости относительного износа витковой изоляции, а также в прогнозировании суммарного остаточного ресурса силового оборудования. Необходимо развитие методов анализа несинусоидальных режимов, в том числе с применением цифровых технологий. Для локального снижения технических потерь на промышленных предприятиях рекомендуется проектирование технических решений для компенсации искажений-применение различных фильтров гармоник, совершенствование режимов управления частотными преобразователями.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических
2. средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения.
3. Сапрыка, А. В. Оценка технических потерь от высших гармоник в цеховой системе электроснабжения // Юность и знания - гарантия успеха -2019 : сборник
научных трудов 6-й Международной молодежной научной конференции, Курск, 18-19 сентября 2019 года. Том 4. - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2019. - С. 133-138.
4. Хацевский К. В., Шагаров А. А. Проблемы высших гармоник в современных системах электропитания //С23 Сборник научных трудов [Текст]: вып. 10/Сост. ВА Глушец.-. - 2012. - С. 151
Savelyeva A.T.
National Research University "MEI" (Volzhsky, Russia)
INVESTIGATION OF THE INFLUENCE OF HIGHER HARMONIC COMPONENTS ON TRANSFORMER HEATING
Abstract: the paper discusses the causes of the appearance of higher harmonic components in power supply systems, their effect on the thermal wear of transformer equipment. The existing methods of suppression of higher harmonic components are analyzed.
Keywords: power quality, thermal wear, power equipment, non-sinusoidal signal, higher harmonic filters.
