Савельева А.Т.
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
УДК 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:
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.
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:
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 и -минимальная и максимальная границы экономического интервала нагрузки трансформатора принятой номинальной мощности, в зависимости от зоны сооружения подстанции и вида нагрузки потребителей;
-нагрузка на шинах подстанции, кВА;
N-количество трансформаторов.
Расчетная полная мощность состоит только из активной и реактивной мощностей основной промышленной частоты:
где Р-активная мощность, кВт, при f=50 Гц;
Q-реактивная мощность, кВАр, при f=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 ºС (определяется на основании метода оценки температуры ННТ). По общепринятым данным, долговременная работа в условиях превышения температуры на 10 ºС 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 LC-фильтров различных типов-скомпенсированный, нескомпенсированный и нескомпенсированный с коммутатором. При сбалансированной нагрузке возможно применение разделительных трансформаторов с обмотками «Δ-Y», 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:
Номер журнала Вестник науки №5 (62) том 3
Ссылка для цитирования:
Савельева А.Т. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ВЫСШИХ ГАРМОНИЧЕСКИХ СОСТАВЛЯЮЩИХ НА НАГРЕВ ТРАНСФОРМАТОРА // Вестник науки №5 (62) том 3. С. 667 - 672. 2023 г. ISSN 2712-8849 // Электронный ресурс: https://www.вестник-науки.рф/article/8285 (дата обращения: 26.04.2024 г.)
Вестник науки СМИ ЭЛ № ФС 77 - 84401 © 2023. 16+