Сущность искажения синусоидальности кривых напряжений и токов

6.2. Сущность искажения синусоидальности кривых напряжений и токов

Искажения вызываются работой ЭП с нелинейной вольт-амперной характеристикой и регулируемых преобразователей переменного тока в постоянный. Кривые тока и напряжения в этих случаях приобретают вид, отличный с синусоиды. Пользуясь методом гармонических составляющих, можно исходную несинусоидальную кривую разложить на сумму синусоидальных с определенными значениями амплитуд гармоник их начальных углов.

Гармоники создают магнитные поля различных последовательностей. Так как кривые напряжений в каждой фазе сдвинуты между собой на 1/3 (или на полный период третьей гармоники), то третьи гармоники совпадают друг с другом по фазе и образуют нулевую последовательность. Аналогично ведут себя все гармоники, кратные трем. Поэтому токи гармоник, кратных трем, не могут существовать в трехфазной сети без нулевого провода или выйти за пределы обмоток, соединенных в треугольник. Порядок чередования фаз для гармоник n=4, 7, 10, 13... (n -1 делится на 3) совпадает с прямым, а гармоник n=2, 5, 8, 11,... (n+1 делится на 3) — с обратным порядком.

6.3. Влияния высших гармоник на силовые установки

Высшие гармоники в системе электроснабжения промышленных предприятий, как уже отмечалось ранее, нежелательны по ряду причин: появляются дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах и сетях; затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов; сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов; ухудшается качество работы систем релейной защиты, автоматики, телемеханики и связи.

При работе асинхронного электродвигателя в условиях несинусоидального напряжения несколько снижаются его коэффициент мощности и вращающий момент на валу.

На практике искажение кривой напряжения мало влияет на коэффициент мощности двигателя; так, например, если амплитуды 5-й и 7-й гармоник напряжения составляют соответственно 20 и 15% амплитуды первой гармоники, то коэффициент мощности двигателя уменьшается на 2,6% в сравнении со значением его при синусоидальном напряжении. В условиях промышлен­ных предприятий искажения напряжения бывают меньшими, поэтому влияние высших гармоник на коэффициент мощности асинхронного электродвигателя можно не учитывать.

Моменты, развиваемые высшими гармониками тока, также составляют очень малую величину вращающего момента асинхронных и синхронных двигателей, определяемого первой гармоникой питающего напряжения. Так, для асинхронного двигателя средней мощности при удельном весе 5-й гармоники напряжения, равном 20% основной, момент, обусловленный 5-й гар­моникой, не превосходит 0,1% момента, развиваемого при промышленной частоте.

6.4. Влияние гармоник на изоляцию электроустановок

Искажение формы кривой напряжения оказывает существенное влияние на возникновение и протекание ионизационных процессов в изоляции электрических машин и трансформаторов.

При наличии газовых включений в изоляции в этих включениях возникает ионизация, сущность которой заключается в образовании объемных зарядов и последующей нейтрализации их. Нейтрализация заряда связана с рассеиванием энергии, следствием которого является электрическое, механическое и химическое воздействие на окружающий диэлектрик. В результате ионизационных процессов развиваются местные дефекты в изоляции, что приводит к снижению ее электрической прочности, возрастанию диэлектрических потерь и в конечном счете к сокращению срока службы.

Количество разрядов в газовых включениях зависит от формы кривой напряжения, приложенного к изоляции.

Подробные многолетние исследования форм кривых напряжения в сетях промышленных предприятий показывают, что в большинстве случаев за счет высших гармоник кривые напряжения принимают более заостренную форму в сравнении с синусоидой и поэтому наличие высших гармоник в этих сетях приводит к ускоренному старению изоляции электрических машин и трансформаторов.

При наличии гармоник в кривой напряжения процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает также более интенсивно, чем в случае, когда конденсаторы работают при синусоидальном напряжении. Это объясняется тем, что физико-химические процессы в диэлектриках, обусловливающие старение их, значительно ускоряются при высоких частотах электрического поля. Аналогично влияет дополнительный нагрев, вызванный протеканием высших гармоник тока.

Таким образом, наличие высших гармоник в кривой напряжения, даже в допустимых пределах, приводит к значительной интенсификации процесса старения диэлектрика конденсаторов и как следствие сокращению срока службы их.

В соответствии с ГОСТ 1262-68 батареи конденсаторов могут длительно работать при перегрузке их токами высших гармоник не более чем на 30%; допустимое повышение напряжения лимитируется величиной 10%. Однако при длительной эксплуатации конденсаторов в этих условиях срок службы их сокращается. В условиях промышленных предприятий, как правило, конденсаторы периодически оказываются в режиме, близком к резонансу токов на частоте какой-либо из гармоник низкого порядка; вследствие систематических перегрузок они быстро выходят из строя. В настоящее время на многих крупных промышленных предприятиях, где имеются мощные вентильные преобразователи, батареи конденсаторов без применения специальных мер защиты их от высших гармоник, по существу, не работают. В результате снижается коэффициент мощности электроустановок цехов и производств, ухудшаются экономические показатели систем электроснабжения предприятий.

При несинусоидальном напряжении сети происходит ускоренное старение изоляции силовых кабелей. Для подтверждения этого положения были сопоставлены результаты замеров токов утечки кабелей, проложенных почти одновременно и работающих в сходных температурных условиях; часть обследованных кабелей работала при практически синусоидальном напряжении, другая — при уровне гармоник в кривой напряжения в пределах 6—8,5% (преобладали 5-я и 7-я гармоники). Токи утечки во втором случае через 2,5 года эксплуатации оказались в среднем на 36% больше, через 3,5 года — на 43%.