ВЛИЯНИЕ ГАРМОНИК НА ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СЕТИ ОАО «РЖД»

Рассматривая тему настоящей статьи, следует в первую очередь обратиться к понятию качества электрической энергии в сети железных дорог. Современный мир уже нельзя представить без электричества, оно повсюду, а, следовательно, нельзя представить функционирование транспортной железнодорожной сети без энергии - количественной меры взаимодействия различных форм материи и её перехода из одной формы в другую. Несомненно, электроэнергия в сети ОАО «РЖД» должна обладать надлежащим качеством, так как деятельность компании крайне важна для всего народного хозяйства, сеть железных дорог охватывает всю страну и являет собой основу транспортного комплекса.

Согласно действующему на территории РФ ГОСТ 32144-2013 «качество электрической энергии (КЭ) - степень соответствия характеристик электрической энергии в данной точке электрической системы совокупно­сти нормированных показателей КЭ» [1].

Показатели качества электрической энергии (ПКЭ) показывают соответствие действительных (полученных в результате замеров) параметров электрической энергии нормированным значениям, указанных в норма­тивно-технической документации. Под параметрами понимается напряжение, частота, форма кривой питающего напряжения, тока и т.п. В РФ нормативной документацией, регламентирующей ПКЭ, является ГОСТ 32144-2013, который вступил в силу 01.07.2014.

Специалисты отмечают, что искажения формы сигналов электрического тока на линии сети железных дорог возникают за счет гармоник в системе распределения электроэнергии, которые сочетаются с источниками основной частоты. Сущность явления связана с тем, что управляемый электроток, который потребляется нагрузкой, не соответствует синусоиде сигнала питания, гармоники в системе распределения электроэнергии создают искажения формы сигналов напряжения или тока. Формируется сложная форма синусоиды, которая состоит из нескольких частот гармоник и которая свидетельствует о неблагоприятном воздействии на качество электроснабжения.

Повышение качества электроснабжения в электросети железных дорог – это приоритетная задача. Современные специалисты указывают на следующие факторы, оказывающие влияние на качество:

• электрическая сеть имеет сложное строение, наличествует значительная доля нелинейных электроприемников в электрической сети (превышение регламентированного значения коэффициента n-й гармонической составляющей, как для отдельных гармоник, так и суммарного показателя) [7, с.27-31],
• значительная несимметрия напряжений в таких сетях (проявляется при неравномерном распределении группы однофазных потребителей по фазам трехфазной электрической сети, а также при несимметрии элементов распределительных сетей) [3, с.60-63],
• возможность появления резонансных режимов вблизи частот каких-либо высших гармоник [6, с.40-45].

Указанные факторы снижают качество электроэнергии в сети железнодорожного хозяйства и специалисты совершенствуют методы, которые позволяют свести к минимуму потери электроэнергии. Например, в работе [2, с.31-38] была произведена модернизация методов, позволяющих свести к минимуму потери электроэнергии при наличии нелинейной нагрузки. Для снижения уровня высших гармоник авторы предложили установку пассивных резонансных фильтров для подавления 3 и 5 гармоник и активные фильтры (АФГ). Авторы полагают, что пассивные фильтры оптимально устанавливать через каждые 100 метров на 3 опорах, начиная с конечной, а активный фильтр - на шинах низкого напряжения питающей трансформаторной подстанции.

На основании данных проведенных исследований авторами [4, с.187-191] проведен анализ изменения коэффициента искажения кривой напряжения Ки. В.М. Степанов и И.М. Базыль предложили методы фильтрации для снижения уровня гармоник в электросети [7, с.27-31]. Использование фильтров предлагают и другие специалисты. В качестве эффективного метода анализа несинусоидального нестационарного режима с несимметрией тока по фазам электрической сети железных дорог специалисты предлагают использовать современный инструмент - пакетный вейвлет-преобразователь для частотного разложения сигнала тока [5, с.81-83]. Авторы моделируют нестационарный несимметричный режим работы электросети, содержащую в своем составе нелинейную нагрузку. Схема фрагмента электросети приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Схема фрагмента сети для моделирования

К секции шин 0,4 кВ подключена однофазная нагрузка (на схеме обозначена Н), причем потребители (в том числе нелинейные) распределены неравномерно по фазам сети. То есть имеет место несинусоидальный несимметричный режим.

Моделирование процессов позволяет понять процессы в электрической сети и снизить потери электроэнергии и авторы моделирования особое внимание уделяют следующим результатам:

• авторам удалось определить гармонические составляющие суммарного тока в электросети на каждом интервале. Кроме того, выполнен расчет токов однофазных электроприемников при несимметричной загрузке фаз трехфазной электросети, который показал неравную величину токов в разных фазах;
• пакетный вейвлет-преобразователь для оценки гармонического состава сигнала тока для каждой из фаз сети и вклад каждой гармоники в суммарную энергию сигнала позволяет разложить до пятого уровня, то есть указанный преобразователь позволяет определять гармоническую составляющую тока и рассчитывать действующие значения токов высших гармонических составляющих.

Существует три различных способа ослабления гармоник: модификация электроустановки; применение специальных устройств в системе электропитания; фильтрация.

Можно отметить следующие способы:

1. Нелинейные нагрузки должны быть ближе к источнику питания, что связано с такой особенностью: гармонические искажения напряжения увеличиваются с уменьшением мощности короткого замыкания.

2. Группирование нелинейных нагрузок, когда при разработке однолинейной схемы нелинейные устройства следует отделить друг от друга, как показано на рисунке 2. На рисунке показано питание двух групп устройств от отдельных систем шин.

Рисунок 2. Рекомендуемая схема объединения в группу нелинейных нагрузок и их подсоединение как можно ближе к источнику питания

3. Использование отдельных источников питания

Для ограничения содержания гармоник в сети можно также использовать источник питания с отдельным трансформатором (рисунок 3).

Рисунок 3. Питание нелинейных нагрузок от отдельного трансформатора

4 Трансформаторы со специальными соединениями обмоток, в которых различные соединения обмоток трансформатора позволят устранить некоторые гармоники.

5 Установка линейных реакторов подразумевает сглаживать форму тока при питании регулируемых приводов установка линейных реакторов, а  увеличение полного сопротивления питающей сети ограничивает содержание гармоник тока.

6 Фильтрация гармоник предполагает использования пассивных,  активных и гибридных фильтров. Они используются тогда, когда вышеописанные методы неэффективны или не достаточны.

Пассивные фильтры применяются обычно в случаях, если:

• гармоники возникают в промышленных электроустановках с комплектом нелинейных нагрузок мощностью более 200 кВА, например, это могут быть регулируемые приводы, источники бесперебойного питания, выпрямители и др.;
• необходима компенсация реактивной мощности в электроустановках или требуется снизить искажения напряжения;
• использованы электроустановки, в которых нужно снизить искажения тока с тем, чтобы избежать перегрузок.

Принцип действия пассивных фильтров иллюстрируется рисунком 4.

Рисунок 4. Принцип действия пассивного фильтра

На рисунке 4 отражается следующий принцип: параллельно нелинейной нагрузке устанавливается LC - контур, настроенный на частоту гармоники, которую необходимо подавить и контуром предотвращается попадание гармоники в сеть путем поглощения. Этот контур поглощает гармоники, предотвращая их попадание в распределительную сеть.

7 Активные фильтры (активные компенсаторы гармоник) применимы в следующих случаях:

• коммерческие электроустановки с комплектом нелинейных нагрузок мощностью менее 200 кВА (регулируемые приводы, источники бесперебойного питания, офисное оборудование и др.);
• электроустановки, в которых нужно снизить искажения тока с тем, чтобы избежать перегрузок.

Критерий выбора активного фильтра. Активные компенсаторы гармоник обеспечивают подавление гармоник в широком диапазоне частот и могут работать с любым типом нагрузки. С другой стороны, мощности данных устройств являются низкими.

8 Гибридные фильтры чаще всего применимы в следующих условиях:

• промышленные электроустановки с комплектом нелинейных нагрузок мощностью более 200 кВА (преобразователи частоты, источники бесперебойного питания, офисное оборудование и др.);
• на электроустановках требуется компенсация реактивной мощности;
• на электроустановках требуется снижение искажений напряжения с целью устранения возмущений для чувствительных электропроводов;
• избегание перегрузок и требование установки жестких ограничений на «выброс» гармоник в сеть.

Принцип действия гибридных фильтров поясняется рисунком 5.

Рисунок 5. Принцип действия гибридного фильтра

Гибридный фильтр состоит из комбинации пассивных и активных фильтров. Он обладает преимуществами обоих типов фильтров и пригоден для применения в широком диапазоне мощностей и режимов работы электроустановки. Гибридные фильтры объединяют в себе преимущества пассивного фильтра и активного компенсатора гармоник.

Итак, Способы снижения потерь в электросети путем ослабления гармоник является перспективным направлением деятельности специалистов ОАО «РЖД». Для внедрения того или иного способа ослабления очень важно проанализировать имеющиеся варианты и при помощи моделирования и использования изобретений применить наиболее подходящий вариант ослабления.

Список литературы:

1. ГОСТ 32144-2013. Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения. Введен 2014-07-01. М.: Стандартинформ, 2014. 19 с.
2. Авербух М. А., Жилин Е. В., Прокопишин Д. И. Минимизация потерь электроэнергии в системах элек­троснабжения индивидуального жилищного строительства // Проблемы региональной энергетики /2018. - № 2 (37). – с. 31-38;
3. Дед А. В., Сикорский С. П., Смирнов П. С. Результаты измерений показателей качества электроэнергии в системах электроснабжения предприятий и организаций // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии/ 2018.- № 2 (158). - с. 60-63;
4. Кобелев А. В., Зыбин А. А. Современные проблемы высших гармоник в городских системах электроснабжения // Вестник Тамбовского государственного технического университета / 2011. - Т. 17 - № 1. - с. 187-191;
5. Коваленко Д.В., Файфер Л.А., Киселев Б.Ю., Горюнов В.Н., Жиленко Е.П. Применение пакетного вейвлет-преобразования для частотной декомпозиции изменяющегося во времени сигнала тока распределительной сети //  Россия молодая: передовые технологии - в промышленность/ 2019 - № 1 – с.81-83;
6. Михеев Г. М., Атаманов М. Н., Дрей Н. М. Алгоритм расчёта тока высших гармоник в системе электроснабжения промышленных предприятий // Промышленная энергетика / 2018. -№ 3 -с. 40-45;
7. Степанов В. М., Базыль И. М. Влияние высших гармоник в системах электроснабжения предприятия на потери электрической энергии // Известия Тульского государственного университета. Серия Технические науки / 2013. - № 12-2. - с. 27-31.