НОРМИРОВАНИЕ  ИНТЕРГАРМОНИК  КАК  ПОКАЗАТЕЛЯ  КАЧЕСТВА  ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ  В  РОССИИ  И  ЗА  РУБЕЖОМ

Черничко  Кристина  Игоревна

студент  3  курса,  энергетического  факультета,  Омского  Государственного  Технического  Университета,  РФ,  г.  Омск

Е-mail: 

Веселова  Алина  Григорьевна

студент  3  курса,  энергетического  факультета,  Омского  Государственного  Технического  Университета,  РФ,  г.  Омск

Е-mail: 

Осипов  Дмитрий  Сергеевич

научный  руководитель,  канд.  техн.  наук,  доцент  ЭНИ,  Омский  Государственный  технический  университет,  РФ,  г.  Омск

Нужно  отметить,  что  в  наши  дни  все  еще  находятся  на  стадии  разработки  нормирование  интергармоник.  В  большинстве  стран  стандарты  на  качество  электроэнергии  не  предусматриваются  вовсе.  Можно  отметить,  что  в  стандартах  нормирование  или  совсем  не  предусматривается  или  носит  лишь  рекомендательный  характер.  Конечно  же  ясно,  с  чем  может  быть  связано  такое  положение:  теория  интергармоник  является  новой,  это  малоизученная  область,  в  сравнении  с  теориями  высших  гармоник.  В  настоящее  время,  в  связи  с  условиями  роста  различных  мощных  нелинейных  нагрузок,  является  не  полным  анализ  качества  электроэнергии,  который  не  учитывает  влияние  интергармоник.

Европейским  стандартом  EN  50160  был  введён  в  электротехническую  практику,  в  1994  появился  абсолютно  новый  норматив  качества  электроэнергии  —  интергармоники.  В  соответствии  со  стандартом  Международной  электротехнической  комиссии  и  документу  Рабочей  группы  IEEE  интергармоники  –  это  гармонические  колебания  с  частотами,  которые  не  кратными  частоте  питающей  сети  [2,  с.  4]

Во  время  анализа  формы,  синусоиды  переменного  тока  гармоники  и  интергармоники  формулируются  как  компоненты  спектра  в  квазиустойчивом  состоянии  в  каком-либо  диапазоне  частот.  В  таблице  1  представлены  их  математические  определения.

Таблица  1. 

Спектральные  составляющие  волны  (частоты  f)

В  данном  случае,  слово  «субгармонический»  не  содержит  официального  определения,  и  является  всего  лишь  частным  случаем  интергармоники,  когда  частота  интергармоники  меньше  частоты  основной  частоты.  Тем  не  менее,  этот  термин  часто  встречается  в  текстах  и  употребляем  в  профессиональном  обороте  [2,  с.  9].

Интергармоническая  частота  —  это  любая  частота,  которая  не  кратна  основной  частоте.  Аналогично,  с  порядком  кратности  гармоник  порядок  интергармонической  частоты  основан  на  отношении  к  основной  частоте.  Если  это  отношение  меньше  единицы,  то  такую  гармоническую  частоту  называют  субгармонической.  В  соответствии  с  рекомендацией  Международной  электротехнической  комиссии  порядок  интергармонических  частот  обозначается  буквой  «m»  [2,  с.  2].

В  наши  дни  нормирование  интергармоник  находится  на  стадии  разработки  и  не  предусматривается  стандартами  на  качество  электроэнергии  большинством  различных  стран.  В  ряде  стандартов  нормирование  интергармоник  носит  характер  рекомендаций.  Например,  стандартом  МЭК  предусматривается  ограничение  уровней  интергармоник  напряжения  значением  0,2  %  от  номинального  [1,  с.  3].  Но  несмотря  на  это,  ограничение  принято  только  с  точки  зрения  фликера  и  влияния  интергармоник  на  низкочастотные  линии  питания  управляющих  сигналов.  Нужно  отметить,что  в  России  нормирование  интергармоник  не  производится.

Такое  положение  связано  с  тем,  что  теория  интергармоник  является  относительно  новой  и,  как  следствие,  малоизученной  по  сравнению  с  теорией  высших  гармоник.  Однако,  на  сегодняшний  день,  в  условиях  роста  различных  мощных  нелинейных  нагрузок  анализ  КЭ  без  учета  влияния  интергармоник  на  уровни  электромагнитной  совместимости  в  промышленных  электрических  сетях  является  неполным.  В  связи  с  этим  представляет  интерес  изучение  причин  возникновения  ИГ,  разработка  методов  их  расчета,  нормирования  и  снижения  уровней  [9,  с.  36].

Публикация  документов  о  вопросах  качества  электроэнергии  говорит  о  повышенном  внимании  за  рубежом  к  проблемам  качества  электрической  энергии.

В  качестве  основного  интервала  времени  при  измерениях  показателей  качества  электроэнергии,  относящихся  к  напряжению,  гармоникам,  в  системах  электроснабжения  частотой  50  Гц  должен  быть  интервал  длительностью  10  периодов  (т.  е.  приблизительно  0,2  с  (с  учетом  реального  значения  частоты)).  Пропуски  между  интервалами  измерения  не  допускаются.  Отечественные  приборы,  установленные  для  измерений  показателей  качества  электроэнергии,  этим  требованиям  не  соответствуют,  так  как  для  приборов  по  ГОСТ  13109–97  допускается  применение  интервалов  измерения  от  5  до  25  периодов  с  возможностью  пропусков  между  ними.  Неопределенность  измерений  показателей  КЭ  на  основных  интервалах  времени  10  периодов  включается  в  неопределенность  измерения  каждого  показателя  КЭ,  указываемую  в  протоколе  измерений  [6,  с.  14].

В  настоящее  время  в  Российской  Федерации  действует  межгосударственный  стандарт  ГОСТ  Р  54149-2010,  который  также  не  даёт  каких-либо  определенных  указаний  по  нормированию  ИГ,  поясняя,  что  допустимые  уровни  интергармонических  составляющих  напряжения  электропитания  находятся  на  рассмотрении  [5,  с.  3].

Преобразователи  частоты  (ПЧ),  в  последние  годы  всё  более  широко  применяемые  в  металлургии,  машиностроении,  на  предприятиях  лёгкой  промышленности;  также  являются  источниками  интергармоник.  На  рис.  1  представлена  структурная  схема  ПЧ  со  звеном  постоянного  тока.  ПЧ  состоит  из  выпрямителя  В,  инвертора  И  (как  правило  инвертора  напряжения)  и  индуктивно-емкостного  фильтра  [9,  с.  3].

Рисунок  1.  Преобразователь  частоты  со  звеном  постоянного  тока

Спектральный  состав  входного  (сетевого)  тока  может  быть  определён  по  формуле  [13]:

,                                  (1)

где:    —  частоты  интергармоник,  Гц;

,    —  пульсность  выпрямителя  и  инвертора;

  —  целое  положительное  число,  включая  ноль  (0,  1,  2…);

  —  целое  положительное  число  (1,  2,  3…);

,    —  частóты  выпрямителя  и  инвертора,  Гц.

Рассмотрим  приведённый  спектр  частот  вокруг  канонической  5-й  гармоники  (рис.  2).  Как  правило,  ,  поэтому  вокруг  каждой  частоты  канонической  ВГ  появляется  ряд  боковых  частот  интергармоник.

Рисунок  2.  Спектр  частот  интергармоник  вокруг  канонической  5-й  гармоники

Функция  входного  тока,  содержащего  пару  интергармоник  может  быть  представлена  в  следующем  виде  [13]:

          (2)

где:    —  амплитудное  значение  тока,  А;

,    —  относительные  значения  амплитуд  пары  интергармоник;

,    —  частóты  интергармоник,  полученные  по  формуле  (1).

Чтобы  проанализировать  влияние  пары  интергармоник  на  характер  формы  кривой  сетевого  тока  построим  функцию  тока  в  программе  MathCad.  На  рисунке  3  представлено  влияние  частоты  70  Гц  при  относительном  значении  амплитуды  интергармоники  .  Видим,  что  данная  интергармоника  вызывает  характерные  «биения»  —  колебания  амплитудного  значения.

Рисунок  3.  Вид  кривой  сетевого  тока  при  сложении  частот  70  Гц  и  50  Гц

При  наложении  интергармоники  частотой  430  Гц,  кроме  отмеченных  выше  колебаний  амплитудного  значения  тока,  происходит  также  и  искажение  синусоидальности  формы  кривой  (рис.  4).

Рисунок  4.  Вид  кривой  сетевого  тока  при  сложении  частот  70,  50  и  430  Гц

Дуговые  печи  создают  значительные  интергармоники  тогда,  когда  в  результате  резонанса  происходит  их  усиление.  Переходные  процессы  (источник  интергармоник)  практически  всегда  возникают  в  начале  режима  плавления.  Сварочные  аппараты  свершают  непрерывные  по  спектру  частот  составляющие,  для  каждого  режима  свои.  Длительность  каждого  процесса  колеблется  от  одной  до  нескольких  секунд  в  зависимости  от  типа  сварочного  аппарата  [2,  с.  3].

Источником  интергармоник  могут  являтся  электродвигатели  из-за  щелей  между  металлом  в  роторе  и  статоре,  в  наибольшей  степени  при  насыщении  магнитного  контура.  При  постоянной  скорости  вращения  частоты  возмущающих  компонентов  обычно  находятся  в  пределах  500—2000  Гц,  но  в  период  пуска  и  разгона  двигателя  этот  диапазон  может  быть  шире.  Естественные  элементы  асимметрии  конструкции  электропривода  (отклонения  от  детальных  чертежных  геометрических  размеров,  несоосность  и  т.  п.)  могут  также  являться  причиной  возникновения  интергармоник  (рис.  5)  [1,  с.  7].

Рисунок  5.  Результаты  спектроизмерения  фаз  тока  и  напряжения  электродвигателя  на  его  разъемах;  а)  и  в)  —  полные  частотные  спектры  тока  и  напряжения  соответственно,  б)  и  г)  —  спектры  тока  и  напряжения  с  исключенными  основными  частотами

Влияние  ИГ  на  системы  электроснабжения:

·     возникновение  помех  в  усилителях  звуковой  частоты;

·     нарушение  работы  устройств,  основанных  на  измерении  моментов  перехода  напряжения  через  нуль,  например  регуляторов  силы  источников  света;

·     возникновение  помех  в  катушках  индуктивности  (явление  магнитострикции);

·     блокирование  или  нарушение  работы  приемников  сигналов,  передаваемых  в  электрических  сетях,  использующих  контроль  пульсаций.

Интергармоники  вызывают  дополнительный  нагрев  оборудования  и,  как  следствие,  сокращение  срока  службы  изоляции,  кроме  того  являются  причиной  дополнительных  потерь  активной  электроэнергии,  ошибочного  функционирования  устройств  связи,  измерения,  управления  и  регулирования.  В  промышленных  сетях  низкочастотные  гармоники  тоже  вызывают  колебания  и  искажения  синусоидальной  формы  питающего  напряжения,  а  токи  интергармоник  могут  возникнуть  причиной  перегрузки  резонансных  и  полосовых  фильтров  высших  гармоник  [10,  с.  3].

Принимая  во  внимание  негативное  влияние  интергармоник  на  элементы  систем  электроснабжения,  постоянное  увеличение  электроприёмников,  являющихся  источниками  интергармоник,  в  будущем  необходимо  уделять  внимание  задачам  исследования  явления  появления  интергармоник,  а  также  приведения  действующей  нормативной  базы  к  международным  стандартам.

Список  литературы:

1.Высшие  гармоники  в  системах  электроснабжения  промпредприятий.  5-е  изд.,  перераб.  и  доп.  /  Жежеленко  И.В.,  М.:  Энергоатомиздат,  2005  —  358  с.

2.ГОСТ  Р  54149-2010.  Электрическая  энергия.  Совместимость  технических  средств  электромагнитная.  Нормы  качества  электрической  энергии  в  системах  электроснабжения  общего  назначения.

3.Значение  новых  стандартов  ГОСТ  Р  51317.4.30–2008  (МЭК  61000-4-30:2008)  и  ГОСТ  Р  51317.4.7–2008  (МЭК  61000-4-7:2002)  для  работ  по  оценке  и  мониторингу  качества  электрической  энергии/  Балаков  Ю.Н.,  Энергобезопасность  и  энергосбережение.  М.,  —  2009.  —  №  4,  —  С.  10—14.

4.Интергармоники  тягового  тока  и  напряжения  на  токоприемнике  электрического  транспорта.  /  Саблин  О.  И.,  Электрика,  2012.  №  10. 

5.МЭК  61000-4-30:2008.  Электромагнитная  совместимость  (ЭМС).  Часть  4—30.  Методы  испытаний  и  измерений.  Методы  измерений  качества  электрической  энергии.

6.Причины  появления  интергармоник,  генерируемых  непосредственными  преобразователями  частоты,  и  подход  к  их  нормированию/  Жежеленко  И.В.,  Саенко  Ю.Л.,  Бараненко  Т.К.,  Вісник  ПДТУ.  Маріуполь,  2004.  №  14.

7.Электромагнитная  совместимость  /  Жежеленко  И.В.,  Электрика,  —  2008.  —  №  10.  —  С.  3—11.

8.Characterizing  voltage  fluctuations  caused  by  a  pair  of  interharmonics/  Yong  J.,  Tayjasanant  T.,  Xu  W.,  Sun  C.  ,  IEEE  Transactions  of  power  delivery.  Vol.  23.  №  1.  January  2008.  —  P.  319—327.

9.IEC  61000-2-2:  Electromagnetic  Compatibility  (EMC);  Part  2-2:  Environment  Compatibility  levels  for  low-frequency  conducted  disturbances  and  signaling  in  public  low-voltage  power  supply  systems.  2000.  —  29  c.

10.Interharmonics  in  power  systems  /  IEEE  Interharmonic  Task  Force,  Cigré  36.05/CIRED  2  CC02  Voltage  Quality  Working  Group.  1997.  —  P.  1—9.