Анонс: Возможные решения устранения нескольких гармоник в силовой сети объекта. Ключевые проблемы шунтирующих пассивных фильтров и способы их решения.
В предыдущем материале цикла статей от компании «МИРКОН» «О реактивной мощности и гармониках для дилетантов в электроэнергетике» были отмечены основные преимущества использования однополосных шунтирующих пассивных фильтров гармоник (Single-tuned filters). Однако здесь следует понимать, что при наличии в силовой сети объекта нескольких гармоник с высокой амплитудой решением проблемы может быть:
- полосовой шунтирующий фильтр, но с повышением частоты от настроенной резонансной эффективность подавления искажений будет снижаться;
- сборка из нескольких однополосных шунтирующих фильтров, каждый из которых настроен на резонансную частоту «своей» гармоники, однако суммарная стоимость «пакета» будет высокой, а из-за взаимного влияния ветвей (контуров) настройка будет не только сложной, но и требующей регулярной коррекции;
- активный фильтр гармоник (АФГ), но его стоимость в идеале (и теоретически) зависит от числа мощности полупроводниковых ключей, а на практике покупателю предлагают готовые пакеты для нивелирования 24 или 40-50 гармоник, т.е. с «запасом», как правило, не нужным для превалирующего большинства силовых сетей объектов разного назначения.
Кроме того, «собственные проблемы» есть и у однополосных шунтирующих пассивных фильтров гармоник, что делает их не такими уж идеальными «рабочими лошадками».
Ключевые проблемы шунтирующих пассивных фильтров.
Упрощенно работа пассивного фильтра основана на том, что емкость и индуктивность в контуре подбираются таким образом, чтобы на частоте настройки их сопротивления были равны. Т.е. (см. рис. ниже) если сопротивление емкости падает с повышением частоты (рис. слева ниже), а сопротивление индуктивности прямо пропорционально частоте (прямая на рис. справа), то путем расчета и подбора находится такое сочетание конденсаторы/реактор для частоты настройки, при котором XL = XC и сопротивление контура минимально (рис. ниже).
Тогда токи гармоники настроенной частоты идут через фильтр и там постепенно угасают, однако на практике пассивный фильтр (рис. слева ниже) присоединен к силовой сети и взаимодействует с системой (рис. справа ниже), что вызывает искажение кривой зависимости с пиком на частоте резонанса с индуктивностью сети.
Если этот пик совпадает с частотой характеристической гармоники нагрузки, результирующее усиление гармонического напряжения может быть катастрофическим (резонанс напряжений), поскольку оно может вызвать перенапряжение в изоляции кабелей, в обмотках электродвигателя, трансформаторов, а поэтому настройки фильтра должны быть не только правильными, но и статичными во время эксплуатации. Однако частота настройки зависит от значений емкости, индуктивности в контуре, а частота пика резонанса в дополнение к этому - от емкости в силовой сети (сегменте сети).
Таким образом в случае уменьшения емкости или индуктивности в контуре, а также снижения индуктивного сопротивления в силовой сети (отключение, замена трансформатора, изменение конфигурации сети) частоты настройки и резонанса будут расти, а это снизит эффективность фильтрации гармоник и увеличит риски аварий из-за перенапряжения.
Здесь следует четко понимать, что наиболее проблемными в аспекте статичности характеристик остаются конденсаторы, будь то в пассивном, активном фильтре гармоник или конденсаторной установке повышения коэффициента мощности, поскольку процесс старения диэлектрика и потери емкости зависит и от напряжения на клеммах, и от температуры эксплуатации. В то же время реальная температура эксплуатации УКРМ, УКРМТ, АФГ или пассивных фильтров гармоник на объектах предельно далека от оптимальной, а сборки с принудительной вентиляцией дорогие и пока, к сожалению, не находят должного спроса у менеджментов объектов разного назначения.
Традиционно проектирование фильтра базируется на предположении о фиксированном импедансе источника питания и поддержании оптимальной температуры эксплуатации, что при настройке фильтра на частоте немного ниже желаемой частоты гармоники (обычно от 3 до 5%) дает небольшой «запас прочности». Однако если на подстанции добавили, изменили мощность трансформатора, или летом пассивный фильтр проработал при неадекватных высоких температурах, то гарантировать, как минимум его эффективность уже некорректно.
Поэтому единственным разумным решением таких проблем может быть регулярное техническое обслуживание пассивных фильтров гармоник специализированными компаниями, которые проверят реальные электрические характеристики контура и восстановят настройки.
Больше интересных и полезных публикаций вы найдёте здесь: https://www.elec.ru/publications/
