Влияние несимметрии напряжений на работу ЭО

Судовые сети выполняются с изолированной нейтралью, поэтому основной ущерб от небаланса напряжений определяется влиянием на работу потребителей составляющей обратной последовательности. Степень влияния зависит от вида потребителей.

В электрических машинах любой несимметричный режим сопровождается появлением высших гармонических составляющих. Степень проявления рассмотренного эффекта зависит от глубины несимметрии и параметров электрических машин. Для синхронных генераторов считается допустимым значение тока обратной последовательности £ 5 %, при этом токи в фазах не должны превышать номинального значения, что ведет к снижению мощности машины.

Наличие составляющей обратной последовательности в питающем напряжении вызывает дополнительный нагрев АД и появление тормозящего момента (m):

где z₁, z₂ – сопротивления токам прямой и обратной последовательностей; s – скольжение, равное s = (n _c – n)/ n _c, n _c – синхронная частота вращения.

Обычно при номинальной нагрузке s = 0,05, z ₂ @ 0,162, z ₁ @ (5…7) z ₂, тогда

Дополнительные потери (DP_нс), возникающие в АД при несимметрии напряжений можно оценить:

где: D Р_{м 1} – потери в меди статора при номинальном токе прямой последовательности; I_п^* - отношение пускового тока к номинальному.

Срок службы загруженного до номинальной мощности АД, работающего при несимметрии напряжения в 2 % сокращается незначительно, а при 4 % - сокращается примерно в два раза.

Для линий электропередач и трансформаторов небаланс напряжений приводит к неравномерности загрузки фаз и, по условиям нагрева, к снижению допустимого тока прямой последовательности. Таким образом, работа в таких условиях уменьшает пропускную способность линий электропередач.

В многофазных выпрямителях и преобразователях несимметрия напряжений снижает эффективность их работы. В 3-х, 6-и, 12-и схемах выпрямления возникают пульсации двойной частоты на стороне постоянного тока. Амплитуды этих пульсаций пропорциональны a_{u 2}. Они вызывают резонанс в сглаживающих фильтрах, перегружают конденсаторы фильтров, плохо сказываются в сети постоянного тока.

Конденсаторные установки поперечного включения неравномерно загружаются реактивной мощностью, которая всегда меньше номинальной:

где U_зф – напряжение наиболее загруженной фазы.

 

3.Коэффициент искажения синусоидальности формы кривой напряжения (к_иск):

(3.3)

где U ₁- действующее значение первой, а U_n - действующее значение n - ой гармоники напряжения, представляемого в виде спектра гармоник:

Значение коэффициента искажений не должно превышать 10 %.

Небольшие искажения обусловлены конструктивными особенностями генераторов. Большие – нелинейной нагрузкой, в том числе мощными полупроводниковыми преобразователями.

При больших искажениях вместо выражения (3.3) искажения оценивают по формуле:

(3.4)

Коэффициент искажения, рассчитанный по формуле (3.4), при любых искажениях будет меньше 100 %. При малых искажениях значения коэффициентов искажений, рассчитанных по формулам (3.3) и (3.4), практически совпадают.

 

4. Отрицательное влияние высших гармоник на работу разных видов ЭО

Высшие гармоники нежелательны по ряду причин:

- возникают дополнительные потери в электрических машинах, трансформаторах, сетях;

- затрудняется компенсация реактивной мощности с помощью батарей конденсаторов (X_c = 1/(w C));

- сокращается срок службы изоляции электрических машин и аппаратов;

- ухудшается качество работы систем защиты, автоматики, связи.

Дополнительные потери (D Р _доп) в обмотках статора АД, возникающие от высших гармоник питающего напряжения, можно оценить:

где D Р_мн = 3 I_ном ² R; R – сопротивление фазы обмотки статора; U_n^* - напряжение n - ой гармоники в относительных единицах; «+» в (3.5) имеют гармоники порядка n = 3 к – 1; «-» в (3.5) – гармоники порядка n = 3 к + 1.

При несинусоидальности питающего напряжения, не превышающей 10…15 %, добавочные потери не вызывают нагрева АД.

Потери активной мощности от токов высших гармоник (D Р_доп) в обмотках трансформатора определяются:

где: r_т – сопротивление обмоток трансформатора; к_nт – коэффициент, учитывающий увеличение сопротивления трансформатора из-за влияния поверхностного эффекта и эффекта близости.

Для силовых трансформаторов: к ₅ = 2,1; к ₇ = 2,5; к ₁₁ = 3,2; к ₁₃ = 3,7. Потери в стали трансформатора зависят от формы кривой подводимого напряжения: при заостренной форме они уменьшаются, при утолщенной – увеличиваются. Форма кривой определяется не только составом гармоник, но и фазовым сдвигом гармоник относительно основной. Потери в стали ~1/(к_иск ²).

Батареи конденсаторов, без применения специальных мер защиты от высших гармоник, фактически не работают. Связано это с систематической перегрузкой батарей по току. Однако, если перегрузка токами высших гармоник не превышает 30 % I _н и конденсаторы не отключаются защитой, то срок их службы сокращается, так как при несинусоидальном напряжении процесс старения диэлектрика конденсаторов протекает более интенсивно. Коэффициент диэлектрических потерь (tgd) при к_иск ⁼ 5 % через 2 года эксплуатации увеличивается в два раза.

В элементах автоматики и защиты, в зависимости от элементной базы и принципа работы, не синусоидальность напряжения может вызвать ложные срабатывания, отсутствие срабатывания, уменьшить точность регулирования. Для этих устройств существенным является то, что порядок гармоники определяет вид последовательности которую они образуют. Высшие гармоники порядка n =3 к +1 (4, 7, 10, 13…) в кривых напряжений образуют системы прямой последовательности. Гармоники n =3 к -1 (2, 5, 8…) – образуют системы обратной последовательности, гармоники n =3 к (3, 6, 9…) – нулевой последовательности.

5.Коэффициент амплитудной низкочастотной модуляции (к_мод):

где U_{m max}, U_{m min}, U_{m ном} – наибольшее, наименьшее и номинальное амплитудные значения одного линейного (фазного) напряжения, взятые за определенный интервал времени.

Амплитудная низкочастотная модуляция напряжения – это процесс периодического изменения напряжения относительно его среднего (немодулированного) значения, возникающий как следствие собственных колебательных процессов в СЭЭС и который с определенными допущениями можно представить:

В реальных условиях огибающая модулированного напряжения может отличаться от синусоиды. Частота модуляции (f _мод) примерно на два порядка ниже основной частоты напряжения. Значения к_мод для СЭЭС составляют ~1 %. Этот показатель качества напряжения веден из-за критичности отдельных судовых потребителей к низкочастотной модуляции.