Гармоники – это длительно существующие в энергосистеме синусоидальные волны, которые суммируются с основной частотой 50 Гц, искажая исходную форму сигнала всплесками, провалами и постоянным присутствием шумов. Номер гармоники означает во сколько раз её частота выше основной частоты. Например, 3-я гармоника обладает частотой 150 Гц, а 25-я – частотой 1250 Гц. Любая форма кривой тока или напряжения, насколько сложной бы она не была, всегда может быть разложена только на составляющие её гармонические синусоиды с частотами, кратными 50 Гц.

Гармоники: от чего и почему?

Основными источниками гармоник являются нелинейные нагрузки. Это означает, что полное сопротивление нелинейных нагрузок изменяется в зависимости от величины потребляемого тока, отклоняя тем самым его форму от синусоидальной. Наличие гармоник в потребляемом нагрузкой токе обуславливает возникновение гармоник в напряжении для других нагрузок, подключенных к этому же источнику питания. Ток, потребляемый нелинейными нагрузками, протекает через все сопротивления (проводов, кабелей, переходные в местах контактов, обмоток трансформаторов) питающей сети, вносит свой вклад в падения напряжений на этих сопротивлениях. Характер падения этих напряжений также является нелинейным, т. к. полностью повторяет форму нелинейного тока на простых резистивных нагрузках. Именно из-за такого рода падений напряжений, формы кривых напряжений для других потребителей становятся искаженными. В качестве примера, на рис. 1 представлена однолинейная схема участка распределенной сети с нелинейной нагрузкой Z_НЛ, вызывающей протекание нелинейного тока I_НЛ, который, в свою очередь, вносит вклад в падения напряжений для различных точек подключения других потребителей. Гармонические искажения напряжений, вызванные током I_НЛ, будут сильно отличаться для чувствительных к качеству электропитания потребителей Z_ЧП1, Z_ЧП2, Z_ЧП3, получающих питание соответственно от точек подключения 1, 2 и 3. Гармонические искажения в форме кривой напряжения будут наибольшими для точки подключения 1, поскольку падение напряжения от тока I_НЛ будет происходить на сопротивлениях вторичной обмотки трансформатора T₁ и проводников, а также большем количестве контактных соединений. Для точки подключения 2 гармонические искажения напряжения будут заметно ниже, т. к. падения напряжений от тока I_НЛ будут в основном на вторичной обмотке трансформатора T₁. Точка подключения 3 будет практически вне влияния гармоник от нагрузки Z_НЛ.

Рис. 1. Однолинейная схема участка распределенной сети с нелинейной нагрузкой.

Также причинами возникновения гармоник в энергосистеме могут служить возникающие в ней переходные процессы. На практике это бывает в случаях, когда осуществляются частые коммутации ощутимого по мощности электрооборудования или прямые пуски асинхронных электродвигателей.

Наибольший вклад в гармонический состав токов и напряжений вносят неуправляемые выпрямители, которые обычно являются частью блоков питания бытовых электроприборов или промышленного оборудования.

Наличие следующих типов электрооборудования позволяет заранее предсказать присутствие гармоник в системе электроснабжения, к которой они подключены (т. к. их нагрузки нелинейны):

• электроприводы с регулируемой скоростью вращения;
• источники бесперебойного питания;
• компьютеры;
• печатающие и фотокопирующие машины;
• телевизоры;
• микроволновые печи;
• люминесцентные лампы;
• газоразрядные лампы;
• индукционные варочные поверхности;
• сварочное оборудование;
• диммеры;
• зарядные устройства;
• трансформаторы, работающие в зоне магнитного насыщения.

Особенности, свойства и последствия гармоник

Если нагрузки из вышеуказанного перечня потребляют значительную долю мощности, то возникающие от них гармоники в системе электроснабжения могут приводить к следующим негативным последствиям:

• более низкому коэффициенту мощности при той же полезной мощности (увеличению протекающего тока);
• помехам для оборудования, чувствительного к форме кривой напряжения;
• увеличенному току и, как следствие, чрезмерному нагреву нейтральных проводников;
• чрезмерному нагреву асинхронных двигателей;
• повышенному акустическому шуму от трансформаторов, шин, распределительных устройств и т. д.;
• ненормальному нагреву трансформаторов и сопутствующего оборудования;
• повреждению конденсаторов устройств компенсации коэффициента мощности;
• снижению срока службы люминесцентных ламп;
• ложным срабатываниям автоматических выключателей и предохранителей;
• необходимости увеличения сечений проводников;
• неверным показаниям контрольно-измерительных приборов;
• повреждениям электрооборудования, чувствительного к форме питающего напряжения;
• асимметрии фазных напряжений;
• ускорению процессов старения изоляции проводников.

Важным свойством гармоник является то, что они, как правило, накапливаются в энергосистеме. Вклад различных источников гармоник в некоторой степени суммируется. Этим гармоники сильно отличаются от эффектов высокочастотной электромагнитной совместимости. Высокочастотные помехи, протекая через образовавшиеся паразитные контуры, наибольшее влияние оказывают на линии данных и измерительные цепи. Они имеют тенденцию быть локализованными и незначительно кумулятивными. Важно понимать, что, за редкими исключениями, если гармоники вызывают помехи, то это происходит через прямое электрическое соединение, а не через паразитные пути. Экранирование проводников очень редко является средством устранения гармонических проблем.

Еще одной важной особенностью гармоник является то, что в смеси однофазных и трехфазных нагрузок некоторые из важных гармоник, таких как пятая и седьмая, не совпадают по фазе и фактически взаимно компенсируются. Иногда эта информация может быть очень полезной, даже если нет уверенности в том, что нагрузки будут работать одновременно. Например, установка трехфазных частотно-регулируемых приводов, безусловно, не ухудшит пятую и седьмую гармоники и может даже их уменьшить в офисном здании, которое близко к своему пределу для пятой и седьмой гармоник из-за большого количества однофазных компьютерных нагрузок.

Во входных цепях широкого спектра однофазного электрооборудования, которое характеризуется нелинейными нагрузками, используются неуправляемые выпрямители (диодные мосты). Всё это оборудование вызывает аналогичные гармонические искажения в кривых потребляемого тока. Как уже упоминалось ранее, эффект от гармоник накапливается от всех потребителей с нелинейными характеристиками, подключенных к одной и той же энергосистеме. В этом случае для оценки общего тока гармоник можно прибегнуть к процедуре прямого суммирования токов от всех однофазных устройств с выпрямителями.

На рис. 2 показана форма кривой напряжения, когда распределительный трансформатор (или вся энергосистема) нагружен на 50% своей мощности однофазными выпрямителями. Нелинейные нагрузки в этом случае вызывают характерный эффект плоской вершины.

Рис. 2. Форма кривой напряжения питания при однофазной выпрямительной нагрузке, составляющей 50% мощности.

Несмотря на то, что форма кривой выглядит существенно искаженной, указанное гармоническое влияние не отразится на работоспособности большинства современных электронных устройств, запитанных таким напряжением. Однако, содержание гармоник может вызвать перенапряжение на компонентах электроприборов, особенно на конденсаторах, подключенных непосредственно к источнику питания. Также это приводит к токовым перегрузкам нейтральных проводников, вызванным суммированием гармоник тока, кратных трем. Подобная проблема на практике чаще всего встречается в зданиях с высокой концентрацией компьютеров и аналогичного IT-оборудования.

Измеряем и анализируем показатели

Однако, далеко не всегда характер гармонических искажений от различных нагрузок с нелинейными характеристиками однообразен. Очень часто в энергосистеме встречается большой спектр различных гармоник. Чтобы оценить суммарный эффект влияния гармоник на энергосистему, необходимо прибегнуть к сложным математическим вычислениям, построенным на основе теории рядов Фурье. Для количественной оценки влияния гармоник от отдельно взятой нелинейной нагрузки, суммарного результирующего влияния на энергосистему или её участка, пользуются коэффициентом нелинейных искажений Total Harmonic Distortion (THD). Коэффициент нелинейных искажений равен отношению среднеквадратичной суммы спектральных компонент выходного сигнала, отсутствующих в спектре входного сигнала, к среднеквадратичной сумме всех спектральных компонент входного сигнала. Коэффициент THD выражен в процентах. Чем большее значение принимает THD, тем существеннее негативное влияние гармоник на энергосистему. Признанный на международном уровне максимально допустимый THD составляет 8%. Следует отметить, что на этапе проектирования значение максимально допустимого уровня THD обычно принимают равным 5%, оставляя необходимый запас при непосредственной реализации проекта.

На практике не рекомендуется допускать превышения 8-процентного уровня коэффициента THD, т. к. большинство выпускаемого оборудования рассчитано только до этого уровня. Вычисление коэффициента THD может быть очень трудоемким процессом, требующим значительного набора достоверных данных, как самих нелинейных нагрузок, так и параметров энергосистемы. Чтобы проанализировать реальную энергосистему и оценить предполагаемый в ней коэффициент THD, необходимо объединить данные по гармоническому составу всех нелинейных нагрузок. Все известные гармонические данные неуправляемых выпрямителей и других искажающих нагрузок должны быть объединены, чтобы предсказать общий ток. Только подробный и точный анализ позволяет получить достоверный результат. Важно понимать, что каждая гармоника является векторной величиной, которая может быть добавлена к другим только путем сложения векторов.

Лишь для неуправляемых выпрямителей фазовые углы доминирующих гармоник будут одинаковыми, что позволяет осуществить несложный расчет с достаточной точностью. Очень часто фазовый угол бывает неизвестен или он зависит от условий и режима эксплуатации электрооборудования. На практике обычно не прибегают к столь сложным теоретическим расчетам. В случаях, когда коэффициент THD все же требуется определить (присутствие гармоник в энергосистеме может негативно сказываться на работоспособности других потребителей), его измеряют соответствующими приборами. Например, очень удобно получить реальные значения коэффициентов THD для токов и напряжений по фазам в энергосистеме многофункциональными измерительными приборами EKF: SMH или G33H. Возможности этих измерительных приборов не ограничены лишь указанными выше параметрами, они позволяют получить детальную информацию по всем основным характеристиками качества электроснабжения.

Как снизить влияние гармоник?

Учитывая степень распространения оборудования с нелинейными характеристиками, можно с уверенностью утверждать, что в той или иной степени гармоники присутствуют в любой электросети. Чаще всего их негативное влияние на других потребителей электроэнергии ограничено и не требует дополнительных мер по снижению этого влияния. Однако, если суммарная доля нелинейных нагрузок превышает 40% мощности энергосистемы, могут потребоваться специальные мероприятия, направленные на снижение негативного влияния гармоник на других потребителей. К аналогичным мерам стоит также прибегать, когда измеренное значение коэффициента THD превышает 8% или прослеживаются очевидные негативные последствия гармоник, указанные ранее.

В случае, когда гармоники становятся проблемой для чувствительного к ним оборудования можно воспользоваться методами, нивелирующими это негативное влияние.

Часто решением может стать выбор правильной точки подключения для нелинейных нагрузок. Например, они могут быть подключены к основным шинам, а не к длинным кабелям или проводам, используемым также другим оборудованием (это характерно точке подключения 2 на рис. 1).

Очень действенный метод борьбы с гармониками – применение гальванически развязывающих трансформаторов для нелинейных нагрузок или, наоборот, для чувствительного к гармоникам оборудования (например, точка подключения 3 на рис. 1).

Меры, снижающие переходные сопротивления (улучшение качества соединений) и сопротивления проводников (увеличение сечений), через которые получают питание нелинейные нагрузки, бывают достаточно эффективными на практике.

Применение трехфазных преобразователей частоты, вместо однофазных, где это возможно, снижает токи гармоник примерно на 70% при одинаковой заданной полезной мощности, а также не создает дополнительный ток в нейтральном проводнике.

Для ряда нелинейных нагрузок эффективной мерой снижения гармоник может служить установка сглаживающих реакторов (дополнительной индуктивности) на их входе.

Следует также учитывать, что чем выше пульсность схемы выпрямления, тем меньшее гармоническое влияние оказывает на энергосистему такой выпрямитель.

Применение электрооборудования с активными выпрямителями, вместо неуправляемых, позволяет значительно снизить гармоники в энергосистеме.

В особенно сложных случаях, когда энергосистема сильно перегружена гармониками, могут потребоваться дорогостоящие фильтрокомпенсирующие устройства. Их применение можно рекомендовать, если только не удаётся решить проблемы, вызванные гармониками, другими более доступными способами. К тому же следует учитывать, что применение фильтрокомпенсирующих устройств требует очень тщательного подбора и настройки, а в некоторых случаях может приводить к потенциально опасным условиям возникновения резонансных явлений в сети.

Александр Панов, Руководитель технической дирекции EKF, к.т.н.

Использованная литература:

1. Drives and Controls Handbook, W. Drury, The Institution of Electrical Engineers, UK, 2001

2. AC-DC Power System Analysis, J. Arillaga and B. Smith, University of Canterbury, New Zealand,1998

3. Power system harmonics. Part 1: Harmonic sources, R. Yacamini, Dept. of Eng., Aberdeen University, UK, 1994

4. Григорьев О.А., Петухов В.С., Меркулов А.В. Магнитное поле промышленной частоты в условиях непроизводственного воздействия: источники и методология инструментального контроля // Ежегодник Российского национального комитета по защите от неионизирующих излучений: Сб. тр. – М.: Издательство РУДН, 2003. – с. 85-105.