View
242
Download
6
Category
Preview:
Citation preview
Кузьмин Д.А.
ФИЛЬТРАЦИЯ ВЫСОКОЧАСТОТНЫХ ГАРМОНИК В СЕТЯХ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Проводится исследование влияния мощной нелинейной нагрузки на качество электрической энергии,
а именно гармонический состав напряжения. Предложена схема и параметры фильтр для подавления гар-
моник.
В современной жизни электроэнергия является одним из важнейших ресурсов. Она используется в
самых различных сферах деятельности человека, причем в большинстве случаев заменить ее каким-либо
другим источником энергии невозможно. Электроэнергия производится, продается и покупается, т.е.
является товаром, и, как к любому другому товару, к его качеству предъявляются определенные тре-
бования.
Следует, однако, иметь в виду, что электроэнергия – товар совершенно особого рода. Его свой-
ства могут изменяться во времени. Этот товар в случае возникновения претензий к нему нельзя обме-
нять у продавца на аналогичный лучшего качества, как это может быть проделано с большинством дру-
гих товаров. Другой особенностью электроэнергии является то, что ее свойства зависят не только от
поставщика, но и во многом – от самого потребителя. Например, поставщик электроэнергии может – в
пределах возможного – поддерживать частоту и напряжение электрического тока в точке подключения
потребителя, однако сила и фаза тока, потребляемого из сети, целиком определяется потребителем.
Требования к свойствам электроэнергии определяются нормативными документами – стандартами,
техническими условиями, договорами между поставщиком и потребителем. В настоящее время в Россий-
ской Федерации эти требования устанавливаются в ГОСТ 13109-97 «Электрическая энергия. Совмести-
мость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах элек-
троснабжения общего назначения».
Одним из показателей качества является коэффициент n-ой гармонической составляющей напряжения.
Основными источниками гармоник являются мощные нелинейные потребители, такие, например, как тяго-
вые подстанции железнодорожного транспорта.
Различают тяговые подстанции постоянного и переменного тока. На тяговых подстанциях постоянно-
го тока для борьбы с гармониками используется сложный полосовой фильтр, а на тяговых подстанциях
переменного тока как такового фильтра для борьбы с гармониками нет, имеется только компенсирующее
устройство, которое помимо основной функции компенсации реактивной мощности настроено на подавле-
ние третьей гармоники напряжения. Однако, этого не достаточно для подавления гармоник, частота
которых в 5-21 раз больше частоты основной гармоники. Причем, значения коэффициентов этих гармо-
нических составляющих могут превышать допустимые значения по ГОСТ-13109-97, а, следовательно,
явится причиной ухудшения качества электрической энергии. Помимо этого, гармоники могут стать
причиной аварийного отключения установок и элементов системы электроснабжения.
3 5 7 9 11 13 15 17 19 21
3
2
1
UU
n
1100, %
n
Рис. 1. Спектральная характеристика напряжения. (■ – без фильтра, □ – с фильтром).
Таким образом, на тяговых подстанциях железнодорожного транспорта фильтрации высокочастотных
гармоник уделяется не достаточное внимание. Поэтому целью данных исследований является разработка
универсального и эффективного фильтрующего устройства для подавления высокочастотных гармоник
напряжения.
Для подавления высших гармоник предлагается использовать фильтры нижних частот, которые в по-
лосе пропускания обладают активным характером сопротивления, а в полосе задерживания реактивным
сопротивлением.
Определимся со схемой фильтра. Сравнивая характеристики для Г-образного и П-образного фильтра,
можно сделать вывод о том, что в полосе пропускания для мгновенного и максимального подавления
всех гармоник выше частоты среза предпочтительнее емкостной характер сопротивления, которым обла-
дает П-образный фильтр нижних частот, схема звена которого изображена на рисунке 2.
L
C/2C/2
Рис. 2. Схема фильтра.
Таким образом, для подавления высокочастотных гармоник с номерами 3-21 наиболее подходящим яв-
ляется П-образный k-фильтр нижних частот. Подключим данный фильтр к вторичной обмотке силового
трансформатора тяговой подстанции.
Для анализа эффективности фильтра по подавление гармоник, автором была разработана модель в
среде MATLAB максимально приближенная к реальной тяговой подстанции переменного тока. Расчетные
элементы схемы были определены путем вычисления по паспортным значениям параметров электроустано-
вок, используемых в реальных системах электроснабжения.
Для расчета параметров фильтров, используются следующие зависимости:
С ,
где k – коэффициент фильтра; fC – частота среза фильтра (50 Гц).
С
.
где k – коэффициент фильтра; fC – частота среза фильтра (50 Гц).
Любой фильтр является элементом с линейным характером нагрузки, на котором происходит падение
напряжения. Поэтому, при расчете параметров фильтра (L, C) необходимо соблюдать условие поддержа-
ния на зажимах тяговых трансформаторов электровозов, необходимого уровня напряжения. Для k-
фильтров параметром, который будет влиять на величину отклонения, является коэффициент фильтра
(k).
Так для уровня напряжения тяги переменного тока 27,5 кВ зависимость между коэффициентом k и
параметрами фильтра (L, C) представлены в таблице 1.
Таблица 1. Параметры фильтра.
№ L, мГн C/2, мФ k, Ом
1 4,1 5 0,64
2 41 0,5 6,36
3 410 0,05 63,58
Следует отметить, что конденсаторы емкостью порядка десятков мФ сложно реализуемы на практике.
Поэтому ограничимся максимальной величиной в 5 мФ (фильтр №1 Таблица 1). Кроме того, все фильтры
настроены на частоту среза 50 Гц.
Из таблицы 1 видно, что при уменьшении емкостной составляющей фильтра и увеличении индуктивно-
сти, параметр k увеличивается. Так как данный параметр имеет размерность в Омах, то соответствен-
но будет увеличиваться падение напряжения на фильтре. Проведем исследование частотных характери-
стик фильтров посредством моделирования в среде MATLAB. Благодаря использованию фильтра №1 (таб-
лица 1) удалось добиться снижения отдельных гармоник более чем в пять раз (рис. 1 полые прямо-
угольники).
Вопросу подавления высокочастотных гармонических составляющих напряжения в современных сетях
электроснабжения уделяется недостаточное внимание. В основной сети «гуляют» гармоники напряжения,
намного превышающие допустимые значения. Всѐ это приводит к плачевным последствиям аварийных от-
ключений высоковольтных установок и элементов сети. В качестве борьбы с этой проблемой предложено
использование фильтра низких частот, который благодаря своей избирательности в несколько раз по-
давляет высокочастотные гармоники (рис. 1) и служит эффективным средством по улучшению качества
электрической энергии в сетях электроснабжения.
ЛИТЕРАТУРА 1. ГОСТ 13109-97 «Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего
назначения».
2. Атабеков Г.И. Основы теории цепей. - М.: Энергия, 1968 г. – 424 с.: ил.
3. Орлов И. Н. и др. Электротехнический справочник. В 3 т. Т. 3: В 2 кн. Кн. 2. – 7-е изд.,
испр. и доп. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 616 с.: ил.
Recommended