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.