Inverkan av högre övertoner av spänning och ström på driften av elektrisk utrustning

De högre spännings- och strömövertonerna påverkar elementen i kraftsystem och kommunikationsledningar.

De huvudsakliga formerna av påverkan av högre övertoner på kraftsystem är:

• ökning av strömmar och spänningar för högre övertoner på grund av parallell- och serieresonanser;

• minska effektiviteten av produktion, överföring, användning av elprocesser;

• åldrande av elektrisk utrustnings isolering och resulterande minskning av dess livslängd;

• felaktig användning av utrustningen.

Inverkan av resonanser på system

Resonanser i kraftsystem betraktas vanligtvis i termer av kondensatorer, särskilt kraftkondensatorer. När strömmens övertoner överstiger de maximalt tillåtna nivåerna för kondensatorer, försämrar de senare inte deras prestanda, men misslyckas efter ett tag.

Ett annat område där resonanser kan orsaka skador på utrustningen är i övertonsbelastningskontrollsystem. För att förhindra att signalen absorberas av kraftkondensatorerna är deras kretsar separerade av ett avstämt seriefilter (filter-«notch»). Vid lokal resonans ökar övertonerna av strömmen i effektkondensatorkretsen kraftigt, vilket leder till skada på seriefiltrets avstämda kondensator.

I en av installationerna blockerade filter inställda till en frekvens på 530 Hz med en passström på 100 A varje krets i en effektkondensator som hade 15 sektioner på 65 kvar. Kondensatorer dessa filter misslyckades efter två dagar. Anledningen var närvaron av en överton med en frekvens på 350 Hz, i vars omedelbara närhet resonansförhållanden etablerades mellan det avstämda filtret och kraftkondensatorerna.

Effekt av övertoner på roterande maskiner

Spännings- och strömövertoner leder till ytterligare förluster i statorlindningarna, i rotorkretsarna och i statorn och rotorstålet. Förlusterna i stator- och rotorledarna på grund av virvelströmmar och yteffekt är större än de som bestäms av det ohmska motståndet.

De läckströmmar som orsakas av övertoner i statorns och rotorns ändzoner leder till ytterligare förluster.

I en konisk rotorinduktionsmotor med pulserande magnetiskt flöde i statorn och rotorn orsakar de högre övertonerna ytterligare förluster i stålet. Storleken på dessa förluster beror på slitsarnas lutningsvinkel och magnetkretsens egenskaper.

Den genomsnittliga fördelningen av förluster från högre övertoner kännetecknas av följande data; statorlindning 14%; rotorkedjor 41%; ändzoner 19%; asymmetrisk våg 26%.

Förutom för asymmetriska vågförluster är deras fördelning i synkrona maskiner ungefär densamma.

Det bör noteras att intilliggande udda övertoner i statorn på en synkronmaskin orsakar övertoner med samma frekvens i rotorn. Till exempel orsakar 5:e och 7:e övertonerna i statorn 6:e ordningens strömövertoner i rotorn, som snurrar i olika riktningar. För linjära system är den genomsnittliga förlustdensiteten på rotorytan proportionell mot värdet, men på grund av den olika rotationsriktningen är förlustdensiteten vid vissa punkter proportionell mot värdet (I5 + I7) 2.

Ytterligare förluster är ett av de mest negativa fenomen som orsakas av övertoner i roterande maskiner. De leder till en ökning av maskinens totala temperatur och till lokal överhettning, troligen i rotorn. Ekorrburmotorer tillåter högre förluster och temperaturer än lindade rotormotorer. Vissa riktlinjer begränsar den tillåtna negativa sekvensströmnivån i generatorn till 10 % och den negativa sekvensspänningsnivån vid induktionsmotorns ingångar till 2 %. Toleransen för övertoner i detta fall bestäms av vilka nivåer av negativa sekvensspänningar och strömmar de skapar.

De vridmoment som genereras av övertoner. Övertonerna hos strömmen i statorn ger upphov till motsvarande vridmoment: övertoner som bildar en positiv sekvens i rotorns rotationsriktning och bildar en omvänd sekvens i motsatt riktning.

Harmoniska strömmar i maskinens stator orsakar en drivkraft, vilket leder till uppkomsten av vridmoment på axeln i rotationsriktningen för det harmoniska magnetfältet. De är vanligtvis mycket små och är också delvis förskjutna på grund av den motsatta riktningen. De kan dock få motoraxeln att vibrera.

Inverkan av övertoner på statisk utrustning, kraftledningar. Strömövertoner i ledningarna leder till ytterligare förluster av el och spänning.

I kabelledningar ökar spänningsövertonerna effekten på dielektrikumet i proportion till ökningen av amplitudens maximala värde. Detta ökar i sin tur antalet kabelfel och reparationskostnader.

I EHV-ledningar kan spänningsövertoner orsaka en ökning av koronaförluster av samma anledning.

Inverkan av högre övertoner på transformatorer

Spänningsövertoner orsakar en ökning av hysteresförluster och virvelströmsförluster i stålet i transformatorer, såväl som lindningsförluster. Isoleringens livslängd minskar också.

Ökningen av lindningsförluster är viktigast i en nedtrappningstransformator eftersom närvaron av ett filter, vanligtvis anslutet till AC-sidan, inte minskar strömövertonerna i transformatorn. Därför är det nödvändigt att installera en stor krafttransformator. Lokal överhettning av transformatortanken observeras också.

En negativ aspekt av effekten av övertoner på transformatorer med hög effekt är cirkulationen av trippel nollsekvensström i deltaanslutna lindningar. Detta kan överväldiga dem.

Inverkan av högre övertoner på kondensatorbanker

De ytterligare förlusterna i de elektriska kondensatorerna leder till överhettning av dem. Generellt sett är kondensatorer konstruerade för att motstå en viss strömöverbelastning. Kondensatorer tillverkade i Storbritannien tillåter en överbelastning på 15%, i Europa och Australien - 30%, i USA - 80%, i OSS - 30%. När dessa värden överskrids, observerade under förhållanden med ökad spänning av högre övertoner vid kondensatorernas ingångar, överhettas de senare och misslyckas.

Inverkan av högre övertoner på kraftsystemskyddsanordningar

Övertoner kan störa funktionen av skyddsanordningar eller försämra deras funktion. Arten av överträdelsen beror på principen om enhetens funktion. Digitala reläer och algoritmer baserade på diskretiserad dataanalys eller nollgenomgångsanalys är särskilt känsliga för övertoner.

Oftast är förändringar i egenskaper små. De flesta typer av reläer fungerar normalt upp till en distorsionsnivå på 20 %. Att öka andelen kraftomvandlare i nätverk kan dock förändra situationen i framtiden.

Problemen som uppstår från övertoner är olika för normala och nödlägen och diskuteras separat nedan.

Inverkan av övertoner i nödlägen

Skyddsanordningar svarar vanligtvis på grundfrekvensens spänning eller ström och eventuella transienta övertoner filtreras antingen bort eller påverkar inte enheten. Det sistnämnda är karakteristiskt för elektromekaniska reläer, speciellt för överströmsskydd. Dessa reläer har en hög tröghet, vilket gör dem praktiskt taget okänsliga för högre övertoner.

Mer betydande är inverkan av övertoner på skyddsprestanda baserat på resistansmätning. Avståndsskydd, där resistansen mäts vid grundfrekvensen, kan ge betydande fel vid närvaro av högre övertoner i kortslutningsströmmen (särskilt av 3:e ordningen). Högt övertonsinnehåll observeras vanligtvis när kortslutningsström flyter genom jord (jordresistans dominerar det totala slingmotståndet). Om övertonerna inte filtreras är sannolikheten för felaktig drift mycket hög.

Vid en metallisk kortslutning domineras strömmen av grundfrekvensen. På grund av transformatorns mättnad uppstår emellertid sekundär kurvförvrängning, särskilt i fallet med en stor DC-komponent i primärströmmen. I det här fallet finns det också problem med att säkerställa normal funktion av skyddet.

Under driftförhållanden i stationärt tillstånd orsakar den olinjäritet som är förknippad med transformatoröverexcitering endast övertoner av udda ordning. Alla typer av övertoner kan förekomma i transienta lägen, där de största amplituder vanligtvis är 2:an och 3:an.

Men med rätt design är de flesta av de listade problemen lätt att lösa. Att välja rätt utrustning eliminerar många av svårigheterna med att mäta transformatorer.

Övertonsfiltrering, särskilt i digitala skydd, är viktigast för avståndsskydd. Arbetet som utförts inom området för digitala filtreringsmetoder har visat att även om algoritmerna för sådan filtrering ofta är ganska komplexa, ger det inte några särskilda svårigheter att erhålla det önskade resultatet.

Inverkan av övertoner på skyddssystem under normala driftlägen för elektriska nätverk. Den låga känsligheten hos skyddsanordningarna för modparametrarna under normala förhållanden leder till den praktiska frånvaron av problem förknippade med övertoner i dessa moder. Ett undantag är problemet i samband med införandet av kraftfulla transformatorer i nätverket, åtföljd av en ökning av magnetiseringsströmmen.

Toppens amplitud beror på transformatorns induktans, lindningens resistans och det ögonblick då tändningen slås på. Restflödet vid ögonblicket före påslagning ökar eller minskar amplituden något, beroende på flödets polaritet i förhållande till det initiala värdet för den momentana spänningen. Eftersom det inte finns någon ström på sekundärsidan under magnetisering kan en stor primärström göra att differentialskyddet löser ut felaktigt.

Det enklaste sättet att undvika falsklarm är att använda en tidsfördröjning, men det kan orsaka allvarliga skador på transformatorn om en olycka inträffar medan den är på. I praktiken används den andra övertonen som finns i startströmmen, okaraktäristisk för nätverk, för att blockera skyddet, även om skyddet förblir ganska känsligt för interna fel i transformatorn under påslagning.

Effekt av övertoner på konsumentutrustning

Inverkan av högre övertoner på tv-apparater

Övertoner som ökar toppspänningen kan orsaka bildförvrängning och förändring i ljusstyrka.

Lysrör och kvicksilverlampor. Förkopplingsdonen i dessa lampor innehåller ibland kondensatorer och under vissa förhållanden kan resonans uppstå, vilket resulterar i lampfel.

Effekten av högre övertoner på datorer

Det finns gränser för de tillåtna nivåerna av distorsion i de nätverk som driver datorer och databehandlingssystem. I vissa fall uttrycks de som en procentandel av den nominella spänningen (för en dator IVM - 5%) eller i form av förhållandet mellan toppspänningen och medelvärdet (CDC sätter sina tillåtna gränser till 1,41 ± 0,1).

Inverkan av högre övertoner på omvandlingsutrustning

Skåror i den sinusformade spänningen som uppstår under ventilväxling kan påverka tidpunkten för annan liknande utrustning eller enheter som styrs under nollspänningskurvan.

Inverkan av högre övertoner på tyristorstyrd hastighetsutrustning

I teorin kan övertoner påverka sådan utrustning på flera sätt:

• sinusvågens skåror orsakar ett fel på grund av feltändning av tyristorerna;

• spänningsövertoner kan orsaka feltändningar;

• den resulterande resonansen i närvaro av olika typer av utrustning kan leda till överspänningar och vibrationer hos maskiner.

De effekter som beskrivs ovan kan kännas av andra användare som är anslutna till samma nätverk. Om användaren inte har några problem med tyristorstyrd utrustning i sina nätverk är det osannolikt att det kommer att påverka andra användare. Konsumenter som drivs av olika bussar kan teoretiskt påverka varandra, men det elektriska avståndet minskar sannolikheten för sådan interaktion.

Effekt av övertoner på effekt- och energimätningar

Mätanordningar är vanligtvis kalibrerade till rena sinusformade spänningar och ökar osäkerheten i närvaro av högre övertoner. Övertonernas storlek och riktning är viktiga faktorer eftersom tecknet på felet bestäms av övertonernas riktning.

Mätfel orsakade av övertoner är starkt beroende av typen av mätinstrument. Konventionella induktionsmätare överskattar vanligtvis avläsningarna med några få procent (6 % vardera) om användaren har en källa till distorsion. Sådana användare straffas automatiskt för att införa snedvridningar i nätverket, så det ligger i deras eget intresse att etablera lämpliga sätt att undertrycka dessa förvrängningar.

Det finns inga kvantitativa data om övertonernas inverkan på noggrannheten vid mätning av topplast. Det antas att övertonernas inverkan på noggrannheten i toppbelastningsmätningen är densamma som på noggrannheten i energimätningen.

Exakt mätning av energi, oavsett formen på ström- och spänningskurvorna, tillhandahålls av elektroniska mätare, som har en högre kostnad.

Övertoner påverkar både noggrannheten i mätningen av reaktiv effekt, som är tydligt definierad endast i fallet med sinusformade strömmar och spänningar, och noggrannheten i effektfaktormätningen.

Inverkan av övertoner på noggrannheten vid inspektion och kalibrering av instrument i laboratorier nämns sällan, även om denna aspekt av saken också är viktig.

Övertonernas inverkan på kommunikationskretsar

Övertoner i kraftkretsar orsakar brus i kommunikationskretsar.En låg ljudnivå leder till visst obehag, eftersom det ökar, en del av den överförda informationen går förlorad, i extrema fall blir kommunikationen helt omöjlig. I detta avseende, med alla tekniska förändringar i strömförsörjnings- och kommunikationssystem, är det nödvändigt att ta hänsyn till inverkan av kraftledningar på telefonlinjer.

Effekten av övertoner på telefonlinjebrus beror på ordningen på övertonerna. I genomsnitt har telefonen - det mänskliga örat en känslighetsfunktion med ett maximalt värde vid en frekvens i storleksordningen 1 kHz. För att utvärdera inverkan av olika övertoner på bruset c. telefonen använder koefficienter, som är summan av övertonerna tagna med vissa vikter Två koefficienter är vanligast: psofometrisk viktning och C-sändning. Den första faktorn utvecklades av International Consultative Committee on Telephone and Telegraph Systems (CCITT) och används i Europa, den andra – av Bella Telephone Company och Edison Electrotechnical Institute – används i USA och Kanada.

Harmoniska strömmar i de tre faserna kompenserar inte varandra fullt ut på grund av olikheten mellan amplituder och fasvinklar och påverkar telekommunikationen med den resulterande nollföljdsströmmen (liknar jordfelsströmmar och jordströmmar från drivsystem).

Påverkan kan också orsakas av harmoniska strömmar i själva faserna på grund av skillnaden i avstånd från fasledarna till närliggande telekommunikationsledningar.

Dessa typer av påverkan kan mildras genom korrekt val av linjespår, men vid oundvikliga linjekorsningar inträffar sådana influenser.Det är särskilt starkt manifesterat i fallet med ett vertikalt arrangemang av trådarna i kraftledningen och när trådarna i kommunikationsledningen transponeras i närheten av kraftledningen.

Vid stora avstånd (mer än 100 m) mellan ledningarna visar sig den huvudsakliga påverkande faktorn vara nollsekvensströmmen. När den nominella spänningen på kraftledningen minskar, minskar inflytandet, men det visar sig vara märkbart på grund av användningen av vanliga stöd eller diken för att lägga lågspänningsledningar och kommunikationsledningar.