Высшие гармоники в электрических сетях: причины и последствия¶

Высшие гармоники в электрических сетях — это составляющие тока и напряжения, частоты которых кратны основной частоте сети (50 Гц в России и странах СНГ, 60 Гц в Северной Америке). Они представляют собой периодические искажения синусоидальной формы сигнала, вызванные нелинейными нагрузками, и являются одной из основных проблем качества электроэнергии в современных системах электроснабжения.

¶Причины возникновения

Основным источником высших гармоник являются нелинейные нагрузки — потребители, у которых зависимость тока от напряжения не является прямой пропорциональной. К таким нагрузкам относятся:

• Силовая электроника: преобразователи частоты, выпрямители, инверторы, используемые в электроприводах, источниках бесперебойного питания и зарядных устройствах.
• Осветительные приборы: газоразрядные лампы (ДРЛ, ДНаТ), светодиодные светильники с импульсными блоками питания, люминесцентные лампы с электронными балластами.
• Бытовая техника: компьютеры, телевизоры, микроволновые печи, стиральные машины с импульсными блоками питания.
• Сварочные аппараты инверторного типа.
• Электродуговые печи и другие установки с электрической дугой.

Нелинейные нагрузки потребляют ток не синусоидальной формы, а импульсами, что приводит к искажению формы кривой напряжения в точке общего присоединения из-за падения напряжения на сопротивлениях питающей сети.

¶Математическое описание

Согласно теореме Фурье, любую периодическую несинусоидальную функцию можно разложить на сумму синусоидальных составляющих с частотами, кратными основной. Гармоники в трёхфазных сетях делятся на:

• Положительную последовательность (1-я, 4-я, 7-я, 10-я и т.д.) — создают вращающееся магнитное поле в направлении основного.
• Отрицательную последовательность (2-я, 5-я, 8-я, 11-я и т.д.) — создают встречное вращающееся магнитное поле.
• Нулевую последовательность (3-я, 6-я, 9-я, 12-я и т.д.) — кратные трём гармоники, которые в трёхфазной системе складываются в нейтральном проводнике.

Для количественной оценки искажений используется коэффициент гармонических искажений (THD — Total Harmonic Distortion), показывающий отношение действующего значения суммы высших гармоник к действующему значению основной гармоники.

¶Последствия наличия высших гармоник

¶Для электрооборудования

• Трансформаторы: дополнительные потери в обмотках и магнитопроводе, вызванные вихревыми токами и гистерезисом на высоких частотах, приводят к перегреву и сокращению срока службы.
• Электрические машины: гармоники отрицательной последовательности создают встречное магнитное поле, вызывающее торможение ротора, вибрации, перегрев и снижение КПД.
• Конденсаторные установки: резонансные явления между ёмкостью конденсаторов и индуктивностью сети могут привести к многократному увеличению тока через конденсаторы, их выходу из строя и даже взрыву.
• Кабельные линии: повышенный нагрев из-за увеличения действующего значения тока и эффекта вытеснения тока на высоких частотах (скин-эффект), ускоренное старение изоляции.

¶Для систем автоматики и защиты

• Ложные срабатывания устройств релейной защиты и автоматики, работающих на основе анализа формы сигнала.
• Сбои в работе электронных регуляторов, контроллеров и систем управления технологическими процессами.
• Ошибки измерений индукционных счётчиков электроэнергии, приводящие к неточному учёту потребления.

¶Для сетей связи и другого оборудования

• Помехи в линиях связи: гармоники создают электромагнитные поля, наводящие помехи на соседние линии связи и телекоммуникационное оборудование.
• Шум и вибрация в осветительных установках, мерцание света (фликкер).
• Перегрузка нейтрального проводника в трёхфазных сетях из-за суммирования токов нулевой последовательности, что особенно опасно при использовании однофазных нелинейных нагрузок.

¶Методы борьбы

Для снижения уровня высших гармоник применяются следующие меры:

• Пассивные фильтры — LC-цепи, настроенные на резонанс на частоте конкретной гармоники (обычно 5-й и 7-й), шунтирующие её токи.
• Активные фильтры гармоник — силовые электронные устройства, генерирующие компенсирующие токи в противофазе с гармониками.
• Многоимпульсные схемы выпрямления (12-, 18-, 24-пульсные), снижающие генерацию гармоник самим преобразователем.
• Разделение нагрузок на отдельные секции шин с питанием чувствительного оборудования через фильтры или источники бесперебойного питания.
• Увеличение мощности питающего трансформатора и снижение его внутреннего сопротивления для уменьшения искажений напряжения.

¶Нормативное регулирование

В России качество электроэнергии, включая уровень высших гармоник, регламентируется ГОСТ 32144-2013, который устанавливает допустимые значения коэффициента гармонических искажений напряжения (не более 8% для сетей до 1 кВ) и коэффициентов отдельных гармонических составляющих. Аналогичные требования содержатся в международном стандарте IEC 61000-3-2 для оборудования и IEEE 519 для систем электроснабжения.

¶Источники

1. ГОСТ 32144-2013 «Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения».
2. IEC 61000-3-2 «Электромагнитная совместимость. Часть 3-2. Пределы эмиссии гармонических составляющих тока».
3. IEEE Std 519-2014 «IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems».
4. Аррилага Дж., Брэдли Д., Боджер П. «Гармоники в электрических системах». — М.: Энергоатомиздат, 1990.
5. Жежеленко И.В. «Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий». — М.: Энергоатомиздат, 2000.