1 Образование высших гармоник
Гармонические токи нагрузки создаются всеми нелинейными нагрузками, к которым относятся:
Однофазные нагрузки, а именно: • Импульсные источники электропитания (ИИП); • Электронные балласты флуоресцентных ламп; • Небольшие источники бесперебойного питания (ИБП);
Трехфазные нагрузки, а именно: • Приводы с регулируемой скоростью вращения; • Крупные ИБП;
Рисунок 1 – Основная частота с гармониками 3-го и 5-го порядков.
Частоты гармоник определяются умножением основной частоты на целочисленные множители, т.е., если основная частота равна 50 Гц, то частота гармоники третьего порядка будет равна 150 Гц, частота гармоники пятого порядка – 250 Гц и т.д. На рисунке 1 показан график синусоиды основной частоты с гармониками 3-го и 5-го порядков. На рисунке 2 показана результирующая форма сигнала тока в случае сложения основной частоты с гармоникой 3-го порядка, амплитуда которой составляет 70% от амплитуды основной частоты, и гармоникой 5-го порядка, амплитуда которой составляет 50% от амплитуды основной частоты. Следует отметить, что на практике результирующий сигнал, искаженный наложением большого количества гармоник со сложными фазовыми соотношениями, имеет гораздо более сложную форму. Результирующий сигнал, показанный на рисунке 2, имеет явно несинусоидальную форму.
Рисунок 2 – Искаженная форма сигнала тока.
2 Нарушения батарей конденсаторов
В сетях с нелинейными нагрузками из-за повышенного содержания высших гармоник применение КБ, рассчитанных на синусоидальные токи и напряжения, вызывает технические трудности. Конденсаторы в установках компенсации реактивной мощности в совокупности с индуктивными нагрузками способны образовывать колебательные контуры с параметрами, близкими к возникновению резонанса на одной из частот высших гармоник. Это приводит к значительному увеличению тока, протекающего через конденсаторы (этот ток превышает номинальный), что, в свою очередь, приводит к перегрузке конденсаторной батареи.
2.1 Диэлектрические потери
Перегрузки приводят к перегреву, снижающему сопротивление диэлектрика (уменьшению диэлектрической прочности изоляции между обкладками), и в свою очередь, приводящему к преждевременному старению и выходу из строя конденсатора.
2.2 Термическое воздействие
Так же при перегреве, вследствие нагрева диэлектрической жидкости (минеральное масло или синтетический диэлектрик), наблюдается газообразование (при выделении тепла). Появление газа в герметичном корпусе конденсатора создает избыточное давление, которое может привести к разгерметизации корпуса и утечке диэлектрика (рисунок 3, 4).
Рисунок 3 – Разгерметизация корпуса КБ при перегрузке (верхняя часть бака)
Рисунок 4 – Разгерметизация корпуса КБ при перегрузке (нижняя часть бака)
2.3 Резонанс
Эти обстоятельства существенно сокращают срок службы КБ, а перенапряжения, возникающие при резонансе на элементах конденсаторной установки и нагрузки, могут привести к пробою изоляции. (гармоники вызывают ряд параллельных резонансов между конденсаторами и остальной частью системы – это приводит к повышенному напряжению и току, которые увеличивают потери и вызывают перегрев конденсаторов, что часто приводит к их поломке).
2.4 Реактивная мощность
Изменение состава гармоник иногда увеличивает реактивную мощность, вследствие чего она превышает допустимые пределы, установленные заводом-изготовителем конденсаторной батареи. КБ выходит из строя либо подвергается преждевременному старению.
2.5 Перегрузка ККМ
Импеданс конденсатора коррекции коэффициента мощности (ККМ) уменьшается с увеличением частоты, в то время как импеданс источника, который, как правило, имеет индуктивный характер, возрастает с увеличением частоты. Поэтому через конденсатор может протекать довольно большой гармонический ток, и если он специально не рассчитан на это, то такая ситуация приведет к его выходу из строя. Потенциально более серьезная проблема возникнет в том случае, когда конденсатор и паразитная индуктивность питающей сети на частоте одной из гармоник входят в резонанс (что, конечно, может происходить с интервалом в 100 Гц). Если это происходит, то образуются очень высокие напряжения и токи, часто приводящие к катастрофическим разрушениям конденсаторной системы.
