Активные фильтры гармоник в устранении асимметрии напряжений (перекоса фаз) - Фильтры гармоник

Анонс: Проблема перекоса фаз в современных силовых сетях. Традиционные и современные решения проблемы перекоса фаз. Активные фильтры гармоник в устранении асимметрии напряжений (перекоса фаз).

Рост объемов нелинейных нагрузок в силовых сетях, как промышленных, так и непромышленных объектов помимо «типовых» проблем с перетоком реактивной мощности, гармоническими искажениями с их негативными, часто критическими последствиями, вывел в разряд острых вопрос асимметрии напряжений (перекоса фаз) и особенно в сетях низкого (и низкого среднего) напряжения.

Основные негативы перекоса фаз – появление в нулевом проводе регулирующего тока значительной амплитуды с последующим обрывом, после чего на одной из фаз напряжение может повыситься до 380 В, что вызовет выход из строя нагрузки с высокими рисками возгорания, работа оборудования при пониженном или повышенном напряжении, определяющая уменьшение срока службы, нарушения технологического процесса и т.д.

Традиционные и современные решения проблемы перекоса фаз.

Асимметрия напряжений теоретически возникает при неравномерном распределении нагрузки по фазам, однако:

• даже если на статичных (не развивающихся) объектах с условно небольшой инфраструктурой не удается равномерно распределить нагрузку по фазам, поскольку режим работы оборудования, систем, как правило, разный, зависит от многих факторов и практически всегда фазные напряжения будут разными;
• de facto причина асимметрии напряжений гораздо сложнее, поскольку в современных сетях превалирует нагрузка с нелинейной вольтамперной характеристикой, генерирующая гармонические искажения и это влияет, как на саму концепцию баланса мощностей (см. о неактивной мощности на нефундаментальных частотах в этом материале), так и перекос фаз.

В целом проблему перекоса фаз некорректно считать «новой» - трехфазные сети с неравномерным распределением нагрузки по фазам и особенно с большой протяженностью, большим числом ответвлений, неполнофазных участков вызывали тревогу еще со второй половины прошлого века, а для максимально возможного нивелирования несимметрии напряжений были разработаны и разрабатываются различные технические решения. Причем речь идет не только о разветвлённых сетях крупных промышленных, инфраструктурных объектов, распределительных сельских сетях или системах электроснабжения многоквартирных домов – первые разработки «корректирующих устройств» (КУ) на базе трансформаторов со схемами соединения обмоток «встречный зигзаг» и «звезда с нулем» были научно обоснованы и получили практическое применение еще в 80-90-е года ХХ века, а в 2012 появились решения асимметрии напряжений в виде «электрических пружин» (Electric springs) для Smart Grid сетей.

Типовые «традиционные» технические решения проблемы перекоса фаз – варьирование коэффициентом трансформации на ТП, повышение или понижение напряжения фазы путем создания дефицита или профицита реактивной мощности (при дефиците напряжение повышается, при профиците – снижается), снижение уровня гармоник, поскольку наличие токов высоких частот повышает уровень напряжения, нивелирование регулирующего тока в нейтрали шунтирующим сопротивлением и т.д.

На текущий момент производители предлагают впечатляющий спектр различных (по топологии, способу действия, свойствам) технических решений от «устройств симметрирования и стабилизации фазных напряжений» (УССФН) до активных кондиционеров (active power quality conditioners – APQC, active power line conditioners - APLC) и управляемых током инверторов напряжения (current-controlled voltage-source inverters - CCVSI), хотя в целом общие принципы устранения проблемы остаются прежними (шунтирование тока в нейтрали, нулевом проводе, токов гармоник, нивелирование профицита или дефицита реактивной мощности), а большинство «инновационных» разработок не более, чем версии активных фильтров гармоник (АФГ).

Активные фильтры гармоник в устранении асимметрии напряжений (перекоса фаз).

В большинстве решений АФГ по своей концепции изначально снижают риски перекоса фаз, поскольку нивелируют токи гармонических искажений, перетоки реактивной энергии, а в трехфазных четырехпроводных версиях дополнительно – устраняют регулирующий ток в нулевом проводе, что снижает риски аварий и саму необходимость модернизации с усилением пропускной способности нулевой фазы по току.

Как результат – стабилизация работа сети, прямые финансовые выгоды и от повышения коэффициента мощности (см. экономию при компенсации реактивной мощности здесь), и от нивелирования гармонических искажений (см. этот материал). В целом способствуют устранению перекоса фаз любые АФГ, но наиболее ориентированы на нивелирование рисков асимметрии напряжений фильтры с подключением к четырехпроводным сетям, которые контролируют возникновение и оперативно нивелируют регулирующие токи в нулевом проводе.