Пассивные, активные и гибридные фильтры в силовых сетях

Анонс: Негативы и специфика эмиссии, трансмиссии гармоник в силовых сетях низкого и среднего напряжения. Пассивные, активные и гибридные фильтры в силовых сетях.

Скорректированная концепция качества электроэнергии в связи с цифровой трансформацией электросетей, обозначенной в планах реализации новой Энергетической стратегии РФ, вместе с введением новых версий ГОСТ IEC/TR 61000-3-6-2020 и ГОСТ IEC/TR 61000-3-7-2020, которые формализовали и нормы электромагнитной эмиссии (и трансмиссии) гармоник (а также сверх- и интергармоник) в сетях разного уровня напряжения, и ответственности сетевой организации и Абонента сети (см. этот материал), определили критическую значимость нивелирования гармонических возмущений.

В целом это было ожидаемым и правомерным, поскольку гармоники вызывают нагрев обмоток и рост потерь в сердечниках трансформаторов, потери активной энергии в кабелях из-за скин-эффекта и эффекта близости фазных проводников, сокращение срока службы силового оборудования, сбои в системах релейной защиты и автоматики, погрешности регистрации данных измерительных устройств и показаний приборов учета электроэнергии (до 10%), провалы, перенапряжения и т.д. и т.п., причем только в последние пару десятилетий в развитых странах мира отслеживается и подтверждается зависимость роста числа аварий в силовых сетях объектов от степени загрязнения гармоническими искажениями. У нас гармоническим возмущениям в сетях до недавних пор не уделялось должного внимания, хотя еще в советское время на промышленных объектах использовались пассивные фильтры для нивелирования искажений на гармониках первых (до 11-13) порядков.

В целом для силовых сетей сохраняется условная зависимость - чем лучше по регулированию, энергопотреблению, функциональности оборудование (нагрузка), тем больше гармоник «выплескивается» в силовую сеть и тем существеннее искажается фундаментальный ток, напряжение, частота – основные параметры качества электроэнергии. В большинстве отечественных силовых сетей низкого (до 1 кВ) и низкого среднего напряжения (до 10 кВ) гармонические составляющие порядков от 25 имеют малые амплитуды и влияют на работу силового оборудования незначительно, хотя и в сравнении с негативами искажений показаний датчиков и передачи информационных сигналов по телекоммуникациям с программно-аппаратным комплексом АСУ.

Поэтому для подготовки (очистки) силовой сети к цифровой трансформации, равно, как и для обеспечения стабильного и бесперебойного протекания производственно-технологического процесса нужно эффективно нивелировать эмиссию и трансмиссию канонических и неканонических гармоник в сегментах сетей и сетях с помощью фильтров, но только проектируемых на базе энергоаудита объекта с определением спектра и интенсивности высших гармоник.

Пассивные, активные и гибридные фильтры в силовых сетях.

В целом все технические средства для фильтрации (нивелирования) гармонических искажений делят на пассивные, активные и гибридные, включающие пассивный (одно- или многозвенный) и активный фильтр в одном комплектном устройстве.

В свою очередь:

• пассивные фильтры делят на:
  - узкополосные одно- и многозвенные (2, 3, 4-го и т.д. порядков) - настроенные или резонансные (tuned filter) с частотой настройки в пределах отклонения не более 10% от фильтруемой частоты, расстроенные (иногда антирезонансные - detuned filter) с частотой настройки на 10% и меньше частоты гармоники с максимальной амплитудой и самого низкого порядка;
  - широкополосные - демпфирующие (damped filter) с низким комплексным сопротивлением в большой полосе частот
  - комбинированные - из одно- или многозвенного резонансного узкополосного и широкополосного демпфирующего фильтра.
  Вместе с тем все пассивные фильтры – колебательные LC-, а чаще RLC-контура, в которых дополнительно вводится резистивное сопротивление для демпфирования зависимости работы контура от сопротивления силовой сети, а их различия обусловлены схемой включения в цепочку контура емкости, реактора и сопротивления;
• активные фильтры гармоник классифицируют по типу инвертора силового блока, числу фаз и способу включения, хотя предпочтительным остается параллельное подключение для снижения мощности и, соответственно цены АФГ.

Наиболее дорогие – АФГ, хотя и самые эффективные по охвату любого спектра гармоник, четкости нивелирования их амплитуд и возможностям коммутации с программно-аппаратным комплексом АСУ. Простые, недорогие, практически не требующие обслуживания и при правильном выборе эффективные – пассивные фильтры гармоник, но они работают на гармониках до 11-13 порядков, а при необходимости нивелирования искажений 2-3 и более частот имеют многозвенную конструкцию. Для снижения цены полноценного ФКУ, работающего в широкой полосе частот, используют гибридную конструкцию из пассивного (одно- или многозвенного) фильтра и АФГ, мощность которого снижена благодаря настройке на более узкую полосу частот высших порядков.