Шунтирующие пассивные фильтры для подавления гармоник

Анонс: Простые и сложные, недорогие и финансово накладные технические решения для повышения качества электроэнергии в силовых сетях низкого и среднего напряжения.

В нашей стране, к сожалению, продолжается «тренд» дорогих технических решений нарастающих проблем качества электроэнергии в силовых потребительских (и распределительных) сетях низкого и сегмента низкого среднего напряжения, причем в:

аспектеснижения перетоков реактивной мощности, где сегодня в качестве единственно возможного решения предлагаются дорогие конденсаторные установки с коммутацией ступеней тиристорными вентилями или автоматические контакторные УКРМ.
В то же время на практике простые, недорогие и эффективные нерегулируемые конденсаторные установки могут и должны использоваться для срезания фонового потребления потребности в реактивной энергии вне зависимости от уровня автоматизации сети, в том числе после цифровой трансформации.
Справка: Здесь речь не идет о замене релейных УКРМ или тиристорных УКРМТ, а только о снижении мощности и, соответственно, цены покупаемых УКРМ за счет нивелирования постоянной («фоновой») потребности в реактивной энергии нерегулируемыми установками, конденсаторными батареями, модулями, конденсаторами, что экономически целесообразно;
направлении технических решений проблемы негативного влияния эмиссии и трансмиссии гармоник на качество электроэнергии в сети, стабильность электроснабжения, долговечность оборудования, технологические процессы в силовых сетях предприятий разных отраслей экономики.

Так, большинство силовых потребительских сетей перегружено 3-й и (или) 5-й, и (или) 7-й, реже 11-й, 13-й гармониками, которые хорошо устраняются пассивными фильтрами, а более дорогие, хотя и очень эффективные активные фильтры гармоник (АФГ) стоит использовать по показаниям энергоаудита в каждом конкретном случае и, возможно совместно с пассивными, что позволит снизить мощность и цену АФГ.

Шунтирующие пассивные фильтры для подавления гармоник.

Лучшими по цене и хорошими по эффективности нивелирования гармоник низких порядков были и остаются шунтирующие пассивные фильтры параллельного подключения - настроенные на резонансную частоту колебательные LC-, а оптимально RLC-контура, в которых дополнительно вводится резистивное сопротивление для демпфирования зависимости работы контура от сопротивления силовой сети и регулирования добротности.

Справка: Добротность фильтра определяется, как отношение сопротивления реактивных элементов контура при резонансе (характеристическое волновое сопротивление р = X_L/X_C) к активному сопротивлению q = р/Rф, в расчетах может использоваться формула q = 2π*f*L/Rф.

Рис. Пассивные шунтирующие узкополосные фильтры с разной добротностью.

При росте добротности сужается полоса пропускания фильтра и увеличивается его эффективность, однако на практике настроенная частота фильтра fрез может и будет изменяться в определенных пределах из-за влияет температуры, напряжения на характеристики конденсаторов и реактора. Поэтому добротность фильтра подбирают в пределах интервала 30 – 60, варьируя величиной сопротивления резистора в цепочке контура.

Шунтирующий пассивный фильтр иногда называют ненастроенным, а более корректно – нерегулируемым и он в идеале работает только резонансной гармонике, «оттягивая на себя» гармонический ток благодаря очень малому сопротивлению на частоте настройки. Т.е. токи основной частоты и гармоник других порядков (условно) идут по основной сети, а ток резонансной частоты уходит в фильтр, где затухает, преодолевая сопротивления в контуре. Вместе с тем, расчет узкополосного (однозвенного) фильтра ведется с учетом попадания в контур токов гармоник других порядков, что позволяет исключить риски перегрузки конденсаторной батареи и реактора по мощности.

Такой подход используется в:

международной практике, формализован в IEEE Std 519, IEC 61642, новом IEEE 1531-2020 с рекомендациями по проектированию, интеграции пассивных шунтирующих фильтров гармоник в силовых сетях, включая промышленные низковольтные и электрические сети среднего напряжения;
отечественной научной литературе[1, 2], и регламентирован в новых действующих ГОСТ Р 59032.1/4-2020, в том числе, где в п. 4.2рекомендовано вычислять токовую нагрузку фильтра, как квадратный корень из суммы квадратов для токов каждой гармоники.

Базой для расчетов узкополосного фильтра должны быть данныеполноценного анализа качества электроэнергии в сети по всему спектру частот гармоник вплоть до 49-го порядка, причем полученные при энергоаудите для режима пиковой нагрузки объекта, что позволит просчитать минимально допустимую мощность устройства. При отсутствии данных энерогоаудита ориентировочный расчет узкополосного однозвенного шунтирующего фильтра (или многозвенного для двух и более резонансных гармоник) может быть выполнен с использованием справочных данных силового оборудования и с учетом типа нагрузок, определяя токи гармоник для:

нелинейных нагрузок «спокойного» режима [1] (преобразователи прокатных станов непрерывного процесса, электролизного производства, систем освещения газоразрядных ламп и т.п.) по формуле In_Ʃ = S_Ʃ*kn_Ʃ/(√3*Uном*n), где S_Ʃ – полная суммарная мощность преобразователей, kn_Ʃ – коэффициент, учитывающий сдвиг по фазе между гармониками разных преобразователей, принимаемый 0.9 для 5-й и 7-й гармоник, 0.75 для 11-й и 13-й гармоник, 1.0 для газоразрядных ламп.
резкопеременных нелинейных нагрузок типа установок дуговой и контактной сварки [2] по формуле In_Ʃ = S_Ʃ/(Uном*n2), где S_Ʃ – полная суммарная мощность электросварочных установок и т.д.

Литература:

Жежеленко И.В. Высшие гармоники в системах электроснабжения промпредприятий. - 6-е изд., перераб. и доп. - М: Энерго-атомиздат, 2010.
И.И. Карташев, В.Н. Тульский, Р.Г. Шамонов и др. Управление качеством электроэнергии (под ред. Ю.В. Шарова) – М.: МЭИ. 2006.

Вернуться в раздел

1210 20.07.2021