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1. Prefacio

Con el rápido desarrollo de la tecnología de la electrónica de potencia, se han introducido y puesto en uso cada vez más equipos eléctricos nuevos, y el impacto de los armónicos de alto orden se ha vuelto cada vez más grave. Cuando el sistema de energía está contaminado por armónicos, afectará la eficiencia operativa del sistema, incluso dañará el equipo e incluso pondrá en peligro el funcionamiento seguro del sistema de energía. En el pasado, los principales indicadores para evaluar la calidad de la energía de los sistemas eléctricos eran la amplitud y la frecuencia del voltaje. Hoy en día, los países de todo el mundo consideran el valor límite de la tasa de distorsión armónica positiva de la tensión de la red eléctrica como uno de los indicadores para evaluar la calidad de la energía. Comprender correctamente los armónicos se ha convertido en una de las tareas importantes de los trabajadores del sector eléctrico. Por lo tanto, es de gran importancia práctica estudiar y analizar las causas, los peligros y las medidas para suprimir los armónicos.

1 Causas de los armónicos

La aparición de armónicos en el sistema de suministro de energía se debe principalmente a dos factores principales:

(1) Rectificador de tiristores y regulador de voltaje El uso generalizado de tiristores en una gran cantidad de electrodomésticos y el aumento de diversas cargas no lineales provocan una distorsión de la forma de onda.

(2) Cambios en los conceptos de diseño de equipos. En el pasado, favorecía los diseños que funcionaban en condiciones nominales o tenían márgenes mayores. Hoy en día, para poder competir, el diseño de los equipos eléctricos suele ser crítico. Por ejemplo, para ahorrar materiales, algunos diseños permiten que los materiales magnéticos funcionen en secciones profundamente saturadas de la curva de magnetización. Operar en estas secciones provocará una grave distorsión de la forma de onda del material de excitación. La Figura 1 es el diagrama de cableado principal de un dispositivo rectificador trifásico de seis pulsos. En este momento, la expansión en serie de Fourier de la corriente del lado de CA es:

Se puede ver que la corriente del lado de CA contiene. armónicos y el orden armónico El orden es (6k 1) y el contenido armónico de cada orden es.

El daño de los armónicos al sistema eléctrico

La contaminación de los armónicos al sistema eléctrico es cada vez más grave. La inyección de fuentes armónicas aumenta la corriente y el voltaje armónicos de la red eléctrica, y su daño afecta a toda la red y tiene diversos grados de impacto y daño en diversos equipos eléctricos. El análisis de peligros de equipos específicos es el siguiente:

(1) Alternador. Los motores síncronos y de inducción generan pérdidas de calor adicionales en los devanados del estator y del rotor. Además de la pérdida de cobre I2nR de la corriente armónica, la pérdida de calor también producirá pérdidas adicionales debido al efecto superficial de la corriente, aumentando así la pérdida de calor del rotor. Para generadores de turbina grandes, si se producen múltiples oscilaciones armónicas y la corriente armónica excede el 25% de la corriente nominal, el rotor puede dañarse debido a las razones anteriores. En el caso de los transformadores, el núcleo de hierro produce pérdidas de calor, especialmente pérdidas por corrientes parásitas. Hay corrientes armónicas en los devanados del transformador, que inducen un flujo magnético en el núcleo de hierro y producen pérdidas en el hierro.

(2) La corriente armónica de la línea aérea produce pérdida de calor, y un componente de corriente armónica grande puede retrasar significativamente la extinción de la corriente de la fuente de alimentación secundaria, lo que resulta en una falla de reconexión monofásica. La corriente armónica en el cable producirá pérdida de calor y aumentará la pérdida dieléctrica y el aumento de temperatura del cable.

(3) La corriente armónica del condensador de potencia provocará una pérdida dieléctrica adicional y acelerará el envejecimiento del aislamiento del condensador de potencia. La resonancia de voltajes o corrientes armónicas en el sistema puede causar sobretensión y sobrecorriente, dañar el aislamiento de los equipos eléctricos y causar ruido y vibración.

(4) Las computadoras electrónicas se distorsionarán debido a la interferencia armónica; las funciones de los equipos electrónicos industriales se destruirán a causa de ello.

(5) Interferencias y mal funcionamiento de relés de protección, dispositivos de control automático y ordenadores, dando lugar a errores en la medición de energía eléctrica.

(6) La corriente armónica que fluye por líneas aéreas de alto voltaje no solo aumentará las pérdidas en las líneas, sino que también interferirá con las líneas de comunicación adyacentes.

3 Medidas para Suprimir Armónicos en Sistemas de Energía

Con el fin de limitar la interferencia (contaminación) de armónicos al sistema de energía dentro del rango aceptable del sistema, mi país y otros países en el mundo han emitido regulaciones Las "Disposiciones provisionales sobre gestión de armónicos de sistemas de energía" y las normas IEC aclaran los límites de los armónicos generados por diversas fuentes de armónicos.

Las principales medidas para suprimir armónicos en el sistema eléctrico son:

(1) Un grupo de reactores se conectan en serie en el circuito del condensador de compensación.

Como se muestra en la Figura 2, antes de agregar Xc, si se omite la resistencia, ¿el voltaje armónico de la fuente de armónicos en el bus es UN = xsn? Después de conectar el capacitor de compensación en paralelo, la reactancia armónica de entrada de la fuente de armónicos es: voltaje armónico en este momento, corriente armónica inyectada en el sistema UN, ISN > En otras palabras, el capacitor paralelo amplifica los armónicos del sistema. Si un determinado armónico corresponde a Xsn-Xcn=0, la corriente y el voltaje del armónico tienden a ser infinitos.

Para eliminar este punto de resonancia, normalmente se conecta un reactor en serie en la rama del condensador. El valor de la inductancia se selecciona de modo que la reactancia total del circuito del condensador sea una reactancia inductiva en lugar de una reactancia capacitiva en caso de posibles armónicos, lo que fundamentalmente es una reactancia inductiva. elimina las Posibilidades Armónicas.

(2) Instale un filtro sintonizado único y un filtro de paso alto compuesto por condensadores, inductores y resistencias.

Un filtro de sintonización única es un filtro diseñado para un determinado armónico, y un filtro de paso alto es un filtro diseñado para absorber varios armónicos de orden superior. El tipo y número de filtros a instalar y su frecuencia de sintonización (número de filtraciones) se pueden determinar mediante cálculos específicos.

Por ejemplo, las locomotoras eléctricas utilizan rectificadores monofásicos de alta potencia, que presentan problemas de armónicos. Según los datos medidos, el contenido armónico de la corriente de la locomotora Shaoshan-1 es aproximadamente como se muestra en la Tabla 1. Hay muchos factores que afectan la corriente armónica inyectada en el sistema de energía por la locomotora eléctrica. Como se muestra en la Figura 3, la catenaria es uno de los factores que influyen. En la figura, Zsn es la impedancia armónica del sistema de energía. La longitud total del brazo de suministro de energía es L. Solo hay una locomotora eléctrica en el brazo, ubicada en la subestación L.

Supongamos que la impedancia y la admitancia del enésimo armónico de la longitud de la unidad de catenaria son Zn e Yn respectivamente, entonces se pueden obtener la impedancia característica Zcn y la constante de propagación γn del enésimo armónico.

Se puede observar que la red general de contactos amplifica la corriente armónica de la locomotora, y el efecto de amplificación es mayor cuando la locomotora está en el extremo del brazo de alimentación (L = L). Para solucionar el problema armónico de las locomotoras de tracción, el método general es instalar 3, 5 y 7 filtros en la subestación de tracción. Algunas de las locomotoras eléctricas puestas en funcionamiento en los últimos años han sido reemplazadas por filtros jerárquicos a bordo, que son muy eficaces para filtrar los armónicos tercero y quinto.

(3) Aumentar el número de fases del rectificador

La corriente armónica está muy relacionada con el número de fases del rectificador, es decir, a medida que aumenta el número de fases, menor El orden de los armónicos aumenta y los armónicos La amplitud de la corriente se vuelve menor. En términos generales, la mayoría de los dispositivos rectificadores controlados por silicio tienen 6 fases. Para reducir la corriente armónica de alto orden, se pueden utilizar 12 o 36 fases. Cuando se utiliza un rectificador de 12 fases, la corriente armónica de alto orden solo representa aproximadamente el 1% de la corriente total y el daño se reduce considerablemente.

(4) Cuando dos o más transformadores rectificadores son alimentados por el mismo bus, los devanados primarios de los transformadores rectificadores se pueden conectar alternativamente en forma de Y y en forma de △ respectivamente, de modo que el quinto y el séptimo Los armónicos se cancelan entre sí, sólo es necesario considerar los efectos de los armónicos 11.º y 13.º. Debido a la alta frecuencia y la pequeña amplitud, el peligro se reduce.

4 Conclusión

La aparición de (1) armónicos afecta el entorno de todo el sistema eléctrico. Por ejemplo, la aparición de ruido armónico en las comunicaciones reducirá la calidad de las llamadas, provocará un mal funcionamiento de los equipos de control y protección, sobrecargará los equipos y sistemas de energía y dañará el funcionamiento normal del sistema de energía.

(2) El control de armónicos generalmente implica formular estándares límite para el contenido de armónicos de voltaje en los puntos de conexión del usuario, es decir, formular estándares relevantes y tomar las medidas correspondientes para controlar y purificar estrictamente el entorno del sistema de energía.

(3) Al medir armónicos, preste atención a la precisión de PT y CT; de lo contrario, el error será grande. Usar el voltaje dividido de la pantalla del terminal CT para medir el voltaje armónico del sistema es preciso y conveniente. Ha sido ampliamente utilizado en pruebas de voltaje armónico de sistemas de voltaje ultra alto.