Co zrobić, jeśli rezonans jest możliwy, ale mało prawdopodobny?
Obecnie dotyczy to dziś znacznej części projektowanych urządzeń, np.:
- Brak własnych generatorów harmonicznych w sieci, brak harmonicznych w sieci średniego napięcia, ale częstotliwość rezonansowa poniżej 400Hz.
- Poprzez zmianę konfiguracji sieci, np.: podczas prac konserwacyjnych, częstotliwość rezonansowa może spaść poniżej 400Hz; w sieci średniego napięcia występują harmoniczne.
- Planuje się w późniejszym terminie wyposażenie urządzeń w przekształtniki prądowe.
Urządzenie monitorujące EMA 1101 jest niezwykle przydatne do ochrony niepodłączonego systemu przed nawet sporadycznym rezonansem. Monitoruje sieć we wszystkich 3 przewodach fazowych, wyłącza system w przypadku przekroczenia niebezpiecznego poziomu harmonicznych i włącza go z powrotem automatycznie, jeśli poziom ten spadnie poniżej poziomu krytycznego. Maksymalne wartości, które wystąpiły pozostają jednak zachowane i mogą być odczytywane poprzez połączenie magistrali EMA 1101.
Regulator mocy biernej EMR 1100 może być również stosowany w sieciach o symetrycznych obciążeniach. Monitoruje wystąpienie rezonansu. Regulator mocy biernej EMR 1100 określa napięcia harmoniczne danej fazy i oblicza wartość prądu kondensatorów. W przypadku przekroczenia wartości granicznej urządzenie jest wyłączane i załączane ponownie, jeśli wartość ta spadnie poniżej progu.
W takich przypadkach często stosowane są systemy kompensacyjne, wyposażone w dławiki.
Projektowanie systemów kompensacyjnych w sieciach z wyższymi harmonicznymi
Najlepsze informacje na temat planowanej kompensacji do użytkowanej sieci uzyskuje się poprzez:
- Pomiar harmonicznych napięć i prądów w ciągu kilku dni, bez kompensacji.
- Teoretyczne obliczenie rezonansu w sieci. W wyniku przeprowadzonej kompensacji oczekuje się następujących poziomów kompensacji:
Wartości pomiaru bez kompensacji, pomnożone przez współczynnik rezonansu z analizy sieci.
Przykład:
Przeciętna sieć niskiego napięcia z transformatorem 1000 kVA. Rozdzielnica jest połączona dwoma równolegle ułożonymi kablami o długości 20 m (odpowiada impedancji 10m kabla). Jako obciążenie można brać pod uwagę tylko czyste obciążenie rezystancyjne, ponieważ np. silniki asynchroniczne nie tłumią harmonicznych. Gdy system jest w pełni włączony przy 400kVar, piąta harmoniczna (250Hz) zostaje wzmocniona przez współczynnik około 3. Przy 250kVar siódma harmoniczna zostaje wzmocniona przez współczynnik około 4!
W ciągu dnia, przy wyższym tłumieniu sieci, współczynniki te są niższe, wieczorem i w weekendy współczynnik wzmocnienia siódmej harmonicznej może być wyższy.
Rys. 35: Wzrost napięć harmonicznych w zależności od stopni kondensatora
Środki zapobiegające powstawaniu rezonansów
Jeżeli podczas projektowania systemu kompensacji – z uwagi na wzmocnienia harmonicznych wywołane rezonansem – można spodziewać się wyższych poziomów napięcia niż:
- 4,0% z 3. harmonicznej (150Hz)
- 5,0% z 5. harmonicznej (250Hz)
- 4,0% z 7. harmonicznej (350Hz)
- 3,0% z 11. harmonicznej (550Hz)
- 2,1% z 13. harmonicznej (650Hz)
wówczas w sieci niskiego napięcia mogą wystąpić poważne zakłócenia:
- problemy z systemami EDP i maszynami CNC
- uszkodzenie przetworników mocy lub przekształtników
- niekontrolowane zadziałanie wyłączników i bezpieczników
- wyłączenie systemów kompensacji bezdławikowych
- wzrost napięcia w sieci
- zwiększone straty prądów wirowych w transformatorach i silnikach asynchronicznych.
Jeżeli poziom poszczególnych harmonicznych bez kompensacji jest większy niż 1,5% (7-ej harmonicznej i wyższych harmonicznych) lub 2% (5-ej harmonicznej) a częstotliwość rezonansowa sieci może być zbliżona do tych harmonicznych, należy oczekiwać, że te dopuszczalne wartości graniczne zostaną przekroczone przez wzmocnienie rezonansowe. Aby nie zagrażać bezpieczeństwu pracy sieci niskiego napięcia, w takich sytuacjach należy stosować wyłącznie dławikowe systemy kompensacji.
Rys. 36: Tłumienie napięć harmonicznych w funkcji poszczególnych stopni baterii
Zastosowanie dławików zmniejsza częstotliwość rezonansową do wartości poniżej 250Hz.
Wszystkie harmoniczne powyżej częstotliwości rezonansowej zostają osłabione (tłumione)
Kondensator dławikowy jest szeregowym połączeniem kondensatora i dławika, którego szereg częstotliwości rezonansowej jest tak dobrany przez konstrukcję dławika, że leży poniżej 5 harmonicznej (250Hz). Układ jest zatem indukcyjny dla wszystkich częstotliwości powyżej szeregowej częstotliwości rezonansowej, rezonans pomiędzy kondensatorami i reaktywnymi elementami impedancyjnymi w sieci nie jest już możliwy. System dławikowy odsysa część prądów harmonicznych. Aby uniknąć przeciążenia piątą harmoniczną, która jest zawsze obecna w sieci, częstotliwość rezonansowa jest zwykle ustawiona na 189Hz i poniżej.
Tłumienie określane jest albo po częstotliwości rezonansowej dławika kondensatora albo po względnym spadku napięcia „p” na dławiku. Obie wartości są ze sobą powiązane według następującego wzoru:
na przykład:
p = 0,07 (7%)
fr = 189Hz