Projektowanie w sieciach z wyższymi harmonicznymi

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:

$f_r = 50Hz\, \cdot \, \sqrt{\frac{1}{p}}$

na przykład:
p = 0,07 (7%)
f_r = 189Hz