Как проблемы качества электроэнергии убивают наше оборудование?
Редактор: Вадим Дубинский
Вадим Дубинский
Редактор и инженер Fluke CIS
02 июля 2019

Указания по применению


Рисунок A. Прожиг изоляции двигателя
Загадочные явления происходят в современных офисных зданиях и на производственных предприятиях. Трансформаторы, обеспечивающие, казалось бы, средние нагрузки, перегреваются. Нейтральные проводники в уравновешенных схемах перегреваются от чрезмерных нагрузок.

Автоматы защиты срабатывают без видимой причины. А стандартные процедуры устранения неполадок при этом показывают, что все в порядке. Так в чем проблема?

Все эти проблемы возникают из-за нелинейных нагрузок, которые являются частью современных систем автоматизации.

Новая технология, новые задачи

Гармоники – побочные продукты современной электроники. Они особенно распространены там, где есть большое количество персональных компьютеров, частотно регулируемых приводов и других типов оборудования, потребляющего ток короткими импульсами. Это оборудование предназначено для потребления тока только во время контролируемой части формы волны входящего напряжения. Хотя это значительно повышает эффективность, оно вызывает гармоники в токе нагрузки. И это вызывает перегрев трансформаторов и нейтралей, а также срабатывание автоматических выключателей.

Рисунок 1. Гармоническое колебание.
Если бы вы слышали обычную линию электропередачи, вы бы услышали монотонный гул. Когда присутствуют гармоники, вы слышите другой звук, насыщенный высокими нотами. Проблема становится еще более очевидной, когда вы смотрите на форму волны. Нормальное напряжение линии электропередачи появляется на осциллографе в виде синусоидальной волны (рисунок 1). Когда присутствуют гармоники, форма сигнала искажается (рис. 2А и 2В). Эти волны описываются как несинусоидальные. Формы напряжения и тока больше не связаны простой зависимостью − отсюда и термин «нелинейный».

Рисунок 2A. Искаженная форма кривой тока.

Определение проблемы

Гармоники − это токи или напряжения с частотами, кратными основной частоте питания. Например, если основная частота составляет 50 Гц, то вторая гармоника составляет 100 Гц, третья − 150 Гц и т.д. Гармоники создаются нелинейными нагрузками, которые потребляют ток в виде резких импульсов, а не плавным синусоидальным образом. Эти импульсы вызывают искажение формы волны тока, что, в свою очередь, приводит к тому, что гармонические токи перетекают обратно в другие части энергосистемы.

Рисунок 2B. Искаженная форма кривой напряжения.

«Подноготная»

Это явление особенно распространено в оборудовании с входными блоками питания диодно-конденсаторного типа; то есть персональные компьютеры, принтеры и медицинское испытательное оборудование. Электрически происходит следующее, входное переменное напряжение выпрямляется диодом, а затем используется для зарядки большого конденсатора. После нескольких циклов конденсатор заряжается до пикового напряжения синусоидальной волны (например, 170 В для линии переменного тока 20 В). Затем электронное оборудование потребляет ток от этого высокого напряжения постоянного тока для питания остальной части цепи.

Рисунок 3A. Форма кривой нелинейной, однофазной токовой нагрузки.
Оборудование может отводить ток до регулируемого нижнего предела. Как правило, до достижения этого предела конденсатор перезаряжается до пика в следующей половине цикла синусоидальной волны. Этот процесс повторяется снова и снова. Конденсатор в основном получает импульс тока только во время пика волны. Во время остальной волны, когда напряжение ниже остаточного значения конденсатора, конденсатор не потребляет ток.

Диодно-конденсаторные источники питания, используемые в офисном оборудовании, обычно представляют собой однофазные нелинейные нагрузки (рис. 3А). На промышленных предприятиях наиболее распространенными причинами гармонических токов являются трехфазные нелинейные нагрузки, которые включают в себя двигатели с электронным управлением и источники бесперебойного питания (ИБП) (Рисунок 3B).

Рисунок 3В. Форма кривой нелинейной, трехфазной токовой нагрузки.

Если есть проблема и нужно определить, где она − есть смысл исследовать гармоники!

Вот несколько рекомендаций, которым нужно следовать.
1. Инвентаризация нагрузок.
Совершить обход по объекту и ознакомиться с типами используемого оборудования. Если у вас много персональных компьютеров и принтеров, электродвигателей с регулируемой скоростью, твердотельных элементов управления нагревателями и некоторых типов флуоресцентного и диодного освещения, есть большая вероятность присутствия гармоник.

2. Проверка перегрева трансформаторов.
Найти трансформаторы, питающие эти нелинейные нагрузки, и проверить, не перегреваются ли они. Убедиться также, что вентиляционные отверстия не засорены.

Рисунок B. Анализатор качества электроэнергии Fluke 435 серии II.
3. Вторичные токи трансформаторов.
Для проверки токов трансформатора используйте анализатор качества электроэнергии Fluke 435 серии II.
  • Убедиться, что напряжение соответствует номинальному.
  • Измерить и записать вторичные токи трансформатора в каждой фазе и в нейтрали (если используются).
  • Сравнить кВА, подаваемые на нагрузку, с номинальным значением, указанным на паспортной табличке. (При наличии гармонических токов трансформатор может перегреться, даже если подаваемые кВА меньше номинального значения).
  • Использовать измерение коэффициента k анализатором качества электроэнергии 435 серии II для определения снижения номинальных характеристик или замены трансформатора.
  • Измерить частоту тока нейтрали. 150 Гц должны быть типичным показанием для тока нейтрали, состоящего в основном из третьей гармоники.
4. Проверить ток в нейтрали распределительного щита.
Проверить распределительные щиты, которые питают гармонические нагрузки. Измерить ток в каждой ветви нейтрали и сравнить измеренное значение с номинальной мощностью для используемого сечения провода. Проверить нейтральную шину и соединения фидера на нагрев или обесцвечивание. Для обнаружения чрезмерного перегрева шин и соединений полезно ис-пользовать тепловизор, например, Fluke Ti 400.
5. Проверить напряжение нейтрали в розетке относительно земли.
Перегрузка нейтрали в разветвленных цепях розетки иногда может быть обнаружена путем измерения напряжения между нейтралью и землей на розетке. Измерить напряжение, когда нагрузка включена. Напряжение до двух вольт − это нормально. Более высокое напряжение может указывать на проблемы в зависимости от длины проводника, качества соединений и т.д. Измерить частоту. Частота 150 Гц предполагает явное наличие гармоник.

Решение проблемы гармоник

Ниже приведены предложения по решению некоторых типичных проблем гармоник. Прежде чем принимать какие-либо из этих мер, следует вызвать специалиста по качеству электроэнергии для анализа проблемы и разработки плана с учетом конкретной ситуации.

В перегруженных нейтралях
В трехфазной четырехпроводной системе 50 Гц − часть тока нейтрали может быть минимизирована путем балансировки нагрузок в каждой фазе. Ток нейтрали третьих гармоник можно уменьшить, добавив фильтры гармоник на нагрузку. Если ни одно из этих решений не подходит, можно добавить дополнительные нейтрали − по одной нейтрали для каждой фазы − или установить нейтраль большего номинала, общего для трехфазных проводников. В новой конструкции проводка под ковровым покрытием и модульные офисные перегородки должны быть с индивидуальными нейтралями и, возможно, изолированным заземлением, отдельным от защитного заземления.

Понижение параметров трансформаторов
Одним из способов защиты трансформатора от гармоник является ограничение нагрузки на него. Это называется «понижением параметров» трансформатора или «дерейтинг». Наиболее точный метод понижения описан в стандарте ANSI / IEEE C57.110-1986.
Информация показалась интересной?
Договоритесь о демонстрации с вашим представителем Fluke.
Нужна демонстрация!
Поделиться
Напишите в комментариях ваше мнение по теме!
Читайте другие наши статьи!