Einführung in Oberschwingungen – Auswirkung von Oberschwingungen auf das Energiesystem

Was sind Harmonische und wie werden sie gefiltert und eliminiert.

(Manuel Bolotinha)

Einführung in Harmonische

Die Qualität der Stromversorgung ist ein wichtiges Thema sowohl für Versorgungsunternehmen als auch für Benutzer, aber diese Qualität kann durch elektromagnetische Störungen beeinträchtigt werden .

Unter diesen Störungen es muss Harmonische hervorgehoben werden das passiert in allen Spannungsebenen und deren Studie, Berechnung akzeptabler Werte und Korrekturmethoden sind in IEC definiert ^[1] Standard 61000-2-4: Elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) ^[2] – Umwelt – Kompatibilitätsstufen in der Industrie Anlagen für niederfrequente leitungsgebundene Störungen .

Was sind Harmonische?

Lichtmaschinen erzeugen Wechselspannungen (V ) und Strömungen (Ich ) mit einer sinusförmigen Wellenform und eine Häufigkeit (f ) von 50 Hz oder 60 Hz (diese Frequenz, die erste Harmonische , wird normalerweise mit Industriefrequenz bezeichnet odergrundlegend ), was in Abbildung 1 zu sehen ist.

Abbildung 1 – Sinusförmige Wechselspannung

Allerdings aufgrund einiger Ausrüstungseigenschaften , die im Netz installiert sind, Spannungen und/oder Ströme mit verschiedenen Frequenzen , ungerade ganzzahlige Vielfache von industrieller Frequenz , im Netz induziert werden können, die Harmonischen , ich. B.:3. Harmonische – 150 Hz oder 180 Hz; 5. Harmonische – 250 Hz oder 300 Hz; 7. Harmonische – 350 Hz oder 420 Hz; usw.

Wir können dann sagen, dass Harmonische sind kontinuierliche (stationäre) Störungen oderVerzerrungen im Stromnetz und sind ein ganz anderes Thema oder Problem vor Leitungsspitzen, Überspannungen, Spannungseinbrüchen, Impulsen usw. die als vorübergehende Störungen kategorisiert werden .

Abbildung 2 zeigt Beispiele der 1. Harmonischen, 3. Harmonischen und 5. Harmonischen.

Abbildung 2 – Grundwelle, 3. Oberwelle und 5. Oberwelle

Das Vorhandensein von Harmonischen entsteht eine verzerrte Welle von Spannung (oder aktuell ), die in Abbildung 3 zu sehen sind, wobei zu berücksichtigen ist, dass alle komplexen Wellenformen kann in eine Reihe von Sinuswellen verschiedener Frequenzen aufgelöst werden , also jede komplexe Wellenform ist die Summe aus einer Reihe von Harmonischen von geringerem oder höherem Wert .

Fourier-Reihe ^[3] drückt den Momentanwert aus dieser Summe – u(t) – durch die Gleichung:Wo :

• t ist die Zeit [s ]
• ω =2πf [s ^-1 ]
• T ist die Periode [s]
• f₀ ist die Grundfrequenz [Hz ]
• s(t) ist eine im Intervall [0, T] integrierbare periodische Funktion

Abbildung 3 – Harmonische Verzerrung

Normalerweise 3. Harmonische ist am schädlichsten , aber unter bestimmten Bedingungen 5. und 7. Harmonische kann nicht übersehen werden .

Harmonische Verzerrung

Nach IEC-Standard 61000-2-4 harmonische Verzerrung wird durch den Parameter THD charakterisiert – Total Harmonic Distortion – berechnet nach der Gleichung:

Wobei F₁ steht für den Effektivwert der Spannung oder des aktuellen bei industrieller Frequenz und Q_i die harmonische Welle der Bestellung “ ich ” (2. Harmonische – i=2; 3. Harmonische i=3; usw.) der Spannung oder des Stroms.

Derselbe IEC-Standard definiert auch die folgenden Parameter:

• OT (Total Harmonic Content ), welcher Effektivwert errechnet sich aus der Gleichung:

Wobei F₁ steht für den Effektivwert der Spannung oder des aktuellen bei industrieller Frequenz und Q der Effektivwert der Spannung oder der aktuellen .

• TDR (Total Harmonic Ratio ) – Verhältnis zwischen dem Effektivwert von OT und der Effektivwert der Spannung oder des aktuellen bei industrieller Frequenz (F₁ ), die durch die Gleichung berechnet wird:

Normalerweise werden Berechnungen für die Spannung angestellt , unter Berücksichtigung der minimalen dreiphasigen Kurzschlussleistung (S”_K ) des Netzwerks und Maximalwerte (in Ω ) der Kurzschlussimpedanz in den Punkten, wo THD berechnet (Z_K; R_K; X_K ^[4] ); eine spezifische Software ist erforderlich, um diese Berechnungen durchzuführen.

Der oben erwähnte IEC-Standard definiert 3 Klassen für elektromagnetische Umgebung ^[5] :

1. Klasse 1 :Diese Klasse gilt für geschützte Netzteile und hat niedrigere Kompatibilitätsstufen als in öffentlichen Netzwerken. Es bezieht sich auf die Verwendung von Geräten, die sehr empfindlich auf Störungen in der Stromversorgung reagieren, z. B. elektrische Instrumente in Laboratorien, einige Automatisierungs- und Schutzgeräte, einige Computer usw.
2. Klasse 2 :Diese Klasse gilt allgemein für PCC ^[6] und an IPC ^[7] im Umfeld industrieller und anderer nicht-öffentlicher Stromversorgungen. Die Kompatibilitätsgrade dieser Klasse sind im Allgemeinen identisch mit denen öffentlicher Netzwerke. Daher dürfen in dieser Klasse von Industrieumgebungen Komponenten eingesetzt werden, die für die Versorgung aus öffentlichen Netzen ausgelegt sind.
3. Klasse 3 :Diese Klasse gilt nur für IPC in industriellen Umgebungen. Es hat für einige Störphänomene höhere Kompatibilitätsgrade als die der Klasse 2. Diese Klasse sollte beispielsweise in Betracht gezogen werden, wenn eine der folgenden Bedingungen erfüllt ist:ein Großteil der Last wird durch Konverter gespeist; Schweißmaschinen sind vorhanden; große Motoren werden häufig gestartet; Lasten variieren schnell.

Harmonisch Kompatibilität Ebenen ^[8] (Ä_h [%] ) für ungerade Frequenzen Vielfache von 3 sind in Tabelle 1 und für ungerade Häufigkeiten angegeben keine Vielfachen von 3 sind in Tabelle 2 angegeben.

Tabelle 1 – Ebenen der harmonischen Kompatibilität für ungerade Frequenzen Vielfache von 3

Tabelle 2 – Niveaus der harmonischen Kompatibilität für ungerade Frequenzen Vielfache von 3

Kompatibilitätsstufen von THD für jede der Klassen sind:

• Klasse 1 – 5 % .
• Klasse 2 – 8 % .
• Klasse 3 – 10 % .

Quellen und Auswirkungen von Harmonischen

Oberschwingungen sind eine ständige Quelle von Problemen in elektrischen Geräten und Systemen.

Die folgenden Arten von Lasten (nichtlineare Lasten ^[9] ) sind die Hauptquellen von Harmonischen:

• Leistungselektronische Geräte (Beispiel:Gleichrichter – nämlich solche, die in elektrischen Traktionssystemen verwendet werden – und Stromrichter).
• Lichtbogenausrüstung (Beispiel:Lichtbogenöfen, Wechselstrom oder Gleichstrom-Lichtbogenschweißmaschinen ).
• Sättigbare Geräte (Beispiel:Leerlaufstromwelle, die von einem Transformator mit zu geringer Nennleistung absorbiert wird).

Um die Erzeugung von Harmonischen zu minimieren Gleichrichtereinheiten sind vorzugsweise sechspulsig und diese Art von Einheiten für elektrische Traktionssysteme typischerweise erzeugen Stromharmonische 5., 7., 17. und 19. Ordnung , resultierend aus Dioden-Ungleichgewicht und von der Netzwerkimpedanz .

Allerdings von geringerem Ausmaß , unter normalen Betriebsbedingungen der Geräte und des Netzwerks , muss die Resonanzgefahr berücksichtigt werden für diese Frequenzen .

Schaltvorgänge von Kondensatorbänken und Leistungstransformatoren mit einer permanenten Überlastung sind auch eine wichtige Oberwellenquelle .

Leistungstransformatoren für Spannungen über 60 kV mit Stern-Stern-Verbindung (Yy ) sind gleichermaßen eine harmonische Quelle . Um diese Harmonischen zu kompensieren die genannten Leistungstransformatoren muss eine Tertiärwicklung haben, die in Dreieck geschaltet ist .

Abgesehen von der Verzerrung der Spannungswelle , Harmonische sind ein Grund für Fehlbedienung von Kontroll- und Schutzsystemen, aufgrund elektromagnetischer Störungen , erhöht den Hauteffekt ^[10] , mechanische Schwingungen und Vibrationen verursachen von elektrischen Maschinen, nämlich Leistungstransformatoren und rotierenden Maschinen, Leistungsfaktor verringern (cos Φ ), führen zu einer vorzeitigen Alterung von Isolationsmaterialien , was zum Verlust ihrer dielektrischen Eigenschaften führt , Ursprung Überhitzung und zunehmende Verluste , nämlich Leistungstransformatoren und Kabel, und verkürzen die Nutzungsdauer von Geräten .

Harmonische , die die Ursache der Spannungswellenverzerrung sind , umlaufend in nichtlinearen Lasten , wie Motoren , wenn sie einem variablen magnetischen Fluss ausgesetzt sind , Kreisströme induzieren (Foucault-Strömungen ) in leitenden Materialien, was das Drehmoment verringert .

In unausgeglichenen Systemen , Harmonische kann einen neutralen Strom verursachen höher als die vektorielle Summe der Phasenströme bei der Grundfrequenz , was zu einer Überlastung des Neutralleiters führt .

Skin-Effekt erhöht Leiterwiderstand und damit Spannungsabfall und Verluste durch Joule-Effekt . Dieses Thema ist besonders sensibel in Freileitungen mit einer Spannung über 150 kV und eine Länge von 800 km und mehr . Eine gängige Lösung zur Lösung dieses Problems ist die Verwendung von DC Freileitungen , bei dem Skin-Effekt existiert nicht .

Mechanische Schwingungen und Vibrationen von rotierenden elektrischen Maschinen können zu Wellenversatz führen und Zerstörung von Stator, Rotor und Lagern .

Verluste nehmen zu in Leistungstransformatoren, geschieht durch Eisenverluste , aufgrund Foucault-Strömungen und Hysterese ^[11] , die proportional zur Frequenz sind und in Kupferverlusten , wegen Skin-Effekt .

Oberschwingungskompensation und Filtertypen

Wenn Kondensatorbänke werden zur Leistungsfaktorkorrektur verwendet , fließt eine signifikante Oberschwingungskomponente in die Kondensatorbatterie; in diesen Situationen ist ein vorübergehendes Abschalten erforderlich die Kondensatorbank um eine genaue Ortung von Oberwellenquellen zu ermöglichen .

In einer solchen Installation ist es entscheidend um zu überprüfen, ob irgendein Risiko einer harmonischen Resonanz besteht verursacht durch die spezifischen Oberschwingungen der Kondensatorbank . Dies ist der erste Schritt um die richtige Lösung zu definieren zur Oberwellenkompensation .

Bestätigte einmal die Existenz von Harmonischen und dieser THD-Wert das Limit überschreitet definiert durch IEC-Standard 61000-2-4 und/oder vom Versorgungsunternehmen eingerichtet es ist obligatorisch Fahren Sie mit Oberschwingungskompensation fort; Die zu implementierende Lösung hängt von den Installationseigenschaften ab .

Die einfachste Lösung, verwendet bei Niederspannung (V ≤ 1 kV ) Installationen, ist die Verwendung von Kupferspulen (siehe Abbildung 4), die handeln als Hochfrequenzfilter , begrenzen den Anlaufstrom von Gleichrichtern und gegenseitige Beeinflussung zurückhalten .

Abbildung 4 – Reaktanz für harmonische Kompensation

Die Induktivität (L ) jeder Phase wird durch die Gleichung berechnet:Wo:

• ΔV_L ich s der interne Spannungsabfall der Reaktanz [% ]
• V_n ist die verkettete Spannung des Netzes [V ]
• f_n ist die industrielle Frequenz des Netzes [Hz ]
• I_n ist die aktuelle [A ]

In Netzwerken und Installationen mit einer starken Elektrosmog (höherer Oberwellenpegel ), wobei G_h /S_n> 60 % (G_h ist die Scheinleistung aller nichtlinearen Lasten verantwortlich für die Obertonproduktion und S_n ist die Scheinleistung aller vorgeschalteten Transformatoren an dieselbe Stromschiene angeschlossen, an der Lasten angeschlossen sind ) wird empfohlen, Oberschwingungsfilter zu installieren , wie in Abbildung 5 gezeigt).

Abbildung 5 – Oberwellenfilter

Oberschwingungskompensation kann zentralisiert sein , mit harmonischen Filtern in der Haupteingangszentrale angeschlossen , oder dezentral oder lokal , Installieren der Oberwellenfilter in der Nähe der Geräte das sind die Hauptquellen von Harmonischen . Beide Lösungen sind in Abbildung 6 dargestellt.

Abbildung 6 – Position der harmonischen Filter

Harmonische Filter werden in drei Kategorien eingeteilt:

Passive Filter

Diese werden durch Verbindungsschaltkreise der LC-Reihe gebildet , auf jede der Frequenzen abgestimmt dass sie entworfen wurden, um zu kompensieren , normalerweise 5., 7. und 11. Harmonische . Ihre Hauptmerkmale sind:

• Es gibt keine Begrenzung für die zu eliminierende Oberschwingung des Stroms.
• Sie führen eine Leistungsfaktorkorrektur durch.
• Sie riskieren, Oberwellen zu verstärken, wenn Netzänderungen vorgenommen werden.
• Es besteht ein Überlastungsrisiko, verursacht durch externe Elektrosmog.

Aktive Filter

Diese bestehen aus elektronischen und mikroprozessorgesteuerten Einheiten , Steuerung von Harmonischen in einem Bereich zwischen 2. bis 50. Ordnung; für jeden Frequenzbereich es wird ein Strom erzeugt , die eine Phasenverschiebung von 180° und den gleichen Wert hat des zu kompensierenden Oberschwingungsstroms .

Dieser Filtertyp ist gut an Änderungen des Netzes, der Lasten und des Oberschwingungsbereichs angepasst , die sich besonders zur dezentralen oder lokalen Kompensation eignet .

Hybridfilter

Dies ist eine Kombination aus aktiven und passiven Filtern , Steuerung von Harmonischen in einem Bereich zwischen 2. bis 25. Ordnung , wobei auch Leistungsfaktorkorrektur durchgeführt wird .

Gut zu wissen:

Gut zu wissen:

^[1] IEC :International Electrotechnical Comission.

^[2] Electromagnetic compatibility is defined as the capability of electrical equipments to worker properly in a “electromagnetic environment” without introducing any type of electromagnetic disturbances in other equipments and systems that may exist in that environment.

^[3] Fourier series are converging trigonometric series used to represent the sum of sinusoidal functions .

^[4] If the values of R_K e X_K of the network it is usual to consider, as an approximation, R_K /X_K =0.1 and the equation

Z_K =√(R_K ² +X_K ² ).

^[5] The definition of the classes is a transcription of IEC Standard 61000-2-4 .

^[6] PCC :Point on a public power supply network, electrically nearest to a particular load, at which other loads are, or could be, connected.

^[7] IPC :Point on a network inside a system or an installation, electrically nearest to a particular load, at which other loads are, or could be, connected.

^[8] Compatibility level defines the specified electromagnetic disturbance level used as a reference level in a specified environment for coordination in the setting of emission and immunity limits.

^[9] A load is said non-linear if its impedance vary with applied voltage .

^[10] Skin effect is a phenomenon that can be characterized by the repulsion of electromagnetic current lines, which consequence is a tendency for AC current to flow only at the surface of conductors.

^[11] Hysteresis is the by which, when magnetic field is applied to a ferromagnetic material , as the core of the transformers , the material stays permanently magnetized , even if the magnetic field is not present.

About the Author:Manuel Bolotinha

-Licentiate Degree in Electrical Engineering – Energy and Power Systems (1974 – Instituto Superior Técnico/University of Lisbon)
– Master Degree in Electrical and Computers Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
– Senior Consultant in Substations and Power Systems; Professional Instructor