Дроссельные УКРМ – УКРМФ 134 Гц, 189 Гц

Анонс: Дроссельные УКРМФ 134 Гц, 189 Гц. Коэффициенты частотной расстройки, перенапряжения, дросселирования в УКРМФ 134 Гц, 189 Гц и формализованная терминология фильтрации гармоник. Выбор резонансной частоты контура дроссель-конденсаторы в УКРМФ.

УКРМФ 134 Гц, 189 Гц – Установки Конденсаторные с регулированием генерации по Реактивной Мощности, оснащенные Фильтрами высших гармоник – дросселями – для защиты конденсаторов в ступенях от гармонических токов.

Дроссели в УКРМФ 134 Гц, 189 Гц устанавливаются последовательно конденсаторным батареям и на практике (упрощенно) подбираются по кВАр мощности конденсаторной ступени и расстройке относительно основной фундаментальной частоты 50 Гц (f_рез/f1), что дает для f_рез 134, 189, 210 Гц значения расстройки 2.68, 3.78, 4.2, и внесено рядом производителей в маркировку УКРМФ 2.7, УКРМФ 3.8, УКРМФ 4.2.

Дроссельные УКРМФ 2.7, УКРМФ 3.8, УКРМФ 4.2 (УКРМФ 134 Гц, 189 Гц, 210 Гц) часто заявленные, как фильтро-компенсирующие устройства, de facto:

• служат для:
  - защиты конденсаторов, контакторов, коммутационной и измерительной аппаратуры от высоких значений токов гармоник, возникающих при параллельном резонансе установки с индуктивностью сети;
  - защиты электронных систем управления в сети от бросков тока и высокочастотных перенапряжений, характерных для переходных процессов при включении конденсаторной батареи с кратковременным резким снижением напряжений фаз почти до нуля с последующим восстановлением.
• являются простым, экономичным и зачастую эффективным решением фильтра высших гармоник в точке присоединения УКРМФ 2.7, УКРМФ 3.8, УКРМФ 4.2 (УКРМФ 134 Гц, 189 Гц, 210 Гц) в сетях с нелинейными и/быстро изменяющимися нагрузками.

Коэффициенты частотной расстройки, перенапряжения, дросселирования в УКРМФ 134 Гц, 189 Гц и формализованная терминология фильтрации гармоник.

Базовыми документами, определяющими расчет, выбор и эксплуатацию фильтров высших гармоник в сетях являются IEEE Std 519 -2014 (Revision of IEEE Std 519-1992). IEEE Recommended Practice and Requirements for Harmonic Control in Electric Power Systems (Рекомендованная IEEE практика и требования к управлению гармониками в электроэнергетических системах), но больше - IEC 61642. Industrial a.c. networks affected by harmonics –Application of filters and shunt capacitors (Промышленные сети переменного тока, затронутые гармониками -Применение фильтров и шунтирующих конденсаторов), где:

• помимо основной терминологии (изложена в ГОСТ 30804.4.7-2013 (IEC 61000-4-7:2009) и ГОСТ Р 50397-2011 (МЭК 60050-161:1990)) введены термины и обозначения:
  - фильтра (filter) (гармоник) сегмент сети из реакторов, конденсаторов и резисторов, настроенный при необходимости для получения требуемого сопротивления в заданном диапазоне частот;
  - частоты настройки (tuning frequency) - частоты, для которой сопротивление фильтра, рассчитанное из номинальных значений, имеет минимальную или максимальную величину;
  - настроенного фильтра (tuned filter) – с частотой настройки, которая отличается не более чем на 10% от частоты, которая должна быть отфильтрована;
  - расстроенного фильтра (detuned filter) - с частотой настройки более чем на 10% ниже самой низкой частоты гармоники с значительной амплитудой тока / напряжения; - демпфирующего фильтра (damped filter) - с низким, главным образом, резистивным импедансом в широкой полосе частот;
  - характеристических гармоник (characteristic harmonics) – гармоник порядка 5, 7, 11, 13, 17, 19… (h = mp ± 1, где п - число импульсов преобразователя, m - любое целое число);
  - не характеристических гармоник (non-characteristic harmonics), возникающих из-за дисбаланса в системе переменного тока или генерируемые нелинейными нагрузками типа преобразователей частоты, флуоресцентных ламп, дуговых печей, электрических сварочных машин и т.д.;
• формализованы фундаментальные формулы определения резонансной частоты L-C колебательного контура при последовательном и параллельном соединении конденсаторов и индуктивности через волновой реактивный импеданс f_рез/f1 = √(1/p).

Справка: Сопротивление реактивных элементов контура при резонансе (или характеристическое волновое сопротивление) р = X_L1/X_C1 - отношение индуктивного сопротивления к емкостному, однако помимо этого р показывает изменение напряжения емкости в контуре U_c =U_n*(1/(1-p)) при разных отношениях f_LC/f₁, и определяет выбор оптимальной частоты резонанса, что обусловило применение к р некорректных терминов - коэффициент частотной расстройки, коэффициент дросселирования, коэффициент перенапряжения и пр.

Выбор резонансной частоты контура дроссель-конденсаторы в УКРМФ 134 Гц, 189 Гц.

IEC 61642 в расчетах параметров при параллельном включении конденсаторов с индуктивностью сети показывает, что даже на относительно «слабой» по интенсивности гармонических искажений 11 гармонике напряжение изменяется на 8.3%, а через конденсаторы идет ток, более чем на 90% превышающий номинальный, а среднеквадратичное значение гармонического тока в 1.45 раз выше номинального. Для решения проблемы стандарт предписывает формирование параллельного или последовательного резонансного колебательного контура, наиболее простым решением которого является включение дросселя последовательно с емкостным сопротивлением каждой ступени установки.

При последовательном соединении индуктивности и емкости в колебательном контуре на резонансной частоте 2π*f_рез*L = 1/(2π*f_рез*C), а полное сопротивление контура Z = √(R² + (2π*f_рез*L - 1/(2π*f_рез*C))²) = R /прим. π - число Пи/. В итоге контур пропускает токи гармоник на резонансной частоте, но блокирует на частотах выше и ниже f_рез. Причем на частотах больше f_рез контур имеет индуктивный характер, а ниже f_рез – емкостной, т.е. не мешает УКРМФ 134 Гц, 189 Гц выполнять свою основную функцию компенсации реактивной мощности.

Резонансные частоты для L-C фильтров высших гармоник в УКРМФ 2.7, УКРМФ 3.8, УКРМФ 4.2.

Согласно IEC 61642 колебательный L-C контур нужно настраивать:

• на частоту ниже 5*f₁ при p > 4 % для сетей, где основной гармоникой искажений является 5-я;
• частоту ниже 3*f₁ при p > 11 % для сетей, преимущественно засоряемых 3-й гармоникой;
• частоту 3,78*f₁, т.е. при p = 7 %, которую стандарт считает оптимальной для большинства сетей с нелинейными нагрузками.

Тогда:

• оптимальной резонансной частотой для контуров с последовательным соединением L-C будет f_рез = 3.78*50 = 189 Гц, а р = (50/189)² = 0.07 или 7%;
• интервал резонансных частот L-C контуров сетей с превалированием искажений 5-й гармоникой лежит в интервале fрез ˂ 5*50 = 250 Гц при р > (50/250)² = 0.04 или 4%, а для сетей с превалированием искажений 3-й гармоникой лежит в интервале fрез ˂ 3*50 = 150 Гц при р > (50/150)² = 0.11 или 11%.

Справка: С учетом влияния последовательных контуров на частоты управляющих сигналов IEC (International Electrotechnical Commission) определила безопасные частоты резонанса для промышленных (и аналогичных им по характеру нагрузок) сетей (см. таблицу ниже). Однако в идеале fрез должна быть частотой, близкой к частоте, искажающей сетевые параметры канонической (характеристической) гармоники, но «свободной» от искажений и не мешающей прохождению сигналов управления, поскольку импеданс контура с ростом частоты быстро увеличивается и зависит от характеристического сопротивления реактивной нагрузки р. На практике «доступные» и оптимальные частоты определяются по данным спектрального анализа гармонических искажений для конкретной сети (участка сети).