Электричество стало неотъемлемой частью нашей жизни. Но мало кто задумывается о том, насколько качественная электроэнергия поступает в наши дома и офисы. А ведь от этого напрямую зависит работа всей техники - от лампочки до компьютера. Давайте разберемся, что такое коэффициент гармоник и почему он так важен.
Что такое гармоники в электросети
Гармоники - это синусоидальные составляющие электрического тока или напряжения с частотами, кратными основной частоте 50 Гц. Например, 3-я гармоника имеет частоту 150 Гц, 5-я - 250 Гц и т.д. Гармоники возникают при работе нелинейных электрических приборов и устройств, таких как выпрямители, тиристорные регуляторы, дуговые печи, компьютеры и т.д.
Присутствие гармоник в электрической сети вызывает ряд негативных последствий:
- перегрев электрооборудования;
- ускоренный износ изоляции;
- ложное срабатывание защит;
- сбои в работе чувствительной электроники.
Поэтому важно знать уровень гармоник в сети и при необходимости принимать меры для его снижения. Для количественной оценки гармоник используется коэффициент гармоник.
Коэффициент гармоник - показатель качества электроэнергии
Коэффициент гармоник (КГ) - безразмерная величина, равная отношению суммарной мощности всех гармонических составляющих тока или напряжения к мощности основной частоты 50 Гц. Чаще всего рассчитывается коэффициент гармоник напряжения (КГН) и коэффициент гармоник тока (КГТ).
В зарубежной литературе используется термин THD (Total Harmonic Distortion) - полные гармонические искажения. Физический смысл этого показателя такой же, как у КГ.
Согласно ГОСТ 32144-2013, нормально допустимое значение КГН составляет 8%, а предельно допустимое - 12%. Для КГТ значения нормы несколько ниже.
Если КГ превышает допустимые значения, это приводит к сбоям в работе оборудования, перегреву, ускоренному износу. Поэтому необходимо регулярно измерять КГ и принимать меры по его снижению.
Как измерить коэффициент гармоник
Для измерения коэффициента гармоник используются специальные анализаторы качества электроэнергии . Это могут быть как портативные, так и стационарные приборы. Среди наиболее известных производителей можно отметить Fluke, HIoki, PCE Instruments и другие.
Измерение КГН или КГТ в соответствии со стандартом ГОСТ 30804.4.30-2013 проводится в несколько этапов:
- Подключить анализатор к контрольной точке электросети.
- Установить длительность измерения в соответствии со стандартом.
- Дождаться стабилизации показаний прибора.
- Зафиксировать значение КГ на дисплее или распечатать протокол.
При проведении измерений важно учитывать ряд факторов - мощность и нелинейность нагрузки, точку подключения прибора и др. Иначе результаты могут быть некорректными.
Как снизить коэффициент гармоник
Если уровень гармоник в сети превышает допустимые значения, необходимо принимать меры по его снижению. Для этого используются различные технические решения.
Фильтры гармоник
Наиболее распространенный метод - установка фильтров гармоник или фильтрокомпенсирующих устройств. Они представляют собой резонансные LC-фильтры, настроенные на частоты нечетных гармоник (150 Гц, 250 Гц и т.д.) и обеспечивающие замыкание этих гармонических составляющих накоротко.
Главными достоинствами фильтров гармоник являются высокая эффективность, простота и надежность. К недостаткам можно отнести высокую стоимость и большие габариты.
Коэффициент гармоник усилителя
Коэффициент гармоник имеет большое значение не только для промышленных электрических сетей, но и для бытовой техники. В частности, этот показатель важен для оценки качества работы усилителей .
Гармонические искажения приводят к ухудшению качества звучания акустических систем, подключенных к усилителю. Чем выше коэффициент гармоник усилителя, тем хуже воспроизводится музыка.
Измеритель коэффициента гармоник
Для измерения гармоник в электрических сигналах используется специальный измеритель - анализатор спектра. Он позволяет разложить сложный периодический сигнал на отдельные гармонические составляющие и определить амплитуду и фазу каждой из них.
На основании этих данных рассчитывается коэффициент гармоник по приведенным выше формулам. Современные цифровые анализаторы спектра обеспечивают высокую точность измерений гармоник.
Требования к измерителю КГ
К основным требованиям, предъявляемым к приборам для измерения коэффициента гармоник, относятся:
- возможность анализа спектра сигналов до нескольких десятков кГц;
- разрядность АЦП не менее 12-14 бит;
- погрешность измерения амплитуды гармоник не более 1%.
Лучшие измерители КГ способны определять гармоники уровнем до 0.1% от основной частоты.
Влияние гармоник на работу электрооборудования
Гармонические искажения оказывают негативное воздействие на работу различного электрооборудования. Рассмотрим основные проблемы, связанные с этим.
Перегрев электродвигателей и трансформаторов
Высшие гармоники вызывают дополнительные потери в стали магнитопроводов электрических машин и аппаратов. Это приводит к их перегреву, сокращению срока службы изоляции.
Нарушение работы устройств релейной защиты и автоматики
Гармоники могут стать причиной ложных срабатываний и отказов микропроцессорных и электромеханических реле. Кроме того, они снижают чувствительность защит к аварийным режимам в сети.
Сбои в работе компьютеров и другой чувствительной электроники
Микросхемы и процессоры очень чувствительны даже к небольшим гармоническим искажениям. Это приводит к "зависаниям", сбоям и отказам оборудования, потере данных.
Способы борьбы с гармониками на промышленных предприятиях
Для предприятий с высоким уровнем гармоник характерно применение комплекса мероприятий:
- Аудит источников гармоник, выявление "гармоничных зон".
- Установка фильтро-компенсирующих устройств в распределительных узлах.
- Модернизация электроприводов с нелинейной нагрузкой.
- Оптимизация режимов работы технологического оборудования.
- Регулярный мониторинг уровня гармоник.
Перспективные направления борьбы с гармониками
В будущем ожидается разработка принципиально новых методов снижения коэффициента гармоник, основанных на использовании силовой электроники, нанотехнологий, искусственного интеллекта.
Возможно создание "интеллектуальных" фильтров, адаптивно настраивающих свои параметры в зависимости от режима работы сети и нагрузок. Перспективно применение активных фильтров на базе матричных преобразователей.
