Последовательный резонанс в силовой сети объекта

В этой статье мы разберем ситуации, когда возникает последовательный резонанс и рассмотрим наиболее проблемные ситуации с рисками резонансных явлений.

Введение

Последовательный резонанс в силовой сети объекта - это явление, которое возникает, когда емкость и индуктивность системы оказывают влияние на передачу электрической энергии.

Для более детального понимания, давайте разберемся, что представляют из себя емкость и индуктивность в силовой сети

• Емкость (например, конденсаторные батареи или установки компенсации реактивной мощности) отвечает за хранение и высвобождение энергии в электрической форме.
  
  

• Индуктивность (например, трансформаторы или распределительные линии) играет роль в создании магнитного поля и индуктивного тока.

Когда емкость и индуктивность объединяются в системе, они образуют последовательную LC-цепь. Это означает, что они сопротивляются прохождению переменного тока через систему, но при определенных условиях могут создавать резонансную частоту, на которой система может работать более эффективно.

Однако, если не учитывать эти факторы при проектировании или эксплуатации силовой сети, это может привести к возникновению проблем. При наличии гармонических искажений в источнике энергии, последовательный резонанс может усилить эти искажения и вызвать различные нежелательные явления, например, перегрузку оборудования или дополнительные потери энергии.

Если резонансная частота совпадает с характеристической гармонической частотой нелинейной нагрузки, участок lc-цепи будет притягивать основную часть гармонического тока, создаваемого в системе распределения. Другими словами, даже абонент, не имеющий нелинейную нагрузку, но применяющий конденсаторные установки для компенсации коэффициента мощности, может встретиться с высокими гармоническими искажениями напряжения, вызванными передачей гармоник от источников по соседству.

Рис. Последовательный резонанс.

На рисунке ниже представлена упрощенная схема последовательного резонанса, где источник гармоник представляет собой сумму гармоник, создаваемых другими нагрузками. Во время резонанса батарея конденсаторная и установка коррекции коэффициента мощности формирует последовательную цепь с трансформатором и источниками гармоник.

Рис. Параллельный и последовательный резонансы и простая схема последовательного резонанса.

Индуктивность, которая установлена с конденсатором последовательно, выдает соответствие индуктивности рабочего входного трансформатора. Индуктивность участка данной цепи крайне мала (теоретически ровняется нулю), при этом токи имеют ограничение только сопротивлением. В результате гармонический ток, который соответствует резонансной частоте - свободно протекает в этой цепи. Напряжение на установке коррекции реактивной мощности, на конденсаторной батарее возрастает и очень искажается. Это можно увидеть из данного уравнения:

Us = Xc*Uh/R,

где us и uh – это напряжение гармонического тока Ih и напряжение на установке (конденсаторной батарее) коэффициента мощности. Сопротивление R резонансного последовательного контура получается малым, если сравнивать с реактивным сопротивлением. Частота резонанса последовательного всегда больше, чем частота резонанса параллельного.

Справка
Ничтожно малым импедансом последовательного резонансного контура можно успешно регулировать желаемые гармонические токи. Такая практика широко применяется при проектировании пассивных фильтров. 

Риски резонансных явлений

Самыми проблемными ситуациями, связанными с резонансными явлениями, являются установка мощных конденсаторных установок, установка батарей на распределительных подстанциях, а также применение схем централизованной и групповой компенсации в силовых сетях промышленных объектов. Когда трансформатор превалирует в импедансе системы и обладает высоким отношением X/R, возникают резонансные риски с относительно низким сопротивлением. В этом случае неустойчивость тока или перенапряжения служит довольно распространенной причиной вывода из строя трансформаторов, конденсаторов, либо нагрузочной аппаратуры. 

Что показывают исследования

За последние двадцать лет исследования, проведенные зарубежными и отечественными специалистами, привели к интересным выводам о влиянии гармоник на работу промышленных установок. Оказалось, что около 20% установок, в которых не проводится энергоаудит с анализированием спектра гармоник, сталкиваются с серьезными сбоями или отказом оборудования, вызванными резонансными явлениями.

В традиционном подходе к подбору конденсаторных батарей и установок компенсации реактивной мощности, основанном на таблицах и опросных листах производителей, часто возникает проблема с резонансными частотами, которые могут совпадать с пятой гармоникой. И это одна из наиболее нежелательных гармоник, потому что в большинстве случаев на объектах промышленности она обладает наибольшей амплитудой.

Интересно, что некоторые верят в то, что резистивные нагрузки способны устранять гармоники. На самом деле они лишь уменьшают резонансные явления, что помогает снизить гармонические искажения. Однако индуктивные нагрузки, (такие как электродвигатели), могут как уменьшать гармоники, так и увеличивать их искажения. Возникает смещение резонансной частоты системы ближе к значимой, с точки зрения амплитуды, гармонике.

Исходя из этих исследований, становится ясно, что проведение энергоаудита с анализом спектра гармоник и правильный подбор установок компенсации реактивной мощности играют важную роль в предотвращении серьезных сбоев и отказов оборудования, связанных с резонансными явлениями. Необходимо учитывать особенности каждой конкретной установки и стремиться к минимизации гармонических искажений в системах питания.

Поэтому важно учитывать последовательный резонанс при проектировании силовых сетей и принимать меры для его предотвращения или управления. Это может включать использование специальных фильтров, регулировку параметров системы или выбор оптимальных компонентов с учетом резонансных условий.