 | Пассивные резонансные фильтры для фильтрации гармоник |
4RF14 Passive Tuned Filter Circuits for Filtering of Harmonics
Характер современного электропотребления во многом определяет интенсивное внедрение электротехнологического оборудования, преобразующего электрическую энергию при помощи дискретного управления коммутации ключевых вентильных элементов (различного вида преобразователей). В результате искажается синусоидальность питающего напряжения, а в распределительной сети, наряду с активной - Р и реактивной - Q, появляется мощность гармонического искажения - D, обусловленная генерацией нелинейной нагрузкой токов высших по отношению к промышленной частоте (50 Гц) гармоник. При этом снижаются энергетические показатели привода производственных механизмов, увеличивается загрузка силовых трансформаторов, возможны сбои в работе устройств автоматики, телемеханики и релейной защиты. Как известно, учитывая обратнопропорциональную зависимость емкостного сопротивления от частоты, наиболее уязвимы к воздействию гармоник являются конденсаторные батареи установок компенсации реактивной мощности. Даже незначительный уровень сетевых гармонических искажений может вызвать перегрев конденсаторов. Кроме того, при наличии в системе электроснабжения конденсаторных установок параллельной компенсации реактивной мощности, возможно образование на одной из частот гармонического спектра тока нагрузки резонансного или близкого к нему режима между емкостным сопротивлением установки компенсации и индуктивныи импедансом сети, существенно увеличивающим коэффициент искажения (отношение тока основной гармоники к среднеквадратичному значению тока системы электроснабжения) и, соответственно, сетевые потери электроэнергии. Несмотря на появление систем активной фильтрации (active restoring system) на сегоднешний день, в большинстве случаев, для снижения одного из показателей норм качества электроэнергии - коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения сети применяют пассивные резонансные LC-фильтры (passive tuned filter cicuits), представляющие на фиксированной частоте резонансной настройки минимальное сопротивление для соответствующей гармоники. Следует отметить, что поскольку наибольшее число нелинейных электроприемников подключено к низковольтной (до 1 кВ) сети, фильтрация гармоник именно на данном уровне напряжения во многих случаях бывает наиболее целесообразной, так как предотвращает их распространение в распределительную сеть более высокого уровня напряжения.
Область применения
Пассивные резонансные LC-фильтры типа 4RF14 (таблица 1), собранные на базе однотипных, взаимозаменяемых компонентов компании "Siemens", применяют в сетях переменного тока напряжением 400 В, частотой 50 Гц при доле нелинейной нагрузки превышающей 50% от суммарной присоединенной мощности сети, или в качестве входных (сетевых фильтров) систем "частотный преобразователь - двигатель". В целом, фильтры 4RF14 обеспечивают степень подавления 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоники до 90%. Как правило, при установке силовых фильтров решается задача компенсации реактивной мощности. В случае если требуемый коэффициент мощности не достигнут, фильтры 4RF14 можно использовать совместно с низковольтными фильтрокомпенсационными установками - расстроенными системами (detuned systems) "антирезонансный дроссель-конденсаторная батарея" для одновременной фильтрации и точной (фиксированной) компенсации реактивной мощности сети.
Конструкция
Реакторы (дроссели), используемые в схемах силовых фильтров 4RF14, - нерегулируемые индуктивности с воздушным охлаждением, а так как на выводах конденсаторов, за счет последовательного включения реактора, увеличивается напряжение (относительно номинального напряжения сети) - конденсаторы специального исполнения. Стандартные модули LC-элементов фильтрационных цепей (таблица 2) размещаются в вентилируемых металлических шкафах со степенью защиты IP20 (рисунок). При необходимости возможна установка комбинаций отдельных фильтрационных цепей 5-ой, 7-ой, 11-ой и 13-ой гармоник. В зависимости от требуемой мощности подавления, фильтрационные цепи состоят из одной или нескольких ветвей. Каждая ветвь включает в себя следующие элементы:
выключатель-размыкатель с контролем состояния плавких предохранителей;
низковольтные плавкие предохранители, обладающие высокой отключающей способностью (HRS);
контактор для коммутации ветви фильтрации;
трехфазный реактор (дроссель) фильтра, с высокой линейность нагрузочной характеристики и небольшой погрешностью номинальной индуктивности;
температурную защиту реактора фильтра;
силовые металлопленочные косинусные конденсаторы MKV/MKK, имеющие повышенное, относительно регламентируемого стандартом IEC 60831 (ГОСТом 1282-88) значение максимально допустимой токовой перегрузки (технические данные по запросу);
разрядные реакторы для быстрого разряда конденсаторов.
Принцип действия
Фильтрационные LC-цепи и их отдельные ветви включаются вручную или по команде контроллера. Первоначально включаются цепи гармоник более низких частот. Так как подключение фильтра обеспечивает неуправляемую (независящую от коэффициента мощности сети подключения - cosφ) компенсацию индуктивной составляющей тока нагрузки, то для компенсации реактивной мощности, согласно заданного значения cosφ, параллельно фильтрам могут включатся ступени регулирования автоматизированной фильтрокомпенсационной установки.
Присоединение
Каждый шкаф подключается к линии отдельным силовым кабелем или шинопроводом. Обычно фидеры установок фильтрации 4RF14 защищаются плавкими предохранителями.
Защита
Плавкие предохранители ножевого (NH) типа категории gL/gG (защита общего назначения во всем диапазоне нагрузок линий с небольшими расчетными токами КЗ - gL или защита общего применения во всем диапазоне нагрузки - gG).
(нажмите, чтобы увеличить)
Рисунок. Передний (слева) и задний вид шкафов установки пассивного резонансного LC-фильтра 4RF14 (2×175 квар, допустимый ток фильтруемых гармоник - 504 А), габаритный размер: 2275×(2×600)×625 мм, степень защиты IP20
Таблица 1. Основные технические данные
| Допустимое длительное (свыше 8 часов) превышение номинального напряжения | + 10% от Uном. |
| Собственные потери | около 6 Вт на квар |
| Температура окружающей среды | от -20 до +35 °C, в течении 24 часов максимальное кратковременное превышение до +40 °C |
| Степень защиты | IP20 (от непосредственного прикосновения) |
| Вносимый уровень шумов | до 65 дБ при наличии высочастотных гармонических составляющих |
| Максимальная высота установки | до 3000 м над уровнем моря |
| Допустимая степень влажности | F |
| Охлаждение | Вентиляция |
Таблица 2. Выборочные технические данные серийно выпускаемых фильтров 4RF14*
| 42 | 29 | 42 | 59/80 | 4RF14 03-3BB05 | 4RF14 03-3BB07 | 4RF14 03-3BB011 | 200 | 2275×600×625 |
63 | 44 | 63 | 89/100 | 4RF14 04-3BB05 | 4RF14 04-3BB07 | 4RF14 04-3BB011 | 205 | 2275×600×625 |
84 | 58 | 84 | 119/160 | 4RF14 06-3BB05 | 4RF14 06-3BB07 | 4RF14 06-3BB011 | 210 | 2275×600×625 |
125 | 87 | 125 | 177/200 | 4RF14 09-3BB05 | 4RF14 09-3BB07 | 4RF14 09-3BB011 | 230 | 2275×600×625 |
166 | 115 | 166 | 235/315 | 4RF14 12-3BB05 | 4RF14 12-3BB07 | 4RF14 12-3BB011 | 270 | 2275×600×625 |
188 | 130 | 188 | 266/315 | 4RF14 13-3BB05 | 4RF14 13-3BB07 | 4RF14 13-3BB011 | 285 | 2275×600×625 |
252 | 175 | 252 | 356/400 | 4RF14 18-3BB05 | 4RF14 18-3BB07 | 4RF14 18-3BB011 | 300 | 2275×600×625 |
Примечание:
- *напряжение цепей управления 230 В, 50 Гц;
- **код заказа.
Основные допущения при определении уровней гармоник и выборе конфигурации фильтра
При расчете коэффициента искажения синусоидальности кривой напряжения в промышленной электросети можно принять следующие допущения:
учитывать только гармоники канонических порядков (5, 7, 11, 13-ой). Гармоники тока выше 13-го порядка обычно малы и не могут создать значительных гармоник напряжения при отсутствии резонанса токов на частоте гармоники;
частотная характеристика сопротивления сети в диапазоне 2-13-й гармоник принимается линейной.
Выбор фильтра (таблица 2) производится в соответствии с присутствующими в сети значениями токов гармоник. Суммирование гармоник для расчета силовых фильтров производится в пределах одной секции (системы шин). В случае замера гармоник в относительных единицах, процентах от основной (первой) гармоники, относительное значение гармоники умножается на номинальный расчетный ток сети фильтрации. Кроме того, желательно чтобы был известен (при необходимости измерен) гармонический спектр в распределительной сети более высокого уровня напряжения (со стороны высокого напряжения силового трансформатора сети подключения фильтров). Если требуется фильтрация токов гармоник больших, чем указанны в таблице 2, стандартные модули фильтров 4RF14 соединяются параллельно. По запросу в схеме фильтра может быть предусмотрено ступенчатое переключение LC-цепочек 5-ой, 7-ой и 11/13-ой гармоник, причем для исключения появления в сети опасных перенапряжений, LC-цепочки нужно включать в порядке возростания номеров гармоник, а отключать в обратном порядке. | 
