Идентификација нездравих електроенергетских система са не-Цхаратеристиц хармоника

1. Увод

Због широкој примени нелинеарних оптерећења, хармоници загађење је један од главних проблема за електроенергетским системима. Иако је учињен велики напредак на хармонијске ублажавање стране произвођача уређаја нелинеарним, индустрија објекти и комунална предузећа, озбиљни проблеми хармонијске и даље може бити присутан у електричним системима, посебно када се деси болесних стања или услед комуналних предузећа или крајњих корисника у индустријским објектима.

Променљиве фреквенције дискови (ВФДс) су најраспрострањенији у индустријским објектима. Карактеристични хармоници дефинисане ИЕЕЕ Стд. 519-1992 су на основу различитих система конфигурацијама ВФДс[1]. Осим неких посебних оптерећења као што су пећима[1] и железнички вучни системи који производе чак хармоника и других не-карактеристичне хармонике у систем, већина индустријских објеката са ВФДс само имају карактеристичне хармонике и неку малу количину не-карактеристичних хармоника који су обично под чак и триплен хармоника границама које предложе ИЕЕЕ Стд. 519-1992. Дакле, када су присутни у електроенергетском систему велика количина не-карактеристичних хармоника, то обично указује на то да је систем нездраво и да решавање проблема је потребно да утврди узроке проблема.

Не-карактеристични хармоници истрагом у[2-9]. Што је објашњено у[2] да нису карактеристични хармоници проузроковани су неуравнотеженог напона величине или фазе не-симетрије. Амплитуда не-карактеристичних хармоника повећава са повећањем напоном нон-симетрије.

Два предмета су испитивани у овом раду за две индустријске објекте који показују велики садржај не-карактеристичних хармоника. Први случај је за рударске електроенергетског система са два исправљача оцењених на 12мВ сваком и са скупом хармоника филтера инсталиран. Обимна истрага је спроведена за овај систем заснован на оба мерења и компјутерска симулација резултата. Други случај је за дистрибутивни систем поља нафте са вишеструким ВФДс. Питање за овог система је да се садашњи таласни облици на улазу ВФДс озбиљно искривљено.

2. Карактеристике и Нонцхарацтеристиц хармоници исправљача

ИЕЕЕ Стд. 519-1992[1] предлаже хармоника струје добијене на мосту исправљача за идеалним условима. "Идеал" се заснива на претпоставци да ДЦ струја нема таласање и ДЦ струја је прешао из једне фазе у другу тренутку напон на долазном фазе прелази напон на одлазећег фази[1]. Хармоника актуелне компоненте за идеалном стању су изведени по следећим једначинама[1]:

где,

х : хармоника редослед

к и м : сваки позитиван цео број

к : пулс број исправљач кола

Ја_х: амплитуда хармоника струје реда х

Ја₁ : амплитуда фундаменталне струје

За 6-пулсног исправљача или променљиве фреквенције диск (ВФД), карактеристичне хармоника струје су 5, 7, 11, итд. За ВФДс користе фазе множења технику као што су 12-импулса и 18-пулс олакшавајућа инпут хармоници, неки хармонијске струје може се отказати у односу на 6-пулсна дискова. Као држава у ИЕЕЕ Стд 519-1992, ако сам шест-пулс исправљачке секције [1]:

• Имају исти преносни однос
• Хаве трансформаторе са идентичним импеданси
• Се фаза померена тачно 60 / м степени једни од других
• Се контролишу на потпуно исти делаи угла, и
• Поделите ДЦ струја оптерећења једнако

Табела 1. Напона хармонична дисторзија ограничења заснована на ИЕЕЕ Стд. 519-1992

Табела 2. Хармоницне дисторзије ограничења заснована на ИЕЕЕ Стд. 519-1992

Тада само хармоника присутан на улазу диск ће бити реда КК ± 1 као што је приказано у једначини (1). На пример, карактеристични хармоници за 12-импулсних ВФД система са два исправљача фазе померене за 30 ° су 11,13, 23, 25^ог,За ... 18-импулсних ВФД система са три исправљачких фази помера по 20 степени најниже карактеристика хармоника је 17^ог. За 24-импулсних ВФД система са четири исправљача фази померати поменуо у[1] да не постоје два исправљача секције су идентичне у свим овим аспектима. Дакле, нису карактеристични хармоници ће увек бити присутан у тој мери да су наведени услови нису испуњени у пракси.

ИЕЕЕ Стд. 519-1992 предлаже препоручене границе хармонијске дисторзије (Табеле 1 и 2), који су широко прихваћени од стране различитим индустријама. Она је наведен у Табели 2 да се чак и хармоници ограничене на 25% од непарних хармоника ограничења у табели[1].

У 6-пулсног исправљача или променљиве фреквенције диск (ВФД), карактеристичне хармоника струје су 5, 7, 11, итд. За ВФДс користе фазе множења технику као што су 12-пулс

3. Случај 1: Чак хармоници

Чак хармоници су обично присутни у веома малим количинама, а не брига за електроенергетских система под нормалним радним условима. Међутим, велика количина чак хармоника могао бити генерисан у неким болесним стањима као што су опрема квара. Ситуација може бити појачан ако систем садржи хармоничних филтера да би узбуђују још хармоничну резонанцу.

Студија случаја 1 обраћа озбиљан проблем чак хармоника догодило у великом рударском објекту која се састоји од два велика 6-пулсна исправљача рејтингом на 12мВ сваком. Конфигурација система је приказан на слици. 1.

Слика 1. Конфигурација система за случај 1.

У марту су детектоване велике равномерне хармонијске струје на кључним локацијама система 2004. Велики 3^рд нађене су и хармонијске струје. Тако високи равномерни хармоници изазивају озбиљну забринутост и спроведено је истраживање како би се открио основни узрок проблема.

Због велике количине 2, 3и 4 хармоничне струје као што је приказано на сликама. 8 и 9, таласни облици струје на два исправљача на сликама. 6 и 7 не приказују типичан облик струјног таласа за 6-импулсне исправљаче. За потребе поређења, доминантне хармонијске струје на кључним мерним тачкама су сумиране у табели 3. Доминантне хармонске струје мерене на два исправљача у априлу 2002 такође су укључени у исту табелу.

Табела 3. Измерени спектри хармонијских струја у марту 2004 и април 2002 на кључној локацији објекта.

Табела 3 указује да 16.8% и 34.3% 2нд хармонске струје у процентима од основне су генерисане исправљачима 1 и 2 у марту 2004, односно. The 4^ог хармонијске струје су други највећи парни хармоници присутни у количини од 8.1% и 6.9% од основних за исправљаче 1 и 2. Два исправљача такође су генерисала велике 3^рд хармоничне струје у количини од 4.8% и 17.2% од фундаменталног. The 3^рд хармонијске струје ће бити посебно разматране у следећем одељку за случај 1.

Узводно од исправљача текле су карактеристичне и некарактеристичне хармонске струје. Прво су прошли кроз ЦБ6, главни напојник два исправљача, затим се дистрибуира на друге делове дистрибутивног система. Неки карактеристични хармоници као што су струје 5. хармоника сусрели су се на заједничкој магистрали, “Главна магистрала исправљача”, а већина их је отказана због фазног померања два трансформатора. Као што је приказано у табели 3, the 5^ог хармонска струја је 24.8% код исправљача 1 и 17.1% код исправљача 2, већина од 5^ог хармонијске струје се поништавају на главној магистрали исправљача, анд тхе 5^ог остаје само хармонска струја 1.8% у ЦБ6.

По некарактеристичним хармоницима, the 2^нд хармонска струја се своди на 12.2% основног у ЦБ6 од првобитно 16.8% и 34.3%, који је смањен. Међутим, the 4^ог хармонична струја се повећава на 26.9% од основних из првобитно 8.1% и 6.9%. Слично, појачани 4^ог хармоника струја, 15.4% од фундаменталног, се такође налази на ЦБ3. Узрок појачања 4^ог хармонска струја у узводном електричном колу се истражује извођењем студије хармоника и резонанце.

Резонантна анализа указује да због повезаности две групе хармонијских филтера, створене тачке вршне импедансе налазе се на 4^ог хармонијска фреквенција (240Хз за систем од 60Хз). Пошто су исправљачи генерисали значајну количину равномерних хармонијских струја, догодила се озбиљна резонанца и појачање и резултирало великим 4^ог хармонијске струје које теку у систему. Карактеристике фреквенцијског одзива система на 10 кВ „Главна сабирница исправљача“ приказана је на слици. 10. Карактеристична крива фреквенцијског одзива при 10 кВ „Главна сабирница“ повезана на секундар трансформатора од 25МВА је веома слична слици 10.

Слика 10 указује због везе на 5^ог, 7^ог, 11^ог, и 13^ог једноструко подешени хармонијски филтери који се налазе на вршној импеданси на 240Хз, 360Хз, 480Хз и 720Хз се стварају. За систем од 60Хз, ове фреквенције одговарају 4^ог, 6^ог, 8^ог и 12^ог секундарне фреквенције. Тачке вршне импедансе су такође познате као резонантне тачке. The 4^ог и 6^ог хармонске струје у табели 3 значајно су повећане на ЦБ6, ово је резултат хармонијске резонанције.Тхе 8^ог и 12^ог хармонске струје у табели 3 не показују очигледно појачање на ЦБ6 зато што индуктивност два трансформатора од 7МВА на гранама исправљача блокира део ових хармонијских струја вишег реда које пролазе до узводног система.

Спектар хармонске струје снимљен на једном од исправљача у априлу 2002 приказује садржај хармоника исправљача у нормалним условима рада (Табела 3). Утврђено је да некарактеристични хармоници укључујући 2, 3рд, 4ог, 6тх итд су били веома мали у то време.

Анализа показује да два исправљача генеришу велику количину некарактеристичних хармоника. Тада некарактеристичне хармонијске струје у 4, 6тх хармонијске фреквенције се појачавају услед паралелне резонанције у систему. То је разлог што је А 26.9% 4^ог хармонска струја је детектована 10 кВ “Главна магистрала исправљача”, ЦБ6. Врло је вероватно да је квар на исправљачима проузроковао проблем некарактеристичних хармоника.

Накнадно решавање проблема са исправљачима потврђује да је квар на исправљачима проузроковао овај проблем. Квар је отклоњен, велика количина некарактеристичних хармонских струја је нестала из система.

Слика 10. Карактеристика фреквенцијског одзива на 10КВ „Главна магистрала исправљача“.

4. Случај 1: Трећа хармоника

Велике количине 3^рд хармоници су пронађени и у случају 1 приликом квара исправљача у марту 2004 (Табела 3). Најгори случај је био код Исправљача 2 са 17.2% од 3^рд хармоника струја. The 3^рд хармонска струја се такође појавила у узводном колу код ЦБ 6 и ЦБ 3.

Референце[8,9] дати образложење да у условима дебаланса напона комуналног, троструки хармоници као што су струја 3. и 9. хармоника могу се појавити на претварачима или исправљачима. Наведена су два примера[9] са различитим условима неуравнотежености линијског напона користећи ВФД 460В 30кВА. The 3^рд хармонијске струје у процентима од основних су 19.2% и 83.7% одговарајући на 0.3% и 3.75% неравнотежа линијског напона, односно. За случај да нема очигледне неравнотеже линијског напона, the 3^рд хармонска струја је 2.1% за исти погон[9].

На основу истог принципа, the 3^рд хармонијске струје приказане на исправљачима у рударском објекту у марту 2004 такође су узроковане неравнотежом линијског напона. Три напона фаза-фаза на ЦБ 8 за исправљач 2 мерени су за 6 сати са једном мерном тачком сваког минута у марту 17 2004. Дебаланс линијског напона се израчунава за сваку мерну тачку. Метода израчунавања неравнотеже напона заснива се на једначини датој у[4]. Према[4] дебаланс напона у процентима дефинише Национално удружење произвођача електричне енергије (НЕМА)

у публикацији стандарда бр. МГ 1-1993 као што следи:

Имајте на уму да се у овом НЕМА стандарду користе линијски напони за разлику од фазних напона. Када се користе фазни напони, неуравнотеженост фазног угла се не одражава на % Неуравнотеженост, а самим тим и фазни напони се ретко користе за израчунавање неуравнотежености напона[4].

The calculated line voltage unbalance during the 6 hour trending measurement is shown in Figure. 11. Слика. 11 indicates that the voltage unbalance at Rectifier 2 for the measurement period ranges between 0.4% и 0.7% with most of the values falling between 0.5% и 0.6%. The calculated line voltage unbalance values explain why the 3^рд harmonic current was as high as 17.2% код исправљача 2.

Слика 11. Calculated line voltage unbalance at CB8, Исправљач 2 based on measured three-phase line-to-line voltages for Case 1.

5. Случај 2: Триплен хармоници

Случај 2 addresses a triplen harmonic issue in an oil field distribution system with multiple variable frequency drives (ВФД) in operation. The current waveforms at the inputs of the VFDs are seriously distorted. A root cause analysis was required to find a solution to this problem.

As the first step for troubleshooting, мерења су обављена на улазу сваког ВФД-а. Измерени таласни облик струје за један од ВФД је приказан на слици. 12. Други ВФД имају сличне таласне облике струје на својим улазима. Утврђено је да две грбе нису исте величине за сваки полуциклус у тренутном таласном облику.

Слика 12. Измерени таласни облик струје на улазу ВФД 1.

Одговарајући спектар хармонске струје за измерени таласни облик струје приказан је на слици. 13. Овај струјни хармонијски спектар садржи 23% 3^рд хармонска струја и 13% 9^ог хармонска струја у процентима од основне. С друге стране, чак су и хармоници мали и сви изнутра 1.5%. Дакле, изобличења таласних облика струје су узрокована само троструким хармоницима.

Слика 13. Хармонични струјни спектар на улазу ВФД 1.

Слично одељку 4, неравнотежа линијског напона за систем ниског напона 480В израчунава се коришћењем измерених три напона фаза-фаза за ВФД1. Период тренда мерења је више од 5 дани. Израчунати неуравнотеженост линијског напона током периода мерења приказана је на слици. 14. Ова слика показује да се вредности неуравнотежености линијског напона крећу између 0.2% и 0.9% with most of the values falling between 0.3% и 0.6%. Са таквом неуравнотеженошћу линијског напона из мрежног напајања, троструки хармоници се генеришу на улазима ВФД-а и на тај начин даље доводе до озбиљних изобличења таласног облика струје на улазима погона..

Дакле, може се закључити да је основни узрок Случај 2 је неуравнотеженост напона из мрежног напајања.

Слика 14. Израчунати неуравнотеженост линијског напона на улазу ВФД1 на основу измерених трофазних напона између линије за случај 2.

6. Закључци

Non-characteristic harmonics including even and triplen harmonics are investigated in this paper. Two case studies are conducted.

Случај 1 deals with even harmonics generation caused by equipment malfunction of an industrial facility. Even harmonics, particularly the 4th and 6th harmonic currents are significantly amplified by resonance due to the presence of the 5th and 7th single-tuned passive harmonic filters in the system. Случај 1 also shows that the root cause for a high 3^рд хармоника струја (све до 17% at one rectifier), is caused by a supply line voltage unbalance.

Harmonic current in % од фундаменталних

Случај 2 presents a serious current waveform distortion issue in an oil field distribution system with multiple VFDs. Triplen harmonic currents are found at the input of the VFDs, but even harmonic currents appear to be normal. All drives in the system show similar situations. Израчунати неуравнотеженост линијског напона на улазу једног ВФД-а креће се између 0.2% и 0.9% на основу измерених три напона фаза-фаза. Закључује се да је основни узрок Цасе 2 је неравнотежа линијског напона из мрежног напајања.

На основу истраживања у овој студији, када се у индустријским објектима појави значајна количина некарактеристичних хармоника, то указује да нешто може бити озбиљно погрешно у систему. Требало би спровести детаљну анализу основног узрока и решавање проблема да би се идентификовао основни узрок проблема и да би се решио пре него што се опрема оштети или се особље повреди.