Фильтровые реакторы с ферромагнитным сердечником

Сухие реакторы с ферромагнитным сердечником для фильтрации высших гармоник в сети

Прежде всего следует остановиться на том, почему существует необходимость фильтрации токов и напряжений в электрической сети. Обычно, в этом случае говорят о качестве электрической энергии и высших гармониках. Остановимся на этом чуть подробнее.

Если говорить о качестве электрической энергии, то нередко речь идёт о ГОСТ 32144-2013 и его предшественнике ГОСТ Р 54149-2010.  Пункт 4.2.4 ГОСТ 32144-2013 говорит о несинусоидальности напряжения и разделяет это понятие на гармонические составляющие напряжения (с частотами кратными частоте сети) и интергармонические составляющие напряжения (про которые в ГОСТе ничего не сказано). Интергармоническими называются колебания, частота которых не является кратной частоте сети.

Важным обстоятельством является то, что  ГОСТ 32144-2013 говорит только об искажениях напряжения. В то время как за рубежом принято оценивать в качестве качества электроэнергии искажение формы синусоидальной кривой как напряжений, так и токов (deviation from the pure sinusoidal form of voltage and current waveform). В частности, стандарт IEEE 519-1992 "Практические рекомендации и требованию по контролю гармоник в электрических сетях", глава 10, говорит о необходимости контролировать гармоники во всей энергосистеме целиком — устанавливать ограничения по уровню гармоник в токах и напряжениях в точках раздела между генерацией и сетями, сетями и потребителями и точках учёта электроэнергии, а также в любых других точках, где возможно значимое измерение уровня гармоник. Отдельно рекомендуется контролировать уровень гармоник в сетях промышленных предприятий, и в точках подключения любой нелинейной нагрузки.

Стандарт IEEE 519-1992 более подробный, чем отечественный ГОСТ – он рассматривает вопрос более системно, учитывает не только отдельные проявления искажения формы токов и напряжений, но и их причины и следствия. Поскольку российские электрические сети стремительно приближаются к американским и европейским по количеству и мощности современных сложных электрических аппаратов и машин, силовых электронных устройств, имеет смысл не только учитывать обязательные требования ГОСТ 32144-2013, но и ориентироваться на апробированную международную практику (например, стандарт IEEE 519-1992).

Сам факт необходимости контролировать искажения формы кривой не только напряжений, но и токов нередко вызывает изумление. Бывает приходится слышать: "качество электроэнергии соответствует ГОСТу, поэтому никаких проблем быть не может". На практике, при удовлетворительном качестве формы кривой напряжений на шинах, искажения токов в конкретных фидерах могут быть существенными, о чём и говорит IEEE 519-1992. Причём эффект от искажения токов может быть весьма разрушительным.

Мы сошлёмся на главу 6 стандарта IEEE 519-1992:

Высшие гармоники в токах и напряжениях негативно влияют на любые типы электродвигателей. Главный их эффект — увеличение нагрева электрических машин, что ведёт к ускоренному старению изоляции. Высшие гармоники в токах приводят к эффектам насыщения в стали электрических машин, нарушают распределение магнитного поля в зазоре между статором и ротором, создают переменный электрический момент. Это приводит к толчкам при пусках, "застреванию" двигателей на высоких скольжениях, качаниям синхронных двигателей. Ещё один неприятный эффект — рост шума от работы двигателей. В конечном итоге происходит снижение эффективности работы двигателей, увеличивается их износ.

Гармоники в токах вызывают перегрев обмоток трансформаторов и реакторов, рост потерь в магнитопроводах, увеличивают нагрев кабелей и т. п.

Особо следует подчеркнуть, что вышеизложенное — это не теоретические рассуждения, а определения международного стандарта IEEE 519-1992.

Каковы источники гармоник?

Можно утверждать, что искажений в сеть не вносят только линейные устройства, чья вольт-амперная характеристика линейна во всём диапазоне. Но многие, если не большинство устройств, таковыми не являются. Источники гармоник, искажений токов и напряжений в сети многообразны:

  • Магнитопроводы трансформаторов и электрических машин. Все они имеют нелинейную характеристику намагничивания, что при определённых условиях приводит к искажению формы кривой токов и напряжений.
  • Выпрямители и инверторы на базе полупроводниковых ключей (диодов, тиристоров, GTO и т. д.). В силу принципа действия полупроводниковые устройства являются нелинейными, а потому являются источниками искажений.
  • Фидеры контактной сети электрифицированного транспорта постоянного и переменного тока. Привода переменного тока электропоездов содержат силовые преобразователи с использованием полупроводниковой электроники. Контактная сеть постоянного тока питается от понизительно-выпрямительных агрегатов, которые также нелинейны. Дополнительная сложность — существование в контактной сети возможности рекуперации — возврата энергии в сеть при торможении электрического транспорта.
  • Частотно регулируемые привода, системы управляемой компенсации реактивной мощности, импульсные блоки питания — все эти устройства также используют нелинейную полупроводниковую электронику.
  • Электрическая дуга является источником широкого спектра высших гармоник. Она присутствует, например, в плавильных и сварочных аппаратах, газоразрядных лампах.
  • Схемы выдачи мощности так называемых "зелёных" источников энергии (ветрогенераторов, солнечных панелей) требуют установки полупроводниковых инверторов, которые также являются источниками искажений.

Из перечисленного списка следует, что основным фактором влияния на сеть является не генерация колебаний (гармоник) в сеть, а искажение формы кривой токов и напряжений. Почему же речь идёт о гармониках?

Это вопрос удобства.

Из высшей математики следует, что любая периодическая функция может быть представлена в виде суммы синусоидальных функций разной частоты. В частности, такой суммой может быть бесконечная сумма синусоидальных колебаний с кратными частотами — ряд Фурье. Который назван так в честь французского математика Жана-Батиста Жозефа Фурье, занимавшегося исследованиями тригонометрических рядов. Члены ряда Фурье именуются гармониками и нумеруются. Первая гармоника соответствует основному периоду колебаний (в электрической сети — 50 Гц), вторая — удвоенной частоте (100 Гц), третья — утроенной (150 Гц) и т.д.

Описание искажённых токов и напряжений в виде аналитических выражений может оказаться весьма сложным. А их представление в виде ряда Фурье делает это описание намного проще и, самое главное, позволяет точно измерять искажённую кривую тока или напряжения посредством измерения отдельных гармоник.

Состав гармоник может сказать не только о самом факте искажения токов и напряжений, но и нередко указать их источник. Типовые примеры спектра (до 17-й гармоники) различной нагрузки приведены в таблице 1. При этом на практике могут встречаться гармоники и с более высокими частотами.

Таблица 1

Номер гармоники

Содержание гармоники, %

Импульсный блок питания

Ртутные лампы

Трёхфазный мостовой выпрямитель

Трёхфазный мостовой инвертор

1

100,0

100,0

100,0

100,0

2

0,7

1,0

4,8

1,1

3

91,9

12,6

1,2

3,9

4

1,0

0,3

1,5

0,5

5

80,2

1,8

33,6

82,8

6

1,3

0,1

0,0

1,7

7

64,8

0,7

1,6

77,5

8

1,4

0,1

1,7

1,2

9

47,7

0,5

0,4

7,6

10

1,0

0,1

0,3

0,7

11

30,8

0,2

8,7

46,3

12

0,8

0,1

0,0

1,0

13

16,0

0,2

1,2

41,2

14

0,4

0,0

1,3

0,2

15

5,0

0,1

0,3

5,7

15

0,1

0,1

0,2

0,3

16

4,0

0,2

4,5

14,2

Наиболее эффективным и, практически единственным средством борьбы с искажениями (гармониками) в сети является сетевой фильтр. Принцип работы фильтра прост:

Создаётся специальная цепь (фильтр). При этом обеспечивается, условие, что сопротивление главной цепи (главных цепей электрической сети) на частоте или частотах гармоник будет больше, чем сопротивление специальной цепи, которая подключается к нейтральной точке (земле). При этом на основной частоте (50 Гц) будет обеспечиваться обратное соотношение — сопротивление основной цепи будет меньше, чем цепи фильтра. В этом случае, по закону Кирхгофа, токи с высокой частотой будут замыкаться в контуре с меньшим сопротивлением (через цепь фильтра), а токи частоты 50 Гц — в основных цепях электрической сети.

Основным элементом фильтров являются фильтровые реакторы. Реактор — это большая катушка индуктивности. Её сопротивление прямо пропорционально частоте колебаний переменного тока, который через неё протекает. Поскольку, как мы рассмотрели выше, искажения приводят к появлению гармоник с частотами выше основной, это свойство реактора делает его незаменимым элементом для построения фильтровых схем.

Есть некоторое отличие между фильтрами, которые существую в электронных схемах и в силовой сети. В электронных схемах элементы фильтра включаются как последовательно, так и параллельно нагрузке. В электрической сети главным образом используется параллельное включение элементов фильтра. Это связано с тем, что электронные схемы являются слаботочными — токи в них не велики. Назначение же электрической сети — передача мощности, поэтому токи, протекающие в ней, составляют сотни и тысячи ампер. Включение элементов фильтра в основную цепь, во-первых, требует от них высокой термической стойкости, а во-вторых, обеспечение низкого уровня потерь в них.

По этой причине фильтры в электрической сети выполняются в виде резонансных цепей, включаемых параллельно нагрузке. Резонансными эти цепи называются потому, что за счёт включения в них индуктивностей и конденсаторов обеспечивается практически нулевое их сопротивление на определённых (т. н. резонансных частотах). Типовые схемы параллельных фильтров для электрической сети показаны на рисунке 1. Соответствующие им частотные характеристики показаны на рисунке 2.

Фильтровые реакторы с сердечником

Рисунок 1

Фильтровые реакторы с сердечником

Рисунок 2

На определённых частотах эквивалентное сопротивление фильтров минимально. Соответственно колебания на этих частотах будут замыкаться через цепь фильтра. Потери основной гармоники (50 Гц) в фильтре будут тем меньше, чем уже частотная характеристика фильтра и чем дальше она сдвинута вправо от основной частоты сети.

Почему же именно реакторы с ферромагнитным сердечником оказываются столь эффективны для фильтровых схем?

Из приведённой выше информации следует, что для обеспечения требуемых сопротивлений на высоких частотах, а также для обеспечения низких потерь в фильтрах основной гармоники требуется использовать реакторы с большим значением индуктивности. Существует две возможности увеличить индуктивность реактора — увеличить число витков обмотки (что приведёт к увеличению габаритов реактора) или использовать сердечник из ферромагнитного материала. Второй путь позволяет создать компактный фильтровой реактор, но сопряжён с рядом технических сложностей.

Основным недостатком реакторов с ферромагнитным сердечником является возможность насыщения сердечника. Все ферромагнитные материалы имею нелинейную зависимость между магнитной индукцией и напряжённостью магнитного поля. При сравнительно небольших значениях индукции эту зависимость можно считать почти линейной. Но при росте магнитной индукции сверх индукции насыщения роста напряжённости магнитного поля не происходит — потери в ферромагнитном сердечнике становятся очень большими.

Самым неприятным последствием насыщения является то, что реактор с насыщенным сердечником начинает искажать форму кривой тока, который через него протекает. То есть сам становится источником искажений и высших гармоник. С которыми по своему назначению (фильтровой реактор) он должен бороться.

Решением этой проблемы является ферромагнитный сердечник с зазорами (вставками) из немагнитного материала. На рисунке 3 показаны типовые зависимости индуктивности (индуктивного сопротивления) реактора от тока, который через него протекает. Кривая 1) (а точнее, прямая) соответствует реактору с воздушным сердечником. Это практически линейный элемент, насыщение в нём отсутствует. Кривая 2) соответствует реактору с сердечником из электротехнической стали. Кривая 3) — типовая кривая для реактора с сердечником из электротехнической стали с зазорами. Зазоры позволяют увеличить предельное значение магнитной индукции, при котором насыщение отсутствует, и делают саму характеристику "мягче" — насыщение реактора не столь резкое.

Фильтровые реакторы с сердечником

Рисунок 3

Ещё одним важным отличием реактора с сердечником является форма электромагнитного поля:

У реактора без сердечника его поле распространяется широко вокруг него. Это поле взаимодействует с проводящими предметами (индуцирует в них ЭДС),  с ферромагнитными материалами (притягивает их), с другими электрическими цепями (возникают силы взаимного притяжения и отталкивания), создаёт наводки и помехи во вторичных цепях. Это необходимо учитывать планируя размещение реактора на подстанции и оборудования и цепей вокруг реактора.

У реактора с сердечником поле главным образом замкнуто в пределах сердечника и обмотки реактора. Что позволяет располагать другое оборудование и цепи значительно ближе к реактору, чем в случае реактора с воздушным сердечником.

Следует ещё отметить, что фильтровой реактор с сердечником имеет определённые особенности конструкции. Главным образом они касаются уровней изоляции реактора:

Во-первых, это уровень межвитковой изоляции. При равном индуктивном сопротивлении, реактор с сердечником и реактор без сердечника будут иметь существенно разные размеры. Для обеспечения требуемого значения индуктивности реактор без сердечника должен иметь большее количество витков обмотки. Это ведёт к тому, что разность потенциалов между соседними витками в обмотке оказывается больше.

Разность потенциалов между выводами есть, падение напряжения на реакторе.  По закону Ома она пропорциональна току через реактор и его сопротивлению. Для реакторов равного сопротивления разность потенциалов будет одинаковой. Но для реактора с сердечником эта разность потенциалов будет распределяться между меньшим количеством витков обмотки. Следовательно между соседними витками разность потенциалов будет больше. Значит, в реакторе с сердечником требуется обеспечивать более высокий уровень межвитковой изоляции, чем в реакторе без сердечника аналогичного номинала.

Во-вторых, это уровень изоляции между обмоткой и сердечником реактора. Сердечник реактора заземлён, а обмотка находится под напряжением. В сети с изолированной нейтралью при замыкании на землю разность потенциалов между обмоткой и магнитопроводом достигает √3 от фазного напряжения. При резонансном заземлении нейтрали перенапряжения в сети могут достигать 3-х крат от номинального. Режимы с изолированной и компенсированной нейтралью наиболее распространены, например, в сетях электроснабжения промышленных предприятий, в которых необходимость в фильтрах часто существует.

Фильтровые реакторы с сердечником

Также нужно учитывать, что реактор сам является в переходных режимах и режимах с гармониками источником ЭДС. По известному соотношению эта ЭДС пропорциональна производной от тока, протекающего через реактор. Чем больше производная, тем больше ЭДС. А для высших гармоник можно записать:

Фильтровые реакторы с сердечником

То есть чем выше частота гармоники, тем большую ЭДС она создаёт.

Таким образом, требуется обеспечить достаточно высокий уровень изоляции между обмоткой и магнитопроводом реактора.

В целом, фильтровой реактор с сердечником это только внешне простое изделие. Их производство требует понимания режимов работы таких устройств и специальных технических решений — конструкции магнитопровода с зазорами, конструктивных решений в части внутренней изоляции.

Можно суммировать особенности фильтрового реактора с сердечником:

  • Такой реактор компактнее: он имеет небольшой размер, вокруг него нет сильного магнитного поля.
  • Фильтровой реактор с сердечником должен иметь более высокие уровни внутренней изоляции, чем другие типы реакторов.
  • Конструкция реактора с сердечником сложнее, чем реактора без сердечника.
  • Линейный участок вольт-амперной характеристики фильтрового реактора с сердечником ограничен. Поэтому при формировании технических требований к нему необходимо явно устанавливать границы допустимой перегрузки реактора по току.

В завершении, можно отметить, что ООО «КПМ» изучен и решён вопрос производства фильтровых реакторов с сердечником. Такие реакторы в настоящий момент производятся ООО «КПМ» серийно. Их конструкция и технология производства должным образом адаптирована к особенностям работы таких реакторов.

По заказу могут быть поставлены как сами реакторы, так и комплекты для создания фильтров — реакторы и конденсаторные батареи.

Фильтровые реакторы с сердечником

13 Апр 2021
161