Из школьного курса физики мы привыкли считать, что в любой электрической сети, протекает переменный ток частотой 50 Гц синусоидальной формы, однако в реальных электросетях форма электрического сигнала сильно искажена. Благодаря наличию нелинейных искажений форма питающего напряжения далека от синусоидальных сигналов, изображенных на страницах учебника. Вызываемые гармониками искажения напряжения пагубно влияют на потребителей электроэнергии.
Гармониками электрического сигнала называются колебания с частотами кратными основной, разумеется, общий ряд будет состоять из четных и нечетных гармоник, в равной степени опасных для электросети. Гармонические токи ведут к нежелательным последствиям:
- перегреву трансформаторов,
- перегрузкам конденсаторов, корректирующих коэффициенты мощности,
- случайным срабатываниям УЗО,
- усилению поверхностного эффекта в проводниках,
- перегрузке нулевых проводников в трехфазных сетях с нейтралью и др.
Гармоническое искажение синусоидального сигнала перегружает электрическую сеть и ведет к необоснованным потерям электроэнергии.
Причины возникновения гармоник
Наличие гармоник характерно для всех электрических сетей. Появление четных гармоник чаще встречается в несимметричных системах, в то время как нечетные гармоники присутствуют во всех электросетях, как бытового, так и производственного назначения. Причины несинусоидальных токов таятся во влиянии нелинейных нагрузок, к которым можно отнести:
- управляемые электроприводы,
- оборудование для электросварки,
- электронные балласты светильников,
- устройства плавного запуска,
- однофазное оборудование.
Гармоники образуют импульсные источники питания бесчисленной электробытовой техники, источники бесперебойного питания, энергосберегающие люминесцентные лампы и т.д. Характерной чертой симметричной трехфазной сети при сбалансированных нагрузках является сдвиг токов на 120°, как следствие суммарный ток нейтрального провода имеет нулевое значение, Это условие распространяется на основную частоту, но в случае несинусоидальных фазных напряжений, когда электрический сигнал содержит гармоники ситуация может меняться. Гармоники, вектор вращения тока, которых совпадает по направлению с основной, носят название гармоник прямой последовательности, при вращении вектора в противоположном направлении – обратной. Кроме того существуют гармоники нулевой последовательности, сдвинутые в трехфазных цепях относительно друг друга на 360°, такими являются нечетные гармоники кратные трем (3-я, 9-я, 15-я, 21-я …).
Особенности гармоник кратных третьей
Как упоминалось выше, в сбалансированных трехфазных цепях ток в нейтрали отсутствует или обусловлен асимметрией линейных нагрузок, в случае гармоник он существенно возрастает. Для третьей гармоники, период которой втрое меньше основной, максимальные значения амплитуд совпадают по фазе и их значения складываются в нулевом проводе. К полученной сумме добавляются токи гармоник приведенного выше ряда, таким образом, суммарный ток всех гармоник в нейтральном проводе возрастает и может превышать фазные значения в полтора-два раза, например при фазном токе в 10 А, его значение в нулевом проводе может составлять 15 А и выше.
По существовавшим ранее стандартам четырехпроводные кабели изготавливались с нулевым проводом сечением вполовину меньшим, нежели фазных проводов. Это несет в себе опасность чрезмерного перегрева и возгорания кабеля. Отражаются нечетные гармоники, кратные третьей и на работе трехфазных трансформаторов.