Современные электрические сети характеризуются большим количеством нелинейных нагрузок. Если принимать во внимание чисто активную нагрузку, для которой кривая тока совпадает с кривой напряжения, то в таких сетях напряжение близко к синусоидальной форме, а частоту переменного тока представляют привычные 50 Гц. В нелинейных цепях с индуктивной или емкостной нагрузкой, реактивные сопротивления являются причиной генерации гармоник, паразитных переменных напряжений и токов с частотами, кратными основной.
Другой причиной появления гармонических составляющих является замена трансформаторных блоков питания на импульсные, которые присутствуют практически в любой бытовой аппаратуре, включая энергосберегающие лампы и зарядки для гаджетов. Мощный вклад в гармонические искажения сетевого напряжения вносят:
- сварочные инверторы,
- частотные преобразователи,
- ИБП и другая силовая аппаратура.
Складываясь с напряжением основной гармоники 50 Гц, гармонические составляющие изменяют форму сигнала сети, превращая сетевое напряжение в сигнал сложной формы, весьма далекой от синусоидальной. Это влечет за собой некорректную, неэффективную работу электрооборудования, понижая коэффициенты мощности и существенно влияя на КПД, неизбежно вызывая ускоренный износ.
Касается это в первую очередь силовых трансформаторов, гармонические искажения влекут за собой разогрев вторичных обмоток, как силовых масляных трехфазных трансформаторов, так и сухих однофазных трансформаторов, страдает при этом и состояние первичных обмоток. Влияют гармоники и на коэффициенты трансформации и на КПД трансформаторов, кроме того перегрев масляных трансформаторов грозит возникновением аварийных ситуаций.
Понятие и расчет k-фактора
Предложенный американцами во второй половине 80-х прошедшего столетия параметр, как и коэффициент нелинейных искажений (КНИ) призван характеризовать влияние нелинейных нагрузок или давать количественную характеристику влияния гармонических составляющих, поставляющих оборудованием потребителя в электрическую сеть. Однако в отличие от КНИ, имеющего отношение скорее к напряжению, k-фактор (K-Factor) учитывает влияние токов высших гармоник, определяющее тепловые потери мощных силовых трансформаторов.
По сути это коэффициент, фиксирующий долю непосредственного участия высших гармоник в общем процессе нагрева мощных трансформаторов. При величине K-Factor = 1, нагрузку можно характеризовать как линейную и форма номинальных напряжений в этом случае будет синусоидальной. При величинах K-Factor > 1 сказывается влияние гармоник, вносящих дополнительные тепловые потери, которые данный трансформатор в состоянии безопасно рассеивать без риска повреждения изоляции витков первичной и вторичной обмоток.
Рассчитывается важный параметр по формуле:
где:
- N – количество учитываемых гармоник,
- i_h – среднеквадратичный ток гармоники,
- h – номер гармоники.
Фактически K-Factor является коэффициентом роста потерь в трансформаторе в зависимости от возрастания нелинейности нагрузки. Сегодня производят трансформаторы, способные работать при повышенном влиянии нелинейных нагрузок с k-фактором значительно превышающим единицу (4…20). В отличие от стандартных трансформаторов с единичным значением множителя, такие трансформаторы предназначены для эффективной, а главное безопасной эксплуатации на ответственных объектах.