Высшие гармоники в трехфазных цепях

Появление высших гармоник в электрических цепях во всех случаях должно вызывать озабоченность потребителей электрической энергии, поскольку это может привести не только к снижению эксплуатационных свойств приемников электрической энергии, но к ухудшению экономических показателей энергопотребления. При наличии емкостей в цепи, например, между линейными проводами или между проводами и землей высшие гармоники могут вызывать опасные резонансные явления.

В этой связи знание причин появления высших гармоник, способность предвидеть и оценивать результаты и возможные последствия этого явления, относятся к важным показателям профессиональной компетенции инженера-электроэнергетика. Несинусоидальные токи и напряжения могут стать причиной значительных перенапряжений и связанных с этим аварийных ситуаций на участках цепей, а в некоторых случаях создавать помехи системам связи. При эксплуатации трехфазных цепей это имеет повышенную значимость, ибо в трехфазных цепях высшие гармоники приводят к ряду специфических явлений оказывающих существенное влияние на их работу.

Понятно, что форма кривых напряжений на входе любой электрической цепи формируется источником электрической энергии. В случае синхронных генераторов, являющихся основными источниками энергии, синусоидальные формы кривых напряжений в них добиваются приданием полюсным наконечникам ротора строго выверенной формы, обеспечивающей решение этой задачи.

Однако, следует понимать, что даже при идеальной форме полюсных наконечников синхронных генераторов, идеально синусоидальную форму магнитного поля и напряжения на зажимах генератора можно получить только при его работе на холостом ходу, т. к. при нагрузке картина поля изменяется под действием реакции якоря.

Тем не менее повсеместно принято считать, что современные синхронные генераторы в номинальном режиме обеспечивают безупречно синусоидальные формы кривых ЭДС и напряжений. Это означает, что причины появления высших гармоник, свидетельствующих о наличии искажений синусоид напряжений и токов в цепях, в основном, находятся в составе этих цепей (вне генератора).

Если говорить о причинах искажения кривых токов и напряжений, находящихся «внутри» электрической цепи, следует помнить, что типичными «генераторами» высших гармоник в электрических цепях являются безынерционные нелинейные элементы, каковыми являются и электрические двигатели, и трансформаторы, как, собственно, все электротехнические устройства, работа которых основана на использовании магнитных цепей (реакторы, дроссели, реле и т.д.).

Неизбежно возникающие в этих приемниках электрической энергии высшие гармоники в сети «накладываются» на напряжения и токи основной частоты, искажая их форму.

Конечно, наиболее серьезными причинами возникновения высших гармоник являются трансформаторы, выполняющие функции вторичных источников питания.

Перемагничивание стали сердечников заставляет в качестве вебер-амперных характеристик электротехнических устройств использовать петлю гистерезиса, которая даже на прямолинейных участках кривой намагничивания не является линейной. В случае насыщенного трансформатора искажение кривых оказывается существенным. На рис. 61 приведен пример осциллограммы напряжения на вторичной обмотке трансформатора, работающего в режиме насыщения.

Рис. 61

Поскольку трансформаторы входят в состав основных источников высших гармоник и одновременно являются типичными безынерционными нелинейными индуктивными элементами, дающими полное представление об электромагнитных процессах в каждом из них, представляется полезным с позиций теоретической электротехники на основе анализа электромагнитных процессов именно в трансформаторе детально исследовать и причины возникновения высших гармоник в цепях, и формы кривых напряжений и токов в них.