Приложение С (справочное). Нормы эмиссии для гармоник на этапе 2

Приложение С
(справочное)

Нормы эмиссии для гармоник на этапе 2

С.1 Обзор

Задача настоящего приложения состоит в том, чтобы разъяснить метод и предположения, используемые при определении норм эмиссии гармоник для этапа 2, приведенные в 8.2.

Параметры низковольтных систем отличаются от параметров систем среднего напряжения. С одной стороны, большинство установок, подключенных к общественным низковольтным системам, являются небольшими установками, на которые не распространяются нормы эмиссии, определенные в настоящем стандарте. Для этих небольших установок применяют только стандарты ЭМС, распространяющиеся на оборудование. С другой стороны, нормы эмиссии для низковольтного оборудования (см. IEC 61000-3-2 и IEC 61000-3-12) определены как нормы тока, в то время как общий подход, приведенный в IEC/TR 61000-3-6, основан на распределении гармонических напряжений. Таким образом, для низковольтных систем необходимо последовательно адаптировать оба подхода.

В настоящем приложении определение норм эмиссии гармоник для этапа 2 проводят посредством следующих шагов:

a) представление предположений;

b) определение общей эмиссии, которая будет разделена между пользователями системы;

c) описание общих условий для определения индивидуальных норм эмиссии;

d) условие, которое должно будет выполнено на шине низкого напряжения, для того чтобы не превысить допустимые уровни гармоник в этой точке системы;

e) условие, которому должен соответствовать низковольтный фидер, для того чтобы не превышать допустимые уровни гармоники на фидере, к которому подключена рассматриваемая установка;

f) определение индивидуальных норм эмиссии для установки, подключенной к системе.

С.2 Предположения

С.2.1 Общая схема общественной низковольтной системы

В этом приложении рассмотрена типичная низковольтная система, как показано на рисунке С.1. Трансформатор среднего/низкого напряжения снабжает n фидеров через низковольтную шину. Трансформатор должен быть полностью загружен. Установки пользователей подключаются к каждому фидеру. Небольшие установки, которые не подпадают под действие установленных в настоящем стандарте норм эмиссии, отличаются от больших установок, к которым применяется настоящий стандарт. На этом рисунке небольшие установки представлены окружностями, большие установки - в виде квадратов. Задача настоящего приложения состоит в том, чтобы определить нормы эмиссии гармоник для установки пользователя i, подключенной к фидеру 1.

Рисунок С.1 - Схема общественной низковольтной системы

Обозначения, используемые на рисунке С.1:

- S_i - согласованная полная мощность установки пользователя i;

- S_t - общая пропускная способность рассматриваемой низковольтной системы;

- U_hB - гармоническое напряжение порядка h на шине низковольтной подстанции;

- U_hFj - гармоническое напряжение порядка h на конце фидера j;

- Z_hB - модуль гармонического полного сопротивления системы на шине низкого напряжения;

- Z_hi - модуль гармонического полного сопротивления системы в точке оценки установки пользователя i;

- n - число фидеров, обеспечиваемых подстанцией среднего/низкого напряжения.

Для того чтобы определить вклад каждого типа установок в гармонические напряжения на низковольтной системе, также будут использованы следующие обозначения:

- S_Fj - полная мощность всех установок, подключенных к конкретному фидеру j;

- S_Lt - полная мощность всех больших установок, подключенных к рассматриваемой низковольтной системе;

- S_St - полная мощность всех небольших установок, подключенных к рассматриваемой низковольтной системе;

- S_LFj - полная мощность всех больших установок, подключенных к конкретному фидеру j;

- S_SFj - полная мощность всех небольших установок, подключенных к конкретному фидеру j;

- U_hB (S_xx) - вклад всех установок, соответствующий полной мощности S_xx в гармоническое напряжение порядка h на шине подстанции;

- U_hFj (S_xx) - вклад всех установок, соответствующий полной мощности S_xx в гармоническое напряжение порядка h на конце фидера j;

- U_hLV (S_xx) - вклад всех установок, соответствующий полной мощности S_xx в гармоническое напряжение порядка h в любой точке низковольтной системы.

С.2.2 Нормы эмиссии для оборудования

Для небольших установок применяют исключительно нормы эмиссии для оборудования, установленные в IEC 61000-3-2 и IEC 61000-3-12. В этом приложении приняты следующие предположения:

- гармонические напряжения ниже или равны планируемым уровням в любой точке низковольтной системы, если она полностью загружена небольшими установками;

- нормы эмиссии для оборудования определены как нормы тока независимо от мощности короткого замыкания в РСС установки, что соответствует IEC 61000-3-2, но не в полной мере IEC 61000-3-12. Однако таблица 4 IEC 61000-3-12 распространяется на большинство типов оборудования с входным током  16 А, и последняя строка этой таблицы [R_sce  120) применяется во многих случаях.

Именно поэтому разумно предположить, что эмиссии гармоник для небольшой установки не зависят от той точки, в которой она подключена к низковольтной системе.

С.2.3 Небольшие и большие установки

Фундаментальное предположение состоит в том, что процентные доли небольших и больших установок (S_St/S_t и S_Lt/S_t), как правило, неизвестны заранее и зависят от рассматриваемой системы. Поэтому нормы эмиссии для больших установок будут определены таким образом, чтобы большая установка могла заменить ряд небольших установок, имеющих ту же самую общую мощность, без увеличения уровней гармонического напряжения.

В других отношениях небольшие установки, как правило, относятся к установкам жилых помещений, так что поведение двух небольших установок является достаточно схожим, в то время как для больших установок есть намного больше разнообразия в установленном оборудовании и в их функционировании с точки зрения эмиссии гармоник. Поэтому в настоящем приложении предполагается, что разброс фазовых углов будет выше для больших установок или между большими и небольшими установками, чем для небольших установок. Таким образом, используя общий закон суммирования, определенный в 7.2 для гармоник, будут учтены два значения показателя:

- для того, чтобы увеличить гармоническую эмиссию больших установок;

- для того, чтобы увеличить гармоническую эмиссию небольших установок;

- для того, чтобы увеличить общую гармоническую эмиссию группы больших установок и группы небольших установок;

- .

С.3 Общая эмиссия, которая будет разделена между пользователями

В целях определения общей нормы эмиссии, которая может быть распределена между пользователями, подключенными к данной низковольтной системе, рассмотрена схема общественной низковольтной системы, приведенная на рисунке С.2, полученная на основе рисунка С.1.

Рисунок С.2 - Схема общественной низковольтной системы для разработки норм общей эмиссии, которая распределена между пользователями

Для каждого гармонического порядка, фактические напряжения гармоник в низковольтной системе U_hLV являются результатом векторной комбинации гармонического напряжения, поступающего от вышерасположенных систем среднего напряжения U_hLV(S_u) и гармонического напряжения от всех установок, подключенных к рассматриваемой низковольтной системе U_hLV (S_t). Это общее гармоническое напряжение не должно превышать планируемый уровень для низковольтной системы. Таким образом:

(C.1)

или

.

(C.2)

Так как фактическое гармоническое напряжение в вышестоящей системе среднего напряжения не должно превышать планируемый уровень для системы среднего напряжения, его рассчитывают, принимая во внимание коэффициент передачи T_hML

.

(C.3)

Таким образом, значения общей эмиссии гармоник, которые могут быть отнесены к общему количеству установок, подключенных к рассматриваемой низковольтной системе, рассчитывают по формуле

,

(С.4)

где G_hLV - наибольший общий вклад локальных низковольтных установок в гармоническое напряжение порядка h в любой точке низковольтной системы (выраженный в процентах напряжения основной частоты);

L_hLV - планируемый уровень гармоники порядка h в низковольтной системе;

L_hMV - планируемый уровень гармоники порядка h в вышестоящей системе среднего напряжения;

T_hML - коэффициент передачи искажения гармонического напряжения от вышестоящей системы среднего напряжения к рассматриваемой низковольтной системе при гармоническом порядке h;

- показатель закона суммирования для больших установок.

В связи с использованием общего закона суммирования вклад U_hLV(S_t) всех установок, получающих питание от низковольтной системы, в гармоническое напряжение порядка h в этой системе максимален в конце фидеров. Вклад U_hB (S_t) данных установок в гармоническое напряжение на шине низкого напряжения приведен ниже.

Приемлемый общий вклад локальных низковольтных установок в гармоническое напряжение на шине низкого напряжения также определяют как долю максимального общего вклада G_hLV и рассчитывают по формуле:

.

(С.5)

где G_hB - приемлемый общий вклад локальных низковольтных установок в гармоническое напряжение на шине низкого напряжения h^th (выраженный в процентах от основного напряжения);

K_hB - коэффициент уменьшения гармонического порядка h, соответствующий соотношению общего вклада локальных низковольтных установок на шине низкого напряжения к максимальному общему вкладу на концах низковольтных фидеров, когда низковольтная система полностью загружена небольшими установками;

G_hLV - максимальный общий вклад локальных низковольтных установок в гармоническое напряжение h^th в любой точке низковольтных систем (выраженный в процентах от основного напряжения). Этот коэффициент рассчитывают по формуле

.

(С.6)

Так как предполагается, что эмиссия гармоник от небольшой установки не зависит от точки, в которой она подключена к низковольтной системе, коэффициент уменьшения K_hB не зависит от уровней эмиссии гармоник, а определяется только структурой низковольтной системы (числом и длинами фидеров, распределением пользователей и т.д.) и показателем , используемым в законе суммирования. В приложении D приведены значения K_hB для некоторых типичных низковольтных систем.

С.4 Общие условия для определения индивидуальных норм эмиссии

Нормы эмиссии гармоник для больших установок должны быть определены таким способом, чтобы планируемые уровни не превышались в низковольтных системах. Так как гармонические уровни выше на концах низковольтных фидеров (из-за используемого закона суммирования), это означает, что для каждого фидера j и каждого гармонического порядка h вклад U_hFj(S_t) всех установок, снабжаемых рассматриваемыми системами, в гармоническое напряжение на конце фидера должно быть ниже или равным максимальному общему вкладу G_hLV. Это соответствует следующему набору условий n, которые должны быть соблюдены для каждого гармонического порядка следующим образом:

.

(С.7)

Однако, рассматривая соединение определенной большой установки, например установки пользователя i, подключенной к фидеру 1 (см. рисунок С.1), можно заметить, что эта установка изменяет уровни гармонического напряжения на других фидерах только через гармоническое напряжение на низковольтной шине. Поэтому вклад всех этих низковольтных установок U_hFj(S_t) для гармонического напряжения в конце каждого фидера не должен превышать максимальный общий вклад G_hLV, если уровень гармонического напряжения на шине низкого напряжения не превысит приемлемый общий вклад G_hB на уровне шины. Таким образом, набор условий n (С.7) может быть заменен следующими условиями:

;

(С.8)

.

(С.9)

Примечание - В настоящем приложении многие формулы представляют собой неравенства. Поэтому для них применено понятие "условие".

С.5 Условие на шине низкого напряжения

С.5.1 Общее условие на шине низкого напряжения

Рисунок С.3 - Упрощенная схема общественной низковольтной системы для разработки условий на шине низкого напряжения

Для определения условий на шине низкого напряжения рассмотрена упрощенная схема общественной низковольтной системы, проиллюстрированная на рисунке С.3. Эта схема является производной от схемы, приведенной на рисунке С.1, в которой все небольшие установки объединены в единую эквивалентную нагрузку, имеющую общую полную мощность, равную S_St, и все большие установки объединены в еще одну эквивалентную нагрузку, имеющую общую полную мощность, равную S_Lt.

Вклад всех низковольтных установок в гармоническое напряжение порядка h на шине низкого напряжения является векторным сочетанием вклада от небольших установок и от больших установок. Согласно закону суммирования в С.2.3

.

(С.10)

Этот общий вклад U_hB(S_t) должен соответствовать условию (С.8), приведенному в С.4. Поэтому соблюдают условие

.

(C.11)

С.5.2 Общий вклад небольших установок

Согласно первому предположению, которое сделано в С.2.2, и описанию G_hB в С.3, условие (С.11) также соблюдается, если к рассматриваемой низковольтной системе подключены только небольшие установки. Таким образом, с учетом показателя закона суммирования для небольших установок:

(C.12)

или

,

(C.13)

где I_h(S_k) - гармонический ток порядка h, произведенный небольшой установкой k. Для единственной установки k предполагается, что:

;

(С.14)

или

.

(С.15)

Согласно второму предположению, сделанному в С.2.2, предыдущее условие верно, когда все небольшие установки имеют одну и ту же согласованную полную мощность. Предполагается, что это условие верно, если небольшие установки имеют разные значения их согласованной мощности.

Если в настоящее время к рассматриваемой низковольтной системе подключены несколько больших установок, то из условия (С.15) следует, что общий вклад всех небольших низковольтных установок в гармоническое напряжение порядка h на шине подстанции рассчитывают по условию

(С.16)

или

,

(С.17)

где правая часть этого условия представляет приемлемый общий вклад небольших низковольтных установок в гармоническое напряжение порядка h на шине низковольтной подстанции.

Если согласно С.2.3, , то 1/ 1/ , и поэтому

.

(C.18)

C.5.3 Приемлемый общий вклад небольших установок

Согласно условию (С.11), общий вклад всех больших низковольтных установок в гармоническое напряжение порядка h на шине низковольтной подстанции должен соответствовать следующему условию:

.

(С.19)

Условие (С.11) по-прежнему выполняется, если общий вклад небольших низковольтных установок заменяется их большим числом, приведенным в условии (С.18). Таким образом, достаточное условие для общего вклада всех больших низковольтных установок следующее:

.

(С.20)

В итоге после упрощения

,

(С.21)

где правая часть этого условия представляет собой приемлемый общий вклад больших низковольтных установок в гармоническое напряжение порядка h на шине низковольтной подстанции.

С.5.4 Индивидуальные нормы эмиссии для большой установки на шине низкого напряжения

Для каждой большой установки приемлема только доля допустимого общего вклада согласно условию (С.21). Взвешенный подход заключается в том, чтобы распределить его между отдельными пользователями в соответствии с их согласованной мощностью. Использование данного критерия вызвано тем, что согласованная мощность пользователя часто связана с его долей в инвестиционных ресурсах энергосистемы. Таким образом, для установки пользователя i рассчитывают долю допустимого общего вклада по условию

.

(С.22)

Это позволяет определить следующие нормы эмиссии гармонического тока для больших низковольтных установок на шине низкого напряжения по формуле

,

(С.23)

где E_lBhi - норма эмиссии гармонического тока порядка h на шине низкого напряжения для установки пользователя i, подключенной к низковольтной системе (в процентах тока установки в соответствии с ее согласованной полной мощностью, S_i/U_N);

Z_hB - модуль гармонического полного сопротивления системы на шине низкого напряжения, Ом;

U_n - номинальное междуфазное напряжение низковольтной системы, В;

S_i - согласованная полная мощность установки пользователя i, ВА;

K_hB - коэффициент уменьшения при гармоническом порядке h, как определено в С.3;

G_hLV - максимальный общий вклад локальных низковольтных установок в гармоническое напряжение h^th в низковольтной системе (в процентах от основного напряжения);

S_t - общая пропускная способность рассматриваемой низковольтной системы, ВА;

- показатель закона суммирования для больших установок.

С.6 Условие для низковольтного фидера, к которому подключена большая установка

С.6.1 Общее условие для низковольтного фидера

Для того чтобы определить условие для низковольтного фидера, к которому подключена рассматриваемая большая установка пользователя i, применяют упрощенную схему общественной низковольтной системы, изображенную на рисунке С.4. Эта схема основана на схеме, приведенной на рисунке С.1, в которой:

- все небольшие установки, подключенные к фидеру 1, объединены в единую эквивалентную нагрузку, имеющую общую полную мощность, равную S_SF1;

- все другие небольшие установки объединены в другую единую эквивалентную нагрузку, имеющую общую полную мощность, равную S_St - S_SF1;

- все большие установки, подключенные к фидеру 1, объединены в единую эквивалентную нагрузку, имеющую общую полную мощность, равную S_LF1;

- все другие большие установки объединены в другую единую эквивалентную нагрузку, имеющую общую полную мощность, равную S_LT - S_lf1.

Рисунок С.4 - Упрощенная схема общественной низковольтной системы, которая позволяет выработать условие для низковольтного фидера, к которому подключена большая установка

Вклад всех низковольтных установок в гармоническое напряжение порядка h на конце фидера 1 является векторной комбинацией вклада от небольших установок и от больших установок, который рассчитывают по условию

.

(С.24)

Относительно вклада всех больших (небольших) низковольтных установок в гармоническое напряжение порядка h на конце фидера 1 можно утверждать, что это - векторная комбинация вклада больших (небольших) низковольтных установок, подключенных к фидеру 1, и вклада всех других больших (небольших) установок в уровень гармоники на шине подстанции LV. Согласно предположениям о законе суммирования в С.2.3

;

(C.25)

.

(C.26)

Общий вклад U_hF1(S_t) должен соответствовать условию (С.9), приведенному в С.4. Объединяя условия (С.24) и (С.25), получаем

.

(С.27)

С.6.2 Общий вклад больших установок, подключенных к другим фидерам

Согласно условию (С.21) общий вклад больших низковольтных установок, подключенных к другим фидерам, в гармоническое напряжение порядка h на шине подстанции рассчитывают по формуле

.

(C.28)

С.6.3 Общий вклад небольших установок, подключенных к другим фидерам

Согласно условию (С.17) общий вклад небольших низковольтных установок, подключенных к другим фидерам, в гармоническое напряжение порядка h на шине подстанции рассчитывают по формуле

.

(C.29)

C.6.4 Общий вклад небольших установок, подключенных к тому же самому фидеру

Согласно первому предположению, сделанному в С.2.2, условие (С.9) соблюдается, если исключительно небольшие установки подключены к рассматриваемой низковольтной системе. Учитывая предположение о том, что на этапе 1 все большие установки заменены небольшими установками, имеющими аналогичную эквивалентную мощность, то в соответствии с условиями (С.26) и (С.9)

;

(C.30)

или

.

(C.31)

Теперь, принимая во внимание условие (С.29), приемлемый общий вклад небольших низковольтных установок, подключенных к фидеру 1, рассчитывают по условию

;

(C.32)

или

.

(C.33)

Если в настоящее время некоторые большие установки также подключены к фидеру 1, общий вклад всех небольших низковольтных установок, подключенных к фидеру 1, в гармоническое напряжение порядка h на конце фидера 1 рассчитывают следующим образом:

.

(С.34)

С.6.5 Общий вклад всех небольших установок, подключенных к низковольтной системе

Согласно условиям (С.26), (С.29) и (С.34) общий вклад всех небольших установок, подключенных к низковольтной системе, в гармоническое напряжение порядка h на конце фидера 1 рассчитывают по условию

;

(C.35)

или

.

(C.36)

C.6.6 Приемлемый общий вклад всех больших установок, подключенных к рассматриваемому фидеру

Согласно условию (С.27) общий вклад всех больших низковольтных установок, подключенных к фидеру 1, в гармоническое напряжение порядка h на конце фидера 1 должен соответствовать следующему условию:

.

(C.37)

Кроме того, условие (С.27) соблюдается в том случае, если общий вклад всех небольших низковольтных установок, подключенных к низковольтным системам, и общий вклад всех больших низковольтных установок, не подключенных к фидеру 1, заменяются соответственно большим значением, как указано в условиях (С.36) и (С.28). Таким образом, достаточным условием для общего вклада всех больших низковольтных установок, подключенных к фидеру 1, является:

;

(С.38)

или

.

(С.39)

Для упрощения аргументации условие (С.39) рассматривают отдельно и временно рассчитывают как А:

.

Так как 0 1, то А 0.

Значение А также может быть рассчитано следующим образом:

.

Так как 0 1, то А 1.

Поэтому 0 А 1, и, так как   1 согласно предположениям, сделанным в С.2.3, в итоге

.

Условие (С.27) соблюдено в том случае, если последнее слагаемое в условии (С.39) заменено более высоким значением. Таким образом, достаточным условием для общего вклада всех больших низковольтных установок, подключенных к фидеру 1, будет следующее:

;

(C.40)

или

;

(C.41)

или

;

(C.42)

или

.

(C.43)

Так как 0 K_hB 1 и 1 , получаем:

.

Таким образом, достаточным условием для того, чтобы соответствовать общему условию (С.27), является следующее условие:

.

(С.44)

Поэтому приемлемый общий вклад всех больших низковольтных установок, подключенных к фидеру 1, в гармоническое напряжение порядка h на конце фидера 1, рассчитывают по условию:

.

(С.45)

С.6.7 Индивидуальные нормы эмиссии для большой установки относительно фидеров

Для каждой большой низковольтной установки, подключенной к фидеру 1, допустима только часть приемлемого общего вклада, данного согласно условию (С.45). Также как и в С.5.4, взвешенным подходом станет распределение его между отдельными пользователями на основе их согласованной мощности. Таким образом, для установки пользователя i эта часть будет рассчитана по условию:

.

(С.46)

Это ведет к определению следующих норм эмиссии гармонического тока для больших низковольтных установок относительно фидеров, которые рассчитывают по формуле

,

(C.47)

где E_lFhi - норма эмиссии гармоники тока порядка h относительно фидеров для установки пользователя i, подключенной к низковольтной системе (в процентном соотношении от тока установки, соответствующего его согласованной полной мощности S_i/U_N);

Z_hi - модуль гармонического полного сопротивления системы при оценке установки пользователя i, Ом;

U_N - номинальное межфазное напряжение низковольтной системы, В;

S_t - согласованная полная мощность установки пользователя i, ВА;

G_hLV - максимальный общий вклад локальных установок в гармоническое напряжение в низковольтной системе h^th (в процентах напряжения основной частоты);

S_t - общая пропускная способность рассматриваемой низковольтной системы, ВА;

- показатель закона суммирования для больших установок.

С.7 Индивидуальные нормы эмиссии для больших установок, подключенных к низковольтным системам

Для выполнения условий (С.8) и (С.9) показано, что достаточное условие для большой низковольтной установки состоит в том, чтобы удовлетворить обоим условиям (С.22) и (С.46). Как следствие, это приводит к определению следующих норм эмиссии гармонического тока для больших установок, подключенных к низковольтным системам, которые рассчитывают по формуле

.

(С.48)

То есть в результате получаем:

.

(С.49)

С.8 Обоснование используемого подхода

Следует отметить, что для низковольтных систем невозможно использовать тот же подход, что и для систем среднего напряжения. Поскольку в IEC/TR 61000-3-6 нормы эмиссии гармоник для отдельных установок определены в значениях гармонических напряжений независимо от их расположений в системе среднего напряжения, то для установок, подключенных к шине среднего напряжения, допустимы большие нормы эмиссии гармонических токов, чем для установок, подключенных на дальних концах фидеров среднего напряжения.

Если трансформатор среднего/низкого напряжения полностью загружен бытовыми потребителями и только одной большой установкой, расположенной очень близко к низковольтной шине, то использование того же подхода в низковольтных системах для указанной большой установки, как и в системах среднего напряжения, привело бы к значительному повышению норм эмиссии гармонического тока по сравнению со значениями, рассчитанными по условию (9), фактически пренебрегая коэффициентом уменьшения K_hB. В этом случае уровень гармонического напряжения на шине низкого напряжения увеличится, и гарантия того, что планируемые уровни не будут превышены на дальних концах низковольтных фидеров, будет отсутствовать.