Скидка на подшипники из наличия!
Новое поступление товара в 2026 году!
Гармоники в электросети — это синусоидальные составляющие напряжения и тока с частотами, кратными основной частоте 50 Гц, которые накладываются на основную волну и искажают её форму. Их источник — нелинейные нагрузки: выпрямители частотных приводов и источников бесперебойного питания, импульсные блоки питания, светодиодные драйверы, дуговые и индукционные установки. Протекая по сети, гармонические токи создают падения напряжения на её полных сопротивлениях, поэтому искажается и напряжение в точке общего присоединения — со всеми последствиями для трансформаторов, кабелей, конденсаторов и оборудования соседних потребителей.
Ниже разобраны природа и порядок гармоник, характерные спектры нелинейных нагрузок, суммарный коэффициент гармонических составляющих (THD), физика воздействия высших гармоник на элементы сети, действующие нормы качества электроэнергии и практические способы подавления искажений — от сетевых дросселей до активных фильтров.
Любой периодический несинусоидальный сигнал раскладывается в ряд Фурье на основную (первую) гармонику и сумму высших гармоник — синусоид с частотами, кратными основной. Порядок гармоники n показывает, во сколько раз её частота выше основной: при 50 Гц третья гармоника — это 150 Гц, пятая — 250 Гц, седьмая — 350 Гц и так далее. Гармоники с частотами, не кратными основной, называют интергармониками; они характерны для частотных преобразователей и другого управляющего оборудования.
Искажает форму напряжения не отдельная гармоника сама по себе, а гармонический ток нелинейной нагрузки, протекающий через сопротивление сети и создающий на нём несинусоидальное падение напряжения.
В симметричной трёхфазной системе гармоники распределяются по последовательностям фаз, что определяет их поведение в сети. Прямая последовательность вращается согласно с основной волной, обратная — против, нулевая совпадает по фазе во всех проводниках и складывается в нейтрали четырёхпроводной сети.
Чётные гармоники в исправной сети выражены слабо: они появляются при несимметрии полупериодов (например, при неполноуправляемом выпрямлении или насыщении магнитопровода). Основную практическую нагрузку на сеть дают нечётные гармоники — прежде всего 5-я и 7-я.
Гармонические составляющие напряжения обусловлены нелинейными нагрузками, у которых ток непропорционален приложенному напряжению. Такая нагрузка потребляет ток несинусоидальной формы даже при идеально синусоидальном питании.
Наиболее значимый промышленный источник — шестипульсный мостовой выпрямитель на входе частотного преобразователя, привода постоянного тока или источника бесперебойного питания. Его спектр содержит характеристические гармоники порядков n = 6k ± 1 (k = 1, 2, 3…), то есть 5, 7, 11, 13, 17, 19 и далее; триплены и чётные гармоники в идеальной симметричной схеме отсутствуют.
In / I1 = 1 / n
Двенадцатипульсная схема (два шестипульсных моста, питаемых от обмоток со сдвигом 30°) взаимно компенсирует 5-ю и 7-ю гармоники; в спектре остаются порядки 12k ± 1 — первыми значимыми становятся 11-я и 13-я. Восемнадцати- и двадцатичетырёхпульсные схемы отодвигают спектр ещё выше, оставляя гармоники порядков 18k ± 1 и 24k ± 1 соответственно.
Импульсные блоки питания с ёмкостным входным фильтром (компьютерная техника, светодиодное освещение, бытовая электроника) потребляют ток короткими импульсами вблизи вершины синусоиды. Их спектр богат нечётными гармониками, причём с большой долей 3-й. Триплены (3, 9, 15…) относятся к нулевой последовательности: в четырёхпроводной сети они не компенсируются в нейтрали, а арифметически складываются, поэтому ток нейтрали может превышать фазный при большом числе однофазных нелинейных нагрузок.
Для количественной оценки несинусоидальности применяют суммарный коэффициент гармонических составляющих — в зарубежной практике его обозначают THD (total harmonic distortion). Это отношение среднеквадратического значения суммы высших гармоник к значению основной гармоники.
KU = √(∑ Un²) / U1 × 100 %
KI = √(∑ In²) / I1 × 100 %
Важно различать искажение напряжения и тока. Коэффициент по напряжению характеризует состояние сети в точке присоединения и нормируется. Коэффициент по току характеризует эмиссию конкретной нагрузки; в отечественном нормировании качества электроэнергии он в настоящее время не нормируется, но используется при анализе вклада потребителя.
Одна и та же нагрузка при разной жёсткости сети даёт разное искажение напряжения: чем выше полное сопротивление источника (слабее сеть), тем большее падение напряжения создаёт тот же гармонический ток и тем выше искажение напряжения. Поэтому оценка «по току» не переносится напрямую на «по напряжению» без учёта импеданса сети.
Измерения гармонических составляющих напряжения выполняют по ГОСТ 30804.4.7 (гармоники и интергармоники) с усреднением спектра дискретным преобразованием Фурье на интервалах в 10 периодов основной частоты и последующим объединением в 10-минутные интервалы. Общие методы измерений показателей качества электроэнергии установлены ГОСТ 30804.4.30. Нормируются гармоники до 40-го порядка включительно.
Высшие гармоники повышают действующее значение тока, увеличивают потери и вызывают дополнительный нагрев, а на резонансных частотах способны многократно усиливать искажения. Основные механизмы воздействия перечислены ниже.
Потери на вихревые токи в обмотках и конструктивных элементах растут пропорционально квадрату порядка гармоники и квадрату её тока, поскольку с частотой усиливается вытеснение тока и растут наведённые вихревые токи. Для оценки пригодности трансформатора при несинусоидальной нагрузке применяют K-фактор — взвешенную сумму, показывающую относительный рост добавочных потерь.
K = ∑ [Ih(о.е.)]² · h²
Практическое следствие: трансформатор, показывающий по амперметру, скажем, 70 % загрузки, при заметном содержании гармоник может испытывать внутренние потери, соответствующие почти полной нагрузке, так как штатное значение мощности рассчитано на синусоидальный ток.
Триплены складываются в нейтральном проводнике четырёхпроводной сети, из-за чего его ток может приблизиться к фазному или превысить его, хотя сечение нейтрали традиционно выбиралось меньшим. В проводниках проявляется поверхностный эффект: с ростом частоты ток вытесняется к поверхности, эффективное сопротивление растёт, увеличивая потери на высших гармониках.
Батареи конденсаторов компенсации реактивной мощности образуют с индуктивностью сети колебательный контур. Если частота параллельного резонанса совпадает с частотой одной из значимых гармоник, гармонический ток и напряжение на этой частоте резко усиливаются — вплоть до повреждения конденсаторов и другого оборудования.
fрез = 1 / (2π√(Lс · C))
hрез ≈ √(Sкз / Qc)
Показатели и нормы качества электроэнергии в точках передачи потребителям устанавливает ГОСТ 32144-2013 (действует с Изменением № 1). К несинусоидальности напряжения относятся два показателя: коэффициенты отдельных гармонических составляющих KU(n) до 40-го порядка и суммарный коэффициент KU. Нормы различаются по номинальному напряжению сети.
Для сети 0,38 кВ суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения не должен превышать 8,0 % в течение 95 % времени недельного интервала и 12,0 % в течение 100 % времени.
Значения усредняют в интервале 10 мин; в течение 95 % времени они не должны превышать табличных, а в течение 100 % времени — табличных, увеличенных в 1,5 раза.
Помимо норм на напряжение в сети, ограничивается и эмиссия гармонических токов самим оборудованием. Для технических средств с потребляемым током не более 16 А в одной фазе нормы установлены в ГОСТ IEC 61000-3-2; для оборудования с током более 16 А, но не более 75 А, — в ГОСТ IEC 61000-3-12.
Мероприятия по снижению искажений делятся на схемные (уменьшение эмиссии источником), пассивные и активные фильтрующие. Выбор зависит от спектра, доли нелинейной нагрузки и жёсткости сети.
Пассивный фильтр — это последовательный контур из реактора и конденсатора, настроенный на частоту подавляемой гармоники и образующий для неё путь низкого сопротивления. Устанавливают шунтирующие фильтры на 5-ю, 7-ю и следующие гармоники; для широкополосного подавления применяют демпфированные фильтры высоких частот.
Активный фильтр измеряет гармонический ток нагрузки и через силовой преобразователь инжектирует в сеть противофазный компенсирующий ток, подавляя искажения адаптивно и в широком спектре. Гибридные решения объединяют пассивный контур (для основной доли гармоник и компенсации реактивной мощности) с активным фильтром меньшей мощности (для точной доводки и подавления остаточных составляющих).
Это дополнительные синусоидальные составляющие тока и напряжения с частотами, кратными 50 Гц, которые накладываются на основную волну и искажают её форму. Их порождают нелинейные нагрузки, потребляющие ток несинусоидальной формы.
Основной источник — нелинейные нагрузки: выпрямители частотных приводов и источников бесперебойного питания, импульсные блоки питания, светодиодные драйверы, дуговые и индукционные установки. Шестипульсный выпрямитель даёт гармоники порядков 6k ± 1 (5, 7, 11, 13…), однофазная импульсная техника — заметную 3-ю гармонику.
THD (суммарный коэффициент гармонических составляющих) — отношение среднеквадратической суммы высших гармоник к основной. По ГОСТ 32144-2013 для сети 0,38 кВ суммарный коэффициент гармонических составляющих напряжения не должен превышать 8,0 % в течение 95 % времени недели и 12,0 % в течение 100 % времени.
Они увеличивают потери и нагрев трансформаторов и кабелей, перегружают нейтраль от триплен, вызывают резонанс с конденсаторными установками, добавочный нагрев двигателей, ложные срабатывания защиты и погрешности учёта.
Гармоники, кратные трём (3, 9, 15…), относятся к нулевой последовательности и совпадают по фазе во всех проводниках. В нейтрали они не взаимокомпенсируются, а складываются, поэтому при большом числе однофазных нелинейных нагрузок ток нейтрали может превысить фазный.
Начинают со снижения эмиссии источником: сетевой дроссель, многопульсная схема или активный выпрямитель. При высокой доле нелинейной нагрузки применяют пассивные настроенные фильтры (с проверкой на резонанс) или активные фильтры, подавляющие широкий спектр адаптивно. Выбор зависит от спектра, мощности короткого замыкания и требований к качеству.
Пассивный фильтр — LC-контур, настроенный на фиксированную частоту; он прост, компенсирует реактивную мощность, но способен резонировать с сетью. Активный фильтр инжектирует противофазный ток и подавляет широкий спектр адаптивно, без риска резонанса, но сложнее и дороже.
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.