Надежность фильтрокомпенсирующих устройств различной топологии

Введение . Современная структура электропотребления определяется расширяющейся нелинейной нагрузкой, характер которой определен алгоритмом функционирования источников вторичного электропитания (ИВЭ). По этой причине энергоснабжающие организации столкнулись с серьезной проблемой «заражения» распределительных сетей высшими по отношению к промышленной частоте гармониками.

Таким образом, актуальным является решение задачи фильтрации высших гармоник [1].

Для снижения высших гармоник, в случае неизменного нелинейного сопротивления нагрузки, возможно применение фильтрокомпенсирующих устройств на основе пассивных фильтров.

Пассивный фильтр гармоник (ПФГ) представляет пассивную частотно-селективную цепь, обеспечивающую подавление или ослабление высших гармоник, генерируемых нелинейной нагрузкой [2, 3]. Основными достоинствами пассивных фильтров являются их простота и экономичность. Они дешевы, не требуют регулярного обслуживания, могут выполнять одновременно функции как подавления гармоник, так и коррекции коэффициента мощности.

Основной традиционной конфигурацией ПФГ является последовательный колебательный контур (рис. 1), настроенный на частоту определенной гармоники. Для одновременного подавления нескольких гармоник используют широкополосные фильтры. Характеристики пассивных фильтров достаточно подробно описаны в [4–9].

Включение последовательного колебательного контура в каждую фазу трехфазной сети не вызывает симметрирующего эффекта.

Рис. 1. Последовательный колебательный контур

Для симметрирования питающей сети и снижения влияния высших гармоник нелинейной нагрузки перспективным является использование в трехфазной сети фильтра, соединенного по схеме «звезда» с четырьмя ответвлениями (рис. 2) [10].

Рассматриваемая топология позволяет уменьшить общее количество реактивных элементов, образующих фильтр, и повысить экономическую эффективность, например сетей освещения, в сравнении с традиционными схемами [11].

С помощью такой схемы образуется силовой фильтр с двумя резонансными частотами. Одна резонансная частота – для гармоник токов, образующих симметричные составляющие прямой и обратной последовательности, а вторая резонансная частота – для токов, образующих систему нулевой последовательности. Для реали- зации схемы используются только пассивные элементы.

Предлагаемая топология состоит из трёх ветвей с тремя идентичными сопротивлениями Z Ф и одного нейтрального ответвления Z 0 .

Для оценки надежности четырехлучевого фильтра был проведен расчет [12].

В соответствии с методикой расчет производился методом «λ-характеристик», основанным на интенсивности отказов комплектующих изделий и поправочных коэффициентах, учитывающих реальные условия и режимы эксплуатации. При этом принимались следующие допущения:

• 1)    отказы комплектующих изделий (КИ) являются случайными независимыми событиями;

• 2)    одновременно два и более КИ отказать не могут;

• 3)    интенсивность отказов (ИО) КИ в течение срока службы в одних и тех же рабочих режимах и условиях эксплуатации является постоянной.

  

  Рис. 2. «Звезда» с четырьмя ответвлениями

  
  

Интенсивность отказов блока, состоящего из m комплектующих изделий, определялась как

m

Λ=∑λi , где λi – интенсивность отказов i-го КИ в рабочих режимах и условиях.

Средняя наработка блока на отказ определялась как

Τ= ¹ Λ

Интенсивность отказов КИ определялась как

λ=λ ⋅a ⋅a ⋅...⋅a , где λ0 – интенсивность отказов КИ в нормальных режимах и условиях эксплуатации; a1,a2,…an – поправочные коэффициенты.

Значение λ 0 и поправочные коэффициенты определялись по таблицам, представленным в [12].

• 1.    Фильтрокомпенсирующее устройство (ФКУ) состояло из следующих блоков:

• 1)    блок управления током (БУТ) (рис. 3),

• 2)    блок фильтрации в двух исполнениях:

  – однофазный (БФО) (рис. 4);

  – трехфазный (БФТ) (рис. 5).

• 2.    Время активной работы ФКУ за сутки составляло 12 часов.

• 3.    Коэффициент нагрузки элементов К н = 0,7.

• 4.    Условия эксплуатации – поле с коэффициентом 1,0.

• 5.    Климат – холодный с коэффициентом 1,0.

• 6.    Качество обслуживания – управление агрегатами с коэффициентом 2.

  

  Рис. 3. Блок управления током

  
  
  

  Рис. 4. Блок фильтрации однофазный

  
  

Блок управления током состоял из следующих элементов: конденсатор, 2 резистора, 4 диода и 8 паек, которые с позиций обеспечения надежности соединялись последовательно.

Блок фильтрации однофазный состоял из 5 дросселей, 5 конденсаторов, 5 резисторов и 10 болтовых соединений, а блок фильтрации трехфазный – из 4 дросселей, 3 конденсаторов и 8 болтовых соединений, которые с позиций обеспечения надежности также соединялись последовательно.

Общий    поправочный    коэффициент a=0,7⋅1,0⋅1,3⋅2=1,82.

Интенсивность отказов блока управления током:

диоды 0,1 ⋅ 10 ^{- 6} ⋅ 4 = 0,4 ⋅ 10 ^{- 6};

резисторы 0,008 ⋅ 10 ^{- 6} ⋅ 2 = 0,016 ⋅ 10 ^{- 6}; конденсатор 0,3 ⋅ 10 ^-6 ⋅ 1 = 0,3 ⋅ 10 ^-6 ; пайки 0,001 ⋅ 10 ^-6 ⋅ 8 = 0,008 ⋅ 10 ^-6 . Итого 0,724 ⋅ 10 ^{- 6} ⋅ 1 /ч.

Рис. 5. Блок фильтрации трехфазный

Всего с учетом поправочного коэффициента Λ= 1,82 ⋅ 0,724 ⋅ 10 ^{- 6} = 1,32 ⋅ 10 ^{- 6} ⋅ 1 /ч.

Наработка на отказ

Τ=     = 0, 76 ⋅ 10⁶ часов.

1,32

Интенсивность отказов блока фильтрации однофазного:

индуктивности 0,15 ⋅ 10 ^{- 6} ⋅ 5 = 0,75 ⋅ 10 ^{- 6} ;

конденсаторы 0,15 ⋅ 10 ^-6 ⋅ 5 = 0,75 ⋅ 10 ^-6 ;

болтовые соединения 0,1 ⋅ 10 ^{- 6} ⋅ 10 = 1,0 ⋅ 10 ^{- 6} .

Итого 2,5 ⋅ 10 ^-6 ⋅ 1 /ч.

Всего с учетом поправочных коэффициентов

Λ= 1,82 ⋅ 2,5 ⋅ 10 ^{- 6} = 4,55 ⋅ 10 ^{- 6} ⋅ 1 /час.

Τ = ¹⁰   = 0, 22 ⋅ 10⁶ часов.

4,55     ^,

Интенсивность отказов блока фильтрации трехфазного:

индуктивности

0,15•Ю ^-6 • 4 = 0,6 • 10 ^-6 ;

конденсаторы

0,15•Ю ^{- 6} • 3 = 0,45•Ю ^{- 6} ;

болтовые соединения 0,1 • 10 ^{- 6} • 8 = 0,8 - 10 ^{- 6} ;

Итого 1,95 • 10⁶ 4/ч.

Всего с учетом поправочных коэффициентов

Л = 1,82 - 1,95 • 10 ^{- 6} = 3,55 • 10 ^{- 6} • 1 /час.

Т = —— = 0,2840⁶ часов.

3,55     ^,

Интенсивность отказов ФКУ, состоящего из БУТ и БФО

Л=Л, +Л₂ = 1,32 ’10 ^{- 6} + 4,55 ’10 ^{- 6} = 5,87 ’10 ^{- 6} 1/ч.

Наработка на отказ Т = 1/Λ = 10⁶/5,87 = 170358 часов, или 19 лет.

Интенсивность отказов ФКУ, состоящего из БУТ и БФТ:

Л = Л₁+Л₅ = 1,32 •10 ^{- 6} + 3,55•10 ^{- 6} = 4,87 •Ю^{- 6} 1/час

.

Наработка на отказ Т = 1/Λ = 10⁶/4,87 = 205339 часов, или 23 года.

В результате ориентировочных расчетов надежности фильтрокомпенсирующего устройства на этапе технического предложения установлено, что наработка на отказ составила 19 лет и 23 года, что сопоставимо со сроком службы основного электрооборудования систем электроснабжения.

Коэффициенты нагрузок элементов блоков рекомендуется устанавливать не более значений, принятых при расчетах надежности.

Выводы

• 1.    Из результатов расчета видно, что наработка часов на отказ ФКУ четырехлучевой структуры не уступает традиционной однолинейной схеме, что дает основание утверждать об увеличении экономической эффективности при ее использовании, например в сетях освещения.

• 2.    Данная схема позволяет снизить на 30 % количество используемых реактивных элементов, образующих фильтр, что снижает его стоимость и повышает энргоэффективность электроустановки.