Сезонные особенности гармонических искажений

«Собачьи дни» лета — с конца июля до конца августа — традиционно ассоциируются с жарой и тяжёлым воздухом. Название происходит от Сириуса, звезды Собаки, которая в Древней Греции восходила вместе с солнцем. Хотя этот термин описывает знойную погоду, электросети тоже переживают свои собственные собачьи дни.

Для энергокомпаний этот период связан не только с пиковым спросом на охлаждение. Он также совпадает с ростом уровня гармонических искажений. Гармоники — это составляющие напряжения или тока с частотами, кратными основной (50 или 60 Гц). Они искажают синусоиду, снижают эффективность и сокращают срок службы оборудования.

В этой статье рассматривается, как гармоники меняются по сезонам, почему лето особенно проблемное, и какие меры могут принять энергокомпании для снижения негативного влияния.

Что такое гармоники

Гармоники возникают из-за нелинейных нагрузок. Вместо плавного синусоидального тока такие устройства потребляют ток импульсами. К типичным источникам относятся частотные преобразователи (VFD), инверторы, светодиодное освещение и кондиционеры.

Влияние гармоник измеряется показателем полного гармонического искажения (THD), который определяется так:

THD = \sqrt{\frac{\sum_{h=2}^{n} V_h^2}{V_1^2}} \times 100%

где V_h — действующее значение напряжения h-й гармоники, V_1 — основная гармоника.

Стандарты определяют допустимые пределы:

IEEE 519 рекомендует THD по напряжению не выше 5% в точке общего присоединения (PCC).
IEC 61000‑2‑2 устанавливает предел 8% THD для общественных низковольтных сетей.
IEC 61000‑2‑4 указывает 5–10% THD для промышленных объектов в зависимости от класса.

Сезонные особенности

Лето

В собачьи дни гармоники возрастают по следующим причинам:

Кондиционеры: компрессоры на инверторах генерируют гармоники нечётных порядков, особенно 3-й и 5-й.
Частотные преобразователи: применяются в системах вентиляции и промышленности, добавляют гармоники 5-го, 7-го и более высоких порядков.
Солнечные инверторы: на пике летней генерации вносят гармоники коммутации, особенно в слабых сетях.
Высокие температуры: трансформаторы работают ближе к насыщению, а сопротивление кабелей увеличивается, что усиливает влияние гармоник.

Данные ERCOT (Техас) показывают, что локальный THD возрастает с 2–3% в прохладные месяцы до 6–8% во время жары, что связано с синхронными нагрузками кондиционеров и работой инверторов. Эти значения примерные и зависят от конкретной линии и состояния сети.

Зима

Зимние гармоники отличаются:

Электрообогрев: резистивные обогреватели линейны, но увеличивают базовую нагрузку, снижая демпфирование и делая сеть чувствительнее к гармоникам других источников.
Освещение: светодиодные лампы, особенно со старыми драйверами, добавляют гармоники 3-го и 5-го порядка. Современные драйверы часто соответствуют IEC 61000‑3‑3, но массовое использование всё равно может вызвать искажения.
Промышленные нагрузки: дуговые печи и сварочное оборудование создают гармоники низких порядков и интергармоники (нецелочисленные кратные).
Ветроэнергетика: инверторные турбины могут вносить субсинхронные компоненты, особенно в слабых сетях.

Северные энергокомпании фиксируют локальные всплески THD до 6–7% зимними вечерами, связанные с отоплением и промышленным спросом. Это локальные пики, а не средние значения по системе.

Влияние на энергокомпании

Гармоники сокращают срок службы трансформаторов, увеличивают потери в кабелях, вызывают ложные срабатывания защит. Двигатели страдают от пульсаций момента, а чувствительная электроника может работать нестабильно.

Экономические последствия:

Рост затрат на обслуживание и замену оборудования.
Снижение допустимой нагрузки на трансформаторы и кабели.
Жалобы клиентов на мерцание и низкое качество электроэнергии.
Возможные штрафы по нормативам.

Стратегии снижения влияния

Мониторинг
Устанавливайте анализаторы качества электроэнергии с регистрацией гармоник на подстанциях и линиях. Сезонные аудиты помогают выявлять проблемные участки. Современные системы AMI и счетчики CLOU с функцией регистрации гармоник позволяют локализовать источники искажений до уровня линии или потребителя.

Фильтрация

Пассивные фильтры, настроенные на 5-ю или 7-ю гармонику.
Активные фильтры для динамических нагрузок — дата-центров, зарядных станций электромобилей.
Гибридные решения.

Эксплуатация сети

Поэтапный запуск кондиционеров для предотвращения резонанса.
Контроль соответствия инверторов стандартам по гармоникам.
Использование инверторов с формированием сети в районах с высокой долей ВИЭ.

Работа с клиентами

Тарифы, штрафующие за низкое качество электроэнергии.
Стимулы для использования оборудования, дружественного к гармоникам.

Вывод

Собачьи дни лета приносят не только жару, но и гармоническую нагрузку на сеть. Сезонные особенности важны: летом гармоники возрастают из-за охлаждения и солнечных инверторов, зимой — из-за отопления и промышленности.

Для энергокомпаний ответ очевиден: мониторить, фильтровать, планировать. Воспринимая гармоники как сезонный риск, операторы могут защищать активы, повышать эффективность и сохранять доверие клиентов.

В CLOU наши современные системы AMI и счетчики с регистрацией гармоник дают энергокомпаниям инструменты для точного определения времени и места возникновения искажений. Непрерывный мониторинг до уровня линии или клиента позволяет отличать локальные возмущения от системных проблем. Это помогает действовать быстрее, точнее направлять меры и снижать ненужную нагрузку на оборудование.

Вкратце: гармоники не должны быть скрытым сезонным бременем. С правильными средствами измерения и анализа они становятся управляемым параметром работы сети — и шагом к более устойчивой и умной энергосистеме.