Високи хармоники? Вашият трансформатор може да се заразгрежда и бързо да старее.

Този доклад е основан на анализата на данни за мониторинг на качеството на електроенергията във вашата компания за един ден. Данните показват, че в системата има значителна хармонична деформация на тока (с високо обобщено хармонично искривяване на тока, THDi). Според международните стандарти (IEC/IEEE) хармоничните токове на този ниво създават значителни рискове за безопасната, надеждна и икономична работа на трансформатора за доставка на електроенергия, което се проявява в допълнително генериране на топлина, намаление на срока на полезност и дори повреда на трансформатора.

1. Преглед на тестовите данни

• Мониторирани параметри: Общо хармонично искривяване на трифазния ток (A THD[50] Avg [%] L1, L2, L3)

• Период на мониторинг: от 16:00 часа на 8 септември 2025 до 08:00 часа на 9 септември 2025 (руандско време)

Източник на данните: FLUKE 1732 Power Logger

• През периода на мониторинг общото хармонично искривяване на трифазния ток (THDi) остана на високо ниво (например, постоянно около 60%).

• Това ниво на хармоники значително надвишава препоръчителния диапазон за добри практики (THDi < 5%) и общият позволен диапазон (THDi < 8%) за разпределителни системи, определени в международни стандарти като IEEE 519-2014 и IEC 61000-2-2.

2. Механизъм на влиянието на хармоничните токове върху трансформаторите (Анализ на проблема)

Трансформаторите са конструирани на основата на чисто 50Hz синусоидален ток. Хармоничните токове (особено 3-та, 5-та и 7-ма хармоника) причиняват два основни проблема:

• Удвоена загуба от индукционни токове: Загубата от индукционни токове в обмотките на трансформатора е пропорционална на квадрата на честотата на тока. Високочестотните хармонични токове водят до остър ръст на загубата от индукционни токове, далеч надвишавайки проектната стойност, основана на основния ток.

• Допълнително генериране на топлина и термално напрежение: Поменатите допълнителни загуби се преобразуват в топлина, което води до аномален ръст на температурата в обмотките и желязната ядро на трансформатора.

3. Оценка на рисковете според международните стандарти

Според разпоредбите на IEC 60076-1 и IEEE Std C57.110 относно работата на трансформаторите при несинусоидален ток, основните рискове, които текущото ниво на хармоники представлява за вашия трансформатор, включват:

• Риск 1: Ускорено стареене на изолацията и сериозно намаление на срока на полезност. Срокът на полезност на трансформатора е директно определен от операционната му температура. Правилото на палец показва, че при всяко продължително увелиление на температурата на обмотките с 6-10°C, скоростта на стареене на изолацията се удвоява, а очакваният срок на полезност на трансформатора се намалява съответно. Дългосрочно прекомерно затопляне ще доведе до изсъхване на изолацията, което в крайна сметка ще доведе до пробив.

• Риск 2: Намалена реална капацитетна способност (изисквана дерейтинг) За да се избегне прекомерното затопляне, трансформаторът не може да работи на своята номинална капацитетна способност при текущото ниво на хармоники. Според метода за изчисление в IEEE Std C57.110, трансформаторът трябва да бъде дерейтинг (например, когато THDi е 12%, факторът за дерейтинг може да трябва да бъде 0.92 или по-нисък). Това означава, че трансформатор с номинална капацитетна способност от 1000kVA може да има реална безопасна капацитетна способност под 920kVA, ограничавайки потенциала за разширяване на системата.

• Риск 3: Увеличена силата на полето на трансформатора. Според формулата за електромоторна сила Et = 4.44 ⋅f⋅Φm (където f е честотата), хармониките генерират високочестотен магнитен поток, който индуцира значителни индукционни токове в проводниците на обмотката, водещи до местни горещи точки и прекомерно затопляне. Честотата на хармониките действа като "усилвател" - дори ако амплитудата на хармоничния магнитен поток Φmh е малка, нейната високочестотна характеристика ще умножи индуцираната обмотъчна електромоторна сила h пъти. Тази умножена електромоторна сила се прилага към изолацията на обмотката, особено в първите няколко витка на катушката, причинявайки локално прекомерно напрежение и значително увеличавайки риска от пробив на изолацията.