Vysoké harmonické? Vaše transformátor může přehřívat a rychle stárnut.

Tento zpráva je založena na analýze dat o kvalitě dodávky elektrické energie vašeho distribučního systému po dobu jednoho dne. Data ukazují, že v systému existuje významná třífázová harmonická deformace proudu (s vysokou celkovou harmonickou deformací proudu, THDi). Podle mezinárodních standardů (IEC/IEEE) harmonické proudy na tomto úrovni představují významné riziko pro bezpečné, spolehlivé a ekonomické fungování transformátoru dodávky elektrické energie, což se projevuje hlavně vytvářením dodatečného tepla, snížením životnosti a dokonce i poškozením transformátoru.

1. Přehled testovacích dat

• Monitorovaný parametr: Celková harmonická deformace třífázového proudu (A THD[50] Avg [%] L1, L2, L3)

• Doba monitorování: od 16:00 hodin 8. září 2025 do 8:00 hodin 9. září 2025 (čas v Rwandě)

Zdroj dat: FLUKE 1732 Power Logger

• Během doby monitorování zůstala celková harmonická deformace třífázového proudu (THDi) na vysoké úrovni (např. konstantně okolo 60%).

• Tato hladina harmonik výrazně přesahuje doporučený rozsah dobré praxe (THDi < 5%) a obecně povolený rozsah (THDi < 8%) pro distribuční systémy podle mezinárodních standardů jako IEEE 519-2014 a IEC 61000-2-2.

2. Mechanismus vlivu harmonických proudů na transformátory (analýza problému)

Transformátory jsou navrženy na základě čisté sinusoidálního proudu s frekvencí 50 Hz. Harmonické proudy (zejména 3., 5. a 7. harmonika) způsobují dvě klíčové problémy:

• Zdvojnásobení ztrát vířivými proudy: Ztráty vířivými proudy v vinutích transformátoru jsou úměrné druhé mocnině frekvence proudu. Vysokofrekvenční harmonické proudy vedou k ostrému nárůstu ztrát vířivými proudy, které výrazně přesahují hodnoty založené na základním proudu.

• Dodatečné vytváření tepla a tepelné zatěžování: Uvedené dodatečné ztráty se přeměňují na teplo, což vede k neobvyklému nárůstu teploty vinutí a železných jáder transformátoru.

3. Hodnocení rizik podle mezinárodních standardů

V souladu s ustanoveními IEC 60076-1 a IEEE Std C57.110 ohledně provozu transformátoru za podmínek nesinusoidálního proudu, hlavní rizika související s aktuální hladinou harmonických proudů pro váš transformátor zahrnují:

• Riziko 1: Zrychlené stárnutí izolace a závažné snížení životnostiŽivotnost transformátoru je přímo určena jeho pracovní teplotou. Pravidlo uvádí, že každé trvalé zvýšení teploty vinutí o 6-10°C způsobí zdvojnásobení rychlosti stárnutí izolace a odpovídající snížení očekávané životnosti transformátoru o polovinu. Dlouhodobé přetopení způsobí, že izolace transformátoru ztvrdne a nakonec dojde k poruše průrazu.

• Riziko 2: Snížení skutečné nosné kapacity (požadavek na derating)Aby bylo zabráněno přetopení, nemůže transformátor pracovat při své nominální kapacitě za aktuální hladiny harmonických proudů. Podle výpočtové metody v IEEE Std C57.110 musí být transformátor derated (např. pokud je THDi 12%, může být koeficient deratingu 0,92 nebo nižší). To znamená, že transformátor s nominální kapacitou 1000 kVA může mít skutečnou bezpečnou nosnou kapacitu menší než 920 kVA, což omezí potenciál rozšíření kapacity systému.

• Riziko 3: Zvýšení magnetického pole transformátoruPodle vzorce pro elektromotorickou sílu Et = 4,44 ⋅f⋅Φm (kde f je frekvence), generují harmoniky vysokofrekvenční magnetický tok, který indukuje významné vířivé proudy v vodičích vinutí, což vede k lokálním horkým místům a přetopení. Přetížení frekvencí harmonik působí jako "zpětné zesilování" — i když amplituda harmonického magnetického toku Φmh je malá, jeho vysokofrekvenční charakteristika způsobí, že indukovaná napěťová síla mezi závitky se zvýší h-násob. Tato zesílená elektromotorická síla je aplikována na izolaci vinutí, zejména na první několik závitků cívky, což způsobí lokální přepětí a výrazně zvýší riziko poruchy izolace.