Wysokie harmoniczne? Twój transformator może przegrzewać się i szybko się starzeć.

Ten raport oparty jest na analizie danych monitoringu jakości zasilania systemu dystrybucji Twojej firmy z jednego dnia. Dane wskazują, że w systemie występuje istotne zniekształcenie harmoniczne prądu trójfazowego (z wysokim całkowitym zniekształceniem harmonicznym prądu, THDi). Zgodnie ze standardami międzynarodowymi (IEC/IEEE), prądy harmoniczne na tym poziomie stanowią istotne ryzyko dla bezpiecznej, niezawodnej i ekonomicznej pracy transformatora zasilającego, co przede wszystkim przejawia się w dodatkowej generacji ciepła, skróceniu okresu użytkowania i nawet uszkodzeniu transformatora.

1. Przegląd danych testowych

• Monitorowany parametr: Całkowite zniekształcenie harmoniczne prądu trójfazowego (A THD[50] Avg [%] L1, L2, L3)

• Czas monitorowania: 16:00 8 września 2025 do 08:00 9 września 2025 (czas rwandyjski)

Źródło danych: FLUKE 1732 Power Logger

• W czasie monitorowania, całkowite zniekształcenie harmoniczne prądu trójfazowego (THDi) utrzymywało się na wysokim poziomie (np. stale około 60%).

• Ten poziom harmoniczny znacznie przekracza rekomendowane dobre praktyki (THDi < 5%) oraz ogólnie dopuszczalny zakres (THDi < 8%) dla systemów dystrybucji określonych w międzynarodowych standardach takich jak IEEE 519-2014 i IEC 61000-2-2.

2. Mechanizm wpływu prądów harmonicznych na transformatory (analiza problemu)

Transformatory są zaprojektowane na podstawie czystego sinusoidalnego prądu o częstotliwości 50 Hz. Prądy harmoniczne (szczególnie 3, 5 i 7 harmoniczne) powodują dwa główne problemy:

• Podwójna strata wirnikowa: Strata wirnikowa w cewkach transformatora jest proporcjonalna do kwadratu częstotliwości prądu. Wysokie częstotliwości prądów harmonicznych prowadzą do gwałtownego wzrostu strat wirnikowych, znacznie przekraczając wartości projektowe oparte na prądzie podstawowym.

• Dodatkowe generowanie ciepła i naprężenia termiczne: Wzmiankowane dodatkowe straty konwertowane są na ciepło, co powoduje nietypowy wzrost temperatury w cewkach i rdzeniach transformatora.

3. Ocena ryzyka zgodnie ze standardami międzynarodowymi

Zgodnie z postanowieniami IEC 60076-1 i IEEE Std C57.110 dotyczącymi działania transformatora przy niesinusoidalnym prądzie, główne ryzyka wynikające z obecnego poziomu prądów harmonicznych dla Twojego transformatora obejmują:

• Ryzyko 1: Przyspieszone starzenie się izolacji i poważne skrócenie okresu użytkowaniaOkres użytkowania transformatora jest bezpośrednio określany przez jego temperaturę pracy. Regułą kciuka jest to, że każda ciągła podwyższenie temperatury cewek o 6-10°C powoduje podwajanie tempa starzenia się izolacji, a oczekiwany okres użytkowania transformatora jest odpowiednio połowiony. Długotrwałe nadmiernie wysokie temperatury spowodują, że izolacja transformatora stanie się krucha, co ostatecznie doprowadzi do awarii.

• Ryzyko 2: Zmniejszona rzeczywista zdolność nośna (wymagana redukcja mocy)Aby uniknąć nadmiernego ogrzewania, transformator nie może pracować przy swojej nominalnej mocy pod wpływem obecnych prądów harmonicznych. Zgodnie z metodą obliczeniową zawartą w IEEE Std C57.110, transformator musi być zredukowany (na przykład, gdy THDi wynosi 12%, współczynnik redukcji może wynosić 0,92 lub niższy). Oznacza to, że transformator o mocy nominalnej 1000 kVA może mieć rzeczywistą bezpieczną zdolność nośną poniżej 920 kVA, co ogranicza potencjał rozszerzenia pojemności systemu.

• Ryzyko 3: Zwiększone natężenie pola magnetycznego transformatoraZgodnie ze wzorem na siłę elektromotoryczną Et = 4,44 ⋅f⋅Φm (gdzie f to częstotliwość), harmoniki generują wysokoczęstotliwościowe pole magnetyczne, które indukuje znaczne prądy wirnikowe w przewodnikach cewek, prowadząc do lokalnych gorących punktów i nadmiernego ogrzewania. Nadmierna częstotliwość harmonik działa jak "wzmacniacz" — nawet jeśli amplituda harmonicznej składowej pola magnetycznego Φmh jest mała, jej wysokoczęstotliwościowy charakter zwiększy siłę elektromotoryczną między zwitkami h razy. Ta zwiększone siła elektromotoryczna jest zastosowana do izolacji cewek, szczególnie pierwszych kilku zwitków cewki, powodując lokalne przepięcia i znacznie zwiększając ryzyko awarii izolacji.