Высокие гармоники? Ваш трансформатор может перегреваться и быстро стареть.

Данный отчет основан на анализе данных однодневного мониторинга качества электроэнергии в распределительной системе вашей компании. Данные показывают, что в системе наблюдается значительное искажение гармоник трехфазного тока (с высоким коэффициентом общей гармонической дисторсии тока, THDi). Согласно международным стандартам (IEC/IEEE), гармонические токи на этом уровне создают существенные риски для безопасной, надежной и экономичной работы силового трансформатора, главным образом проявляющиеся в дополнительном выделении тепла, сокращении срока службы и даже повреждении трансформатора.

1. Обзор тестовых данных

• Мониторируемый параметр: Коэффициент общей гармонической дисторсии трехфазного тока (A THD[50] Avg [%] L1, L2, L3)

• Продолжительность мониторинга: с 16:00 8 сентября 2025 года по 08:00 9 сентября 2025 года (время Руанды)

Источник данных: FLUKE 1732 Power Logger

• В течение периода мониторинга коэффициент общей гармонической дисторсии трехфазного тока (THDi) оставался на высоком уровне (например, стабильно около 60%).

• Этот уровень гармоник значительно превышает рекомендуемый диапазон хорошей практики (THDi < 5%) и общий допустимый диапазон (THDi < 8%) для распределительных систем, указанных в международных стандартах, таких как IEEE 519-2014 и IEC 61000-2-2.

2. Механизм воздействия гармонических токов на трансформаторы (анализ проблемы)

Трансформаторы разрабатываются на основе чистого синусоидального тока 50 Гц. Гармонические токи (особенно 3-я, 5-я и 7-я гармоники) вызывают две основные проблемы:

• Удвоенная потеря от вихревых токов: Потеря от вихревых токов в обмотках трансформатора пропорциональна квадрату частоты тока. Высокочастотные гармонические токи приводят к резкому увеличению потерь от вихревых токов, значительно превышающих расчетное значение, основанное на фундаментальной частоте.

• Дополнительное выделение тепла и термическое напряжение: Указанные выше дополнительные потери преобразуются в тепло, что приводит к аномальному повышению температуры обмоток и железного сердечника трансформатора.

3. Оценка рисков на основе международных стандартов

Согласно положениям IEC 60076-1 и IEEE Std C57.110 относительно работы трансформаторов при несинусоидальных токах, основные риски, связанные с текущим уровнем гармоник для вашего трансформатора, включают:

• Риск 1: Ускоренное старение изоляции и значительное сокращение срока службы. Срок службы трансформатора напрямую определяется его рабочей температурой. Правило гласит, что каждое непрерывное повышение температуры обмоток на 6-10°C удваивает скорость старения изоляции, и ожидаемый срок службы трансформатора уменьшается соответственно. Длительный перегрев приведет к тому, что изоляция трансформатора станет хрупкой, что в конечном итоге приведет к пробою.

• Риск 2: Снижение фактической нагрузочной способности (необходимость снижения мощности). Чтобы избежать перегрева, трансформатор не может работать на номинальной мощности при текущем уровне гармоник. Согласно методу расчета, указанному в IEEE Std C57.110, трансформатор должен быть переведен на пониженную мощность (например, при THDi 12% коэффициент снижения мощности может составлять 0,92 или ниже). Это означает, что трансформатор с номинальной мощностью 1000 кВА может иметь фактическую безопасную нагрузочную способность менее 920 кВА, что ограничивает потенциал расширения системы.

• Риск 3: Увеличение напряженности поля трансформатора. Согласно формуле ЭДС Et = 4,44 ⋅f⋅Φm (где f — частота), гармоники создают высокочастотный магнитный поток, который индуцирует значительные вихревые токи в проводниках обмоток, приводя к локальным горячим точкам и перегреву. Частота гармоник действует как "усилитель" — даже если амплитуда гармонического магнитного потока Φmh мала, ее высокочастотная характеристика увеличит индуцированное ЭДС между витками в h раз. Это усиленное ЭДС применяется к изоляции обмоток, особенно к первым нескольким виткам катушки, вызывая локальное перенапряжение и значительно увеличивая риск пробоя изоляции.