THD Overload: كيف تدمر التوافقيات معدات الطاقة

عندما يتجاوز التشوه التوافقي الحقيقي (THD) للشبكة الحدود (مثل THDv > 5%، THDi > 10%)، فإنه يتسبب في أضرار عضوية للمعدات على طول سلسلة الطاقة بأكملها — النقل → التوزيع → التوليد → التحكم → الاستهلاك. الآليات الأساسية هي الخسائر الإضافية، تجاوز التيار الرنين، تقلبات العزم، وتشويه العينة. تختلف آليات وأعراض الأضرار بشكل كبير حسب نوع المعدات، كما هو مفصل أدناه:

1. معدات النقل: ارتفاع درجة الحرارة، الشيخوخة، وتقلص العمر الافتراضي بشكل كبير

تقوم معدات النقل بنقل التيار/الجهد الكهربائي مباشرة. تزيد التوافقيات من خسائر الطاقة وتدهور العزل. الأجزاء الرئيسية المتضررة هي خطوط النقل (الكابلات/الخطوط الجوية) ومتحولات التيار (CTs).

1.1 خطوط النقل (الكابلات / الخطوط الجوية)

• آلية الأضرار: تزيد الترددات التوافقية العالية من "تأثير الجلد" (تركيز التيار العالي التردد على سطح الموصل، مما يقلل من المساحة المقطعية الفعالة)، مما يزيد من مقاومة الخط. ترتفع الخسائر النحاسية الإضافية بحسب مربع رتبة التوافقي (على سبيل المثال، الخسارة النحاسية لتوافقي 5 تساوي 25 مرة من الخسارة الأساسية).

• الأضرار المحددة:

• ارتفاع درجة الحرارة: عند THDi = 10%，翻译中断，我将继续完成剩余部分的翻译。

  ارتفاع درجة الحرارة: عند THDi = 10%، تزداد الخسائر النحاسية بنسبة 20%-30% مقارنة بالظروف المرجعية. يمكن أن ترتفع درجة حرارة الكابل من 70 درجة مئوية إلى 90 درجة مئوية (متجاوزة تحمل العزل)، مما يؤدي إلى تسريع الشيخوخة وشقوق طبقات العزل (مثل XLPE).

• تقلص العمر الافتراضي: يزيد التسخين المستمر من عمر الكابل من 30 عامًا إلى 15-20 عامًا، مما قد يتسبب في "انهيار العزل" وأخطاء قصر الدائرة. (احترق مجمع صناعي كابلين بجهد 10 كيلوفولت خلال عام واحد بسبب توافقي ثالث زائد، بتكلفة إصلاح تتجاوز 800,000 يوان.)

1.2 متحولات التيار (CTs)

• آلية الأضرار: تتسبب التوافقيات الحالية (خاصة الثالث والخامس) في "شبع مؤقت" لنواظير الحديد في CTs، مما يزيد بشدة من خسائر الهستيريس والدوامات (خسائر الحديد الإضافية). يشوّه الشبع شكل الموجة الخارج من الجانب الثانوي، مما يمنع تمثيل التيار الأساسي بدقة.

• الأضرار المحددة:

• ارتفاع درجة حرارة النواة: قد تتجاوز درجة حرارة نواة CT 120 درجة مئوية، مما يؤدي إلى حرق العزل على ملفات الثانوي ويسبب عدم دقة النسبة.

• سوء تشغيل الحماية: يتسبب التشويه في التيار الثانوي في اكتشاف مفاتيح الحماية (مثل حماية التيار الزائد) خاطئة لـ "قصيرة في الخط"، مما يؤدي إلى تشغيل خاطئ. (تعرضت شبكة توزيع لـ 10 انقطاعات في الخطوط بسبب شبع CTs، مما أثر على 20,000 منزل.)

2. معدات التوزيع: فشل متكرر، انهيار استقرار النظام

تعتبر معدات التوزيع أساسية لـ "ربط الأعلى والأدنى" في الشبكة. يتسبب تجاوز THD للحدود في الأضرار الأكثر مباشرة. الأجهزة الرئيسية المتضررة تشمل محولات الطاقة، البنوك الكاباسيتورية، والمفاعلات.

2.1 محولات الطاقة (توزيع / محولات رئيسية)

• آلية الأضرار: تزيد التوافقيات الجهدية من خسائر الهستيريس والدوامات في نوى المحولات (خسائر الحديد الإضافية)؛ تزيد التوافقيات الحالية من خسائر النحاس في ملفات الوشيعة. مجتمعة، ترفع هذه العوامل بشكل كبير من الخسائر الكلية. تزيد التوافقيات الثلاثية غير المتوازنة أيضًا من التيار المحايد (حتى 1.5× التيار الفازية)، مما يزيد من التسخين المحلي.

• الأضرار المحددة:

• ارتفاع درجة حرارة النواة: عند THDv = 8%، تزداد خسائر الحديد في المحولات بنسبة 15%-20%. ترتفع درجة حرارة النواة من 100 درجة مئوية إلى 120 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تسريع تدهور زيت العزل (مثل زيت المحولات 25#)، وزيادة الحموضة، وتقليل القوة العازلة.

• احتراق ملفات الوشيعة: يزيد التسخين طويل الأمد من تكربن ورق عزل الوشيعة (مثل Nomex)، مما يؤدي إلى قصر الدائرة. تعرضت محولة رئيسية بجهد 110 كيلوفولت في محطة لتوزيع الكهرباء لقصور في الوشيعة بعد 3 سنوات بسبب توافقي خامس زائد، بتكلفة إصلاح تتجاوز 5 مليون يوان.

• تقلص العمر الافتراضي: يزيد THD المستمر من تقلص عمر المحولات من 20 عامًا إلى 10-12 عامًا.

2.2 البنوك الكاباسيتورية الموازية (للتعويض عن الطاقة اللافعالة)

• آلية الأضرار: تنخفض المعاوقة الكاباسيتورية مع التردد (Xc = 1/(2πfC))، لذلك تؤدي التوافقيات عالية التردد إلى زيادة التيار. إذا تشكلت "رنين توافقي" بين الكاباسيتورات ومعادلة الشبكة (مثل الرنين من الرتبة الخامسة)، يمكن أن يرتفع التيار إلى 3-5× قيمة التصميم—بعيدًا جدًا عن تصنيفات الكاباسيتورات.

• الأضرار المحددة:

• انهيار العزل: يزيد التيار الزائد من حرارة العوازل الداخلية (مثل غشاء البولي بروبيلين)، مما يؤدي إلى ثقب، تورم، أو حتى الانفجار. (تعرضت ثلاثة بنوك كاباسيتورية بجهد 10 كيلوفولت في ورشة صناعية للتلف خلال شهر واحد بسبب الرنين التوافقي السابع؛ تجاوزت تكلفة استبدال كل بنك 150,000 يوان.)

• فشل الحماية: تؤدي التوافقيات الرنينية إلى حرق الوصلات المصهرة؛ إذا فشلت الحماية في العمل، يزداد خطر الحريق.

2.3 المفاعلات السلسلة (لثبط التوافقيات)

• آلية الأضرار: رغم استخدامها لثبط توافقيات محددة (مثل الثالث والخامس)، تعاني المفاعلات من زيادة خسائر النحاس في ملفات الوشيعة تحت التوافقيات الحالية طويلة الأمد. تزيد المجالات المغناطيسية النابضة من التوافقيات أيضًا من اهتزاز النواة، مما يؤدي إلى التآكل الميكانيكي.

• الأضرار المحددة:

• ارتفاع درجة حرارة الوشيعة: عند THDi = 12%، تزداد خسائر النحاس في المفاعلات بنسبة أكثر من 30%؛ تتجاوز درجة حرارة الوشيعة 110 درجة مئوية، مما يؤدي إلى تكربن وإفلات لون العزل.

• ضوضاء النواة والتآكل: تتجانس ترددات الاهتزاز مع التوافقيات، مما ينتج ضوضاء عالية (>85 ديسيبل). يقلل الاهتزاز طويل الأمد من ثبات صفائح الحديد السيليكوني، مما يقلل من النفاذية ويجعل ثبط التوافقيات غير فعال.

3. معدات التوليد: تقييد الإنتاج، زيادة مخاطر السلامة

تعتبر معدات التوليد "مصدر الطاقة" للشبكة. يؤثر THD الزائد سلبًا على استقرار التشغيل. الأجهزة الرئيسية المتضررة: المولدات المتزامنة، محوّلات الطاقة المتجددة (الطاقة الشمسية/الرياح).

3.1 المولدات المتزامنة (محطات حرارية/هيدروليكية)

• آلية الأضرار: تتدفق التوافقيات الجهدية من الشبكة إلى ملفات الوشيعة للمولد، مما يخلق "عزم كهرومغناطيسي توافقي". عندما يتم تراكبه مع العزم الأساسي، يشكل "عزم نابض"، مما يزيد من الاهتزاز. تزيد التوافقيات الحالية أيضًا من خسائر النحاس في الوشيعة، مما يؤدي إلى تسخين محلي.

• الأضرار المحددة:

• تقليل الإنتاج: وحدة بقدرة 300 ميجاوات عند THDv = 6% تواجه تذبذب سرعة ±0.5% بسبب العزم النابض، مما يقلل الإنتاج إلى أقل من 280 ميجاوات، مما يقلل الكفاءة بنسبة 5%-8%.

• ارتفاع درجة حرارة الوشيعة: قد تصل درجة حرارة الوشيعة إلى 130 درجة مئوية (متجاوزة حد العزل A من 105 درجة مئوية)، مما يسرع الشيخوخة ويزيد خطر قصر الدائرة بين الأدوار.

• تآكل المحامل: يزيد الاهتزاز من تآكل المحامل (مثل المحامل الأكمامية)، مما يقلص العمر الافتراضي من 5 سنوات إلى 2-3 سنوات.

3.2 محوّلات الطاقة المتجددة (الطاقة الشمسية / الرياح)

• آلية الأضرار: تكون المحوّلات حساسة لـ THD الشبكة (وفقًا لـ GB/T 19964-2012). إذا كان THDv > 5% في نقطة الربط، تُنشِّط المحوّلة "حماية توافقية" لتجنب الأضرار. بالإضافة إلى ذلك، يتسبب الجهد التوافقي في اختلال التوازن بين الجانبين المباشر والمتغير، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة وحدات IGBT.

• الأضرار المحددة:

• قطع الاتصال مع الشبكة: في مزرعة رياح حيث THDv = 7%، قطعت 20 وحدة من المحوّلات بقدرة 1.5 ميجاوات الاتصال بنفس الوقت، مما أدى إلى فقدان أكثر من 100,000 كيلوواط ساعة من الطاقة الرياحية في يوم واحد، بتكلفة حوالي 50,000 يوان في الإيرادات الضائعة.

• احتراق IGBT: يزيد التشغيل طويل الأمد تحت التوافقيات من خسائر التحويل في وحدات IGBT (المكون الرئيسي)، مما يرفع درجة الحرارة فوق 150 درجة مئوية، مما يزيد خطر "الفشل الحراري". تتجاوز تكلفة إصلاح كل محوّلة 100,000 يوان.

4. معدات التحكم: تشويه العينة، أعطال النظام

تعتبر معدات التحكم "الدماغ والنظام العصبي" للشبكة. يتسبب THD الزائد في تشويه بيانات العينة ونقل الأوامر بشكل غير طبيعي. الأجهزة الرئيسية المتضررة: مفاتيح الحماية، أنظمة الاتصال التلقائي.

4.1 مفاتيح الحماية (التيار الزائد / الحماية التفاضلية)

• آلية الأضرار: تتسبب التوافقيات الحالية في شبع مؤقت لـ CTs، مما يشوّه شكل الموجة الخارجة للتيار (مثل الموجات ذات القمم المسطحة)، مما يجعل خوارزميات الحماية تخطئ في تقدير السعة والطور، مما يؤدي إلى تشغيل خاطئ. قد تتدخل التوافقيات الجهدية أيضًا في مصادر الطاقة لمفاتيح الحماية، مما يسبب أعطال في دوائر المنطق.

• الأضرار المحددة:

• تشغيل خاطئ: تعرضت شبكة توزيع حيث THDi = 12% لتشويه في إخراج CT بسبب الشبع، مما أدى إلى اكتشاف حماية التيار الزائد خاطئة لـ "قصيرة في الخط" وفصل 10 خطوط تغذية، مما قطع الكهرباء عن 20,000 منزل لمدة 4 ساعات، مما أدى إلى خسائر اقتصادية غير مباشرة تتجاوز 2 مليون يوان.

• فشل في التشغيل: إذا تسبب التدخل التوافقي في تذبذب الجهد بمقدار ±10% في مصدر طاقة مفتاح الحماية، قد يتوقف دارة المنطق عن العمل، مما يؤدي إلى فشل التشغيل أثناء الأعطال الحقيقية، مما يسمح بالتدهور في الأعطال.

4.2 أجهزة الاتصال التلقائي (RS485 / وحدات الألياف)

• آلية الأضرار: تتداخل الإشعاعات الكهرومغناطيسية من التوافقيات (مثل 10V/m تداخل RF) في خطوط الاتصال، مما يؤدي إلى "قلب البتات" في نقل البيانات. تؤدي التوافقيات الجهدية أيضًا إلى زيادة أخطاء التزامن في وحدات الساعة.

• الأضرار المحددة:

• زيادة معدل الخطأ البت: نتيجة للتدخل التوافقي، ارتفع معدل الخطأ البت في نظام التحكم التلقائي RS485 من 10⁻⁶ إلى 10⁻³، مما أدى إلى تأخير أو فقدان أوامر التحكم (مثل "تعديل التبديل الكاباسيتوري").

• احتراق الوحدات: يمكن أن يتسبب التوافقيات عالية التردد في تكسر دوائر العزل الإشاري (مثل الأوبتوكوبلرز) في وحدات الاتصال، مما يؤدي إلى الفشل. تضررت 8 وحدات ألياف في محطة واحدة خلال شهر واحد بسبب التداخل التوافقي الخامس.

5. المعدات المستخدمة في النهاية: تدهور الأداء، حوادث الإنتاج

تمثل المعدات المستخدمة في النهاية "الحمل النهائي" للشبكة. تتأثر المعدات الصناعية والدقيقة بشكل كبير بـ THD الزائد. الأجهزة الرئيسية المتضررة: المحركات الصناعية، المعدات الدقيقة (أجهزة الليثوغرافيا / أجهزة الرنين المغناطيسي الطبية).

5.1 المحركات الصناعية (محركات الاستقراء / المحركات المتزامنة)

• آلية الأضرار: يولد الجهد التوافقي "تيارات توافقية" في ملفات الوشيعة للمحرك، مما يشكل "حقول مغناطيسية دورانية سلبية". عندما يتم تراكبه مع المجال الأساسي، ينتج "عزم كبح"، مما يؤدي إلى تذبذب السرعة وز