THD Overload: Paano Ang Harmonics Nagpapabigat sa Pagsira ng mga Equipment na May Kaugnayan sa Power
Kapag ang Aktwal na Grid THD ay Lumampas sa Limitasyon (halimbawa, Voltage THDv > 5%, Current THDi > 10%), ito ay Dumedeha sa Pagsasara ng mga Equipment sa Buong Power Chain — Transmission → Distribution → Generation → Control → Consumption. Ang mga Pangunahing Mekanismo ay Karagdagang Pagkawala, Resonant Overcurrent, Fluctuations ng Torque, at Sampling Distortion. Ang Mga Mekanismo ng Dumedeha at Manifestations ay Malaking Variance batay sa Uri ng Equipment, bilang Detalyado sa Ibababa:
1. Transmission Equipment: Sobrang Mainit, Pagtanda, at Drastically Reduced Lifespan
Ang transmission equipment ay direktang nagdadala ng grid current/voltage. Nagpapalubha ang harmonics ng energy losses at pagkasira ng insulation. Ang mga pangunahing naapektuhan na komponente ay ang transmission lines (cables/overhead) at current transformers (CTs).
1.1 Transmission Lines (Cables / Overhead Lines)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang mas mataas na frequency ng harmonics ay nagpapalakas ng "skin effect" (ang high-frequency currents ay nakumpol sa ibabaw ng conductor, pababain ang effective cross-sectional area), tumataas ang resistance ng linya. Ang karagdagang copper losses ay tumaas sa square ng harmonic order (halimbawa, ang 5th harmonic copper loss ay 25× kaysa sa fundamental).
Partikular na Dumedeha:
Sobrang Mainit: Sa THDi = 10%, ang copper losses ay tumaas ng 20%-30% kumpara sa rated conditions. Ang temperatura ng cable ay maaaring tumaas mula 70°C hanggang 90°C (lumampas sa tolerance ng insulation), nagpapabilis ng pagtanda at pagkasira ng insulation layers (halimbawa, XLPE).
Maikling Lifespan: Ang matagal na sobrang mainit ay binabawasan ang buhay ng cable mula 30 taon hanggang 15–20 taon, maaari sanang magdulot ng "insulation breakdown" at short-circuit faults. (Isang industrial park ay nasunog ang dalawang 10kV cables sa loob ng isang taon dahil sa excessive 3rd harmonic, nagresulta ng higit sa 800,000 RMB sa repair costs.)
1.2 Current Transformers (CTs)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang harmonic currents (lalo na ang 3rd at 5th) ay nagdudulot ng "transient saturation" ng CT iron cores, tumaas ang hysteresis at eddy current losses (karagdagang iron losses). Ang saturation ay nagdistort ng secondary-side output waveform, hindi na accurate ang representation ng primary current.
Partikular na Dumedeha:
Overheating ng Core: Ang temperatura ng CT core maaaring lumampas sa 120°C, sinisingaw ang insulation sa secondary windings at nagdudulot ng ratio inaccuracies.
Misoperation ng Protection: Ang distorted secondary current ay nagdudulot sa protective relays (halimbawa, overcurrent protection) na mali-maling detektin ang "line short circuits," nagtrigger ng false tripping. (Isang distribution network ay naranasan ang 10 feeder trips dahil sa CT saturation, naapektuhan ang 20,000 households.)
2. Distribution Equipment: Maraming Pagkasira, Collapsing ng System Stability
Ang distribution equipment ay mahalaga para sa "connecting upstream and downstream" sa grid. Ang THD na lumampas sa limit ay nagdudulot ng pinakadirekta na dumedeha. Ang mga pangunahing naapektuhan na device ay kinabibilangan ng power transformers, capacitor banks, at reactors.
2.1 Power Transformers (Distribution / Main Transformers)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang harmonic voltages ay tumataas ng magnetic hysteresis at eddy current losses sa transformer cores (karagdagang iron losses); ang harmonic currents ay tumataas ng winding copper losses. Kombinado, ito ay malaki na nagpapataas ng total losses. Ang unbalanced three-phase harmonics din ay tumataas ng neutral current (hanggang 1.5× phase current), nagpapahirap ng localized overheating.
Partikular na Dumedeha:
Overheating ng Core: Sa THDv = 8%, ang transformer iron losses ay tumaas ng 15%-20%. Tumaas ang temperatura ng core mula 100°C hanggang 120°C, nagpapabilis ng pagkasira ng insulating oil (halimbawa, 25# transformer oil), tumaas ang acidity, at bumababa ang dielectric strength.
Winding Burnout: Ang matagal na sobrang mainit ay carbonizes ang winding insulation paper (halimbawa, Nomex), nagdudulot ng short circuits. Isang substation's 110kV main transformer ay naranasan ang winding short after 3 years dahil sa excessive 5th harmonic, na may repair costs na lumampas sa 5 million RMB.
Maikling Lifespan: Ang matagal na THD ay binabawasan ang transformer lifespan mula 20 taon hanggang 10–12 taon.
2.2 Shunt Capacitor Banks (para sa Reactive Power Compensation)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang capacitive reactance ay bumababa kasama ang frequency (Xc = 1/(2πfC)), kaya ang mataas na frequency ng harmonics ay nagdudulot ng overcurrent. Kung ang capacitors ay nabuo ng "harmonic resonance" sa grid inductance (halimbawa, 5th-order resonance), ang current ay maaaring tumaas hanggang 3–5× rated value—hindi pa rin sapat ang ratings ng capacitor.
Partikular na Dumedeha:
Insulation Breakdown: Ang overcurrent ay naginit ang internal dielectrics (halimbawa, polypropylene film), nagdudulot ng puncture, bulging, o kahit explosion. (Isang industrial workshop ay narinig ang tatlong 10kV capacitor banks sa loob ng isang buwan dahil sa 7th harmonic resonance; ang replacement cost per bank ay lumampas sa 150,000 RMB.)
Pagsasara ng Protection: Ang resonant currents ay sinisingaw ang fuse links; kung ang protection ay hindi gumana, tumaas ang panganib ng sunog.
2.3 Series Reactors (para sa Harmonic Suppression)
Mekanismo ng Dumedeha: Bagaman ginagamit para suppresyon ng specific harmonics (halimbawa, 3rd, 5th), ang reactors ay may tumaas na winding copper losses sa ilalim ng matagal na harmonic current. Ang pulsating magnetic fields mula sa harmonics din ay nagpapalakas ng core vibration, nagdudulot ng mechanical wear.
Partikular na Dumedeha:
Overheating ng Winding: Sa THDi = 12%, ang reactor copper losses ay tumaas ng higit sa 30%; ang temperatura ng winding ay lumampas sa 110°C, nagcarbonize at nagflake off ang insulation varnish.
Core Noise & Wear: Ang frequency ng vibration ay coupled sa harmonics, nagdudulot ng malaking ingay (>85 dB). Ang matagal na vibration ay nagloosen ng silicon steel laminations, binabawasan ang permeability at walang epekto ang harmonic suppression.
3. Generation Equipment: Output Limitation, Tumataas na Safety Risks
Ang generation equipment ay ang "energy source" ng grid. Ang excessive THD ay negatibong nagapekto sa operational stability. Ang mga pangunahing naapektuhan na device: synchronous generators, renewable inverters (PV/wind).
3.1 Synchronous Generators (Thermal/Hydro Plants)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang grid harmonics ay back-feed sa generator stator windings, nagbuo ng "harmonic electromagnetic torque." Kapag superimposed sa fundamental torque, ito ay nagform ng "pulsating torque," nagdudulot ng tumaas na vibration. Ang harmonic currents din ay tumaas ng stator copper losses, nagdudulot ng localized overheating.
Partikular na Dumedeha:
Binabawasan ang Output: Ang 300MW unit sa THDv = 6% ay naranasan ang ±0.5% speed fluctuation dahil sa pulsating torque, binabawasan ang output sa ibaba ng 280MW, binabawasan ang efficiency ng 5%-8%.
Overheating ng Winding: Ang temperatura ng stator maaaring tumaas hanggang 130°C (lumampas sa Class A insulation limit ng 105°C), nagpapabilis ng pagtanda ng insulation at nagpapanganak ng turn-to-turn short circuits.
Bearing Wear: Ang tumaas na vibration ay nagpapabilis ng bearing (halimbawa, sleeve bearing) wear, binabawasan ang lifespan mula 5 taon hanggang 2–3 taon.
3.2 Renewable Inverters (PV / Wind)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang inverters ay sensitibo sa grid THD (ayon sa GB/T 19964-2012). Kung ang point-of-interconnection THDv > 5%, ang inverter ay trigger ng "harmonic protection" upang iwasan ang dumedeha. Bukod dito, ang harmonic voltage ay nagdudulot ng imbalance ng power sa pagitan ng DC at AC sides, nagdudulot ng IGBT module overheating.
Partikular na Dumedeha:
Grid Disconnection: Sa isang wind farm na may THDv = 7%, 20 units ng 1.5MW inverters ay disconnected simultaneously, iniwan ang higit sa 100,000 kWh ng wind energy sa isang araw, nagresulta ng ~50,000 RMB sa lost revenue.
IGBT Burnout: Ang matagal na operasyon sa ilalim ng harmonics ay nagdudulot ng tumaas na switching losses sa IGBT modules (core component), tumaas ang temperatura sa ibabaw ng 150°C, nagpapanganak ng "thermal breakdown." Ang repair cost per inverter ay lumampas sa 100,000 RMB.
4. Control Equipment: Sampling Distortion, System Malfunctions
Ang control equipment ay gumanap bilang ang "brain and nervous system" ng grid. Ang excessive THD ay nagdudulot ng distorted sampling data at abnormal command transmission. Ang mga pangunahing naapektuhan na device: protective relays, automation communication systems.
4.1 Protective Relays (Overcurrent / Differential Protection)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang harmonic currents ay nagdudulot ng transient CT saturation, nagdistort ng sampled current waveforms (halimbawa, flat-topped waves), nagdudulot sa protection algorithms na mali-maling judge ang amplitude at phase, nagtrigger ng incorrect actions. Ang harmonic voltages din ay maaaring makipaginteract sa relay power supplies, nagdudulot ng logic circuit malfunctions.
Partikular na Dumedeha:
False Tripping: Isang distribution network na may THDi = 12% ay naranasan ang distorted CT output dahil sa saturation, nagdulot ng overcurrent protection na mali-maling detect ang "line short circuit" at trip 10 feeders, cutting power sa 20,000 households para sa 4 oras, nagresulta ng indirect economic losses na lumampas sa 2 million RMB.
Failure to Trip : Kung ang harmonic interference ay nagdulot ng ±10% voltage fluctuation sa relay’s power supply, ang logic circuit maaaring crash, hindi gumana sa actual faults, nagpapahintulot ng fault escalation.
4.2 Automation Communication Devices (RS485 / Fiber Modules)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang electromagnetic radiation mula sa harmonics (halimbawa, 10V/m RF interference) ay coupled sa communication lines, nagdudulot ng "bit flips" sa data transmission. Ang harmonic voltages din ay nagdisrupt sa clock modules, nagdudulot ng tumaas na synchronization errors.
Partikular na Dumedeha:
Tumaas na Bit Error Rate: Dahil sa harmonic interference, ang RS485 communication bit error rate sa isang distribution automation system ay tumaas mula 10⁻⁶ hanggang 10⁻³, nagdelay o nawalan ng dispatch commands (halimbawa, "adjust capacitor switching").
Module Burnout: Ang mataas na frequency ng harmonics ay maaaring break down signal isolation circuits (halimbawa, optocouplers) sa communication modules, nagdudulot ng failure. Isang substation ay destroyed 8 fiber modules sa loob ng isang buwan dahil sa 5th harmonic interference.
5. End-Use Equipment: Performance Degradation, Production Accidents
Ang end-use equipment ay kumakatawan sa ang "terminal load" ng grid. Ang industrial at precision equipment ang pinaka-seryosong naapektuhan ng excessive THD. Ang mga pangunahing naapektuhan na device: industrial motors, precision equipment (lithography machines / medical MRI).
5.1 Industrial Motors (Induction / Synchronous Motors)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang harmonic voltage ay nagbuo ng "harmonic currents" sa motor stator windings, nagform ng "negative sequence rotating magnetic fields." Kapag superimposed sa fundamental field, ito ay nagproduce ng "braking torque," nagdudulot ng speed fluctuations at tumaas na vibration. Ang harmonic currents din ay tumaas ng stator/rotor copper losses, nagdudulot ng overall overheating.
Partikular na Dumedeha:
Efficiency Drop: Ang 100kW induction motor sa THDv = 7% ay naranasan ang drop sa efficiency mula 92% hanggang sa ibaba ng 85%, nakonsumo ng higit sa 50,000 kWh extra annually (sa 0.6 yuan/kWh, additional electricity cost: 30,000 yuan/year).
Burnout: Ang rolling mill motor ng isang steel plant ay narinig ng dalawang beses sa loob ng anim na buwan dahil sa prolonged 7th harmonic exposure; ang temperatura ng stator ay tumaas hanggang 140°C. Ang replacement cost per motor ay lumampas sa 2 million RMB.
Vibration & Noise: Ang acceleration ng motor vibration ay tumaas mula 0.1g hanggang 0.5g, ang noise ay lumampas sa 90dB, nagapekto sa working environment at nagpapabilis ng foundation wear.
5.2 Precision Equipment (Semiconductor Lithography Machines / Medical MRI)
Mekanismo ng Dumedeha: Ang mga device na ito ay nangangailangan ng napakalinis na voltage (THDv ≤ 2%). Ang harmonics ay nagdudulot ng tumaas na ripple sa internal power supplies at binabawasan ang ADC sampling accuracy, sa huli ay nagdudulot ng pagkasira ng functionality.
Partikular na Dumedeha:
Loss of Precision: Ang semiconductor lithography machine sa THDv = 4% ay naranasan ang pagbaba ng laser positioning accuracy mula 0.1μm hanggang 0.3μm, binabawasan ang wafer yield mula 95% hanggang 80%, nagresulta ng higit sa 500,000 yuan sa output value per day.
Equipment Shutdown: Ang harmonics ay nagdulot ng current fluctuations sa MRI gradient coils, nagprevented ng clear imaging, nagforce ng shutdowns. (Isang hospital ay hinalili ang MRI operations para sa 2 araw dahil sa 3rd harmonic excess, nagresulta ng higit sa 100,000 yuan sa lost diagnostic revenue.)
Summary: Core Rules of THD-Induced Equipment Damage
Inductive Equipment (Transformers, Motors, Reactors): Vulnerable sa "Additional Losses" — ang harmonics ay nagdudulot ng tumaas na iron/copper losses, ang sobrang mainit at pagtanda ang pangunahing dumedeha.
Capacitive Equipment (Capacitors): Vulnerable sa "Resonant Overcurrent" — ang harmonics ay madaling trigger ng resonance, ang overcurrent-induced insulation breakdown ang pangunahing dumedeha.
Control Equipment (Relays, Communication Systems): Vulnerable sa "Sampling Distortion" — ang harmonics ay nagdistort ng data, nagdudulot ng misoperations o failures to operate.
Precision Equipment (Lithography Machines, MRI): Vulnerable sa "Waveform Distortion" — ang harmonics ay nagdudulot ng tumaas na voltage ripple, nagdudulot ng loss of accuracy.
Kaya, ang mga power grids ay dapat mag-adopt ng dual strategy:
"Harmonic Monitoring (controlling THD measurement error ≤ ±0.5%) + Active Filtering (APF) / Passive Filtering"
upang panatilihin ang THDv sa national standard limit ng 5%, upang maiwasan ang dumedeha ng equipment sa pinagmulan.
