THD Overbelasting: Hoe harmonischen elektrische apparatuur vernietigen
Wanneer de werkelijke net-THD de limieten overschrijdt (bijv. spanning THDv > 5%, stroom THDi > 10%), veroorzaakt dit organische schade aan apparatuur in de hele energieketen — Transmissie → Distributie → Generatie → Controle → Verbruik. De kernmechanismen zijn extra verliezen, resonantie-overstroom, fluctuaties in koppel en samplingvervorming. Schademechanismen en manifestaties variëren aanzienlijk per type apparatuur, zoals hieronder gedetailleerd beschreven:
1. Transmissieapparatuur: Oververhitting, veroudering en drastisch verminderde levensduur
Transmissieapparatuur draagt direct de netstroom/spanning. Harmonischen verergeren energieverliezen en isolatieafbraak. Belangrijkste beïnvloede componenten zijn transmissielijnen (kabels/bovengronds) en stroomtransformatoren (CT's).
1.1 Transmissielijnen (Kabels / Bovengrondse Lijnen)
Schademechanisme: Hogere harmonische frequenties versterken het "skin-effect" (hoogfrequente stromen concentreren zich op de geleideroppervlakte, waardoor de effectieve doorsnede afneemt), wat de lijnweerstand verhoogt. Extra koperverliezen nemen toe met het kwadraat van de harmonische orde (bijv. 5e harmonische koperverlies is 25× dat van de grondtoon).
Specifieke schade:
Oververhitting: Bij THDi = 10% nemen de koperverliezen toe met 20%-30% ten opzichte van de nominale omstandigheden. De kabeltemperatuur kan stijgen van 70°C naar 90°C (overschrijding van de isolatietolerantie), wat de veroudering en barstvorming van isolatielaagjes (bijv. XLPE) versnelt.
Verkorte levensduur: Langdurige oververhitting reduceert de kabellevensduur van 30 jaar tot 15–20 jaar, wat potentiële "isolatiebreuk" en kortsluitfouten kan veroorzaken. (Een industriepark brandde twee 10kV-kabels binnen een jaar door te veel 3e harmonische, met reparatiekosten van meer dan 800.000 RMB.)
1.2 Stroomtransformatoren (CT's)
Schademechanisme: Harmonische stromen (vooral 3e en 5e) veroorzaken "transiente verzadiging" van CT-ijzerkernen, wat hysteresis- en wervelstroomverliezen (extra ijzerverliezen) aanzienlijk verhoogt. Verzadiging vervormt de secundaire zijde uitgangswaveform, waardoor de primaire stroom niet nauwkeurig wordt weergegeven.
Specifieke schade:
Kernoververhitting: De CT-kern temperatuur kan 120°C overschrijden, waardoor de isolatie van de secundaire windingen verbrandt en ratio-onnauwkeurigheden optreden.
Beschermingsfout: Gevervormde secundaire stroom leidt ertoe dat beschermingsrelais (bijv. overstromingsbescherming) valse "lijnkortsluitingen" detecteren, wat valse uitschakelingen veroorzaakt. (Een distributienetwerk ervoer 10 voedertrips door CT-verzadiging, waardoor 20.000 huishoudens werden getroffen.)
2. Distributieapparatuur: Frequent falen, instorting van systeemstabiliteit
Distributieapparatuur is cruciaal voor het "verbinden van upstream en downstream" in het net. Wanneer THD de limieten overschrijdt, veroorzaakt dit de meest directe schade. Belangrijkste beïnvloede apparaten zijn krachttransformatoren, condensatorbanken en reactors.
2.1 Krachttransformatoren (Distributie / Hoofdtransformatoren)
Schademechanisme: Harmonische spanningen verhogen magnetische hysteresis- en wervelstroomverliezen in transformatorijzers (extra ijzerverliezen); harmonische stromen verhogen de koperverliezen in de windingen. Samen genomen verhogen deze de totale verliezen aanzienlijk. Ongelijke driefase-harmonischen verhogen ook de neutrale stroom (tot 1,5× fasestroom), waardoor lokale oververhitting erger wordt.
Specifieke schade:
Kernoververhitting: Bij THDv = 8% nemen de transformatorijzerverliezen toe met 15%-20%. De kerntemperatuur stijgt van 100°C naar 120°C, wat de afbraak van isolatieolie (bijv. 25# transformatorolie) versnelt, de zuurgraad verhoogt en de diëlektrische sterkte vermindert.
Windingbrand: Langdurige oververhitting koolstoft de winding-isolatiepapier (bijv. Nomex), wat leidt tot kortsluitingen. Een 110kV hoofdtransformator in een onderstation had na 3 jaar een windingkortsluiting door te veel 5e harmonische, met reparatiekosten van meer dan 5 miljoen RMB.
Verkorte levensduur: Prolonged THD reduces transformer lifespan from 20 years to 10–12 years.
2.2 Parallelle condensatorbanken (voor reactieve vermogenscompensatie)
Schademechanisme: Capacitieve reactantie neemt af met frequentie (Xc = 1/(2πfC)), dus hoge-frequentie harmonischen veroorzaken overstroom. Als condensatoren "harmonische resonantie" vormen met de netinductie (bijv. 5e-orde resonantie), kan de stroom toenemen tot 3–5× de nominale waarde—ver weg van de condensatorratings.
Specifieke schade:
Isolatiebreuk: Overstroom verwarmt interne dielectrica (bijv. polypropyleenfolie), wat leidt tot doorboring, opbollen of zelfs ontploffing. (Een industriële werkplaats beschadigde drie 10kV-condensatorbanken binnen een maand door 7e harmonische resonantie; vervangingskosten per bank bedroegen meer dan 150.000 RMB.)
Beschermingsfout: Resonantiestromen verbranden veiligheidslinken; als de bescherming niet werkt, neemt het brandrisico toe.
2.3 Serie-reactors (voor harmonische onderdrukking)
Schademechanisme: Hoewel gebruikt om specifieke harmonischen te onderdrukken (bijv. 3e, 5e), lijden reactors onder langdurige harmonische stroom aan toegenomen koperverliezen in de windingen. Pulsatiemagnetische velden van harmonischen versterken ook de kernvibratie, wat mechanische slijtage veroorzaakt.
Specifieke schade:
Windingoververhitting: Bij THDi = 12% nemen de reactor koperverliezen meer dan 30% toe; windingtemperaturen overschrijden 110°C, waardoor isolatievernis koolstoft en afbladdert.
Kerngeluid & slijtage: Vibratiefrequentie koppelt met harmonischen, wat luid geluid produceert (>85 dB). Langdurige vibratie los siliconstaal laminaties, wat de permeabiliteit vermindert en harmonische onderdrukking onwerkzaam maakt.
3. Generatieapparatuur: Uitvoerbeperking, stijgende veiligheidsrisico's
Generatieapparatuur is de "energiebron" van het net. Te veel THD heeft negatieve invloed op de operationele stabiliteit. Belangrijkste beïnvloede apparaten: synchrone generatoren, hernieuwbare inverters (PV/wind).
3.1 Synchrone generatoren (Thermisch/Hydro-elektrisch)
Schademechanisme: Net-harmonischen voeden terug in de generator statorwindingen, waardoor "harmonische elektromagnetische koppel" ontstaat. Supergelegd op de grondtoonkoppel vormt dit "pulsatiemoment", wat trillingen verhoogt. Harmonische stromen verhogen ook de stator koperverliezen, wat lokale oververhitting veroorzaakt.
Specifieke schade:
Uitvoerverminderd: Een 300MW-eenheid bij THDv = 6% ervaart ±0,5% snelheidsfluctuaties door pulsatiemoment, wat de uitvoer onder 280MW brengt, wat de efficiëntie met 5%-8% vermindert.
Windingoververhitting: De statortemperatuur kan 130°C bereiken (overschrijding van de klasse A-isolatie limiet van 105°C), wat de isolatieveroudering versnelt en risico op spoel-kortsluitingen neemt toe.
Lagerslijtage: Toegenomen trillingen versnellen de lagerslijtage (bijv. glijdlager), wat de levensduur van 5 jaar tot 2–3 jaar reduceert.
3.2 Hernieuwbare inverters (PV / Wind)
Schademechanisme: Inverters zijn gevoelig voor net-THD (volgens GB/T 19964-2012). Als de aansluiting THDv > 5%, activeert de inverter "harmonische bescherming" om schade te voorkomen. Bovendien veroorzaakt harmonische spanning een vermogensonevenwicht tussen DC- en AC-zijde, wat IGBT-module oververhitting veroorzaakt.
Specifieke schade:
Netverbinding verbroken: In een windpark met THDv = 7% verbraken 20 eenheden van 1,5MW-inverters tegelijk, waardoor meer dan 100.000 kWh windenergie in één dag werd verlaten, met een verlies van ~50.000 RMB aan inkomsten.
IGBT-brand: Langdurig gebruik onder harmonische stromen verhoogt schakelverliezen in IGBT-modules (core-component), waardoor de temperatuur boven 150°C komt, wat "thermische doorbraak" risico vergroot. Reparatiekosten per inverter bedragen meer dan 100.000 RMB.
4. Controleapparatuur: Samplingvervorming, systeemfouten
Controleapparatuur fungeert als de "hersenen en zenuwstelsel" van het net. Te veel THD veroorzaakt vervormde samplingdata en abnormale commandotransmissie. Belangrijkste beïnvloede apparaten: beschermingsrelais, automatiseringcommunicatiesystemen.
4.1 Beschermingsrelais (Overstroming / Differentiële bescherming)
Schademechanisme: Harmonische stromen veroorzaken tijdelijke CT-verzadiging, waardoor gesampled stroomwaveforms (bijv. platte toppen) vervormd raken, wat bescherming-algoritmen ertoe leidt de amplitude en fase foutief te beoordelen, wat onjuiste acties activeert. Harmonische spanningen kunnen ook de relaisvoedingstoren, wat logische circuitfouten veroorzaakt.
Specifieke schade:
Foute uitschakeling: Een distributienetwerk met THDi = 12% ervoer CT-uitslag door verzadiging, waardoor overstromingsbescherming foute "lijnkortsluiting" detecteerde en 10 voeders uitschakelde, waardoor 20.000 huishoudens 4 uur zonder stroom zaten, met indirecte economische verliezen van meer dan 2 miljoen RMB.
Geen uitschakeling: Als harmonische interferentie ±10% spanningsschommeling in de relaisvoeding veroorzaakt, kan het logische circuit crashen, waardoor het niet uitschakelt tijdens echte storingen, wat de storing laat escaleren.
4.2 Automatiseringscommunicatieapparatuur (RS485 / Glasvezelmodules)
Schademechanisme: Elektromagnetische straling van harmonische (bijv. 10V/m RF-interferentie) koppelt in communicatielijnen, waardoor "bitflips" in datatransmissie ontstaan. Harmonische spanningen verstoren ook klokmodules, wat synchronisatiefouten verhoogt.
Specifieke schade:
Toegenomen bitfoutpercentage: Door harmonische interferentie steeg het RS485-communicatie bitfoutpercentage in een distributieautomatiseringssysteem van 10⁻⁶ naar 10⁻³, wat dispatch-commando's (bijv. "capaciteitswitching aanpassen") vertraagt of verliest.
Modulebrand: Hogefrequente harmonische kunnen signaalisolatiecircuits (bijv. optokoppelaars) in communicatiemodules doen breken, wat faalt. Een onderstation vernietigde 8 glasvezelmodules binnen een maand door 5e harmonische interferentie.
5. Eindgebruiksapparatuur: Prestatieverval, productie-incidenten
Eindgebruiksapparatuur vertegenwoordigt de "terminale belasting" van het net. Industriële en precisie-apparatuur lijden het meest onder te veel THD. Belangrijkste beïnvloede apparaten: industriële motoren, precisie-apparatuur (lithografie-machines / medische MRI).
5.1 Industriële motoren (Inductie / Synchrone motoren)
Schademechanisme: Harmonische spanning genereert "harmonische stromen" in motorstatorwindingen, waardoor "negatieve sequentie rotatievelden" ontstaan. Wanneer deze worden supergelegd op het grondtoonveld, produceren ze "remmoment", wat snelheidsfluctuaties en toegenomen trillingen veroorzaakt. Harmonische stromen verhogen ook de stator/rotor koperverliezen, wat tot algemene oververhitting leidt.
Specifieke schade:
Efficiëntieverval: Een 100kW-inductiemotor bij THDv = 7% ziet de efficiëntie dalen van 92% naar onder 85%, waardoor jaarlijks meer dan 50.000 kWh extra verbruikt wordt (bij 0,6 yuan/kWh, extra elektriciteitskosten: 30.000 yuan/jaar).
Brand: Een staalfabriek's rollende molenmotor brandde twee keer binnen zes maanden door langdurige 7e harmonische blootstelling; de statortemperatuur bereikte 140°C. Vervangingskosten per motor bedroegen meer dan 2 miljoen RMB.
Trilling & Geluid: Motor trillingsversnelling nam toe van 0,1g naar 0,5g, geluid overschreed 90dB, wat de werkomgeving beïnvloedde en de funderingsslijtage versnelde.
5.2 Precisie-apparatuur (Semi-conductor lithografie-machines / Medische MRI)
Schademechanisme: Deze apparaten vereisen extreem schone spanning (THDv ≤ 2%). Harmonische verhogen de ripple in interne voedingen en verlagen de ADC-samplingnauwkeurigheid, waardoor de functionaliteit uiteindelijk wordt aangetast.
Specifieke schade:
Nauwkeurigheidverlies: Een semi-conductor lithografie-machine bij THDv = 4% zag de laserpositiënauwkeurigheid dalen van 0,1μm naar 0,3μm, waardoor de waferopbrengst daalde van 95% naar 80%, wat meer dan 500.000 yuan per dag in productiewaarde verloor.
Apparaat stilgezet: Harmonische veroorzaakten stroomfluctuaties in MRI-gradientspoelen, waardoor geen heldere beelden konden worden gemaakt, wat tot stilleggingen leidde. (Een ziekenhuis stopte MRI-operaties voor 2 dagen door te veel 3e harmonische, waardoor meer dan 100.000 yuan aan diagnose-inkomsten verloren ging.)
Samenvatting: Kernregels van THD-geïnduceerde apparatuurschade
Inductieve apparatuur (Transformatoren, Motoren, Reactors): Vaatbaar voor "Extra verliezen" — harmonische verhogen ijzer/koperverliezen, met oververhitting en veroudering als primaire schade.
Capacitieve apparatuur (Condensatoren): Vaatbaar voor "Resonantie-overstroom" — harmonische veroorzaken gemakkelijk resonantie, met overstroom-geïnduceerde isolatiebreuk als primaire schade.
Controleapparatuur (Relais, Communicatiesystemen): Vaatbaar voor "Samplingvervorming" — harmonische vervormen data, wat leidt tot foute acties of gebrek aan actie.
Precisie-apparatuur (Lithografie-machines, MRI): Vaatbaar voor "Waveformvervorming" — harmonische verhogen spanningripple, wat nauwkeurigheid doet afnemen.
Daarom moeten elektriciteitsnetwerken een dubbele strategie hanteren:
"Harmonische monitoring (controle THD-meetfout ≤ ±0,5%) + Actieve filtering (APF) / Passieve filtering"
om THDv binnen de nationale standaardlimiet van 5% te houden, waardoor apparatuurschade aan de bron wordt voorkomen.
