THD Overbelastning: Hvordan harmonier ødelegger strømtiltak

Når faktisk nett THD overskrider grenser (f.eks., spenning THDv > 5%, strøm THDi > 10%), forårsaker det organiske skader på utstyr langs hele kraftkjetten — Overføring → Distribusjon → Generering → Kontroll → Forbruk. De sentrale mekanismene er ekstra tap, resonans overstrømning, dreiemomentfluktuerasjoner og prøvetakingssvikt. Skademekanismer og manifestasjoner varierer betydelig etter utstyrs type, som detaljeres nedenfor:

1. Overføringsutstyr: Overoppvarming, aldring og drastisk redusert levetid

Overføringsutstyr bærer direkte nettestrøm/spenning. Harmoniske forverrer energitap og isoleringsdegenerasjon. De viktigste berørte komponentene er overføringslinjer (kabler/luftledninger) og strømtransformatorer (CTs).

1.1 Overføringslinjer (Kabler / Luftledninger)

• Skademekanisme: Høyere harmoniske frekvenser forsterker "hudvirkningen" (høyfrekvente strømmer konsentrerer seg på ledningsoverflaten, reduserer effektiv tverrsnittsareal), øker linjeimpedansen. Ekstra kobbertap øker med kvadratet av harmonisk orden (f.eks., 5. harmonisk kobbertap er 25× den grunnleggende).

• Spesifikke skader:

• Overoppvarming: Ved THDi = 10%, øker kobbertapene med 20%-30% sammenlignet med nominell tilstand. Kabltemperatur kan stige fra 70°C til 90°C (overskrider isolerings toleranse), forskynder aldring og sprøhet av isoleringslag (f.eks., XLPE).

• Forshortet levetid: Lengrevarig overoppvarming reduserer kabllivet fra 30 år til 15–20 år, potensielt forårsaker "isoleringssammenbrudd" og kortslutningsfeil. (Et industriområde brant to 10kV kabler innen ett år på grunn av excessiv 3. harmonisk, kostet over 800 000 RMB i reparasjoner.)

1.2 Strømtransformatorer (CTs)

• Skademekanisme: Harmoniske strømmer (spesielt 3. og 5.) forårsaker "midlertidig mattsättelse" av CT-jernkjerner, øker hysteresis og induksjonskrefter (ekstra jernetap). Mattsättelse forvrenger sekundærsiden outputbølgeform, hindrer nøyaktig representasjon av primærstrøm.

• Spesifikke skader:

• Kjerneoveroppvarming: CT-kjerntemperatur kan overstige 120°C, brenner isolering på sekundære vindinger og forårsaker ratiounøyaktigheter.

• Beskyttelsesmisfunksjon: Forvrettede sekundærstrøm fører beskyttelsesreléer (f.eks., overstrømingsbeskyttelse) til feilaktig oppdaging av "linjesammenslutning", utløser falsk utslag. (Et distribusjonsnett opplevde 10 feederutslag på grunn av CT-mattsättelse, påvirket 20 000 husholdninger.)

2. Distribusjonsutstyr: Hyppige feil, systemstabilitetsnedbrytning

Distribusjonsutstyr er kritisk for "å koble opp- og nedstrøms" i nettet. THD som overskrider grenser forårsaker mest direkte skade. Viktigst berørte enheter inkluderer krafttransformatorer, kondensatorbanker og reaktorer.

2.1 Krafttransformatorer (Distribusjon / Hovedtransformatorer)

• Skademekanisme: Harmoniske spenninger øker magnetiske hysteresis og induksjonskrefter i transformatorkjerner (ekstra jernetap); harmoniske strømmer øker vindingskobbertap. Sammen bidrar disse til å øke totale tap betydelig. Ubalanserte tre-faseharmonikker øker også nøytralstrømmen (opp til 1,5× fasespenning), forverrer lokal overoppvarming.

• Spesifikke skader:

• Kjerneoveroppvarming: Ved THDv = 8%, øker transformatorjernetapene med 15%-20%. Kjerntemperatur stiger fra 100°C til 120°C, forskynder degradasjon av isolerende olje (f.eks., 25# transformatorolje), øker surhet, og reduserer dielektrisk styrke.

• Vindingbrann: Langvarig overoppvarming karboniserer vindingsisolering (f.eks., Nomex), fører til kortslutning. En understations 110kV-hovedtransformator opplevde en vindingkortslutning etter 3 år på grunn av excessiv 5. harmonisk, med repareringskostnader over 5 millioner RMB.

• Redusert levetid: Prolongert THD reduserer transformatorlevekarakter fra 20 år til 10–12 år.

2.2 Parallelle kondensatorbanker (for reaktiv effektjustering)

• Skademekanisme: Kapasitiv reaksjon reduserer med frekvens (Xc = 1/(2πfC)), så høyfrekvente harmonikker inducerer overstrømning. Hvis kondensatorer danner "harmonisk resonans" med nettinduktans (f.eks., 5. ordensresonans), kan strømmen øke til 3–5× nominell verdi—langt over kondensatorratinger.

• Spesifikke skader:

• Isolasjonssammenbrudd: Overstrømning varmer interne dielektrika (f.eks., polypropylenglim), fører til punktering, blodning eller enda eksplosjon. (Et industriarbeidssted skadet tre 10kV kondensatorbanker innen et måned på grunn av 7. harmonisk resonans; erstatningskostnad per bank oversteg 150 000 RMB.)

• Beskyttelsessvikt: Resonansstrømmer brenner ut sikringstråder; hvis beskyttelsen mislykkes, øker brannrisiko.

2.3 Seriereaktorer (for harmonisk demping)

• Skademekanisme: Selv om brukt for å dempe spesifikke harmonikker (f.eks., 3. og 5.), lider reaktorer av økte vindingskobbertap under langvarig harmonisk strøm. Pulsaterende magnetfelt fra harmonikker forsterker kjernestøy, fører til mekanisk slitasje.

• Spesifikke skader:

• Vindingoveroppvarming: Ved THDi = 12%, øker reaktorkobbertapene med over 30%; vindings temperature overstiger 110°C, fører til at isoleringsmalning karboniseres og flakkes av.

• Kjernestøy & Slitasje: Støyfrekvens kobles med harmonikker, produserer høy lyd (>85 dB). Langvarig vibrasjon løsner silisijernlameller, reduserer permeabilitet, gjør harmonisk demping ineffektiv.

3. Genereringsutstyr: Produktionsbegrensning, økte sikkerhetsrisikoer

Genereringsutstyr er "energikilden" i nettet. Excessiv THD har negativ innvirkning på driftsstabilitet. Viktige berørte enheter: synkronmotorer, fornybare inverter (PV/vind).

3.1 Synkronmotorer (Termisk/Vannkraftverk)

• Skademekanisme: Nettet harmonikker gir tilbake til generatorstatorvindinger, skaper "harmonisk elektromagnetisk dreiemoment." Superlagt på grunnleggende dreiemoment, danner dette "pulsaterende dreiemoment," øker vibrasjon. Harmoniske strømmer øker også statorcobbertap, fører til lokal overoppvarming.

• Spesifikke skader:

• Redusert produksjon: En 300MW-enhet ved THDv = 6% opplever ±0,5% hastighetsfluktuerasjon på grunn av pulsaterende dreiemoment, reduserer produksjon under 280MW, reduserer effektivitet med 5%-8%.

• Vindingoveroppvarming: Stator temperatur kan nå 130°C (overskrider klasse A isoleringsgrense på 105°C), forskynder isoleringsaldring, risikerer vendepunkt-till-vendepunkts kortslutning.

• Leirslitasje: Økt vibrasjon forskynder leir (f.eks., sleveleir) slitasje, reduserer levetid fra 5 år til 2–3 år.

3.2 Fornybare inverter (PV / Vind)

• Skademekanisme: Inverterer er følsomme for nett THD (ifølge GB/T 19964-2012). Hvis anslutningspunkt THDv > 5%, utløser inverter "harmonisk beskyttelse" for å unngå skade. I tillegg, harmonisk spenning forårsaker effektubalans mellom DC- og AC-siden, fører til IGBT-moduloveroppvarming.

• Spesifikke skader:

• Nettavkopling: På en vindpark med THDv = 7%, frakoblede 20 enheter av 1,5 MW inverter samtidig, forlot over 100 000 kWh vindenergi i én dag, kostet ~50 000 RMB i tapte inntekter.

• IGBT-brann: Langvarig drift under harmonikker øker skiftetap i IGBT-moduler (kjernekomponent), øker temperatur over 150°C, risikerer "termisk sammenbrudd." Reparasjonskostnad per inverter overstiger 100 000 RMB.

4. Kontrollutstyr: Prøvetakingssvikt, systemfeil

Kontrollutstyr fungerer som "hjernen og nervesystemet" i nettet. Excessiv THD forårsaker forvrettede prøvetakingsdata og uvanlig kommandotransmisjon. Viktige berørte enheter: beskyttelsesreléer, automatisering kommunikasjonssystemer.

4.1 Beskyttelsesreléer (Overstrømings-/Differensialbeskyttelse)

• Skademekanisme: Harmoniske strømmer forårsaker midlertidig CT-mattsättelse, forvretter prøvetatte strømbølgeformer (f.eks., flatt toppet bølger), fører beskyttelsesalgoritmer til å feilaktig vurdere amplitud og fase, utløser feil handlinger. Harmoniske spenninger kan også forstyrre relé strømforsyninger, fører til logikkretsfeil.

• Spesifikke skader:

• Falsk utslag: Et distribusjonsnett med THDi = 12% opplevde forvrettede CT-utdata på grunn av mattsättelse, førte overstrømingsbeskyttelse til feilaktig oppdaging av "linjesammenslutning" og utløste 10 feederutslag, kutte strøm til 20 000 husholdninger i 4 timer, resulterte i indirekte økonomiske tap over 2 millioner RMB.

• Mislykket utslag : Hvis harmonisk forstyrrelse fører til ±10% spenningfluktuerasjon i relé strømforsyningen, kan logikkretsen krasje, mislykkes med å utløse under faktiske feil, tillate feilutvikling.

4.2 Automatisering kommunikasjonsenheter (RS485 / Fibermoduler)

• Skademekanisme: Elektromagnetisk stråling fra harmonikker (f.eks., 10V/m RF-forstyrrelse) kobles inn i kommunikasjonslinjer, fører til "bitflip" i datatransmisjon. Harmoniske spenninger forstyrrer også klokkesystemer, øker synkronisasjonsfeil.

• Spesifikke skader:

• Økt bitfeilrate: På grunn av harmonisk forstyrrelse, RS485 kommunikasjons bitfeilrate i et distribusjonsautomatiseringssystem økte fra 10⁻⁶ til 10⁻³, forsinket eller mistet beveler (f.eks., "juster kondensatorskifting").

• Modulbrann: Høyfrekvente harmonikker kan ødelegge signalisoleringssirkuit (f.eks., optokoppler) i kommunikasjonsmoduler, fører til mislykket. En understation ødela 8 fibermoduler innen en måned på grunn av 5. harmonisk forstyrrelse.

5. Sluttkundeutstyr: Ytelsesnedgang, produksjonsulykker

Sluttkundeutstyr representerer "terminalbelastningen" i nettet. Industrielle og presisjonsutstyr lider mest hardt av excessiv THD. Viktige berørte enheter: industrielle motorer, presisjonsutstyr (litografi maskiner/medisinsk MRI).

5.1 Industrielle motorer (Induksjon/Synkronmotorer)

• Skademekanisme: Harmonisk spenning genererer "harmoniske strømmer" i motorstatorvindinger, danner "negative sekvens roterende magnetfelt." Når superlagt på grunnleggende felt, produserer de "bremsende dreiemoment," fører til hastighetsfluktuerasjoner og økt vibrasjon. Harmoniske strømmer øker også stator/rotor kobbertap, fører til total overoppvarming.

• Spesifikke skader:

• Effektivitetsnedgang: En 100kW induksjonsmotor ved THDv = 7% ser effektivitetsnedgang fra 92% til under 85%, forbruker over 50 000 kWh ekstra årlig (ved 0,6 yuan/kWh, ekstra strømkostnad: 30 000 yuan/år).

• Brann: En stålverks rullingsmaskinmotor brant to ganger innen seks måneder på grunn av langvarig 7. harmonisk eksponering; stator temperatur nådde 140°C. Erstatningskostnad per motor oversteg 2 millioner RMB.

• Vibrasjon & Støy: Motorvibrasjon akselerasjon økte fra 0,1g til 0,5g, støy oversteg 90dB, påvirket arbeidsmiljø og forskyndet fundamentets slitasje.

5.2 Presisjonsutstyr (Halvleder litografimaskiner/Medisinsk MRI)

• Skademekanisme: Disse enhetene krever ekstremt ren spenning (THDv ≤ 2%). Harmonikker øker ripple i interne strømforsyninger og reduserer ADC-prøvetaksnøyaktighet, ultimately forverrer funksjonalitet.

• Spesifikke skader:

• Presisjonsnedgang: En halvleder litografimaskin ved THDv = 4% sa laserposisjonsnøyaktighet ned fra 0,1μm til 0,3μm, reduserte vafer avkastning fra 95% til 80%, mistet over 500 000 yuan i produktiv verdi per dag.

• Utgang av drift: Harmonikker forårsaket strømfluktuerasjoner i MRIs gradientspoler, hindret klar bildetaking, tvang utgång av drift. (Et sykehus stoppet MR-drift i 2 dager på grunn av 3. harmonisk excess, mistet over 100 000 yuan i diagnostikkintekter.)

Oppsummering: Sentrale regler for THD-indusert utstyrskade

• Induktive utstyr (Transformatorer, Motorer, Reaktorer): Sårbar for "Ekstra tap" — harmonikker øker jern/kobbertap, med overoppvarming og aldring som primære skader.

• Kapasitive utstyr (Kondensatorer): Sårbar for "Resonans overstrømning" — harmonikker lett utløser resonans, med overstrømning-indusert isolasjonssammenbrudd som hovedskade.

• Kontrollutstyr (Reléer, Kommunikasjonssystemer): Sårbar for "Prøvetakingssvikt" — harmonikker forvretter data, fører til mislykkede handlinger eller manglende handlinger.

• Presisjonsutstyr (Litografimaskiner, MRI): Sårbar for "Bølgeformforvridning" — harmonikker øker spenningsripple, fører til nøyaktighetsnedgang.

Derfor må kraftnettet adoptere en dobbel strategi:
"Harmonisk overvåking (kontroller THD målingsfeil ≤ ±0,5%) + Aktiv filtrering (APF) / Passiv filtrering"
for å holde THDv innen nasjonale standardgrenser på 5%, dermed forhindre utstyrskade fra kilde.