THD Preobremenitev: kako harmoniki uničujejo električno opremo
Ko, ko kadar dejanski omrežni THD preseže meje (npr. napetostni THDv > 5%, tok THDi > 10%), povzroča organsko škodo opremi v celotni električni verigi — Prenos → Distribucija → Proizvodnja → Nadzor → Poraba. Osnovni mehanizmi so dodatne izgube, resonančni pretok, fluktuacije vznemirljivosti in posnetna zamenjava. Mehanizmi škode in njihove manifestacije različno obsegajo opremo glede na njen tip, kot je podrobneje opisano spodaj:
1. Prenosna oprema: Pretapanje, staranje in drastično zmanjšana življenjska doba
Prenosna oprema neposredno nosi omrežni tok/napetost. Harmonike pospešujejo energijske izgube in degradacijo izolacije. Ključne prizadete komponente so prenosne linije (kabeli/zračne) in tokovne transformatorje (CT).
1.1 Prenosne linije (Kabeli / Zračne linije)
Mehanizem škode: Višje harmonične frekvence okrepita "skin učinek" (visoko frekvenčni toki se koncentrirajo na površini vodiča, zmanjšujoči učinkovito prečno sekcijsko ploščo), kar poveča upornost linije. Dodatne bakrene izgube rastejo s kvadratom reda harmonike (npr. 5. harmonika bakrene izgube je 25× osnovne).
Specifične škode:
Pretapanje: Pri THDi = 10% bakrene izgube naraščajo za 20%-30% glede na merilne pogoje. Temperatura kabela se lahko dvigne od 70°C na 90°C (presegajo toleranco izolacije), pospešujejo staranje in raztevanje slojev izolacije (npr. XLPE).
Zmanjšana življenjska doba: Dolgotrajno pretapanje zmanjša življenjsko dobo kabela s 30 let na 15–20 let, potencialno povzroča "izolacijski razpad" in kratkoporo stanje. (Industrijski park je v enem letu zgorela dva 10kV kabela zaradi prekomernega 3. harmonika, stroški popravila presegajo 800.000 RMB.)
1.2 Tokovni transformatorji (CT)
Mehanizem škode: Toki harmonik (posebej 3. in 5.) povzročajo "tranzientno nasititev" železnih jader CT, kar bistveno poveča izgube histerese in indukcij (dodatne železne izgube). Nasititev zamenja obliko izhodnega valovanja na drugi strani, preprečujejoč točno predstavitev primarnega toka.
Specifične škode:
Pretapanje jadera: Temperatura jadera CT se lahko preseže 120°C, izgori izolacija na sekundarnih navojih in povzroči natančnost razmerja.
Napačno delovanje zaščite: Zamenjano sekundarno tokovno valovanje vodi do tega, da zaščitne rele (npr. zaščita proti prevelikemu toku) lažno zaznajo "kratkoporo stanje", kar povzroči lažno preklop. (Razdelilni omrežji je prišlo do 10 preklopov na prenosnih linijah zaradi nasititve CT, ki je vplivala na 20.000 domačinstev.)
2. Distribucijska oprema: Frekventne odpade, runo stabilnosti sistema
Distribucijska oprema je ključna za "povezovanje gor in dol" v omrežju. Prekomeren THD povzroča najbolj neposredno škodo. Ključne prizadete naprave so napetostni transformatorji, kondenzatorski kompleksi in reaktorji.
2.1 Napetostni transformatorji (Distribucijski / Glavni transformatorji)
Mehanizem škode: Harmonične napetosti povečajo magnetne histeresne in indukcije v jaderih transformatorjev (dodatne železne izgube); harmonični toki povečajo bakrene izgube v navojih. Skupaj to bistveno poveča skupne izgube. Neuravnotežene tri-fazne harmonike tudi povečajo neutralni tok (do 1,5× faze toka), kar pospešuje lokalno pretapanje.
Specifične škode:
Pretapanje jadera: Pri THDv = 8% železne izgube transformatorja naraščajo za 15%-20%. Temperatura jadera se dvigne od 100°C na 120°C, pospešujejo staranje izolacijske oljine (npr. 25# transformator oljina), povečujejo kiselost in zmanjšujejo dielektrično trdoto.
Izgoritev navojev: Dolgotrajno pretapanje oglašuje izolacijsko papir (npr. Nomex), kar vodi do kratkopora stanja. V podsprejemniku je 110kV glavni transformator po 3 letih imel kratkoporo stanje zaradi prekomernega 5. harmonika, stroški popravila presegajo 5 milijonov RMB.
Zmanjšana življenjska doba: Dolgotrajno prekomerno THD zmanjša življenjsko dobo transformatorja s 20 let na 10–12 let.
2.2 Paralelni kondenzatorski kompleksi (za nadomestitev reaktivne moči)
Mehanizem škode: Kapacitivna reaktivna upornost pada s frekvenco (Xc = 1/(2πfC)), tako visoko frekvenčne harmonike povzročajo preveliki tok. Če kondenzatorji oblikujejo "harmonično resonanco" s hitrostjo omrežja (npr. 5. redna resonanca), se tok lahko poveča na 3–5× merilne vrednosti - daleč preko omejitve kondenzatorja.
Specifične škode:
Razbitje izolacije: Preveliki tok segreva notranje dielektrike (npr. polipropilen film), kar vodi do prepoka, puščanja ali celo eksplozije. (V industrijskem delavnici je bilo v enem mesecu poškodovanih tri 10kV kondenzatorskih kompleksa zaradi 7. harmonične resonancije; stroški zamenjave vsakega kompleksa presegajo 150.000 RMB.)
Nedelovanje zaščite: Resonančni toki izgorejo vezane veznice; če zaščita ne deluje, se poveča tveganje za požar.
2.3 Serijski reaktorji (za utiševanje harmonik)
Mehanizem škode: Čeprav se uporabljajo za utiševanje specifičnih harmonik (npr. 3. in 5.), reaktorji trpijo dodatne bakrene izgube pod dolgotrajnim harmoničnim tokom. Pulzirajoči magnetni polja od harmonik tudi okrepita vibracije jadera, kar vodi do mehanskega poškodovanja.
Specifične škode:
Pretapanje navojev: Pri THDi = 12% bakrene izgube reaktorja naraščajo za več kot 30%; temperature navojev presežejo 110°C, kar vodi do oglašenja in odpada izolacijske lakote.
Šum in poškodovanje jadera: Frekvenca vibracije se združi s harmonikami, kar ustvari visok šum (>85 dB). Dolgotrajna vibracija razlušči laminacije silikona, zmanjšuje permeabilnost in utiševanje harmonik postane neučinkovito.
3. Proizvodna oprema: Omejena proizvodnja, naraščajoča varnostna tveganja
Proizvodna oprema je "energetska vir" omrežja. Prekomerna THD negativno vpliva na operativno stabilnost. Ključne prizadete naprave: sinhronni generatorji, regenerativni inverterji (PV/veter).
3.1 Sinhronni generatorji (Toplotni/Vodni nalozi)
Mehanizem škode: Omrežne harmonike se vrnejo v statorne navoje generatorja, ustvarjajo "harmonično elektromagnetno vznemirljivost". Nastopi superpozicija na osnovni vznemirljivosti, kar oblikuje "pulsirajočo vznemirljivost", povečuje vibracije. Harmonični toki tudi povečajo bakrene izgube statora, kar vodi do lokalnega pretapanja.
Specifične škode:
Zmanjšana proizvodnja: 300MW enota pri THDv = 6% izkuša ±0,5% fluktuacije hitrosti zaradi pulsirajoče vznemirljivosti, kar zmanjša proizvodnjo pod 280MW, zmanjša učinkovitost za 5%-8%.
Pretapanje statora: Temperatura statora se lahko dvigne na 130°C (presegaja limit izolacije razreda A 105°C), pospešujejo staranje izolacije in tveganje za preklop med obrati.
Poškodovanje ležajev: Povečana vibracija pospešuje poškodovanje ležajev (npr. čevni ležaji), zmanjša življenjsko dobo s 5 let na 2–3 leta.
3.2 Regenerativni inverterji (PV / Veter)
