THD Overload: Paano Ang Harmonics Nagpapahamak sa mga Kagamitang Pampagana
Kapag ang Aktwal na Grid THD ay Lumampas sa Limitasyon (halimbawa, Voltage THDv > 5%, Current THDi > 10%), Nagdudulot Ito ng Organikong Pagsisira ng mga Equipment sa Buong Power Chain — Transmission → Distribution → Generation → Control → Consumption. Ang mga Pangunahing Mekanismo ay Additional Losses, Resonant Overcurrent, Torque Fluctuations, at Sampling Distortion. Ang Mga Mekanismo ng Pagsisira at Manifestasyon ay Malaking Variance Ayon sa Uri ng Equipment, Tama ang Detalye sa Ibabaw:
1. Transmission Equipment: Overheating, Aging, at Drastically Reduced Lifespan
Ang mga transmission equipment ay direkta na nagdadala ng grid current/voltage. Ang harmonics ay nagpapalubha ng energy losses at insulation degradation. Ang mga pangunahing naapektuhan na komponente ay ang transmission lines (cables/overhead) at current transformers (CTs).
1.1 Transmission Lines (Cables / Overhead Lines)
Damage Mechanism: Ang mas mataas na harmonic frequencies ay nagpapalubha ng "skin effect" (ang high-frequency currents ay nakakonsentrado sa ibabaw ng conductor, binabawasan ang effective cross-sectional area), tumataas ang line resistance. Ang additional copper losses ay tumaas kasabay ng square ng harmonic order (halimbawa, 5th harmonic copper loss ay 25× kaysa sa fundamental).
Specific Damages:
Overheating: 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 insulation tolerance), nagpapabilis ng aging at pagcrack ng insulation layers (halimbawa, XLPE).
Shortened Lifespan: Ang mahabang panahon ng overheating ay binabawasan ang buhay ng cable mula 30 taon hanggang 15–20 taon, maaaring 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, may cost ng higit sa 800,000 RMB sa repair.)
1.2 Current Transformers (CTs)
Damage Mechanism: Ang harmonic currents (lalo na 3rd at 5th) ay nagdudulot ng "transient saturation" ng CT iron cores, tumaas ang hysteresis at eddy current losses (additional iron losses). Ang saturation ay distorting ang secondary-side output waveform, hindi na maipapahayag nang wasto ang primary current.
Specific Damages:
Core Overheating: Ang temperatura ng CT core maaaring lampaasin ng 120°C, sumisingaw ang insulation sa secondary windings at nagdudulot ng ratio inaccuracies.
Protection Misoperation: Ang distorted secondary current ay nagdudulot ng protective relays (halimbawa, overcurrent protection) na maling detectin ang "line short circuits," nag-trigger ng false tripping. (Isang distribution network ay may 10 feeder trips dahil sa CT saturation, naapektuhan 20,000 households.)
2. Distribution Equipment: Frequent Failures, System Stability Collapse
Ang mga distribution equipment ay kritikal para sa "connecting upstream and downstream" sa grid. Ang THD na lumampas sa limitasyon ay nagdudulot ng pinakadirekta na pinsala. Ang mga pangunahing naapektuhan na device ay kinabibilangan ng power transformers, capacitor banks, at reactors.
2.1 Power Transformers (Distribution / Main Transformers)
Damage Mechanism: Ang harmonic voltages ay tumaas ng magnetic hysteresis at eddy current losses sa transformer cores (additional iron losses); ang harmonic currents ay tumaas ng winding copper losses. Kombinado, ito ay tumaas ng total losses. Ang unbalanced three-phase harmonics din ay tumaas ng neutral current (hanggang 1.5× phase current), nagpapalubha ng localized overheating.
Specific Damages:
Core Overheating: Sa THDv = 8%, ang transformer iron losses ay tumaas ng 15%-20%. Ang temperatura ng core ay tumaas mula 100°C hanggang 120°C, nagpapabilis ng degradation ng insulating oil (halimbawa, 25# transformer oil), tumaas ang acidity, at binabawasan ang dielectric strength.
Winding Burnout: Ang matagal na overheating ay carbonizes ang winding insulation paper (halimbawa, Nomex), nagdudulot ng short circuits. Isang substation's 110kV main transformer ay may winding short pagkatapos ng 3 taon dahil sa excessive 5th harmonic, may cost ng higit sa 5 million RMB sa repair.
Reduced Lifespan: Ang mahabang panahon ng THD ay binabawasan ang transformer lifespan mula 20 taon hanggang 10–12 taon.
2.2 Shunt Capacitor Banks (for Reactive Power Compensation)
Damage Mechanism: Ang capacitive reactance ay bumababa kasabay ng frequency (Xc = 1/(2πfC)), kaya ang high-frequency harmonics ay nagdudulot ng overcurrent. Kung ang capacitors ay nabuo ng "harmonic resonance" kasama ang grid inductance (halimbawa, 5th-order resonance), ang current ay maaaring tumaas hanggang 3–5× rated value—lumampas sa rating ng capacitors.
Specific Damages:
Insulation Breakdown: Ang overcurrent ay sumisingaw ang internal dielectrics (halimbawa, polypropylene film), nagdudulot ng puncture, bulging, o kahit explosion. (Isang industrial workshop ay nasirang tatlong 10kV capacitor banks sa loob ng isang buwan dahil sa 7th harmonic resonance; ang replacement cost per bank ay lumampas ng 150,000 RMB.)
Protection Failure: Ang resonant currents ay sumisingaw ang fuse links; kung ang protection ay hindi gumana, ang panganib ng sunog ay tumaas.
2.3 Series Reactors (for Harmonic Suppression)
Damage Mechanism: Bagaman ginagamit upang suppresin ang 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 nagpapalubha ng core vibration, nagdudulot ng mechanical wear.
Specific Damages:
Winding Overheating: Sa THDi = 12%, ang reactor copper losses ay tumaas ng higit sa 30%; ang winding temperatures ay lumampas ng 110°C, nagdudulot ng insulation varnish na carbonize at flake off.
Core Noise & Wear: Ang frequency ng vibration ay kumokonekta sa harmonics, nagdudulot ng malaking ingay (>85 dB). Ang matagal na vibration ay nagpapabuwag ng silicon steel laminations, binabawasan ang permeability at nagreresulta sa hindi epektibong harmonic suppression.
3. Generation Equipment: Output Limitation, Rising Safety Risks
Ang generation equipment ay ang "energy source" ng grid. Ang excessive THD ay negatibong nag-iimpluwensya sa operational stability. Ang mga pangunahing naapektuhan na device: synchronous generators, renewable inverters (PV/wind).
3.1 Synchronous Generators (Thermal/Hydro Plants)
Damage Mechanism: Ang grid harmonics ay back-feed sa generator stator windings, nagdudulot ng "harmonic electromagnetic torque." Kapag superimposed sa fundamental torque, ito ay nagi-form ng "pulsating torque," nagpapataas ng vibration. Ang harmonic currents din ay tumaas ng stator copper losses, nagdudulot ng localized overheating.
Specific Damages:
Reduced Output: Ang 300MW unit sa THDv = 6% ay may ±0.5% speed fluctuation dahil sa pulsating torque, binabawasan ang output sa ibaba ng 280MW, binabawasan ang efficiency ng 5%-8%.
Winding Overheating: Ang stator temperature maaaring tumaas hanggang 130°C (lumampas sa Class A insulation limit ng 105°C), nagpapabilis ng insulation aging at nanganganib 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)
Damage Mechanism: Ang inverters ay sensitibo sa grid THD (per GB/T 19964-2012). Kung ang point-of-interconnection THDv > 5%, ang inverter ay trigger ng "harmonic protection" upang iwasan ang pinsala. Bukod dito, ang harmonic voltage ay nagdudulot ng power imbalance sa pagitan ng DC at AC sides, nagdudulot ng IGBT module overheating.
Specific Damages:
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, may cost ng ~50,000 RMB sa lost revenue.
IGBT Burnout: Ang matagal na operasyon sa ilalim ng harmonics ay tumaas ng switching losses sa IGBT modules (core component), tumaas ang temperatura sa itaas ng 150°C, nanganganib ng "thermal breakdown." Ang repair cost per inverter ay lumampas ng 100,000 RMB.
4. Control Equipment: Sampling Distortion, System Malfunctions
Ang control equipment ay gumagamit 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)
Damage Mechanism: Ang harmonic currents ay nagdudulot ng transient CT saturation, nagdistort ang sampled current waveforms (halimbawa, flat-topped waves), nagdudulot ng protection algorithms na mali na judge ang amplitude at phase, nagtrigger ng mali na actions. Ang harmonic voltages din ay maaaring makaka-interfere sa relay power supplies, nagdudulot ng logic circuit malfunctions.
Specific Damages:
False Tripping: Isang distribution network na may THDi = 12% ay may distorted CT output dahil sa saturation, nagdulot ng overcurrent protection na maling detectin ang "line short circuit" at trip 10 feeders, nagcut-off ng power sa 20,000 households sa loob ng 4 oras, nagresulta ng indirect economic losses na lumampas ng 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 na trip sa tunay na faults, nagpapahintulot ng fault escalation.
4.2 Automation Communication Devices (RS485 / Fiber Modules)
Damage Mechanism: Ang electromagnetic radiation mula sa harmonics (halimbawa, 10V/m RF interference) ay kumokonekta sa communication lines, nagdudulot ng "bit flips" sa data transmission. Ang harmonic voltages din ay nagdisrupt sa clock modules, nagpapataas ng synchronization errors.
Specific Damages:
Increased 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 high-frequency harmonics ay maaaring sumira sa signal isolation circuits (halimbawa, optocouplers) sa communication modules, nagdudulot ng failure. Isang substation ay nasira ang 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 industriyal at precision equipment ang pinakamalubhang naapektuhan ng excessive THD. Ang mga pangunahing naapektuhan na device: industriyal motors, precision equipment (lithography machines / medical MRI).
5.1 Industrial Motors (Induction / Synchronous Motors)
Damage Mechanism: Ang harmonic voltage ay nagdudulot ng "harmonic currents" sa motor stator windings, nagi-form ng "negative sequence rotating magnetic fields." Kapag superimposed sa fundamental field, ito ay nagdudulot ng "braking torque," nagpapataas ng speed fluctuations at tumaas ang vibration. Ang harmonic currents din ay tumaas ng stator/rotor copper losses, nagdudulot ng overall overheating.
Specific Damages:
Efficiency Drop: Isang 100kW induction motor sa THDv = 7% ay may drop sa efficiency mula 92% hanggang sa ibaba ng 85%, nakakain ng higit sa 50,000 kWh extra annually (sa 0.6 yuan/kWh, additional electricity cost: 30,000 yuan/year).
Burnout: Isang rolling mill motor sa isang steel plant ay nasunog dalawang beses sa loob ng anim na buwan dahil sa prolonged 7th harmonic exposure; ang stator temperature ay tumaas hanggang 140°C. Ang replacement cost per motor ay lumampas ng 2 million RMB.
Vibration & Noise: Ang motor vibration acceleration ay tumaas mula 0.1g hanggang 0.5g, ang ingay ay lumampas ng 90dB, naapektuhan ang working environment at nagpapabilis ng foundation wear.
5.2 Precision Equipment (Semiconductor Lithography Machines / Medical MRI)
Damage Mechanism: 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 wakas ay nagdudulot ng pagkasira sa functionality.
Specific Damages:
Loss of Precision: Isang semiconductor lithography machine sa THDv = 4% ay may drop sa laser positioning accuracy mula 0.1μm hanggang 0.3μm, binabawasan ang wafer yield mula 95% hanggang 80%, nagkawala ng higit sa 500,000 yuan sa output value sa bawat araw.
Equipment Shutdown: Ang harmonics ay nagdulot ng current fluctuations sa MRI gradient coils, nagprevented ng clear imaging, nagforce ng shutdowns. (Isang hospital ay hinala ang MRI operations sa loob ng 2 araw dahil sa 3rd harmonic excess, nagkawala ng higit sa 100,000 yuan sa diagnostic revenue.)
Summary: Core Rules of THD-Induced Equipment Damage
Inductive Equipment (Transformers, Motors, Reactors): Nakatali sa "Additional Losses" — ang harmonics ay tumaas ng iron/copper losses, ang overheating at aging ang pangunahing pinsala.
Capacitive Equipment (Capacitors): Nakatali sa "Resonant Overcurrent" — ang harmonics ay madaling trigger ng resonance, ang overcurrent-induced insulation breakdown ang pangunahing pinsala.
Control Equipment (Relays, Communication Systems): Nakatali sa "Sampling Distortion" — ang harmonics ay nagdistort ng data, nagdudulot ng mali na operasyon o failure to operate.
Precision Equipment (Lithography Machines, MRI): Nakatali sa "Waveform Distortion" — ang harmonics ay tumaas ng voltage ripple, nagdudulot ng pagkawala ng accuracy.
Dahil dito, ang mga power grids ay kailangan ng dual strategy:
"Harmonic Monitoring (controlling THD measurement error ≤ ±0.5%) + Active Filtering (APF) / Passive Filtering"
upang panatilihin ang THDv sa loob ng national standard limit ng 5%, upang maiwasan ang pinsala sa equipment sa pinagmulan.
