THD Oortolading: Hoe Harmonieke Kragtoerusting Verwoes

Wanneer die werklike rooster THD grense oorskry (bv. Spanning THDv > 5%, Stroom THDi > 10%), veroorsaak dit organiese skade aan toerusting deur die hele kragketting — Oordrag → Verspreiding → Opwekking → Beheer → Verbruik. Die kern-meganismes is bykomende verliese, resonante oorkoers, koppeling-fluktuasies en monsterneming-verdraaiing. Skademeganismes en -uiterligte wissel beduidend afhanklik van toerustingtipe, soos hieronder gedetailleer:

1. Oordragtoerusting: Oorkoeling, vergaring en drasties verminderde leeftyd

Oordragtoerusting dra die roosterstroom/spanning direk. Harmonieke vererger energieverliese en isolasieverdaging. Belangrike beïnvloede komponente is oordraglyne (kabels/oorhoof) en stroomtransformateurs (CTs).

1.1 Oordraglyne (Kabels / Oorhooflyne)

• Skademeganisme: Hoër harmoniese frekwensies versterk die "vel-effek" (hoëfrekwensiestrome konsentreer op die geleideroppervlak, wat die effektiewe kruisafmeting verminder), wat lynweerstand verhoog. Bykomende koperverliese styg met die vierkant van die harmoniese orde (bv. 5de harmoniese koperverlies is 25× daardie van die grondslag).

• Spesifieke skade:

• Oorkoeling: By THDi = 10%, neem koperverliese toe met 20%-30% in vergelyking met gestelde omstandighede. Kabeltemperatuur kan van 70°C na 90°C styg (wat isolasietoleransie oorskry), wat die versnelde vergaring en krake van isolasielae (bv. XLPE) bevorder.

• Gekortte leeftyd: Langdurige oorkoeling verminder kabelleeftyd van 30 jaar tot 15–20 jaar, wat potensieel "isolasiebreuk" en kortsluitfouten veroorsaak. (’n Industriepark het twee 10kV-kable binne een jaar verbrand as gevolg van te veel 3de harmoniese, met herstelkoste van meer as 800,000 RMB.)

1.2 Stroomtransformateurs (CTs)

• Skademeganisme: Harmoniese strome (spesifiek 3de en 5de) veroorsaak "transiënte verzadiging" van CT-ijserkerns, wat histerese- en wentelstroomverliese (bykomende ijzerverliese) skerp verhoog. Verzadiging verdraai die sekondêre-side uitvoer-golfvorm, wat 'n akkurate voorstelling van die primêre stroom verhinder.

• Spesifieke skade:

• Kern-oorkoeling: CT-kern temperatuur kan 120°C oorskry, wat die isolasie van sekondêre windings verbrand en ratio-onakkuraatheid veroorsaak.

• Beskerming-miswerk: Verdraaide sekondêre stroom lei beskermrelais (bv. oorkoersbeskerming) om vals "lynkortsluitings" te detecteer, wat vals trippings veroorsaak. (’n Verspreidingsnetwerk het 10 voedertrippings as gevolg van CT-verzadiging ondervind, wat 20,000 huishoudings beïnvloed het.)

2. Verspreidingsapparatuur: Vreeslike foute, stelselstabiliteit instorting

Verspreidingsapparatuur is krities vir die "verbinding van bo-en benedestroom" in die rooster. Wanneer THD grense oorskry, veroorsaak dit die mees direkte skade. Belangrike beïnvloede toestelle sluit in kragtransformateurs, kondensatorbankke en reaktore.

2.1 Kragtransformateurs (Verspreiding / Hooftransformateurs)

• Skademeganisme: Harmoniese spannings verhoog magnetiese histerese- en wentelstroomverliese in transformateurkerne (bykomende ijzerverliese); harmoniese strome verhoog windingkoperverliese. Samen verhoog dit die totale verliese aansienlik. Ongebalanceerde driefase-harmonieë verhoog ook neutrale stroom (tot 1.5× fasestroom), wat lokale oorkoeling verergert.

• Spesifieke skade:

• Kern-oorkoeling: By THDv = 8%, neem transformateur-ijzerverliese toe met 15%-20%. Kern temperatuur styg van 100°C na 120°C, wat die versnelde degenerasie van isolerende olie (bv. 25# transformateur-olie) bevorder, suurgraad verhoog en dielektriese sterkte verminder.

• Winding-brand: Langdurige oorkoeling verkarboniseer winding-isolasiepapier (bv. Nomex), wat kortsluitings veroorsaak. ’n Substasie se 110kV hooftransformateur het 'n windingkortsluiting na 3 jaar as gevolg van te veel 5de harmoniese gehad, met herstelkoste van meer as 5 miljoen RMB.

• Gekortte leeftyd: Langdurige THD oorskryding verminder transformateurleeftyd van 20 jaar tot 10–12 jaar.

2.2 Paralelle kondensatorbankke (vir reaktiewe kragkompensasie)

• Skademeganisme: Kapasitiewe reaksie verminder met frekwensie (Xc = 1/(2πfC)), dus hoëfrekwensie-harmonieë veroorsaak oorkoers. As kondensators "harmoniese resonerings" met rooster-induktansie vorm (bv. 5de-orde resonerings), kan stroom tot 3–5× gestelde waarde styg — baie oor die kondensatorratings.

• Spesifieke skade:

• Isolasieneer: Oorkoers verhit interne dielektries (bv. polipropyleenfilm), wat perforasie, bulting of selfs ontploffing veroorsaak. (’n Industriewerkswinkel het drie 10kV kondensatorbankke binne een maand as gevolg van 7de harmoniese resonerings beskadig, met vervangingskoste per bank van meer as 150,000 RMB.)

• Beskerming-fout: Resonante stroom brand fuse-lankies; indien beskerming nie optree nie, neem brandrisiko toe.

2.3 Reeksreaktore (vir harmoniese onderdrukking)

• Skademeganisme: Alhoewel gebruik om spesifieke harmonieë (bv. 3de, 5de) te onderdruk, ly reaktore onder langdurige harmoniese stroom aan verhoogde windingkoperverliese. Pulsaserende magneetvelde van harmonieë versterk ook kern-trilling, wat meganiese slys veroorsaak.

• Spesifieke Skade:

• Winding Oorverhitting: By THDi = 12%, neem reaktor koperverliesse met meer as 30% toe; winding temperature oorskry die 110°C, wat lei tot insulasie vernis wat verkoold en afbladder.

• Kern Geraas & Versletting: Vibrasie frekwensie koppel met harmoniese, wat luide geraas (>85 dB) produseer. Langtermyn vibrasie laat silikon staal laminasies los, wat permeabiliteit verlaag en harmoniese onderdrukking onwerklik maak.

3. Generasie Utrustings: Uitvoer Beperking, Stigter Veiligheidsrisiko's

Generasie utrustings is die "energiebron" van die rooster. Oormatige THD het 'n negatiewe impak op operasionele stabiliteit. Sleutel belyn uitrustings: sinchrone generatore, hernubare inverteers (PV/wind).

3.1 Sinchrone Generatore (Termiese/Hidro Elektrisiteitsstasies)

• Skademekanisme: Rooster harmoniese voed terug in generator stator windings, wat 'n "harmoniese elektromagnetiese koppelvlak" skep. Supergeplaas op fundamentele koppelvlak, vorm dit 'n "pulsierende koppelvlak," wat vibrasie verhoog. Harmoniese strome verhoog ook stator koper verliesse, wat plaaslike oorverhitting veroorsaak.

• Spesifieke Skade:

• Verlaagde Uitvoer: ’n 300MW eenheid by THDv = 6% ervaar ±0.5% spoedfluktuasie as gevolg van pulsierende koppelvlak, wat uitvoer onder 280MW verlaag, wat effektiwiteit deur 5%-8% verminder.

• Winding Oorverhitting: Stator temperatuur kan 130°C bereik (oorskry Klas A insulasie limiet van 105°C), wat insulasie veroudering versnel en risiko van omwenteling-na-omwenteling kortsluitings verhoog.

• Lager Versletting: Toegenoomse vibrasie versnel lager (bv. mouwlager) versletting, wat levensduur van 5 jaar na 2–3 jaar verlaag.

3.2 Hernubare Inverteers (PV / Wind)

• Skademekanisme: Inverteers is sensitief vir rooster THD (volgens GB/T 19964-2012). As aanpunt THDv > 5%, aktiveer die inverteer "harmoniese beskerming" om skade te vermy. Verder veroorsaak harmoniese spanning kragonbalans tussen DC en AC kante, wat IGBT module oorverhitting veroorsaak.

• Spesifieke Skade:

• Rooster Ontkoppeling: By 'n windboerderij met THDv = 7%, ontkoppel 20 eenhede van 1.5MW inverteers gelyktydig, wat meer as 100,000 kWh windenergie in een dag verlaat, wat ~50,000 RMB in verlore inkomste kos.

• IGBT Brand: Langtermyn bedryf onder harmoniese verhoog swaarverliesse in IGBT modules (kerne komponent), wat temperatuur bo 150°C verhoog, wat "termiese instorting" risiko. Herstel koste per inverteer oorskry 100,000 RMB.

4. Beheer Utrustings: Steekproefvervorming, Sisteem Mislukking

Beheer utrustings funksioneer as die "brein en neversisteem" van die rooster. Oormatige THD veroorsaak vervormde steekproefdata en abnormal bevelsoordrag. Sleutel belyn uitrustings: beskerming relais, outomatiseer kommunikasie stelsels.

4.1 Beskerming Relais (Oorgangstroombeskywing / Differensiaalbeskywing)

• Skademekanisme: Harmoniese strome veroorsaak tussentydse CT-verzadiging, wat gesteekproefde stroomgolwe vervorm (bv. platte-top golwe), wat beskerming algoritmes amplituud en fase misluk, verkeerde aksies activeer. Harmoniese spannings kan ook met relais voedselbronne interferereer, wat logika sirkuis mislukking veroorsaak.

• Spesifieke Skade:

• Foute Tripping: ’n Distribusie netwerk met THDi = 12% het vervormde CT-uitset as gevolg van verzadiging ervaar, wat oorgangstroombeskywing foute "lyn kortsluiting" gedetekteer en 10 voedinglyne getrip, wat krag aan 20,000 huishoudings vir 4 ure afgesny, wat indirekte ekonomiese verlies oorskry 2 miljoen RMB.

• Mislukking om te Trip : As harmoniese interferensie ±10% spanning fluktuasie in die relais se voedselbronne veroorsaak, kan die logika sirkuius kraak, wat nie trip tydens werklike foute nie, wat fout eskalering toelaat.

4.2 Outomatiseer Kommunikasie Toestelle (RS485 / Glasvezel Modules)

• Skademekanisme: Elektromagnetiese straling van harmoniese (bv. 10V/m RF-interferensie) koppel in kommunikasie lyne, wat "bit flips" in data oordrag veroorsaak. Harmoniese spannings verstoors ook klok modules, wat sinkronisasie foute verhoog.

• Spesifieke Skade:

• Verhoogde Bit Fout Rate: As gevolg van harmoniese interferensie, RS485 kommunikasie bit fout rate in 'n distribusie outomatiseer stelsel verhoog van 10⁻⁶ na 10⁻³, wat bevels oordrag vertraag of verloor (bv. "aanpas kondensator switsering").

• Module Brand: Hoogfrekwensie harmoniese kan seinisolering sirkuius (bv. optokoppelaars) in kommunikasie modules breek, wat mislukking veroorsaak. Een onderstasie het 8 glasvezel modules binne 'n maand vernietig as gevolg van 5de harmoniese interferensie.

5. Eindgebruiks Utrustings: Prestasievermindering, Produksie Ongevalle

Eindgebruiks utrustings verteenwoordig die "terminale belasting" van die rooster. Industriële en presisie urustings ly die meeste onder oormatige THD. Sleutel belyn urustings: industriële motore, presisie urustings (litografie masjiene / mediese MRI).

5.1 Industriële motors (asynchrone / synchrone motors)

• Skade-mekanisme: Harmoniese spanning genereer "harmoniese strome" in die statorwindings van die motor, wat "negatiewe reeksrotasiemagneetvelde" vorm. Wanneer hulle op die grondveld opleg, produseer hulle 'n "remmende koppel", wat spoedfluktuasies en verhoogde vibrasie veroorsaak. Harmoniese strome verhoog ook stator/rotor koperverliese, wat lei tot algehele oorkoeling.

• Spesifieke skade:

• Effekdaling: 'n 100kW asynchrone motor by THDv = 7% sien effekdaling van 92% na onder 85%, wat meer as 50 000 kWh ekstra jaarlik verbruik (by 0,6 yuan/kWh, addisionele elektrisiteitskoste: 30 000 yuan/jaar).

• Uitbrand: Die motor van 'n staalplantaas se rolmasjien het twee keer binne ses maande uitgebrand weens langdurige blootstelling aan die 7de harmoniese; stator temperatuur het 140°C bereik. Vervangingskoste per motor het 2 miljoen RMB oorskry.

• Vibrasie & Geraas: Motorvibrasieversnelling het van 0,1g na 0,5g verhoog, geraas het 90dB oorskry, wat die werkombuurt beïnvloed en fondamentverwering versnel.

5.2 Puntapparatuur (semikonduktorlithografieëre / mediese MRI-apparate)

• Skade-mekanisme: Hierdie toestelle vereis uitermate skoon spanning (THDv ≤ 2%). Harmoniese verhoog rimpel in interne voedingsbronne en verminder ADC-monsterakkuraatheid, wat uiteindelik funksionaliteit vermindering.

• Spesifieke skade:

• Puntverlies: 'n Semikonduktorlithografieër by THDv = 4% het laserposisieakkuraatheid van 0,1μm na 0,3μm laat dalk, wat waferopbrengs van 95% na 80% laat dalk, wat meer as 500 000 yuan in produksiewaarde per dag verloor.

• Toesteluitval: Harmoniese het stroomfluktuasies in MRI-gradiëntspoels veroorsaak, wat helder afbeelding verhinder en toesteluitval dwing. (‘n Hospitaal het MRI-operasies vir 2 dae gestaak weens oorskryding van die 3de harmoniese, wat meer as 100 000 yuan in diagnostiese inkomste verloor het.)

Opsomming: Kernreëls van THD-geïnduseerde toestelskade

• Induktiewe toestelle (transformateurs, motors, reactors): Vulsbaar vir "Addisionele Verliese" — harmoniese verhoog yser/koperverliese, met oorkoeling en veroudering as primêre skade.

• Kapasitiewe toestelle (kapasitors): Vulsbaar vir "Resonante Oorkorrent" — harmoniese kan maklik resonansie veroorsaak, met isolasiebreek deur oorkorrent as hoofskade.

• Beheertoestelle (relais, kommunikasiesisteme): Vulsbaar vir "Monsterskynsel" — harmoniese verdraai data, wat lei tot foute of nie-operasie nie.

• Punttoestelle (lithografieëre, MRI-apparate): Vulsbaar vir "Golfvormverdraaiing" — harmoniese verhoog spanningrimpel, wat lei tot puntverlies.

Daarom moet kragnette 'n dubbele strategie aanneem:
"Harmoniese Monitering (kontroleer THD-meetfout ≤ ±0,5%) + Aktiewe Filtrasie (APF) / Pasiewe Filtrasie"
om THDv binne die nasionale standaardlimiet van 5% te hou, en dus toestelskade by die brontoe te verhoed.