Sobrecàrrega THD: Com les harmòniques destrueixen l'equipament elèctric
Quan el THD real de la xarxa supera els límits (p. ex., THDv de tensió > 5%, THDi de corrent > 10%), provoca daños orgànics en l'equipament a tota la cadena d'energia — Transmissió → Distribució → Generació → Control → Consum. Els mecanismes bàsics són pèrdues addicionals, sobrecorrents resonants, fluctuacions de parell i distorsió de mostreig. Els mecanismes i manifestacions dels danys varien significativament segons el tipus d'equipament, com es detalla a continuació:
1. Equipament de transmissió: Sobrecalentament, envellesciment i reducció dràstica de la vida útil
L'equipament de transmissió porta directament la corrent/voltagem de la xarxa. Les harmòniques agraven les pèrdues energètiques i la degradació de l'aïllament. Els components afectats principalment són les línies de transmissió (cables/línies aèries) i els transformadors de corrent (CTs).
1.1 Línies de transmissió (Cables / Línies aèries)
Mecanisme de daño: Les freqüències harmòniques més altes intensifiquen l'efecte de superfície (les corrents de freqüència alta es concentren a la superfície del conductor, reduint l'àrea seccional efectiva), augmentant la resistència de la línia. Les pèrdues de cobre addicionals augmenten amb el quadrat de l'ordre harmònic (p. ex., la pèrdua de cobre del 5è harmònic és 25× la del fonamental).
Danos específicos:
Sobrecalentament: Amb THDi = 10%, les pèrdues de cobre augmenten un 20%-30% en comparació amb les condicions nominals. La temperatura del cable pot augmentar de 70°C a 90°C (superant la tolerància de l'aïllament), accelerant l'envellesciment i la fractura de les capes d'aïllament (p. ex., XLPE).
Reducció de la vida útil: El sobrecalentament prolongat redueix la vida útil del cable de 30 anys a 15–20 anys, podent causar "ruptura de l'aïllament" i falts de contacte. (Un parc industrial va cremar dos cables de 10kV en un any a causa de l'exces del 3è harmònic, amb costos de reparació superiors als 800.000 RMB.)
1.2 Transformadors de corrent (CTs)
Mecanisme de daño: Les corrents harmòniques (especialment el 3è i 5è) causen "saturació transitòria" del nucli ferros de CTs, augmentant nítidament les pèrdues per histerèsis i corrents induïdes (pèrdues de ferro addicionals). La saturació distorsiona la forma d'ona de la sortida secundària, impedint una representació precisa de la corrent primària.
Danos específicos:
Sobrecalentament del nucli: La temperatura del nucli del CT pot superar els 120°C, cremant l'aïllament de les bobines secundàries i causant inexactituds en la relació.
Mal funcionament de la protecció: La corrent secundària distorsionada fa que els relés protectors (p. ex., protecció contra sobrecorrent) detectin falsament "falsats de línia", provocant disparades falses. (Una xarxa de distribució va experimentar 10 disparades de ramal a causa de la saturació del CT, afectant 20.000 habitacions.)
2. Equipament de distribució: Falts freqüents, col·lapse de l'estabilitat del sistema
L'equipament de distribució és crític per "connectar amunt i avall" a la xarxa. El THD que supera els límits causa el dany més directe. Els dispositius afectats principalment inclouen transformadors de potència, bancs de capacitadors i reactancers.
2.1 Transformadors de potència (Distribució / Transformadors principals)
Mecanisme de daño: Les tensions harmòniques augmenten les pèrdues per histerèsis i corrents induïdes en els nuclis dels transformadors (pèrdues de ferro addicionals); les corrents harmòniques augmenten les pèrdues de cobre de les bobines. En combinació, aquestes augmenten significativament les pèrdues totals. Les harmòniques trifàsiques desequilibrades també augmenten la corrent neutra (fins a 1,5× la corrent de fase), aggravant el sobrecalentament localitzat.
Danos específicos:
Sobrecalentament del nucli: Amb THDv = 8%, les pèrdues de ferro dels transformadors augmenten un 15%-20%. La temperatura del nucli augmenta de 100°C a 120°C, accelerant la degradació de l'oli aïllant (p. ex., oli de transformador 25#), incrementant l'aciditat i reduint la força dielèctrica.
Quemadura de les bobines: El sobrecalentament a llarg termini carbonitza el paper aïllant de les bobines (p. ex., Nomex), provocant falsats. Un transformador principal de 110kV d'una subestació va patir un falsat de bobina després de 3 anys a causa de l'exces del 5è harmònic, amb costos de reparació superiors als 5 milions de RMB.
Reducció de la vida útil: El THD elevat prolongat redueix la vida útil del transformador de 20 anys a 10–12 anys.
2.2 Bancs de capacitadors en paral·lel (per a compensació de potència reactiva)
Mecanisme de daño: La reactància capacitiva disminueix amb la freqüència (Xc = 1/(2πfC)), així que les harmòniques de freqüència alta induïxen sobrecorrent. Si els capacitadors formen "resonància harmònica" amb la inductància de la xarxa (p. ex., resonància de 5è ordre), la corrent pot augmentar a 3–5× el valor nominal—ben per sobre de les especificacions dels capacitadors.
Danos específicos:
Ruptura de l'aïllament: La sobrecorrent escalfa els dielèctrics interns (p. ex., film de polipropil·len), causant punxades, inflacions o fins i tot explosions. (Un taller industrial va deteriorar tres bancs de capacitadors de 10kV en un mes a causa de la resonància del 7è harmònic; el cost de substitució per banc va superar els 150.000 RMB.)
Falset de la protecció: Les corrents resonants cremen els fusibles; si la protecció no actua, augmenta el risc d'incendi.
2.3 Reactancers en sèrie (per a supressió d'harmòniques)
Mecanisme de daño: Encara que s'utilitzen per suprimir harmòniques específiques (p. ex., 3è, 5è), els reactancers sofreixen pèrdues de cobre addicionals en les bobines sota corrent harmònica prolongada. Els camps magnètics pulsants provenints de les harmòniques també intensifiquen la vibració del nucli, causant desgast mecànic.
Danyos Específics:
Sobrecalentament de les bobines: Amb THDi = 12%, les pèrdues en cobre del reactor augmenten més d'un 30%; les temperatures de les bobines superen els 110°C, causant la carbonització i descol·lament de la vernis d'aislament.
Soroll i desgast del nucli: La freqüència de vibració es combina amb harmoniques, produint un soroll elevat (>85 dB). La vibració a llarg termini allarga les laminacions d'acer siliciós, reduint la permeabilitat i invalidant la supressió harmònica.
3. Equipament de Generació: Limitació de la Sortida, Augment dels Riscos de Seguretat
L'equipament de generació és la "font d'energia" de la xarxa. Un THD excessiu afecta negativament l'estabilitat operativa. Dispositius clau afectats: generadors síncrons, inversors renovables (PV/eòlics).
3.1 Generadors Síncrons (Centrals Tèrmiques/Hidràuliques)
Mecanisme de Dany: Les harmoniques de la xarxa retroalimenten les bobines estator del generador, creant un "torque electromagnètic harmònic." Superposat al torque fonamental, això forma un "torque pulsant," augmentant la vibració. Les corrents harmòniques també incrementen les pèrdues en cobre de l'estator, causant sobrecalentaments locals.
Danyos Específics:
Reducció de la Sortida: Una unitat de 300MW amb THDv = 6% experimenta una fluctuació de velocitat de ±0.5% deguda al torque pulsant, reduint la sortida per sota dels 280MW, disminuint l'eficiència entre un 5%-8%.
Sobrecalentament de les Bobines: La temperatura de l'estator pot arribar a 130°C (superant el límit de classe A d'aislament de 105°C), accelerant l'envejeciment de l'aislament i posant en risc curts circuits entre voltes.
Desgast de les Llisceres: La vibració incrementada acelera el desgast de les llisceres (per exemple, llisceres de màniga), reduint la vida útil de 5 anys a 2–3 anys.
3.2 Inversors Renovables (PV / Eòlics)
Mecanisme de Dany: Els inversors són sensibles al THD de la xarxa (segons GB/T 19964-2012). Si el THDv al punt de connexió > 5%, l'inversor activa la "protecció harmònica" per evitar danys. A més, la tensió harmònica causa un desequilibri de potència entre els costats DC i AC, provocant el sobrecalentament del mòdul IGBT.
Danyos Específics:
Desconnexió de la Xarxa: En un parc eòlic amb THDv = 7%, 20 unitats d'inversors de 1.5MW es desconnectaren simultàniament, abandonant més de 100.000 kWh d'energia eòlica en un sol dia, suposant una pèrdua de beneficis d'aproximadament 50.000 RMB.
Quemadura de l'IGBT: La operació a llarg termini sota harmoniques incrementa les pèrdues de commutació en els mòduls IGBT (component central), elevant la temperatura per sobre de 150°C, posant en risc la "descomposició tèrmica." El cost de reparació per cada inversor supera els 100.000 RMB.
4. Equipament de Control: Distorsió de Mostreig, Malfuncionaments del Sistema
L'equipament de control actua com el "cervell i sistema nerviós" de la xarxa. Un THD excessiu causa dades de mostreig distorsionades i transmissió anormal de comandes. Dispositius clau afectats: relés de protecció, sistemes de comunicació d'automatització.
4.1 Relés de Protecció (Protecció de Sobrecorrent / Diferencial)
Mecanisme de Dany: Les corrents harmòniques causen saturació temporal del CT, distorsionant les ones de corrent mostrades (per exemple, ones amb cim aplanat), fent que els algoritmes de protecció malinterpreten l'amplitud i la fase, provocant accions incorrectes. Les tensions harmòniques també poden interferir amb els subministraments de relés, causant malfuncionaments del circuit lògic.
Danyos Específics:
Tramuntana Falsa: Una xarxa de distribució amb THDi = 12% va experimentar una sortida de CT distorsionada deguda a la saturació, causant que la protecció de sobrecorrent detectés falsament un "curtcircuït de línia" i tramuntanés 10 alimentacions, tallant l'electricitat a 20.000 domicilis durant 4 hores, resultant en pèrdues econòmiques indirectes superiors a 2 milions de RMB.
Fallada de Tramuntana : Si la interferència harmònica causa una fluctuació de tensió de ±10% en el subministrament del relé, el circuit lògic pot col·lapsar, sense tramuntanar durant falles reals, permetent l'escalada de la falla.
4.2 Dispositius de Comunicació d'Automatització (RS485 / Mòduls de Fibra)
Mecanisme de Dany: La radiació electromagnètica de les harmoniques (per exemple, 10V/m d'interferència RF) es combina amb les línies de comunicació, causant "canvis de bit" en la transmissió de dades. Les tensions harmòniques també pertorben els mòduls de rellotge, incrementant els errors de sincronització.
Danyos Específics:
Augment de la Taxa d'Error de Bit: Degut a la interferència harmònica, la taxa d'error de bit en la comunicació RS485 d'un sistema d'automatització de distribució va passar de 10⁻⁶ a 10⁻³, retardant o perdent ordres de despach (per exemple, "ajustar la commutació de capacitadors").
Quemadura del Mòdul: Les harmoniques de alta freqüència poden trencar els circuits d'isolació de senyal (per exemple, optoacobladors) en els mòduls de comunicació, causant-ne la fallada. Una subestació va destruir 8 mòduls de fibra en un mes deguda a la interferència de la 5a harmònica.
5. Equipament d'Ús Final: Degradació del Rendiment, Accidents de Producció
L'equipament d'ús final representa la "càrrega terminal" de la xarxa. L'equipament industrial i de precisió patix més severament un THD excessiu. Dispositius clau afectats: motors industrials, equipament de precisió (màquines de litografia / MRI mèdics).
5.1 Motors industrials (mòtors d'inducció / síncrons)
Mecanisme de daño: La tensió harmònica genera "corrents harmòniques" en les bobines del stator del mòtor, formant "camps magnètics de seqüència negativa". Quan es superposen al camp fonamental, produeixen "torque de frenat", causant fluctuacions de velocitat i increment de vibració. Les corrents harmòniques també incrementen les pèrdues de cobre del stator/rotor, conduint a un sobrecalentament general.
Dany específic:
Pèrdua d'eficiència: Un mòtor d'inducció de 100 kW amb THDv = 7% veu la seva eficiència caure del 92% a menys del 85%, consumint més de 50.000 kWh addicionals anualment (amb 0,6 yuans/kWh, cost addicional d'electricitat: 30.000 yuans/anys).
Quemada: El mòtor d'una laminadora d'una fàbrica d'acer s'ha cremat dues vegades en sis mesos per exposició prolongada a l'armònic 7; la temperatura del stator va arribar a 140°C. El cost de reemplaçament de cada mòtor superava els 2 milions de RMB.
Vibració & soroll: L'acceleració de la vibració del mòtor va augmentar de 0,1g a 0,5g, el soroll va superar els 90dB, afectant l'entorn de treball i accelerant l'esgarrapament de la base.
5.2 Equipament de precisió (màquines de litografia semiconductora / MRI mèdics)
Mecanisme de daño: Aquests dispositius requereixen una tensió extremadament neta (THDv ≤ 2%). Les harmoniques incrementen la ondulació en les fonts d'alimentació internes i reduïxen la precisió de mostreig de l'ADC, deteriorant finalment la funcionalitat.
Dany específic:
Pèrdua de precisió: Una màquina de litografia semiconductora amb THDv = 4% va veure la precisió de posició del llaser passar de 0,1μm a 0,3μm, reduint el rendiment de les plaques de 95% a 80%, perdent més de 500.000 yuans en valor de producció diària.
Parada de l'equipament: Les harmoniques van causar fluctuacions de corrent en les boves de gradient de l'MRI, impediscent la imatge clara, forçant parades. (Un hospital va aturar les operacions de l'MRI durant 2 dies a causa d'un excés d'armònic 3, perdent més de 100.000 yuans en ingressos diagnòstics.)
Resum: Regles bàsiques del daño d'equipament induït pel THD
Equipament inductiu (transformadors, motors, reactors): Vulnerable a "pèrdues addicionals" — les harmoniques incrementen les pèrdues de ferro/cobre, amb el sobrecalentament i l'envejeciment com danys primaris.
Equipament capacitiva (condensadors): Vulnerable a "sobrecorrent de ressonància" — les harmoniques triguen fàcilment la ressonància, amb el trencament d'aislament provocat per sobrecorrent com a dany principal.
Equipament de control (relès, sistemes de comunicació): Vulnerable a "distorsió de mostreig" — les harmoniques distorsionen les dades, conduint a malfuncionaments o faltes d'operació.
Equipament de precisió (màquines de litografia, MRI): Vulnerable a "distorsió de forma d'ona" — les harmoniques incrementen la ondulació de tensió, conduint a pèrdua de precisió.
Per tant, les xarxes elèctriques han d'adoptar una estratègia dual:
"Monitorització d'armòniques (controlant l'error de mesura THD ≤ ±0,5%) + Filtratge actiu (APF) / filtratge passiu"
per mantenir el THDv dins del límit estandard nacional del 5%, prevenint així el daño d'equipament a la font.
