THD přetížení: Jak harmonické kmitočty ničí elektrické zařízení
Když skutečná THD sítě překročí limity (např. THDv napětí > 5 %, THDi proud > 10 %), způsobuje to organické poškození zařízení v celém energetickém řetězci — Přenos → Distribuce → Generování → Řízení → Spotřeba. Klíčové mechanismy jsou dodatečné ztráty, rezonanční přetok, fluktuace točivého momentu a zkreslení vzorkování. Mechanismy poškození a projevy se výrazně liší podle typu zařízení, jak je uvedeno níže:
1. Přenosové zařízení: přehřívání, stárnutí a drastické zkrácení životnosti
Přenosové zařízení přenáší přímo síťový proud/napětí. Harmonické složky zhoršují ztráty energie a degradaci izolace. Klíčově ovlivněné komponenty jsou přenosové linky (kabely/vzdušné) a proudové transformátory (CT).
1.1 Přenosové linky (kabely / vzdušné linky)
Mechanismus poškození: vyšší harmonické frekvence zesilují "efekt kůže" (vysokofrekvenční proudy se soustřeďují na povrch vodiče, což snižuje efektivní průřezovou plochu), což zvyšuje odpor linky. Dodatečné měděné ztráty rostou s druhou mocninou řádu harmonické složky (např. měděné ztráty páté harmonické složky jsou 25× vyšší než základní).
Konkrétní poškození:
Přehřívání: při THDi = 10 % se měděné ztráty zvýší o 20%-30% ve srovnání s nominálními podmínkami. Teplota kabelu může stoupat z 70 °C na 90 °C (což přesahuje toleranci izolace), což urychluje stárnutí a trhání izolačních vrstev (např. XLPE).
Zkrácená životnost: dlouhodobé přehřívání snižuje životnost kabelu z 30 let na 15–20 let, což může způsobit "prohoření izolace" a krátké spojení (např. průmyslový park shořel dvě 10 kV kabely během jednoho roku kvůli nadměrné třetí harmonické složce, což stálo více než 800 000 CNY na opravy).
1.2 Proudové transformátory (CT)
Mechanismus poškození: harmonické proudy (zejména třetí a pátá) způsobují "dočasné nasycení" železných jader CT, což výrazně zvyšuje ztráty hystereze a vířivého proudu (dodatečné železné ztráty). Nasycení zkresluje výstupní vlnovou formu na sekundární straně, což brání přesnému zobrazení primárního proudu.
Konkrétní poškození:
Přehřívání jádra: teplota jádra CT může překročit 120 °C, což spálí izolaci sekundárních vinutí a způsobí nepřesnosti poměru.
Nesprávné fungování ochrany: zkreslený sekundární proud vedl ochranné relé (např. ochrana proti přetoku) k falešné detekci "krátkého spojení v lince", což vedlo k falešnému vypnutí (např. distribuční síť zaznamenala 10 vypnutí vedení kvůli nasycení CT, což ovlivnilo 20 000 domácností).
2. Distribuční zařízení: časté selhání, kolaps systémové stability
Distribuční zařízení je klíčové pro "propojení horní a dolní části" sítě. Překročení limitu THD způsobuje nejbezprostřednější poškození. Klíčově ovlivněná zařízení zahrnují elektrické transformátory, kondenzátorové bance a reaktory.
2.1 Elektrické transformátory (distribuční / hlavní transformátory)
Mechanismus poškození: harmonické napětí zvyšuje magnetické ztráty hystereze a vířivého proudu v jádrech transformátorů (dodatečné železné ztráty); harmonické proudy zvyšují měděné ztráty v vinutích. Tyto faktory dohromady výrazně zvyšují celkové ztráty. Nesouměrné třífázové harmonické složky také zvyšují neutrální proud (až 1,5× fázový proud), což zhoršuje lokální přehřívání.
Konkrétní poškození:
Přehřívání jádra: při THDv = 8 % se železné ztráty transformátoru zvýší o 15%-20%. Teplota jádra stoupne z 100 °C na 120 °C, což urychluje degradaci izolačního oleje (např. 25# transformátorový olej), zvyšuje kyselost a snižuje dielektrickou pevnost.
Spálení vinutí: délkové přehřívání uhlíkuje izolační papír vinutí (např. Nomex), což vede k krátkým spojením. Transformátor hlavní stanice 110 kV utrpěl krátké spojení vinutí po 3 letech kvůli nadměrné páté harmonické složce, což stálo více než 5 milionů CNY na opravy.
Zkrácená životnost: dlouhodobé překročení limitu THD snižuje životnost transformátoru z 20 let na 10–12 let.
2.2 Paralelní kondenzátorové bance (pro kompenzaci reaktivního výkonu)
Mechanismus poškození: kapacitní reactance klesá s frekvencí (Xc = 1/(2πfC)), takže vysokofrekvenční harmonické složky způsobují přetok. Pokud kondenzátory vytvoří "rezonanci harmonických složek" s induktancí sítě (např. pátá harmonická rezonance), může proud narůst na 3–5× nominální hodnoty — což je daleko nad kapacitní rating.
Konkrétní poškození:
Prohoření izolace: přetok ohřívá vnitřní dielektrika (např. polypropylenová folie), což vede k průrazu, vzdouvání nebo dokonce explozi (např. průmyslová dílna poškodila tři 10 kV kondenzátorové bance během jednoho měsíce kvůli sedmé harmonické rezonanci; náhrada každé bance stála více než 150 000 CNY).
Selhání ochrany: rezonanční proudy spálí pojistky; pokud ochrana nefunguje, riziko požáru roste.
2.3 Seriálové reaktory (pro potlačení harmonických složek)
Mechanismus poškození: i když se používají k potlačení specifických harmonických složek (např. třetí, pátá), reaktory trpí zvýšenými měděnými ztrátami v vinutích pod vlivem dlouhodobého harmonického proudu. Pulsující magnetické pole z harmonických složek také zhoršuje vibrační nosnost jádra, což způsobuje mechanický opotřebení.
Konkrétní poškození:
Přehřívání cívek: Při THDi = 12 % se ztráty v reaktoru zvýší o více než 30 %; teplota cívek přesahuje 110 °C, což způsobuje uhlíkování a odlučování izolačního laků.
Hluk a opotřebení jádra: Frekvence kmitání se spojuje s harmonickými kmitočty, což vytváří silný hluk (>85 dB). Dlouhodobé kmitání způsobuje uvolnění laminátů z krystalického železa, snižuje permeabilitu a zneefektivňuje potlačování harmonických kmitočtů.
3. Generační zařízení: Omezení výkonu, rostoucí bezpečnostní rizika
Generační zařízení je "zdrojem energie" elektrické sítě. Příliš vysoké THD negativně ovlivňuje operační stabilitu. Klíčová postižená zařízení: synchronní generátory, obnovitelné invertere (PV/větrné).
3.1 Synchronní generátory (termické/hydroenergetické elektrárny)
Mechanismus poškození: Harmonické kmitočty zpětně napájejí statorové cívky generátoru, vytvářejí "harmonický elektromagnetický točivý moment." Tento moment se superponuje na základní točivý moment a vytváří "pulsující točivý moment," což zvyšuje kmitání. Harmonické proudy také zvyšují ztráty v měděných cívkách statoru, což způsobuje lokální přehřívání.
Konkrétní poškození:
Snížení výkonu: Jednotka 300 MW při THDv = 6 % zažije kolísání otáček ±0,5 % kvůli pulsujícímu točivému momentu, což snižuje výkon pod 280 MW a efektivitu o 5%-8%.
Přehřívání cívek: Teplota statoru může dosáhnout 130 °C (překračuje limit třídy A izolace 105 °C), což urychluje stárnutí izolace a ohrožuje krátké spojení mezi závitky.
Opotřebení ložisek: Zvýšené kmitání urychluje opotřebení ložisek (např. ložiska s vložkou), což snižuje životnost z 5 let na 2–3 roky.
3.2 Obnovitelné invertere (PV / větrné)
Mechanismus poškození: Invertere jsou citlivé na THD sítě (dle GB/T 19964-2012). Pokud THDv v bodě připojení > 5 %, inverter aktivuje ochranu proti harmonickým kmitočtům, aby zabránil poškození. Kromě toho způsobuje harmonické napětí nerovnováhu mezi DC a AC stranou, což vedá k přehřívání IGBT modulů.
Konkrétní poškození:
Odpojení od sítě: V větrné farmě s THDv = 7 % se současně odpojilo 20 jednotek inverterů 1,5 MW, což znamenalo opuštění přes 100 000 kWh větrné energie během jednoho dne, což způsobilo ztrátu příjmů ve výši ~50 000 CNY.
Spálení IGBT: Dlouhodobé provozování za přítomnosti harmonických kmitočtů zvyšuje ztráty při přepínání v IGBT modulech (klíčová komponenta), což zvyšuje teplotu nad 150 °C, což ohrožuje "termický rozpad." Náklady na opravu každého inverteru přesahují 100 000 CNY.
4. Řídící zařízení: zkreslení vzorkování, selhání systému
Řídící zařízení slouží jako "mozek a nervový systém" sítě. Příliš vysoké THD způsobuje zkreslené vzorkovací data a anomální přenos příkazů. Klíčová postižená zařízení: chránící relé, automatizační komunikační systémy.
4.1 Chránící relé (přetoková/diferenciální ochrana)
Mechanismus poškození: Harmonické proudy způsobují dočasné nasycení CT, což zkresluje vzorkované proudové vlny (např. vlny s plochými vrcholy), což vedou algoritmy ochrany k nesprávnému posouzení amplitudy a fáze, což spouští chybné akce. Harmonická napětí může také rušit napájecí zdroje relé, což způsobuje selhání logických obvodů.
Konkrétní poškození:
Nesprávné spuštění: V distribuční síti s THDi = 12 % došlo k zkreslení výstupu CT kvůli nasycení, což způsobilo, že ochrana přetoku falešně detekovala "krátké spojení" a odpojila 10 vedení, což způsobilo odpojení proudu 20 000 domácnostem po dobu 4 hodin, což vedlo k nepřímým ekonomickým ztrátám přesahujícím 2 miliony CNY.
Selhání spuštění : Pokud harmonické rušení způsobí kolísání napětí ±10 % v napájecím zdroji relé, může dojít k havárii logického obvodu, který nespustí při skutečných poruchách, což umožní eskalaci poruchy.
4.2 Automatizační komunikační zařízení (RS485 / optické moduly)
Mechanismus poškození: Elektromagnetické záření z harmonických kmitočtů (např. 10 V/m RF rušení) se propojuje do komunikačních linek, což způsobuje "bitové převrácení" při přenosu dat. Harmonická napětí také ruší časovače, což zvyšuje chyby synchronizace.
Konkrétní poškození:
Zvýšená bitová chybovost: V důsledku harmonického rušení se bitová chybovost RS485 komunikace v distribučním automatizačním systému zvýšila z 10⁻⁶ na 10⁻³, což způsobilo zpoždění nebo ztrátu dispečerských příkazů (např. "úprava přepínání kondenzátorů").
Spálení modulu: Vysokofrekvenční harmonické kmitočty mohou způsobit poruchu signalizačních izolačních obvodů (např. optokuplíry) v komunikačních modulech, což způsobuje selhání. Jedna transformační stanice zničila 8 optických modulů během měsíce kvůli rušení 5. harmonického kmitočtu.
5. Koncová zařízení: degradace výkonu, produkční nehody
Koncová zařízení představují "terminální zátěž" sítě. Průmyslové a přesné zařízení trpí nejvíce při příliš vysokém THD. Klíčová postižená zařízení: průmyslové motory, přesné zařízení (litografické stroje / lékařské MRI).
5.1 Průmyslové motory (asynchronní / synchronní motory)
Mechanizmus poškození: Harmonické napětí vytváří "harmonické proudy" v cestách statoru motoru, což vede k vytvoření "negativních sekvencí rotujících magnetických polí." Když jsou tyto pole přiloženy k základnímu poli, produkují "brzdový moment," což způsobuje fluktuace rychlosti a zvyšuje vibraci. Harmonické proudy také zvyšují ztráty v mědě statoru/rotoru, což vede ke celkovému přehřívání.
Konkrétní poškození:
Klesnutí efektivity: Asynchronní motor o výkonu 100 kW s THDv = 7 % zaznamenal klesnutí efektivity z 92 % na méně než 85 %, což vedlo k spotřebě více než 50 000 kWh ročně (za 0,6 yuan/kWh, dodatečné náklady na elektrickou energii: 30 000 yuan/rok).
Vypálení: Motor v lisu ocelárny vypálil dvakrát během šesti měsíců kvůli dlouhodobé expozici sedmé harmonické složce; teplota statoru dosahovala 140 °C. Náhrada každého motoru stála více než 2 miliony RMB.
Vibrace a hluk: Akcelerace vibrací motoru se zvýšila z 0,1g na 0,5g, hlučnost překročila 90 dB, což ovlivnilo pracovní prostředí a urychlilo opotřebení základny.
5.2 Přesná zařízení (litografické stroje pro polovodiče / MRI lékařské)
Mechanizmus poškození: Tato zařízení vyžadují extrémně čisté napětí (THDv ≤ 2 %). Harmonické složky zvyšují vlnkovanost vnitřních zdrojů napětí a snižují přesnost vzorkování ADC, což nakonec narušuje funkčnost.
Konkrétní poškození:
Ztráta přesnosti: Litografický stroj pro polovodiče s THDv = 4 % zaznamenal pokles přesnosti laserového umístění z 0,1 μm na 0,3 μm, což snížilo výtěžnost pláten z 95 % na 80 %, což způsobilo ztrátu přes 500 000 yuan na den.
Vypnutí zařízení: Harmonické složky způsobily fluktuace proudu v gradientních cívech MRI, což bránilo jasným obrazům a donutilo k vypnutí. (Nemocnice zastavila provoz MRI na 2 dny kvůli překročení třetí harmonické složky, což způsobilo ztrátu přes 100 000 yuan na diagnostických příjmech.)
Shrnutí: Základní pravidla poškození zařízení způsobené THD
Indukční zařízení (transformátory, motory, reaktory): Je citlivé na "dodatkové ztráty" — harmonické složky zvyšují železné/měděné ztráty, přičemž přehřívání a stárnutí jsou hlavními poškozeními.
Kapacitní zařízení (kapacity): Je citlivé na "rezonanční nadproud" — harmonické složky snadno vyvolávají rezonanci, přičemž hlavním poškozením je destrukce izolace způsobená nadproudem.
Řídící zařízení (relé, komunikační systémy): Je citlivé na "deformaci vzorkování" — harmonické složky deformují data, což vede k chybám při operacích nebo selhání operací.
Přesná zařízení (litografické stroje, MRI): Je citlivé na "deformaci vlnové formy" — harmonické složky zvyšují vlnkovanost napětí, což vede ke ztrátě přesnosti.
Proto musí elektrické sítě použít dvojitou strategii:
"Monitorování harmonických složek (kontrola chyby měření THD ≤ ±0,5 %) + aktivní filtrace (APF) / pasivní filtrace"
pro udržení THDv v rámci národního standardu 5 %, což prevence poškození zařízení zdroje.
