THD-Überlast: Wie Harmonische Leistungen Energieausrüstung zerstören

Wenn die tatsächliche Netz-THD die Grenzwerte überschreitet (z. B. Spannungs-THDv > 5%, Strom-THDi > 10%), verursacht dies organischen Schaden an Geräten entlang der gesamten Stromkette — Übertragung → Verteilung → Erzeugung → Steuerung → Verbrauch. Die Kernmechanismen sind zusätzliche Verluste, Resonanzüberströme, Drehmomentfluktuationen und Abtastverzerrungen. Die Schadensmechanismen und -erscheinungen variieren erheblich je nach Gerätetyp, wie im Folgenden detailliert beschrieben:

1. Übertragungsgeräte: Überhitzung, Alterung und drastisch verkürzte Lebensdauer

Übertragungsgeräte tragen direkt den Netztrommel-/Spannung. Harmonische verstärken Energieverluste und Isolierungsabbau. Die wichtigsten betroffenen Komponenten sind Übertragungsleitungen (Kabel/ Freileitungen) und Stromwandler (CTs).

1.1 Übertragungsleitungen (Kabel / Freileitungen)

• Schadensmechanismus: Höhere harmonische Frequenzen verstärken den "Skin-Effekt" (Hochfrequenzströme konzentrieren sich auf der Leiteroberfläche, reduzieren die effektive Querschnittsfläche), erhöhen die Leitungswiderstände. Zusätzliche Kupferverluste steigen mit dem Quadrat der harmonischen Ordnung (z. B. 5. harmonischer Kupferverlust ist 25× höher als der Grundwert).

• Spezifische Schäden:

• Überhitzung: Bei THDi = 10% steigen die Kupferverluste um 20%-30% im Vergleich zu den Nennwerten. Die Kabeltemperatur kann von 70°C auf 90°C ansteigen (übersteigt die Isolierungstoleranz), was das Altern und Rissbildung der Isolierungsschichten (z. B. XLPE) beschleunigt.

• Verkürzte Lebensdauer: Lange Überhitzung reduziert die Kabellebensdauer von 30 Jahren auf 15–20 Jahre, kann potenziell zu "Isolierungsbrüchen" und Kurzschlussfehlern führen. (Ein Industriepark verbrannte zwei 10kV-Kabel innerhalb eines Jahres aufgrund übermäßiger 3. Harmonischen, Reparaturkosten über 800.000 RMB.)

1.2 Stromwandler (CTs)

• Schadensmechanismus: Harmonische Ströme (insbesondere 3. und 5.) verursachen "transiente Sättigung" der CT-Eisenkerne, was die Hysterese- und Wirbelstromverluste (zusätzliche Eisenverluste) stark erhöht. Sättigung verzerht die Ausgangswellenform auf der Sekundarseite, verhindert eine genaue Darstellung des Primärstroms.

• Spezifische Schäden:

• Kernüberhitzung: Die Temperatur des CT-Kerns kann 120°C überschreiten, die Isolierung der Sekundärwicklungen verbrennen und zu Verhältnisgenauigkeitsfehlern führen.

• Fehlfunktion des Schutzes: Verzerrter Sekundärstrom führt dazu, dass Schutzrelais (z. B. Überstromschutz) fälschlicherweise "Leitungskurzschlüsse" erkennen, was zu falschem Auslösen führt. (Ein Verteilnetz erlebte 10 Speiseausfälle aufgrund von CT-Sättigung, was 20.000 Haushalte betraf.)

2. Verteilungsgeräte: Häufige Ausfälle, Zusammenbruch der Systemstabilität

Verteilungsgeräte sind entscheidend für die "Verbindung von Ober- und Unterstrom" im Netz. Wenn THD die Grenzwerte überschreitet, verursacht es den direktesten Schaden. Die wichtigsten betroffenen Geräte sind Stromtransformator, Kondensatorenbänke und Reaktoren.

2.1 Stromtransformator (Verteilungs-/Haupttransformator)

• Schadensmechanismus: Harmonische Spannungen erhöhen die magnetische Hysterese und Wirbelstromverluste in den Transformator-Kernen (zusätzliche Eisenverluste); harmonische Ströme erhöhen die Wicklungskupferverluste. Insgesamt führen diese zu einem erheblichen Anstieg der Gesamtverluste. Unsymmetrische dreiphasige Harmonische erhöhen auch den Neutralstrom (bis zu 1,5× Phasestrom), was lokale Überhitzung verschlimmert.

• Spezifische Schäden:

• Kernüberhitzung: Bei THDv = 8% steigen die Eisenverluste des Transformators um 15%-20%. Die Kerntemperatur steigt von 100°C auf 120°C, was das Altern von Isolieröl (z. B. 25#-Transformatoröl) beschleunigt, die Säurezahl erhöht und die Dielektrizitätsstärke reduziert.

• Wicklungsausfall: Langfristige Überhitzung kohlenisiert die Wicklungsisolierungspapier (z. B. Nomex), was zu Kurzschlüssen führt. Ein Umspannwerk verlor nach 3 Jahren die Hauptwicklung seines 110kV-Haupttransformators aufgrund übermäßiger 5. Harmonischer, die Reparaturkosten betrugen über 5 Millionen RMB.

• Verkürzte Lebensdauer: Lange THD reduziert die Transformatorlebensdauer von 20 Jahren auf 10–12 Jahre.

2.2 Parallele Kondensatorenbänke (für Blindleistungskompensation)

• Schadensmechanismus: Der kapazitive Widerstand nimmt mit der Frequenz ab (Xc = 1/(2πfC)), so dass hohe harmonische Frequenzen Überströme induzieren. Wenn Kondensatoren eine "harmonische Resonanz" mit der Netzdrossel (z. B. 5. Ordnung) bilden, kann der Strom bis zu 3–5× des Nennwerts ansteigen – weit über die Kondensatorratings hinaus.

• Spezifische Schäden:

• Isolierungsbruch: Der Überstrom heizt interne Dielektrika (z. B. Polypropylenfolie) auf, was zu Durchschlägen, Beulen oder sogar Explosionen führen kann. (Ein industrieller Werkstatt schädigte drei 10kV-Kondensatorenbänke innerhalb eines Monats aufgrund der 7. harmonischen Resonanz; der Ersatzkosten pro Bank überstiegen 150.000 RMB.)

• Schutzfehlfunktion: Resonanzströme verbrennen Sicherungen; wenn der Schutz nicht reagiert, steigt das Brandrisiko.

2.3 Serielle Reaktoren (für Harmonischeunterdrückung)

• Schadensmechanismus: Obwohl sie zur Unterdrückung bestimmter Harmonischer (z. B. 3. und 5.) verwendet werden, leiden Reaktoren unter langfristigen harmonischen Strömen an erhöhten Wicklungskupferverlusten. Pulsierende Magnetfelder durch Harmonische verstärken auch die Kernen-Vibration, was mechanisches Verschleiß verursacht.

• Spezifische Schäden:

• Wicklungsoberhitzung: Bei THDi = 12% steigen die Reaktorkupferverluste um über 30%; die Wicklungstemperaturen überschreiten 110°C, wodurch die Isolierharz verkokelt und abblättert.

• Kernlärm & Verschleiß: Die Vibrationsfrequenz koppelt sich mit den Harmonischen, produziert lautes Geräusch (>85 dB). Langfristige Vibration löst Siliziumstahl-Laminaten, reduziert die Permeabilität und macht die Harmonischeunterdrückung ineffektiv.

3. Erzeugungsgeräte: Ausgabebegrenzung, steigende Sicherheitsrisiken

Erzeugungsgeräte sind die "Energiequelle" des Netzes. Überschüssige THD beeinträchtigt negativ die Betriebsstabilität. Wichtige betroffene Geräte: Synchrone Generatoren, regenerative Inverter (PV/Wind).

3.1 Synchrone Generatoren (Thermische/Wasserkraftwerke)

• Schadensmechanismus: Netzharmonische strömen zurück in die Generatorstatorwindungen, bilden ein "harmonisches elektromagnetisches Drehmoment". Superponiert auf das grundlegende Drehmoment, bildet dies ein "pulsierendes Drehmoment", das die Vibration erhöht. Harmonische Ströme erhöhen auch die Stator-Kupferverluste, was zu lokaler Überhitzung führt.

• Spezifische Schäden:

• Geringere Ausgabe: Eine 300MW-Einheit bei THDv = 6% erlebt ±0,5% Geschwindigkeitsfluktuationen aufgrund des pulsierenden Drehmoments, wodurch die Ausgabe unter 280MW sinkt, die Effizienz um 5%-8% verringert wird.

• Wicklungsoberhitzung: Die Stator-Temperatur kann 130°C erreichen (übersteigt die Isolierungsgrenze der Klasse A von 105°C), was das Altern der Isolierung beschleunigt und das Risiko von Zahn-zu-Zahn-Kurzschlüssen erhöht.

• Lagerverschleiß: Erhöhte Vibration beschleunigt den Verschleiß der Lager (z. B. Gleitlager), reduziert die Lebensdauer von 5 Jahren auf 2–3 Jahre.

3.2 Regenerative Inverter (PV / Wind)

• Schadensmechanismus: Inverter sind empfindlich gegenüber Netz-THD (gemäß GB/T 19964-2012). Wenn die THDv am Einspeisepunkt > 5% ist, löst der Inverter "harmonische Schutzmaßnahmen" aus, um Schäden zu vermeiden. Darüber hinaus verursacht harmonische Spannung eine Leistungsdifferenz zwischen DC- und AC-Seite, was zur Überhitzung des IGBT-Moduls führt.

• Spezifische Schäden:

• Netzabkopplung: In einem Windpark mit THDv = 7% trennten sich 20 Einheiten von 1,5 MW-Invertern gleichzeitig vom Netz, was mehr als 100.000 kWh Windenergie an einem Tag verloren ging, was etwa 50.000 RMB an verlorenen Einnahmen kostete.

• IGBT-Ausfall: Langfristiger Betrieb unter Harmonischen erhöht die Schaltverluste in IGBT-Modulen (Kernkomponente), was die Temperatur über 150°C steigen lässt, was das Risiko eines "thermischen Ausfalls" erhöht. Die Reparaturkosten pro Inverter überschreiten 100.000 RMB.

4. Steuerg