THD ülekoormus: Kuidas harmonikud hävitavad elektriseadmeid

Kui tegelik võrgu THD ületab piirangud (nt voltaga THDv > 5%, vooluga THDi > 10%), see põhjustab organilist kahju varustusele kogu energiakettas — edastamine → jaotamine → tootmine → juhtimine → tarbimine. Põhimehhanismid on lisakadunemised, resonaantslik ülevool, momentide lükked ja prooviväärtuste distortsioon. Kahju mehhanismid ja väljendumised erinevad oluliselt varustuse tüübile, mis on detailsemalt kirjeldatud allpool:

1. Edastamise varustus: ülerõhk, vananemine ja drastiline elueaga lühenedamine

Edastamise varustus kandab otse võrguvoolu/voolu. Harmonikad soodustavad energiakadunemisi ja isolatsiooni halvenemist. Mõjutatud peamised osad on edastamisjooned (kaablid/ööpäevajooned) ja vooluteisendajad (CTs).

1.1 Edastamisjooned (Kaablid / Ööpäevajooned)

• Kahju mehhanism: kõrgemad harmonika sagedused intensiivdavad "nahketeetlust" (kõrge sagedusega vood konsentreeruvad joonepinna küljel, vähendades tõhusat ristlikku läbimõõdu), suurendades joone vastust. Lisakuparikadunemised kasvavad harmonika järjekorra ruudu võrra (nt 5. harmonika kuparikadunemine on 25× algharmonika kadunemisest).

• Konkreetne kahju:

• Ülerõhk: kui THDi = 10%, kuparikadunemised suurenevad 20%-30% võrreldes niminaalsete tingimustega. Kaabile temperatuur võib tõusta 70°C-st 90°C-ni (ületades isolatsiooni tolerantsi), kiirendades isolatsioonikihite (nt XLPE) vananemist ja prakila.

• Lühendatud eluea: pikendatud ülerõhk vähendab kaabile eluea 30 aastast 15–20 aasta võrra, võimaldades "isolatsioonipuudutuste" ja lühikese ringi tekkel. (Tegevuspark kahetas aastaga kaks 10kV kaavat kolmanda harmonika üleliigsuse tõttu, remondikulud ületasid 800 000 RMB-i.)

1.2 Vooluteisendajad (CTs)

• Kahju mehhanism: harmonika voolud (eriti 3. ja 5.) põhjustavad CT raudese "transientset täitumist", oluliselt suurendades histerese ja induktiivset kadunemist (lisaraudese kadunemine). Täitumine distortsioneerib teise poolt väljundlaine, takistades täpset esindamist esmase voolu.

• Konkreetne kahju:

• Raudese ülerõhk: CT raudese temperatuur võib ületada 120°C, põhjustades teise poolt keevide isolatsiooni põletumist ja suhte täpsuse kaotamist.

• Vigane kaitse: distortsioneeritud teine poolt vool viitab kaitserelidele (nt ülevoolukaitse) valesti "lõike lühikese ringi" tuvastamisel, põhjustades vale käivitamise. (Jaotusvõrk koges 10 vedeliku katkestamist CT täitumise tõttu, millest mõjutati 20 000 kodutalu.)

2. Jaotamise varustus: sageli esinevad katked, süsteemi stabiilsuse kahanev

Jaotamise varustus on kriitiline "ülemise ja alumise ühendamiseks" võrgus. THD piirangute ületamine põhjustab kõige otsesemat kahju. Peamised mõjutatud seadmed hõlmavad võimsustehisendeid, kondensaatorpanke ja reaktoreid.

2.1 Võimsustehised (jaotamise / peamised tehis)

• Kahju mehhanism: harmonika voltaga suurendavad magneetilist histerese ja induktiivset kadunemist tehiseraudese (lisaraudese kadunemine); harmonika voolud suurendavad nihete kuparikadunemist. Kokku need oluliselt suurendavad kokku kadunemist. Ebatasakaalustatud kolme fasi harmonikad suurendavad neutraalvoolu (kuni 1.5× faasis vool), halvendades kohalikku ülerõhku.

• Konkreetne kahju:

• Raudese ülerõhk: kui THDv = 8%, tehiseraudese kadunemised suurenevad 15%-20%. Raudese temperatuur tõuseb 100°C-st 120°C-ni, kiirendades isolatsiooniolie (nt 25# tehisool) vananemist, suurendades suitsuvust ja vähendades dielektrilist tugevust.

• Nihete põletumine: pikendatud ülerõhk karboniseerib nihete isolatsioonipaberi (nt Nomex), põhjustades lühikese ringi. Alampargi 110kV peamine tehis kahetas nihete lühikese ringi kolme aasta jooksul üleliigse 5. harmonika tõttu, remondikulud ületasid 5 miljonit RMB-i.

• Lühendatud eluea: pikendatud THD vähendab tehiselikku eluea 20 aastast 10–12 aasta võrra.

2.2 Paralleelkondensaatoripangad (reaktiivse jõuduse kompenseerimiseks)

• Kahju mehhanism: kondensaatorreactants väheneb sagedusega (Xc = 1/(2πfC)), nii et kõrge sagedusega harmonikad põhjustavad ülevoolu. Kui kondensaatorid moodustavad "harmonika resonaantsi" võrgu induktiivsusega (nt 5. järjekorra resonaants), võib vool kasvada 3–5× nominaalsest väärtusest—palju üle kondensaatorite spetsifikatsioonide.

• Konkreetne kahju:

• Isolatsioonipuudutus: ülevool küütavdab sisemisi dielektrikuid (nt polüpropüleenfilmi), põhjustades punterdamist, ulatusdamist või isegi plahvatamist. (Tööstusloodus kahetas kolm 10kV kondensaatoripangat ühe kuu jooksul 7. harmonika resonaansi tõttu; asendamiskulud üksikule pangale ületasid 150 000 RMB-i.)

• Kaitse ebaõnnestumine: resonaantide vool põletab segmeti; kui kaitse ei toimi, suureneb palaviku risk.

2.3 Järjestikud reaktorid (harmonika takistamiseks)

• Kahju mehhanism: kuigi kasutatakse konkreetsete harmonikate (nt 3. ja 5.) takistamiseks, reaktorid kannatavad pikendatud harmonika voolu tõttu suuremate nihete kuparikadunemiste eest. Harmonikate pulmeerivad magneetiväljad intensiivdavad raudese vibratsiooni, põhjustades mehaanilist sõrmust.

• Konkreetne kahju:

• Vikendi ülekuumenevus: Kui THDi = 12%, siis reaktori kupari kahjud suurenevad rohkem kui 30%; vikendi temperatuur ületab 110°C, mis põhjustab eralduse vernisti karboniseerimise ja mahlapääsu.

• Tüki müra ja sõrmek: Värinataste sagedus kombineeritakse harmooniatega, tootes tugeva müra (>85 dB). Pikaajaline värinatus lasub silitsiumterasest laastid, vähendades permeabelsust ja muutes harmoonia kontrollimiseks kasutatavaid meetodeid ebatõhusaks.

3. Tootmisseadmed: Väljundpiirangud, kasvavad ohud

Tootmisseadmed on võrgu "energiailmaviku". Liiga suur THD mõjutab negatiivselt töötabamust. Peamised mõjutatud seadmed: sinkroonsete generaatorid, taastuvenergia inverteerijad (PV/lõhn).

3.1 Sinkroonsete generaatorite (soojuse/vee elektrijaamad)

• Kahjustuse mehhanism: Võrgu harmooniad tagasiülitatakse generaatori statorvikendisse, luues "harmoonilise elektromagnetiline torss." See lisandub põhitorssile, moodustades "pulsatsioonitorssi," mis suurendab värinatust. Harmoonilised ströömid tõstavad ka statorikupari kahju, põhjustades kohalikku ülekuumenemist.

• Konkreetne kahju:

• Vähendatud väljund: 300 MW ühikut, kui THDv = 6%, kogeb ±0,5% kiirusel heitlemuse pulsatsioonitorssi tõttu, mis vähendab väljundit alla 280 MW, vähendades efektiivsust 5%-8%.

• Vikendi ülekuumenevus: Statori temperatuur võib jõuda 130°C (ületades klassi A eralduse piiri 105°C), kiirendades eralduse vananemist ja tekitades ohtu ringide vahelise lühikestele.

• Liigendite sõrmek: Suureneb värinatuse tõttu liigendite (nt rulliliigendid) sõrmek, vähendades nende eluaja 5 aastast 2–3 aasta võrra.

3.2 Taastuvenergia inverteerijad (PV / lõhn)

• Kahjustuse mehhanism: Inverteerijad on tundlikud võrgu THD-le (vastavalt GB/T 19964-2012). Kui ühenduspunkti THDv > 5%, siis inverteerija käivitab "harmoonilise kaitse" kahju vältimiseks. Lisaks põhjustab harmooniline pingevahetused DC ja AC poolte vahel, mis viib IGBT mooduli ülekuumenemiseni.

• Konkreetne kahju:

• Võrgust lahkuvamine: Lõhnepargis, kus THDv = 7%, lahkusid korraga 20 ühikut 1,5 MW inverteerijaid, jätes ühe päeva jooksul vahele üle 100 000 kWh lõhnet, mis maksis umbes 50 000 RMB kaotatud tuludega.

• IGBT läbipõletumine: Pikaajaline töö harmooniate all suurendab IGBT moodulites (põhiosa) lülituskahju, tõstes temperatuuri üle 150°C, tekitades ohtu "soojuse murdumisele." Parandamise kulud ühe inverteerija kohta ületavad 100 000 RMB.

4. Juhtimisseadmed: Proovide kallutus, süsteemi pettused

Juhtimisseadmed on võrgu "mõõtme ja nervisüsteem". Liiga suur THD põhjustab proovide kallutumise ja ebatavaliste käskude edastamise. Peamised mõjutatud seadmed: kaitserelid, automaatikakommunikatsioonisüsteemid.

4.1 Kaitserelid (ülekoormus-/erinevuskaitse)

• Kahjustuse mehhanism: Harmoonilised ströömid põhjustavad ajutise CT täisumist, kallutades proovitud strömikujusid (nt tasakarvunud lained), mis põhjustavad kaitsealgoritmite vigast arvestamist amplituudi ja faasi osas, käivitades ebatäpseid toiminguid. Harmoonilised pinged võivad ka segada relide varustuspingete, põhjustades loogikapiirkondade pettused.

• Konkreetne kahju:

• Ebatäpne trippimine: Jaotusvõrgus, kus THDi = 12%, koges CT väljundi kallutumist täisumise tõttu, põhjustades ülekoormuskaitse ebatäpset tuvastamist "joone lühikeste" ja trippimist 10 joonte, lõpetades elektri tarnimise 20 000 kodule 4 tunniks, tekitades kaudseid majanduskaotusi, mis ületasid 2 miljonit RMB.

• Trippimise ebaõnnestumine : Kui harmoonilise segamine põhjustab relide varustuspinge ±10% heitlemuse, võib loogikapiirkond läbi kukuda, ebatäpselt trippides tegelike veateadetega, lubades vea laienevat.

4.2 Automaatika kommunikatsiooniseadmed (RS485 / laaseri modulid)

• Kahjustuse mehhanism: Harmooniliste elektromagnetiliste radiatsioon (nt 10V/m RF segamine) kombineeritakse kommunikatsiooniliinidega, põhjustades "bitide keerdumist" andmete edastamisel. Harmoonilised pinged segavad ka kellamooduleid, suurendades sünkroniseerimise vigu.

• Konkreetne kahju:

• Bitide veatega suurenemine: Harmoonilise segamise tõttu tõusis RS485 kommunikatsiooni bitide veatega jaotusautomaatikas 10⁻⁶-st 10⁻³-ni, viivitas või kaotas juhendamiskäske (nt "korrigeeri kondensaatorite lülitamist").

• Moduli läbipõletumine: Kõrge sagedusega harmoonilised võivad katkestada signaalide eralduskontuuride (nt optokuplilained) kommunikatsioonimoodulites, põhjustades nende ebatöötavuse. Üks alamjaam hävitas 8 laaseri modulit ühe kuu jooksul 5. harmoonilise segamise tõttu.

5. Lõppkasutuse seadmed: Töötabamise halvenemine, tootmise õnnetused

Lõppkasutuse seadmed esindavad võrgu "lõplikku koormust". Tehase- ja täpsete seadmete kannatab enim liiga suure THD tõttu. Peamised mõjutatud seadmed: tehaste mootorid, täpsete seadmete (litograafia masinad / meditsiinilised MRI).

5.1 Tööstuslikud mootorid (induktsioonmootorid / sünkroonmootorid)

• Kahjustuse mehhanism: Harmonilised voltagid tekitavad "harmonilised voolud" mootori statoripüksite sees, moodustades "negatiivse järjekorra keerlevad magnetväljad". Kui need kombineeritakse põhiväljaga, tekib "pihustamismoment", mis põhjustab kiirusfluktuatsioone ja suurendab vibratsiooni. Harmonilised voolud suurendavad ka statori/rotori kuivkarju kahjusi, mille tulemuseks on üldine ülekuumenemine.

• Spetsiifilised kahjustused:

• Efektiivsuse langus: 100 kW induktsioonmootor, mille THDv = 7%, näeb efektiivsuse langemist 92%st alla 85%, tarbides rohkem kui 50 000 kWh lisaaastas (0,6 yuan/kWh hinnaga, lisaelektriomakulu: 30 000 yuani/aasta).

• Põletumine: Terasevarala valamu mootor põletus kaks korda kaheksa kuuga, kuna oli pikas ajas alt seitsmenda harmonilise mõju all; statori temperatuur jõudis 140°C-ni. Ühe mootori asendamise kulud ületasid 2 miljonit RMB-d.

• Vibratsioon & müra: Mootori vibratsioonikiiresus kasvas 0,1g-st 0,5g-ni, müra ületas 90dB, mõjutades töökeskkonda ja kiirendades aluse sõrmestumist.

5.2 Täpsed seadmed (semikonduktoride litograafiamasinad / meditsiiniline MRI)

• Kahjustuse mehhanism: Need seadmed nõuavad äärmiselt puhtat voltagi (THDv ≤ 2%). Harmonilised suurendavad sisemiste toiteallikate ripplet ja vähendavad ADC proovimärgi täpsust, lõpuks kahjustades funktsionaalsust.

• Spetsiifilised kahjustused:

• Täpsuse kaotus: Semikonduktoride litograafiamasin, mille THDv = 4%, nägi laseri paigutustäpsuse langemist 0,1μm-st 0,3μm-ni, vähendades plaadile võetavate viilude andmeväljundit 95%st 80%-ni, kaotades üle 500 000 yuani väljundväärtust päevas.

• Seadme peatumine: Harmonilised põhjustasid MRI gradientkoilide voolufluktuatsioone, takistasel selget pilvestamist, sunnides peatuma. (Üks haigla peatas MRI operatsioonid 2 päeva, kuna kolmanda harmonilise ülekaal, kaotades üle 100 000 yuani diagnoosimise tuludes.)

Kokkuvõte: THD poolt põhjustatud seadmete kahjustuste põhieelsed

• Induktiivsed seadmed (transformaadid, mootorid, reaktorid): Nälgivad "lisakahjusid" — harmonilised suurendavad raud/kuivkarju kahjusi, kus ülekuumenemine ja vananemine on peamised kahjustused.

• Kapasitiivsed seadmed (kapasitorid): Nälgivad "resonantslike ülevoolude" — harmonilised võivad lihtsasti käivitada resonantsi, kus ülevooludega põhjustatud isolatsiooni katke on peamine kahjustus.

• Juhtimisseadmed (relid, kommunikatsioonisüsteemid): Nälgivad "proovimärgi vääringut" — harmonilised vääristavad andmeid, põhjustades valetoiminguid või toimingute ebaõnnestumist.

• Täpsed seadmed (litograafiamasinad, MRI): Nälgivad "voltagi lainekuju vääringut" — harmonilised suurendavad voltagi ripplet, põhjustades täpsuse kaotust.

Seega peavad elektrivõrgud kasutama kahtestrateegiat:
"Harmoniliste jälgimine (kontrollides THD mõõtmisvea ≤ ±0,5%) + Aktiivne filtratsioon (APF) / Passiivne filtratsioon"
et hoida THDv riikliku standardi piirides 5% sisene, nii et seadmete kahjustused saaks ennetada allika tasandil.