THD Overload: چگونه هارمونیک‌ها تجهیزات برق را تخریب می‌کنند

وقتی THD واقعی شبکه از حد مجاز عبور می‌کند (مثلاً THDv ولتاژ > ۵٪، THDi جریان > ۱۰٪)، آسیب‌های ارگانیک به تجهیزات در کل زنجیره برق — انتقال → توزیع → تولید → کنترل → مصرف — وارد می‌شود. مکانیزم‌های اصلی شامل تلفات اضافی، جریان رزونانسی بیش از حد، نوسانات گشتاور و تحریف نمونه‌برداری است. مکانیزم‌ها و نمایش‌های آسیب‌ها بر اساس نوع تجهیزات به طور قابل توجهی متفاوت است، به شرح زیر:

۱. تجهیزات انتقال: گرم شدن بیش از حد، پیری و کاهش شدید عمر مفید

تجهیزات انتقال به طور مستقیم جریان/ولتاژ شبکه را حمل می‌کنند. هارمونیک‌ها تلفات انرژی و تخریب عایق را تشدید می‌کنند. قطعات اصلی تحت تأثیر خطوط انتقال (کابل‌ها/خط‌های هوایی) و ترانسفورماتورهای جریان (CTs) هستند.

۱.۱ خطوط انتقال (کابل‌ها / خط‌های هوایی)

• مکانیزم آسیب: فرکانس‌های هارمونیک بالاتر اثر "جلدی" (جریان‌های با فرکانس بالا روی سطح هادی تمرکز می‌یابند و مساحت مؤثر را کاهش می‌دهند) را تشدید می‌کنند و مقاومت خط را افزایش می‌دهند. تلفات مس اضافی با مجذور مرتبه هارمونیک (مثلاً تلفات مس هارمونیک ۵ام ۲۵ برابر تلفات بنیادی است) افزایش می‌یابد.

• آسیب‌های خاص:

• گرم شدن بیش از حد: در THDi = ۱۰٪، تلفات مس ۲۰٪-۳۰٪ نسبت به شرایط اسمی افزایش می‌یابد. دما کابل از ۷۰°سیلسیوس به ۹۰°سیلسیوس (بیش از تحمل عایق) افزایش می‌یابد و پیری و ترک خوردگی لایه‌های عایق (مثلاً XLPE) را تسریع می‌کند.

• کاهش عمر مفید: گرم شدن طولانی‌مدت عمر کابل را از ۳۰ سال به ۱۵–۲۰ سال کاهش می‌دهد و ممکن است منجر به "شکست عایق" و خطاهای کوتاه مدار شود. (یک پارک صنعتی دو کابل ۱۰kV را در طول یک سال به دلیل هارمونیک ۳ام بیش از حد، به دلیل تعمیرات بیش از ۸۰۰۰۰۰ یوان هزینه کرد.)

۱.۲ ترانسفورماتورهای جریان (CTs)

• مکانیزم آسیب: جریان‌های هارمونیک (به ویژه ۳ام و ۵ام) باعث "اشباع موقت" هسته‌های آهن CT می‌شوند و تلفات هیستریس و جریان دوگانه (تلفات آهن اضافی) را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند. اشباع موج خروجی سمت ثانویه را تحریف می‌کند و نمایش دقیق جریان اصلی را ممکن نمی‌سازد.

• آسیب‌های خاص:

• گرم شدن هسته: دمای هسته CT ممکن است بیش از ۱۲۰°سیلسیوس شود، عایق سیم‌پیچ‌های ثانویه را می‌سوزاند و باعث عدم دقت در نسبت می‌شود.

• عملکرد نادرست محافظ: جریان ثانویه تحریف شده باعث می‌شود محافظ‌های مانند محافظ جریان بیش از حد (مثلاً محافظ جریان بیش از حد) "کوتاه مدار خط" را به اشتباه تشخیص دهند و عملکرد نادرست را القا کنند. (یک شبکه توزیع به دلیل اشباع CT، ۱۰ بار تغذیه را تجربه کرد که ۲۰۰۰۰ خانوار را تحت تأثیر قرار داد.)

۲. تجهیزات توزیع: خرابی‌های مکرر، فروپاشی پایداری سیستم

تجهیزات توزیع برای "ارتباط بالادست و پایین‌دست" در شبکه بسیار مهم هستند. THD بیش از حد آسیب‌های مستقیم‌ترین را موجب می‌شود. دستگاه‌های تحت تأثیر شامل ترانسفورماتورهای قدرت، بانک‌های خازنی و واکتورها هستند.

۲.۱ ترانسفورماتورهای قدرت (توزیع / ترانسفورماتورهای اصلی)

• مکانیزم آسیب: ولتاژ هارمونیک تلفات هیستریس و جریان دوگانه در هسته ترانسفورماتور (تلفات آهن اضافی) را افزایش می‌دهد؛ جریان‌های هارمونیک تلفات مس پیچ‌های لوله‌ای را افزایش می‌دهند. به طور ترکیبی، این‌ها تلفات کل را به طور قابل توجهی افزایش می‌دهند. هارمونیک‌های سه‌فاز نامتوازن همچنین جریان متعادل را (تا ۱.۵ برابر جریان فاز) افزایش می‌دهند و گرم شدن محلی را بدتر می‌کنند.

• آسیب‌های خاص:

• گرم شدن هسته: در THDv = ۸٪، تلفات آهن ترانسفورماتور ۱۵٪-۲۰٪ افزایش می‌یابد. دمای هسته از ۱۰۰°سیلسیوس به ۱۲۰°سیلسیوس افزایش می‌یابد و تخریب نفت عایق (مثلاً نفت ترانسفورماتور ۲۵#) را تسریع می‌کند، اسیدیته را افزایش می‌دهد و قدرت الکتریکی را کاهش می‌دهد.

• سوزاندن پیچ‌های لوله‌ای: گرم شدن طولانی‌مدت کاغذ عایق پیچ‌های لوله‌ای (مثلاً Nomex) را کربنیزه می‌کند و منجر به کوتاه مدار می‌شود. ترانسفورماتور اصلی ۱۱۰kV یک زیرстанسیون پس از ۳ سال به دلیل هارمونیک ۵ام بیش از حد، کوتاه مدار شد و هزینه تعمیرات بیش از ۵ میلیون یوان بود.

• کاهش عمر مفید: THD بیش از حد عمر ترانسفورماتور را از ۲۰ سال به ۱۰–۱۲ سال کاهش می‌دهد.

۲.۲ بانک‌های خازنی موازی (برای جبران توان واکنشی)

• مکانیزم آسیب: واکنش خازنی با فرکانس کاهش می‌یابد (Xc = ۱/(۲πfC))، بنابراین هارمونیک‌های با فرکانس بالا جریان بیش از حد را القا می‌کنند. اگر خازن‌ها با واکنش‌پذیری شبکه "رزونانس هارمونیک" (مثلاً رزونانس ۵ام) تشکیل دهند، جریان می‌تواند به ۳–۵ برابر مقدار اسمی افزایش یابد—بسیار بیشتر از ظرفیت خازن‌ها.

• آسیب‌های خاص:

• شکست عایق: جریان بیش از حد دی الکتریک داخلی (مثلاً فیلم پلی‌پروپیلن) را گرم می‌کند و منجر به سوراخ کردن، تورم یا حتی انفجار می‌شود. (یک کارگاه صنعتی در طول یک ماه سه بانک خازنی ۱۰kV را به دلیل رزونانس هارمونیک ۷ام خراب کرد؛ هزینه جایگزینی هر بانک بیش از ۱۵۰۰۰۰ یوان بود.)

• ناموفقیت محافظ: جریان‌های رزونانسی لینک‌های فیوز را می‌سوزانند؛ اگر محافظ عمل نکند، خطر آتش‌سوزی افزایش می‌یابد.

۲.۳ واکتورهای سری (برای سرکوب هارمونیک)

• مکانیزم آسیب: اگرچه برای سرکوب هارمونیک‌های خاص (مثلاً ۳ام، ۵ام) استفاده می‌شوند، واکتورها تحت جریان هارمونیک طولانی‌مدت تلفات مس پیچ‌های لوله‌ای اضافی را تجربه می‌کنند. میدان‌های مغناطیسی نوسانی ناشی از هارمونیک‌ها همچنین ارتعاش هسته را تشدید می‌کنند و سایش مکانیکی را افزایش می‌دهند.

• آسیب‌های خاص:

• گرم شدن سیم‌پیچ: در THDi = 12٪، تلفات مس راکتور بیش از 30٪ افزایش می‌یابد؛ دماهای سیم‌پیچ بالای 110 درجه سانتیگراد می‌رسند که باعث کربنی شدن و پاشیده شدن رزین عایق می‌شود.

• صدا و نوسان هسته: فرکانس نوسان با هارمونیک‌ها جفت می‌شود و صدای بلند (>85 دسیبل) تولید می‌کند. نوسان طولانی‌مدت لایه‌های فولاد سیلیسیوم را آزاد می‌کند، نفوذپذیری را کاهش می‌دهد و کارآمدی کاهش هارمونیک را مختل می‌کند.

3. تجهیزات تولید: محدودیت خروجی، افزایش خطرات ایمنی

تجهیزات تولید "منبع انرژی" شبکه هستند. THD بیش از حد عملکرد پایداری را تحت تأثیر قرار می‌دهد. دستگاه‌های مهم تحت تأثیر: ژنراتورهای همزمان، وارونهای تجدیدپذیر (فتوولتائیک/باد).

3.1 ژنراتورهای همزمان (نیروگاه‌های حرارتی/آبی)

• مکانیسم آسیب: هارمونیک‌های شبکه به سیم‌پیچ‌های استاتور ژنراتور بازمی‌گردند و "گشتاور الکترومغناطیسی هارمونیک" ایجاد می‌کنند. این گشتاور بر روی گشتاور اصلی اضافه می‌شود و "گشتاور نوسانی" را تشکیل می‌دهد که نوسان را افزایش می‌دهد. جریان‌های هارمونیک همچنین تلفات مس استاتور را افزایش می‌دهند و گرم شدن محلی را ایجاد می‌کنند.

• آسیب‌های خاص:

• کاهش خروجی: یک واحد 300 مگاوات با THDv = 6٪ نوسان سرعت ±0.5٪ را به دلیل گشتاور نوسانی تجربه می‌کند که خروجی را زیر 280 مگاوات کاهش می‌دهد و کارایی را 5٪-8٪ کاهش می‌دهد.

• گرم شدن سیم‌پیچ: دمای استاتور ممکن است به 130 درجه سانتیگراد (بیش از حد مجاز عایق کلاس A که 105 درجه سانتیگراد است) برسد، که باعث پیری سریع‌تر عایق و خطر خرابی بین دورها می‌شود.

• پوشش محور: افزایش نوسان باعث سریع‌تر شدن پوشش محور (مثلاً محور کامپوزیتی) می‌شود و عمر آن را از 5 سال به 2-3 سال کاهش می‌دهد.

3.2 وارونهای تجدیدپذیر (فتوولتائیک / باد)

• مکانیسم آسیب: وارونه‌ها به THD شبکه حساس هستند (بر اساس GB/T 19964-2012). اگر THDv نقطه اتصال > 5٪ باشد، وارونه "حفاظت هارمونیک" را فعال می‌کند تا از آسیب جلوگیری کند. علاوه بر این، ولتاژ هارمونیک باعث اختلاف توان بین سوئیچ‌های DC و AC می‌شود که منجر به گرم شدن مدول IGBT می‌شود.

• آسیب‌های خاص:

• قطع اتصال شبکه: در یک مزرعه بادی با THDv = 7٪، 20 واحد وارونه 1.5 مگاوات همزمان قطع شدند و بیش از 100,000 کیلووات انرژی بادی در یک روز را ترک کردند که معادل تقریباً 50,000 یوان از دست رفته درآمد است.

• سوزاندن IGBT: عملکرد طولانی‌مدت تحت هارمونیک‌ها باعث افزایش تلفات سوئیچینگ در مدول‌های IGBT (اجزاء اصلی) می‌شود و دمای آن را بالای 150 درجه سانتیگراد می‌برد که خطر "خرابی حرارتی" را ایجاد می‌کند. هزینه تعمیر هر وارونه بیش از 100,000 یوان است.

4. تجهیزات کنترل: تحریف نمونه‌برداری، اختلالات سیستم

تجهیزات کنترل به عنوان "مخ و سیستم عصبی" شبکه عمل می‌کنند. THD بیش از حد باعث تحریف داده‌های نمونه‌برداری و انتقال غیرطبیعی دستورات می‌شود. دستگاه‌های تحت تأثیر: رله‌های محافظ، سیستم‌های ارتباطات خودکار.

4.1 رله‌های محافظ (محافظ جریان بیش از حد / محافظ دیفرانسیل)

• مکانیسم آسیب: جریان‌های هارمونیک باعث اشباع موقت CT می‌شوند و نمودارهای جریان نمونه‌برداری را تحریف می‌کنند (مثلاً نمودارهای پهن‌سر)، که باعث می‌شود الگوریتم‌های محافظ از دیدن دامنه و فاز اشتباه کنند و اقدامات نادرست را انجام دهند. ولتاژ هارمونیک همچنین ممکن است با تغذیه رله‌ها تداخل کند و باعث اختلال در مدارهای منطقی شود.

• آسیب‌های خاص:

• خطا در قطع: در یک شبکه توزیع با THDi = 12٪، خروجی CT به دلیل اشباع تحریف شد و محافظ جریان بیش از حد "قطع کوتاه مسیر خط" را اشتباه تشخیص داد و 10 خط تغذیه را قطع کرد، که به 20,000 خانوار برای 4 ساعت برق را قطع کرد و باعث خسارات اقتصادی غیرمستقیم بیش از 2 میلیون یوان شد.

• عدم قطع: اگر تداخل هارمونیک باعث تغییر ±10٪ در ولتاژ تغذیه رله شود، مدار منطقی ممکن است خراب شود و در مواقع واقعی خرابی قادر به قطع نخواهد بود، که باعث افزایش خرابی می‌شود.

4.2 دستگاه‌های ارتباطات خودکار (RS485 / ماژول‌های فیبری)

• مکانیسم آسیب: تشعشع الکترومغناطیسی از هارمونیک‌ها (مثلاً 10V/m تداخل RF) با خطوط ارتباطی جفت می‌شود و باعث "تغییر بیت" در انتقال داده می‌شود. ولتاژ هارمونیک همچنین ساعت‌های ماژول را مختل می‌کند و خطاها را افزایش می‌دهد.

• آسیب‌های خاص:

• افزایش نرخ خطا: به دلیل تداخل هارمونیک، نرخ خطا در ارتباط RS485 در یک سیستم خودکار توزیع از 10⁻⁶ به 10⁻³ افزایش یافت، که باعث تأخیر یا از دست دادن دستورات توزیع (مثلاً "تنظیم کلیدزنی خازن") شد.

• سوزاندن ماژول: هارمونیک‌های با فرکانس بالا می‌توانند مدارهای عایق‌سازی سیگنال (مثلاً فوتوكوپلرهای) در ماژول‌های ارتباطی را خراب کنند و باعث شکست شوند. یک زیرстанیون 8 ماژول فیبری را در یک ماه به دلیل تداخل هارمونیک پنجم خراب کرد.

5. تجهیزات مصرف‌کننده: کاهش عملکرد، حوادث تولید

تجهیزات مصرف‌کننده "بار نهایی" شبکه هستند. تجهیزات صنعتی و دقیق بیشترین آسیب را از THD بیش از حد می‌بینند. دستگاه‌های تحت تأثیر: موتورهای صنعتی، تجهیزات دقیق (ماشین‌های لیتوگرافی / MRI پزشکی).

۵.۱ موتورهای صنعتی (موتورهای القایی / همزمان)

• مکانیسم خسارت: ولتاژ هارمونیک "جریان‌های هارمونیک" را در پیچ‌های استاتور موتور ایجاد می‌کند و "میدان‌های مغناطیسی دوار منفی" را تشکیل می‌دهد. زمانی که این میدان‌ها بر روی میدان اصلی اضافه می‌شوند، "گشتاور ترمز" ایجاد می‌کنند که باعث نوسان سرعت و افزایش لرزش می‌شود. جریان‌های هارمونیک همچنین به افزایش ضایعات مس در استاتور و روتور منجر می‌شوند و باعث گرم شدن کلی می‌گردند.

• خسارات خاص:

• کاهش کارایی: یک موتور القایی ۱۰۰ کیلووات با THDv = ۷٪ کارایی آن از ۹۲٪ به زیر ۸۵٪ کاهش می‌یابد و بیش از ۵۰۰۰۰ کیلووات ساعت بیشتر مصرف می‌کند (با قیمت ۰.۶ یوان/کیلووات ساعت، هزینه برق اضافی: ۳۰۰۰۰ یوان/سال).

• سوزاندن: موتور میل کشی فولادخانه دو بار در طول شش ماه به دلیل قرار گرفتن در معرض هارمونیک هفتم سوزانده شد؛ دما در استاتور به ۱۴۰ درجه سانتیگراد رسید. هزینه جایگزینی هر موتور بیش از ۲ میلیون یوان بود.

• لرزش و صدا: شتاب لرزش موتور از ۰.۱g به ۰.۵g افزایش یافت، صدای بیش از ۹۰dB ایجاد شد که محیط کار را تحت تأثیر قرار داد و فرسایش بنای پایه را تسریع کرد.

۵.۲ تجهیزات دقیق (ماشین‌های لیتوگرافی نیمه‌رسانا / MRI پزشکی)

• مکانیسم خسارت: این دستگاه‌ها به ولتاژ بسیار تمیز (THDv ≤ ۲٪) نیاز دارند. هارمونیک‌ها نوسان در منابع تغذیه داخلی را افزایش می‌دهند و دقت نمونه‌برداری ADC را کاهش می‌دهند و در نهایت عملکرد را کاهش می‌دهند.

• خسارات خاص:

• کاهش دقت: یک ماشین لیتوگرافی نیمه‌رسانا با THDv = ۴٪ دقت موقعیت‌یابی لیزر از ۰.۱μm به ۰.۳μm کاهش یافت و بازده وافر از ۹۵٪ به ۸۰٪ کاهش یافت و بیش از ۵۰۰۰۰۰ یوان درآمد روزانه از دست رفت.

• تعطیلی تجهیزات: هارمونیک‌ها باعث نوسان جریان در سیم‌پیچ‌های گرادیان MRI شدند و تصویربرداری واضح را ممکن نکردند و باعث تعطیلی شدند. (یک بیمارستان عملیات MRI را به دلیل افزایش هارمونیک سوم برای ۲ روز متوقف کرد و بیش از ۱۰۰۰۰۰ یوان درآمد تشخیصی از دست داد.)

خلاصه: قوانین اساسی خسارت تجهیزات ناشی از THD

• تجهیزات القایی (تبدیل‌کننده‌ها، موتورها، راکتورها): حساس به "ضایعات اضافی" — هارمونیک‌ها ضایعات آهن/مس را افزایش می‌دهند و گرم شدن و پیری اصلی خسارت‌ها هستند.

• تجهیزات ظرفیتی (خازنهای خازنی): حساس به "جریان اضافی همنوایی" — هارمونیک‌ها به راحتی همنوایی را ایجاد می‌کنند و خرابی عایق به دلیل جریان اضافی خسارت اصلی است.

• تجهیزات کنترل (رله‌ها، سیستم‌های ارتباطی): حساس به "حرکت نمونه‌برداری" — هارمونیک‌ها داده‌ها را تحریک می‌کنند و باعث عملکرد نادرست یا عدم عملکرد می‌شوند.

• تجهیزات دقیق (ماشین‌های لیتوگرافی، MRI): حساس به "حرکت موج" — هارمونیک‌ها نوسان ولتاژ را افزایش می‌دهند و باعث کاهش دقت می‌شوند.

بنابراین، شبکه‌های برق باید استراتژی دوگانه را اتخاذ کنند:
"نظارت بر هارمونیک (کنترل خطای اندازه‌گیری THD ≤ ±۰.۵٪) + فیلتراسیون فعال (APF) / فیلتراسیون غیرفعال"
برای حفظ THDv در حد مجاز ملی ۵٪، به منظور پیشگیری از خسارت تجهیزات در منبع.