THD en Sobrecarga: Como as Armonías Destruen o Equipamento Eléctrico
Cando o THD real da rede excede os límites (por exemplo, THDv de tensión > 5%, THDi de corrente > 10%), causa danos orgánicos no equipamento ao longo de toda a cadea de enerxía — Transmisión → Distribución → Xeración → Control → Consumo. Os mecanismos centrais son perdas adicionais, sobrecorrente resonante, fluctuacións de par e distorsión de muestreo. Os mecanismos e manifestacións de dano varián significativamente segundo o tipo de equipamento, como se detalla a continuación:
1. Equipamento de transmisión: Sobrexido, envejecemento e redución drástica da vida útil
O equipamento de transmisión transporta directamente a corrente/voltaxe da rede. As harmónicas exacerbam as perdas de enerxía e a degradación do aislamento. As compoñentes máis afectadas son as liñas de transmisión (cables/aéreas) e os transformadores de corrente (CTs).
1.1 Liñas de transmisión (Cables / Liñas aéreas)
Mecanismo de dano: As frecuencias harmónicas superiores intensifican o "efeito de superficie" (as correntes de alta frecuencia concéntranse na superficie do condutor, reducindo a área efectiva seccional), aumentando a resistencia da liña. As perdas adicionais de cobre aumentan co cadrado da orde harmónica (por exemplo, a perda de cobre da 5ª harmónica é 25× a da fundamental).
Daños específicos:
Sobrexido: Ao THDi = 10%, as perdas de cobre aumentan entre o 20% e o 30% en comparación coas condicións nominais. A temperatura do cable pode subir de 70°C a 90°C (superando a tolerancia do aislamento), acelerando o envejecemento e a fisuración das capas de aislamento (por exemplo, XLPE).
Vida útil reducida: O sobrexido prolongado reduce a vida útil do cable de 30 anos a 15–20 anos, podendo causar "rotura do aislamento" e fallos de cortocircuito. (Un parque industrial queimou dous cables de 10kV nun ano debido á 3ª harmónica excessiva, cos custos de reparación superando os 800.000 RMB.)
1.2 Transformadores de corrente (CTs)
Mecanismo de dano: As correntes harmónicas (especialmente a 3ª e a 5ª) provocan "saturación transitória" dos núcleos de ferro dos CTs, aumentando bruscamente as perdas de histerese e corrente de fuxo (perdas adicionais de ferro). A saturación distorce a forma de onda da saída secundaria, impidindo unha representación precisa da corrente primaria.
Daños específicos:
Sobrexido do núcleo: A temperatura do núcleo do CT pode superar os 120°C, queimando o aislamento das bobinas secundarias e causando inexactitudes na relación.
Malfuncionamento da protección: A corrente secundaria distorsionada leva aos relés protectores (por exemplo, a protección contra sobrecorrente) a detectar falsamente "cortocircuitos na liña", activando desligamentos falsos. (Unha rede de distribución experimentou 10 desligamentos de alimentadores debido á saturación dos CTs, afectando a 20.000 fogares.)
2. Equipamento de distribución: Fallos frecuentes, colapso da estabilidade do sistema
O equipamento de distribución é crucial para "conectar aguas arriba e abaixo" na rede. O THD que excede os límites causa o dano máis directo. Os dispositivos máis afectados inclúen transformadores de potencia, bancos de capacitores e reactores.
2.1 Transformadores de potencia (Distribución / Transformadores principais)
Mecanismo de dano: As voltaxes harmónicas aumentan as perdas de histerese e corrente de fuxo nos núcleos dos transformadores (perdas adicionais de ferro); as correntes harmónicas aumentan as perdas de cobre nas bobinas. En conxunto, isto aumenta significativamente as perdas totais. As harmónicas trifásicas desequilibradas tamén aumentan a corrente neutra (hasta 1,5× a corrente de fase), agravando o sobrexido localizado.
Daños específicos:
Sobrexido do núcleo: Ao THDv = 8%, as perdas de ferro dos transformadores aumentan entre o 15% e o 20%. A temperatura do núcleo aumenta de 100°C a 120°C, acelerando a degradación do óleo aislante (por exemplo, óleo de transformador 25#), aumentando a acidez e reducindo a resistencia dieléctrica.
Quemado das bobinas: O sobrexido a longo prazo carboniza o papel aislante das bobinas (por exemplo, Nomex), levando a cortocircuitos. Un transformador principal de 110kV dunha subestación sufriu un cortocircuito de bobina despois de 3 anos debido á 5ª harmónica excessiva, cos custos de reparación superando os 5 millóns de RMB.
Vida útil reducida: O THD prolongado reduce a vida útil do transformador de 20 anos a 10–12 anos.
2.2 Bancos de capacitores en paralelo (para compensación de potencia reactiva)
Mecanismo de dano: A reactividade capacitiva diminúe coa frecuencia (Xc = 1/(2πfC)), polo que as harmónicas de alta frecuencia inducen sobrecorrente. Se os capacitores forman "resonancia harmónica" coa inductancia da rede (por exemplo, resonancia de 5ª orde), a corrente pode aumentar a 3–5× o valor nominal—máis aló do rango de capacidade dos capacitores.
Daños específicos:
Rotura do aislamento: A sobrecorrente aquece os dieléctricos internos (por exemplo, película de polipropileno), causando punxadas, abombamento ou incluso explosión. (Un taller industrial danou tres bancos de capacitores de 10kV nun mes debido á resonancia da 7ª harmónica; o custo de substitución por banco superou os 150.000 RMB.)
Fallo da protección: As correntes resonantes queman os fusibles; se a protección non actúa, aumenta o risco de incendio.
2.3 Reactores en serie (para supresión de harmónicas)
Mecanismo de dano: Aínda que se utilizan para suprimir harmónicas específicas (por exemplo, 3ª, 5ª), os reactores sufriron un aumento das perdas de cobre nas bobinas baixo corrente harmónica a longo prazo. Os campos magnéticos pulsantes das harmónicas tamén intensifican a vibración do núcleo, causando desgaste mecánico.
Danos Específicos:
Sobrecalentamento das Bobinas: Ao THDi = 12%, as perdas de cobre do reator aumentam mais de 30%; as temperaturas das bobinas superam 110°C, causando a carbonização e descamação da verniz de isolamento.
Ruído e Desgaste do Núcleo: A frequência de vibração acopla com harmônicos, produzindo ruído alto (>85 dB). A vibração a longo prazo afrouxa as laminas de aço silício, reduzindo a permeabilidade e tornando ineficaz a supressão de harmônicos.
3. Equipamento de Geração: Limitação de Saída, Aumento dos Riscos de Segurança
O equipamento de geração é a "fonte de energia" da rede. O THD excessivo afeta negativamente a estabilidade operacional. Dispositivos-chave afetados: geradores síncronos, inversores renováveis (PV/vento).
3.1 Geradores Síncronos (Usinas Térmicas/Hidroelétricas)
Mecanismo de Dano: Os harmônicos da rede retroalimentam-se nas bobinas do estator do gerador, criando "torque eletromagnético harmônico". Superposto ao torque fundamental, isso forma um "torque pulsante", aumentando a vibração. As correntes harmônicas também aumentam as perdas de cobre no estator, causando sobreaquecimento local.
Danos Específicos:
Redução da Saída: Uma unidade de 300MW com THDv = 6% experimenta uma flutuação de velocidade de ±0,5% devido ao torque pulsante, reduzindo a saída abaixo de 280MW, diminuindo a eficiência em 5%-8%.
Sobrecalentamento das Bobinas: A temperatura do estator pode atingir 130°C (excedendo o limite de isolamento Classe A de 105°C), acelerando o envelhecimento do isolamento e arriscando curtos-circuitos entre espiras.
Desgaste das Mancais: O aumento da vibração acelera o desgaste das mancais (por exemplo, mancais de manga), reduzindo a vida útil de 5 anos para 2–3 anos.
3.2 Inversores Renováveis (PV / Vento)
Mecanismo de Dano: Os inversores são sensíveis ao THD da rede (conforme GB/T 19964-2012). Se o THDv no ponto de interconexão > 5%, o inversor dispara a "proteção harmônica" para evitar danos. Além disso, a tensão harmônica causa desequilíbrio de potência entre os lados DC e AC, levando ao sobreaquecimento do módulo IGBT.
Danos Específicos:
Desconexão da Rede: Num parque eólico com THDv = 7%, 20 unidades de inversores de 1,5MW desconectaram-se simultaneamente, abandonando mais de 100.000 kWh de energia eólica num dia, custando ~50.000 RMB em receitas perdidas.
Queima do IGBT: A operação a longo prazo sob harmônicos aumenta as perdas de comutação nos módulos IGBT (componente central), elevando a temperatura acima de 150°C, arriscando "quebra térmica". O custo de reparo por inversor excede 100.000 RMB.
4. Equipamento de Controle: Distorsão de Amostragem, Falhas do Sistema
O equipamento de controle atua como o "cérebro e sistema nervoso" da rede. O THD excessivo causa dados de amostragem distorcidos e transmissão anormal de comandos. Dispositivos-chave afetados: relés de proteção, sistemas de comunicação de automação.
4.1 Relés de Proteção (Proteção de Sobrecorrente / Diferencial)
Mecanismo de Dano: As correntes harmônicas causam saturação transitória do TC, distorcendo as formas de onda de corrente amostradas (por exemplo, ondas com topo plano), levando os algoritmos de proteção a julgar erroneamente a amplitude e fase, disparando ações incorretas. As tensões harmônicas também podem interferir com as fontes de alimentação dos relés, causando falhas nos circuitos lógicos.
Danos Específicos:
Falso Acionamento: Uma rede de distribuição com THDi = 12% experimentou saída distorcida do TC devido à saturação, fazendo com que a proteção de sobrecorrente detectasse falsamente um "curto-circuito na linha" e acionasse 10 alimentadores, cortando a energia de 20.000 lares por 4 horas, resultando em perdas econômicas indiretas superiores a 2 milhões de RMB.
Falha em Acionar : Se a interferência harmônica causar uma flutuação de tensão de ±10% na fonte de alimentação do relé, o circuito lógico pode travar, não acionando durante falhas reais, permitindo a escalada da falha.
4.2 Dispositivos de Comunicação de Automação (RS485 / Módulos de Fibra)
Mecanismo de Dano: A radiação eletromagnética dos harmônicos (por exemplo, 10V/m de interferência RF) acopla-se às linhas de comunicação, causando "inversões de bit" na transmissão de dados. As tensões harmônicas também perturbam os módulos de relógio, aumentando erros de sincronização.
Danos Específicos:
Taxa de Erro de Bit Aumentada: Devido à interferência harmônica, a taxa de erro de bit da comunicação RS485 num sistema de automação de distribuição aumentou de 10⁻⁶ para 10⁻³, atrasando ou perdendo comandos de despacho (por exemplo, "ajustar a comutação do capacitor").
Queima de Módulos: Harmônicos de alta frequência podem romper circuitos de isolamento de sinal (por exemplo, optoacopladores) nos módulos de comunicação, causando falhas. Uma subestação destruiu 8 módulos de fibra num mês devido à interferência do 5º harmônico.
5. Equipamento de Uso Final: Degradación de Rendemento, Accidentes de Producción
O equipamento de uso final representa a "carga terminal" da rede. O equipamento industrial e de precisão sofre mais severamente com o THD excessivo. Dispositivos-chave afetados: motores industriais, equipamento de precisão (máquinas de litografia / ressonância magnética médica).
5.1 Motores Industriais (Motores de Inducción / Síncronos)
Mecanismo de Dano: A tensión harmónica xera "correntes harmónicas" nas bobinas do estator do motor, formando "campos magnéticos rotativos de secuencia negativa". Cando se superpoñen ao campo fundamental, producen "par de frenado", causando fluctuacións de velocidade e aumento da vibración. As correntes harmónicas tamén aumentan as perdas de cobre no estator/rotor, provocando un sobrecalentamento xeral.
Danos Específicos:
Caída de Eficiencia: Un motor de inducción de 100kW con THDv = 7% ve a súa eficiencia caer do 92% a menos do 85%, consumindo máis de 50.000 kWh extra anualmente (a 0,6 yuan/kWh, o custo adicional de electricidade é de 30.000 yuan/año).
Quema: O motor dun laminador dunha fábrica de acero quimouse dúas veces en seis meses debido á exposición prolongada á 7ª harmónica; a temperatura do estator alcanzou os 140°C. O custo de substitución por motor superou os 2 millóns de RMB.
Vibración e Ruido: A aceleración de vibración do motor aumentou de 0,1g a 0,5g, o ruido superou os 90dB, afectando o ambiente de traballo e acelerando o desgaste da fundación.
5.2 Equipamento de Precisión (Máquinas de Litografía Semiconductora / MRI Médico)
Mecanismo de Dano: Estes dispositivos requiren unha tensión extremadamente limpa (THDv ≤ 2%). As harmónicas aumentan a ondulación nas fontes de alimentación internas e reducen a precisión da muestreo ADC, deteriorando finalmente a funcionalidade.
Danos Específicos:
Perda de Precisión: Unha máquina de litografía semiconductora con THDv = 4% viu a súa precisión de posicionamento láser caer de 0,1μm a 0,3μm, reducindo o rendemento de wafers do 95% ao 80%, perdense máis de 500.000 yuan en valor de producción diario.
Parada do Equipamento: As harmónicas causaron fluctuacións de corrente nas bobinas de gradiente do MRI, impedindo a imaxe clara, forzando paradas. (Un hospital detivo as operacións de MRI durante 2 días debido ao exceso da 3ª harmónica, perdendo máis de 100.000 yuan en ingresos de diagnóstico.)
Resumo: Regras Núcleo do Dano de Equipamento Inducido por THD
Equipamento Indutivo (Transformadores, Motores, Reactores): Vulnerables a "Perdas Adicionais" — as harmónicas aumentan as perdas de ferro/cobre, co sobrecalentamento e envellecemento sendo os danos principais.
Equipamento Capacitivo (Condensadores): Vulnerables a "Sobrecorrente Resonante" — as harmónicas facilmente activan a resonancia, co fallo de aislamento debido á sobrecorrente sendo o dano principal.
Equipamento de Control (Relés, Sistemas de Comunicación): Vulnerables a "Distorsión de Muestreo" — as harmónicas distorsionan os datos, levando a operacións incorrectas ou fallos de funcionamento.
Equipamento de Precisión (Máquinas de Litografía, MRI): Vulnerables a "Distorsión de Forma de Onda" — as harmónicas aumentan a ondulación da tensión, levando á perda de precisión.
Por tanto, as redes eléctricas deben adoptar unha estratexia dual:
"Monitorización de Harmónicas (controlando o erro de medida de THD ≤ ±0,5%) + Filtros Activos (APF) / Filtros Pasivos"
para manter o THDv dentro do límite estándar nacional do 5%, evitando así o dano de equipamentos na fonte.
