THD preopterećenje: Kako harmonici uništavaju opremu za snabdevanje električnom energijom

Kada stvarna THD mreže premaši granice (npr., THDv napona > 5%, THDi struja > 10%), to uzrokuje organsko oštećenje opreme na cijelom lanacu snage — Prijenos → Distribucija → Generacija → Kontrola → Potrošnja. Ključni mehanizmi su dodatni gubitci, rezonantni pretok, fluktuacije momента i distorzija uzorkovanja. Mehanizmi oštećenja i manifestacije značajno variraju prema tipu opreme, kako je detaljno navedeno u nastavku:

1. Oprema za prijenos: Zagrijavanje, starenje i drastično smanjena vijek trajanja

Oprema za prijenos direktno prenosi struju/napon mreže. Harmonici pogoršavaju gubitke energije i degradaciju izolacije. Ključne komponente koje se oštetjuju su prijenosne linije (kabeli/linije nadzemne) i transformatori struje (CT).

1.1 Prijenosne linije (kabeli / linije nadzemne)

• Mehanizam oštećenja: Više harmoničke frekvencije intenziviraju "efekt kože" (visokofrekventne struje koncentrirane na površini vodnika, smanjujući efektivnu presjeku površine), povećavajući otpornost linije. Dodatni gubitci bakra rastu sa kvadratom rednog broja harmonike (npr., gubitak bakra pete harmonike je 25× veći od osnovne).

• Specifična oštećenja:

• Zagrijavanje: Na THDi = 10%, gubitci bakra povećani su za 20%-30% u usporedbi s nominalnim uvjetima. Temperatura kabela može porasti sa 70°C na 90°C (premašujući toleranciju izolacije), ubrzavajući starenje i pukotine slojeva izolacije (npr., XLPE).

• Skratio vijek trajanja: Prolazno zagrijavanje smanjuje vijek trajanja kabela sa 30 godina na 15–20 godina, potencijalno uzrokujući "razbijanje izolacije" i greške kratkog spoja. (Industrijska zona izgorela dva 10kV kabela unutar jedne godine zbog prekomjernog treće harmonike, trošak popravaka premašio 800.000 RMB.)

1.2 Transformatori struje (CTs)

• Mehanizam oštećenja: Harmoničke struje (posebno treće i pete) uzrokuju "privremenu nasycenost" željeznih jezgri CT, oštrito povećavajući gubitke histerese i vihorića (dodatni gubitci željeza). Nasycenost distorzira talasni oblik izlaza na strani sekundarnog, sprečavajući točno predstavljanje primarne struje.

• Specifična oštećenja:

• Zagrijavanje jezgra: Temperatura jezgra CT može premašiti 120°C, sagorevajući izolaciju na sekundarnim navojima i uzrokujući netočnosti omjera.

• Netočno radnjanje zaštite: Izobličeni sekundarni strujni tok dovodi do toga da zaštitni reléji (npr., zaštita od pretoka) lažno detektiraju "kratkospoj na liniji", pokrećući lažno isključivanje. (Distribucijska mreža doživjela 10 ispadova feeder-a zbog nasycenosti CT, utjecajući na 20.000 kućanstava.)

2. Oprema za distribuciju: Česta otkazi, kolaps stabilnosti sustava

Oprema za distribuciju ključna je za "spajanje gore i dolje" u mreži. Prekomjeran THD uzrokuje najdirektnije oštećenje. Ključne oštećene uređaje uključuju transformatore snage, kondenzatorske bance i reaktore.

2.1 Transformatori snage (distribucijski / glavni transformatori)

• Mehanizam oštećenja: Harmonički naponi povećavaju gubitke magnetne histerese i vihorića u jezgrima transformatora (dodatni gubitci željeza); harmoničke struje povećavaju gubitke bakra u navojima. Kombinirano, to značajno povećava ukupne gubitke. Neuravnotežene tri-fazne harmonike također povećavaju neutralnu struju (do 1,5× fazona struje), pogoršavajući lokalno zagrijavanje.

• Specifična oštećenja:

• Zagrijavanje jezgra: Na THDv = 8%, gubitci željeza u transformatoru povećani su za 15%-20%. Temperatura jezgra poraste sa 100°C na 120°C, ubrzavajući degeneraciju izolacijskog ulja (npr., 25# transformatorsko ulje), povećavajući kiselost i smanjujući dielektričnu čvrstoću.

• Sagorijevanje navoja: Dugotrajno zagrijavanje ugljem izolacijskog papira navoja (npr., Nomex) dovodi do kratkih spojeva. Glavni transformator od 110kV u podstanici doživio kratki spoj u navoju nakon 3 godine zbog prekomjerne pete harmonike, trošak popravaka premašio 5 milijuna RMB.

• Skratio vijek trajanja: Prolazno prekomjeran THD smanjuje vijek trajanja transformatora sa 20 godina na 10–12 godina.

2.2 Paralelna kondenzatorska banca (za kompenzaciju reaktivne snage)

• Mehanizam oštećenja: Reaktansi kapacitivnosti smanjuje se s frekvencijom (Xc = 1/(2πfC)), tako da visokofrekventne harmonike induciraju pretok. Ako kondenzatori formiraju "harmoničku rezonanciju" s induktivnošću mreže (npr., rezonancija petog reda), struja može porasti do 3–5× nominalne vrijednosti—daleko izvan kapaciteta kondenzatora.

• Specifična oštećenja:

• Razbijanje izolacije: Pretok zagrijava interne dielektrike (npr., polipropilenska folija), dovodeći do probijanja, puštanja ili čak eksplozije. (Industrijska radionica oštetila tri 10kV kondenzatorske banke unutar jednog mjeseca zbog sedme harmoničke rezonancije; trošak zamjene po banci premašio 150.000 RMB.)

• Neuspjeh zaštite: Rezonantne struje sagorevaju linkove štapića; ako zaštita ne djeluje, rizik od požara raste.

2.3 Serijski reaktori (za potisk harmonika)

• Mehanizam oštećenja: Iako se koriste za potisk specifičnih harmonika (npr., treće, pete), reaktori trpe povećane gubitke bakra u navojima pod dugotrajnim harmoničkim strujama. Pulzirajuća magnetska polja od harmonika također intenziviraju vibracije jezgra, uzrokujući mehanični nos.

• Specifična oštećenja:

• Prezagrijavanje navoja: Na THDi = 12%, gubitci bakra u reaktoru povećani su za preko 30%; temperature navoja premašuju 110°C, dovodeći do ugljenljenja i odlupavanja izolacijske smole.

• Bukotina jezgra i nos: Frekvencija vibracije uparuje se s harmonikama, proizvodeći buku (>85 dB). Dugotrajna vibracija raste silicijumskim čelikovim laminama, smanjujući permeabilnost i čin