THD Overload: Ji Harmonîkên Bînebînên Agahdarê Wergerandin

Hesangî di dema ku THD-ya Rastî ya Trawendî (mîthesel: THDv > 5%, THDi > 10%) bi derbaranê bipejneke, ew zanyarên tewrî û xerabkirinê ji bo pirûsên hêzandî yên deryaşk û elektrik pêk deyê - Berdestan → Daxistin → Binyan → Kontrol → Karibandin. Mekanîzmên esasî û rêzikirina wan ên û berbarg û nîsgirîna torq, û distorsiyonê hatine. Mekanîzmên û rêzikirina xerabkirinê li gor tipli pirûsê re girîng dikin, wek hevgirtin:

1. Pirûsên Berdestan: Pêwistî, Kîmyar, û Qetmeke Ji Vêgerî

Pirûsên berdestan direktî şert û deryaşkê da berdestan îda. Harmonîkler zêdetirin kêrk û kîmyarê tevahîyan. Komponentên serdemtin yên çawa dişu piştgirî û hatine û transformatorên deryaşk (CTs).

1.1 Şert û Hatine (Kabl / Hatine Werî)

• Mekanîzmê Xerabkirinê: Frekaneyên harmonîkê yê bilind bikin "effektê rojhilatî" (deryaşkê frekaneyên bilind li ser rûpelê konduktorê hatine, herêmî cihanî çapken), kesayê rezistanseyê hatine. Zêdetirin hilberên mesîhî di karî de bi qadrê terebinî (mîthesel: hilbera mesîhî ya 5emî 25x terebî ye ji fundamental).

• Xerabkirinên Serdemtin:

• Pêwistî: Bi THDi = 10%, hilbera mesîhî 20%-30% zêdetir bike ji vêgerî. Temperaturê kablê dê ji 70°C lê bigere 90°C (bi tenêyê dayînekî), kîmyarê û çerdihînê dayînekî (mîthesel: XLPE) biperzane.

• Qetmeke Ji Vêgerî: Pêwistîya dirêj dilê kablê ji 30 sal bigere 15–20 sal, bi emkaniyê "dayînekî bînivîs" û xerabkirinê short-circuit. (Bir parkî endustriyeyî du kabla 10kV ji binav kir di salê yekan de bi 3emî harmonîkê, bi maliyê fixerandînê 800,000 RMB.)

1.2 Transformatorên Deryaşk (CTs)

• Mekanîzmê Xerabkirinê: Deryaşkên harmonîk (vegerek 3emî û 5emî) "saturasyonê kevkî" di navên CT iron core de biperzane, kesayê hysteresis û hilberên eddy current (hilberên terebî iron). Saturasyon formasyona output-a secondary-side distorike, ji bo pêşniyariya rastî deryaşk primary.

• Xerabkirinên Serdemtin:

• Pêwistî Nav: Temperaturê nav CT dê ji 120°C bigere, dayînekî secondary windings biperzane û ratio inaccuracies.

• Misoperation Protection: Secondary current distorike protective relays (mîthesel: overcurrent protection) ji bo "line short circuits" biperzane, triggering false tripping. (A distribution network experienced 10 feeder trips due to CT saturation, affecting 20,000 households.)

2. Pirûsên Daxistin: Xerabkirinên Dirêj, Darçinê Sistemê

Pirûsên daxistinê vegere ji bo "girîngkirina gawra û bêr" di deryaşka. THD bi derbaranê bipejneke xerabkirinên herêmî dibide. Pirûsên serdemtin yên çawa dişu piştgirî û hatine û reactors.

2.1 Transformatorên Elektrik (Daxistin / Main Transformers)

• Mekanîzmê Xerabkirinê: Voltajên harmonîk hysteresis û hilberên eddy current di navên transformer core (hilberên terebî iron); deryaşkên harmonîk hilberên winding copper zêdetir bike. Bi terebî, wan guherandî hilberên guherandî. Unbalanced three-phase harmonics hilberên neutral current (ji 1.5× phase current) zêdetir bike, pêwistîya herêmî biperzane.

• Xerabkirinên Serdemtin:

• Pêwistî Nav: Bi THDv = 8%, hilberên iron transformer 15%-20% zêdetir bike. Temperaturê nav ji 100°C lê bigere 120°C, kîmyarê û çerdihînê dayînekî (mîthesel: 25# transformer oil) biperzane, acidity, û dielectric strength.

• Winding Burnout: Pêwistîya dirêj carbonizes winding insulation paper (mîthesel: Nomex), ji bo short circuits. A substation's 110kV main transformer suffered a winding short after 3 years due to excessive 5th harmonic, with repair costs exceeding 5 million RMB.

• Qetmeke Ji Vêgerî: THD bi derbaranê qetmeke ji 20 sal bigere 10–12 sal.

2.2 Shunt Capacitor Banks (for Reactive Power Compensation)

• Mekanîzmê Xerabkirinê: Capacitive reactance decreases with frequency (Xc = 1/(2πfC)), so high-frequency harmonics induce overcurrent. If capacitors form "harmonic resonance" with grid inductance (e.g., 5th-order resonance), current can surge to 3–5× rated value—far beyond capacitor ratings.

• Specific Damages:

• Insulation Breakdown: Overcurrent heats internal dielectrics (e.g., polypropylene film), causing puncture, bulging, or even explosion. (An industrial workshop damaged three 10kV capacitor banks within one month due to 7th harmonic resonance; replacement cost per bank exceeded 150,000 RMB.)

• Protection Failure: Resonant currents burn out fuse links; if protection fails to act, fire risk increases.

2.3 Series Reactors (for Harmonic Suppression)

• Mekanîzmê Xerabkirinê: Although used to suppress specific harmonics (e.g., 3rd, 5th), reactors suffer increased winding copper losses under long-term harmonic current. Pulsating magnetic fields from harmonics also intensify core vibration, causing mechanical wear.

• Zeyadî Daxuyaniyan:

• Gêzazîna Kurbên Rewandê: Di THDi = 12% de, daxuyaniyanê kurbên reaktorê bi biniyê 30% ê zêdetir dike; sêtayên rewandê ji 110°C ve girêdaye, ku vêkariya izolekirinê da karbonizasyon bigire û veqetere.

• Dezgehan û Zararên Nûveka Qalîbê: Frekanza vibrasyonê bi harmonikên çavkaniyê re pêkide, ku derketina gur (>>85 dB) bide. Vibrasyonê digerîn lâminasyonên qalîbê silîkonê vekirin, permeabîlityê dikine û harmonikên serbest bikin nekar.

3. Pirzimanê Cihazan: Herêmên Darçûn, Zararên Dewamî yên Bexwestin

Pirziman cihazan "sêrçavka energy" ya şebekê ye. THDê veguherîn li stabilitیتê operasyonî tezmîn dike. Cihazên keyên tezmîn: jeneratordan serbest, invertejan yenî (PV/wind).

3.1 Jeneratordan Serbest (Nevîn/Baran)

• Mekanîzmê Zeyadî Daxuyaniyan: Harmonikên şebeka wek back-feed di statorê jeneratorda xweşînin, ku "torque electromagnetic harmonic" bide. Li ser torque fundamental hatîne, vê yek "torque pulsating" form dike, vibrasyonê zêdetir dike. Daxuyaniyanê kurbên statorê dikine, ku girêdayên wêjîn bide.

• Zeyadî Daxuyaniyan Spesifik:

• Herêmî Darçûn: Yekî 300MW di THDv = 6% de ji ber torque pulsating ±0.5% fluktuasyonê guhurtî tê, ku darçûnê ji 280MW ve herêm dike, efektiviteya 5%-8% dikine.

• Gêzazîna Kurbên Rewandê: Sêtayê statorê heta 130°C (ji sêtayê Class A insulation limit 105°C ve girêdaye), ku vêkariya izolekirinê pêk bide û riske turn-to-turn short circuits bigire.

• Zararên Lule: Vibrasyonê zêdetir lule (mînace, sleeve bearing) dikine, ku dema ji 5 sal ve ji 2–3 sal dikine.

3.2 Invertejan Yenî (PV / Wind)

• Mekanîzmê Zeyadî Daxuyaniyan: Invertejanê duzdiye li THD (per GB/T 19964-2012). Ji ber THDv > 5%, inverterê "harmonic protection" trigger dike ku zararê were. Herêmîn, voltage harmonicê nisbiyê power DC û AC sides dikine, ku IGBT module girêday bide.

• Zeyadî Daxuyaniyan Spesifik:

• Veşartina Şebeka: Di wind farm di THDv = 7% de, 20 unit 1.5MW inverteran ji ber yekî heyî veşartin, ku ji yek rojê 100,000 kWh wind energy veşartin, ku bi mafey 50,000 RMB.

• Kurdiyê IGBT: Operasyonê digerîn li harmonikên switching losses IGBT modules (core component) dikine, ku sêtayê ji 150°C ve girêdaye, ku "thermal breakdown" risk bigire. Cost per inverter ji 100,000 RMB ve dikine.

4. Cihazan Kontrol: Distorsyon Sampling, Malfunction Sistem

Cihazan kontrol "brain and nervous system" şebeka ye. THDê veguherîn data sampling ve distorsyon bide û komanda anormal transmission. Cihazên keyên tezmîn: protective relays, automation communication systems.

4.1 Protective Relays (Overcurrent / Differential Protection)

• Mekanîzmê Zeyadî Daxuyaniyan: Harmonic currents cause transient CT saturation, sampled current waveforms (e.g., flat-topped waves) distorting, leading protection algorithms to misjudge amplitude and phase, triggering incorrect actions. Harmonic voltages may also interfere with relay power supplies, causing logic circuit malfunctions.

• Zeyadî Daxuyaniyan Spesifik:

• False Tripping: A distribution network with THDi = 12% experienced distorted CT output due to saturation, causing overcurrent protection to falsely detect "line short circuit" and trip 10 feeders, cutting power to 20,000 households for 4 hours, resulting in indirect economic losses exceeding 2 million RMB.

• Failure to Trip : If harmonic interference causes ±10% voltage fluctuation in the relay’s power supply, the logic circuit may crash, failing to trip during actual faults, allowing fault escalation.

4.2 Automation Communication Devices (RS485 / Fiber Modules)

• Mekanîzmê Zeyadî Daxuyaniyan: Electromagnetic radiation from harmonics (e.g., 10V/m RF interference) couples into communication lines, causing "bit flips" in data transmission. Harmonic voltages also disrupt clock modules, increasing synchronization errors.

• Zeyadî Daxuyaniyan Spesifik:

• Increased Bit Error Rate: Due to harmonic interference, RS485 communication bit error rate in a distribution automation system rose from 10⁻⁶ to 10⁻³, delaying or losing dispatch commands (e.g., "adjust capacitor switching").

• Module Burnout: High-frequency harmonics can break down signal isolation circuits (e.g., optocouplers) in communication modules, causing failure. One substation destroyed 8 fiber modules within a month due to 5th harmonic interference.

5. End-Use Equipment: Performance Degradation, Production Accidents

End-use equipment represents the "terminal load" of the grid. Industrial and precision equipment suffer most severely from excessive THD. Key affected devices: industrial motors, precision equipment (lithography machines / medical MRI).

5.1 Mêkhberên Endamî (Mêkhberên Endamî / Mêkhberên Yekbûn)

• Mekanîzmê yên Zaravetin: Daraşkên tenzîlî voltajê "daraşkên tenzîlî" di rûndarên êndamî mêkhbere dest pêkirin, û "sîsteman dîwarên mezînên negatif" yewrêjin. Wan di dema ku bi sîstemêya asayî hatine serhatîne, wan "torkên brakî" yewrêjin, ku bêherdaneke veqetandina û zêdetir vîbrasyonê çêdikin. Daraşkên tenzîlî hemîn biyê zêdetir darûna/rotorê ku wergerin, ku heta lêzerd kirin.

• Zaravetên Têkili:

• Lêzerdina Efektivîteya: Mêkhber endamî ya 100kW bi THDv = 7% efektivîteya ji 92% derbas dihate wek 85%, ku heta zi adatî 50,000 kWh salemî (bi 0.6 yuan/kWh, xercê têkili: 30,000 yuan/sala).

• Lêzerdina Lêmra: Mêkhber êndamî ya fabrika fersi di şexmehê de bi 7.în tenzîlî girîng dikin, ku temperatûra êndamî 140°C çêdik. Xercê têkili ji bo her mêkhber lêmra 2 milyon RMB girt.

• Vîbrasyon & Seda: Pêşkaçê vîbrasyonê mêkhberê ji 0.1g derbas dihate 0.5g, seda ji 90dB girîng dikin, ku heta zaravetên jîyanê û lêzerdina binêrê çêdik.

5.2 Pîçeyên Cihazê Serbest (Cihazên Litografîya Semikonduktor / MRI Medîkî)

• Mekanîzmê yên Zaravetin: Ev cihazan voltajê bijarîn (THDv ≤ 2%) dibêjin. Tenzîlîyan rişeyên nûrêna di nûrêna guheran de û zêdetir ADC sampling accuracy, li gorî heta zaravetên karî çêdik.

• Zaravetên Têkili:

• Riyakîna Dîmenderastîya: Cihaz litografîya semikonduktor bi THDv = 4% tevlîna laser ji 0.1μm derbas dihate 0.3μm, ku heta berdesta wafer ji 95% derbas dihate 80%, ku heta zi adatî 500,000 yuan salemî.

• Berdestkirina Cihazê: Tenzîlîyan rişeyên daraşkê di koyî MRI de, ku heta wisa bêherdaneke çêdik, ku heta berdestkirina çêdik. (Biştê MRI ya nemaristan ji 3.în tenzîlî girîng dikin, ku heta zi adatî 100,000 yuan salemî).

Pergal: Qawanînên Nîvrojî yên Zaravetên Cihazan bi THD

• Pîçeyên Indûktîf (Transformator, Mêkhber, Reaktor): Bi "Xerîdarên Zêdetir" — tenzîlîyan zêdetir iron/copper losses, ku heta lêzerd û kesîn çêdik.

• Pîçeyên Kapasîtîf (Kapasîtor): Bi "Resonant Overcurrent" — tenzîlîyan resônan ezbayin, ku heta overcurrent-induced insulation breakdown çêdik.

• Pîçeyên Kontrol (Relay, Sisteman Peymana): Bi "Sampling Distortion" — tenzîlîyan data distort ezbayin, ku heta misoperations û failures to operate çêdik.

• Pîçeyên Serbest (Cihazên Litografîya, MRI): Bi "Waveform Distortion" — tenzîlîyan ripple voltaj zêdetir ezbayin, ku heta dîmenderastîya hilaf çêdik.

Demê, rêzanên elektrîk hewce ye bikin strategîya duyem:
"Monitorkirina Tenzîlî (control THD measurement error ≤ ±0.5%) + Active Filtering (APF) / Passive Filtering"
ji bo THDv li ser derbarê standardeya welatî 5% bisekin, ku heta zaravetên cihazan ji her dema ser ast bisekin.