THD Overload: Как гармониците уништуваат електроприрачките

Кога реалната мрежа THD надминува границите (на пример, Voltage THDv > 5%, Current THDi > 10%), тоа предизвикува органска штета на опремата низ целата верига на енергијата — Пренос → Дистрибуција → Генерирање → Контрола → Потреба. Основните механизми се дополнителни губитоци, резонантни прекумерни струи, флуктуации на момента и дисторзија на узорците. Механизмите и проявите на штетата варираат значително според типот на опрема, како што е детално објаснето подолу:

1. Опрема за пренос: Преогрев, стареење и драстична намала на жизнената временска

Опремата за пренос директно носи мрежната струја/напон. Хармониите ја зголемуваат енергијската губиток и дешифрирањето на изолацијата. Клучните компоненти кои се затресени се преносните линии (кабели/високовисочни) и трансформатори за струја (CTs).

1.1 Преносни линии (кабели / високовисочни линии)

• Механизам на штета: Повисоки хармонички фреквенции ја интензификуваат „skin effect“ (високочестотните струи се концентрираат на површината на проводникот, намалувајќи ефективната пресечна плоштина), зголемувајќи отпорот на линијата. Дополнителните медни губитоци се зголемуваат со квадрат од редоследот на хармонијата (на пример, медниот губиток на 5-та хармонија е 25× од основната).

• Специфични штети:

• Преогрев: При THDi = 10%, медните губитоци се зголемуваат за 20%-30% во однос на номиналните услови. Температурата на кабелот може да се зголеми од 70°C до 90°C (надминувајќи толеранцијата на изолацијата), забрзувајќи стареењето и пукнувањето на слоевите на изолацијата (на пример, XLPE).

• Скраћена жизнена временска: Долговремен преогрев ја намалува жизнената временска на кабелот од 30 години на 15–20 години, потенцијално предизвикувајќи „разбидање на изолацијата“ и краткосечни грешки. (Еден индустријски парк ја согори две 10kV кабели за една година поради прекумерна 3-та хармонија, со поправни работи над 800,000 RMB.)

1.2 Трансформатори за струја (CTs)

• Механизам на штета: Хармонички струи (особено 3-та и 5-та) предизвикуваат „прекумерна настаса“ на железна јадрца на CTs, остро зголемувајќи губитоците од хистерезис и вихреви (дополнителни железни губитоци). Настасавањето ја искривува вторичната страна на излезниот вал, што не овозможува точна репрезентација на основната струја.

• Специфични штети:

• Преогрев на јадрцето: Температурата на јадрцето на CT може да надмине 120°C, согорувајќи изолацијата на вторичните обмотки и предизвикувајќи неточности во односот.

• Нетачна работа на заштита: Искривената вторична струја води до лажни детекции на „краткосечни грешки“ од страна на реле за заштита (на пример, заштита против прекумерна струја), што предизвикува лажни прекини. (Една дистрибутивна мрежа имаше 10 прекини на фидери поради настасавање на CTs, влијајќи на 20,000 домакинства.)

2. Опрема за дистрибуција: Чести грешки, колапс на системска стабилност

Опремата за дистрибуција е критична за „поврзување на горен и долен дел“ во мрежата. THD што надминува граници предизвикува најдиректна штета. Клучните компоненти кои се затресени вклучуваат трансформатори за моќ, банки на капацитори и реактори.

2.1 Трансформатори за моќ (дистрибутивни / главни трансформатори)

• Механизам на штета: Хармонички напони го зголемуваат магнетниот хистерезис и губитоците од вихреви во јадрцата на трансформаторите (дополнителни железни губитоци); хармонички струи го зголемуваат медните губитоци во обмотките. Заедно, овие значајно го зголемуваат тоталните губитоци. Неуравновесените трифазни хармонии исто така го зголемуваат нейтралната струја (до 1.5× фазна струја), згорчувајќи локалните преогреви.

• Специфични штети:

• Преогрев на јадрцето: При THDv = 8%, железните губитоци на трансформаторот се зголемуваат за 15%-20%. Температурата на јадрцето се зголемува од 100°C до 120°C, забрзувајќи деградацијата на изолационата масло (на пример, 25# трансформаторско масло), зголемувајќи кисела и намалувајќи диелектричната јачина.

• Изгорење на обмотките: Долговремен преогрев карбонизира изолационата хартија на обмотките (на пример, Nomex), доведувајќи до краткосечни грешки. Еден главен трансформатор на 110kV во една подстанција имаше краткосечен дефект на обмотките после 3 години поради прекумерна 5-та хармонија, со поправни работи над 5 милиони RMB.

• Скраћена жизнена временска: Долговремен THD го намалува животот на трансформаторот од 20 години на 10–12 години.

2.2 Паралелни банки на капацитори (за компензација на реактивна моќ)

• Механизам на штета: Капацитивниот реактанц се намалува со фреквенцијата (Xc = 1/(2πfC)), така што високочестотните хармонии индуцираат прекумерна струја. Ако капациторите формираат „хармонична резонанција“ со индуктивноста на мрежата (на пример, 5-та редоследна резонанција), струјата може да се зголеми до 3–5× номиналната вредност—далеку над капацитетот на капациторите.

• Специфични штети:

• Разварување на изолацијата: Прекумерната струја нагрева внутрените диелектрици (на пример, полилен полипропиленска фолија), предизвикувајќи пробивање, издување или дури и експлозија. (Една индустријска работилница ја повредила три 10kV банки на капацитори за еден месец поради 7-та редоследна резонанција; цената за замена на секоја банка надминувала 150,000 RMB.)

• Неуспешна заштита: Резонантните струи согоруваат предохранители; ако заштитата не функционира, ризикот од пожар се зголемува.

2.3 Серисни реактори (за поднесување на хармонии)

• Механизам на штета: Иако се користат за поднесување на специфични хармонии (на пример, 3-та, 5-та), реакторите испишуваат зголемени медни губитоци под долговремена хармонична струја. Пульсирачки магнетни поља од хармонии исто така интензификуваат вибрацијата на јадрцата, предизвикувајќи механичка трпање.

• Специфични штети:

• Загревање на витка: При THDi = 12%, губитоците од мед во реакторот се зголемуваат за повеќе од 30%; температурите на витките надминуваат 110°C, што причинува изгарување и одлупување на изолаторската боя.

• Шум и износ на јадрото: Честотата на вибрацијата се спојува со хармониците, што произведува силен шум (>85 dB). Долговремената вибрација разбија ламинациите од кремниево железо, намалува проникливоста и рендира подеснувањето на хармониците неефективно.

3. Опрема за производство: Ограничување на излезот, зголемување на безбедносните ризици

Опремата за производство е „изворот на енергија“ на мрежата. Прекомерната THD негативно влијае на оперативната стабилност. Клучни затресени уреди: синхрони генератори, инвертори за обновливи извори (PV/ветар).

3.1 Синхрони генератори (термални/водни планини)

• Механизам на штета: Хармониците на мрежата враќаат се во витките на статорот на генераторот, создавајќи „хармоничен електромагнетен момент“. Надграден на фундаменталниот момент, овој формира „пульсирачки момент“, што го зголемува трептежот. Хармоничните стројеви исто така го зголемуваат губитокот од мед во статорот, што предизвика локално загревање.

• Специфични штети:

• Намалена продукција: Единица од 300MW при THDv = 6% испатува ±0.5% флуктуација на брзина поради пулсирачки момент, што ја намалува продукцијата под 280MW, намалувајќи ефикасноста за 5%-8%.

• Загревање на витка: Температурата на статорот може да достигне 130°C (надминувајќи границата на класа A изолација од 105°C), која забрзува стареењето на изолацијата и ризикува кратки замкови меѓу витките.

• Износ на лежиште: Зголемениот трептеж забрзува износот на лежиште (на пример, цилиндрично лежиште), го намалува животот од 5 години до 2–3 години.

3.2 Инвертори за обновливи извори (PV / Ветар)

• Механизам на штета: Инверторите се осетливи на THD на мрежата (според GB/T 19964-2012). Ако THDv на точката на поврзување > 5%, инверторот активира „хармонична заштита“ за да се избегне штета. Поради тоа, хармоничната напона предизвика дисбаланс на моќта помеѓу DC и AC страните, што доведува до загревање на IGBT модулите.

• Специфични штети:

• Отклучување од мрежата: На ветарска фарма со THDv = 7%, 20 единици од инвертори од 1.5MW се отклучија истовремено, опуштајќи повеќе од 100,000 kWh ветарска енергија за еден ден, со цената на загубена приходност од ~50,000 RMB.

• Изгорење на IGBT: Долговремената работа под хармонии го зголемува губитокот од комутација во IGBT модулите (основен компонент), го зголемува температурата над 150°C, ризикувајќи „термичен колапс“. Цена на поправка по инвертор надминува 100,000 RMB.

4. Контролна опрема: Искривување на узорци, системски грешки

Контролната опрема делува како „мозок и невроен систем“ на мрежата. Прекомерната THD предизвика искривени узорци на податоци и аномално пренесување на команди. Клучни затресени уреди: релеви за заштита, системи за автоматско комуникација.

4.1 Релеви за заштита (претечење на струја / диференцијална заштита)

• Механизам на штета: Хармоничните стројеви предизвика транзиентна насытност на CT, искривувајќи узорци на струја (на пример, плоски таласи), што ги приведува алгоритмите за заштита да неправилно проценат амплитудата и фазата, активирајќи неправилни акции. Хармоничните напони исто така може да интерферираат со напонските извори на релевите, предизвикувајќи грешки во логичките кола.

• Специфични штети:

• Неправилно активирање: Дистрибутивна мрежа со THDi = 12% испатувала искривена продукција на CT поради насытност, што предизвика заштитата против претечење на струја да неправилно детектира „краток замок на линијата“ и да деактивира 10 линии, прекинувајќи енергијата на 20,000 домови за 4 часа, со индиректни економски губитоци надминувајќи 2 милиони RMB.

• Неуспешно деактивирање : Ако хармоничната интерференција предизвика ±10% флуктуација на напонот на изворот на релевите, логичкото коло може да се краши, не успевајќи да деактивира при реални грешки, дозволувајќи ескалација на грешките.

4.2 Уреди за автоматска комуникација (RS485 / Фиберни модули)

• Механизам на штета: Електромагнетната радијација од хармонии (на пример, 10V/m RF интерференција) се спојува со линиите за комуникација, предизвикувајќи „промена на битови“ во пренесувањето на податоци. Хармоничните напони исто така ги прекинуваат часовите модули, зголемувајќи грешките во синхронизација.

• Специфични штети:

• Зголемена стапка на грешки на бит: Збога на хармоничната интерференција, стапката на грешки на бит во системот за автоматска дистрибуција RS485 се зголеми од 10⁻⁶ до 10⁻³, забавувајќи или губејќи команди за диспечерирање (на пример, „регулирање на капацитетот“).

• Изгорење на модул: Високочестотните хармонии може да разбијат сигналните изолациони кола (на пример, оптокуплери) во комуникационите модули, предизвикувајќи неуспех. Една подстанција уништила 8 фиберни модули во еден месец поради интерференција од 5-та хармонија.

5. Опрема за крајна употреба: Деградација на перформанси, производствени инциденти

Опремата за крајна употреба претставува „терминална термена“ на мрежата. Индустријалната и прецизната опрема најсилно страдаат од прекомерната THD. Клучни затресени уреди: индустријални мотори, прецизна опрема (литографски машини / медицински MRI).

5.1 Индустријални мотори (индуктивни / синхрони мотори)

• Механизам на повреда: Хармоничкиот напон генерира „хармонички строј“ во статорните витаци на моторот, формирајќи „негативни ротациони магнетни поља“. Кога се надградуваат со основното поље, тие произведуваат „забрзување“, што предизвикува флуцитуации на брзината и зголемена вибрација. Хармоничките строеви исто така зголемуваат губитоци од мед во статорот/роторот, што доведува до општа прекумерна температура.

• Специфични повреди:

• Пад на ефикасност: Индуктивен мотор од 100кВт при THDv = 7% види пад на ефикасност од 92% под 85%, консумирајќи надворешно повеќе од 50.000 кВтч годишно (при 0,6 јуан/кВтч, дополнителни трошоци за електрична енергија: 30.000 јуани/година).

• Изгорење: Моторот на валачница во стална планина изгоре два пати во рамки на шест месеци поради продолжен контакт со седми хармоник; температурата на статорот достигна 140°C. Трошоците за замена на секој мотор надминуваа 2 милиони јуани.

• Вибрација & Бука: Акселерацијата на вибрацијата на моторот се зголеми од 0,1g до 0,5g, буката надминува 90дБ, што влијае на работната околина и забрзува износот на основата.

5.2 Прецизно опрема (полупроводници литографски машини / медицински MRI)

• Механизам на повреда: Овие уреди бараат екстремно чист напон (THDv ≤ 2%). Хармониците зголемуваат риплинг во внатрешните напонски извори и намалуваат точноста на узорувањето ADC, што на крај го осуетува функционирањето.

• Специфични повреди:

• Губење на прецизност: Литографска машина за полупроводници при THDv = 4% види пад на точноста на лазерско позиционирање од 0,1μm до 0,3μm, што го намалува добивката на ваферите од 95% до 80%, губејќи повеќе од 500.000 јуани во вредност на производство на ден.

• Исклучување на опремата: Хармониците предизвикаа флуктуации на стројот во градиентните спојови на MRI, што пречи на јасно сликарство, што го принудува да се исклучи. (Една болница прекинува операциите на MRI за 2 дена поради премногу 3-ти хармоник, губејќи повеќе од 100.000 јуани во приходи од дијагностика.)

Заклучок: Основни правила за повреди на опремата индуцирани од THD

• Индуктивна опрема (трансформатори, мотори, реактори): Подлабоко на „Дополнителни губитоци“ — хармониците зголемуваат губитоци од желе/мед, со прекумерна температура и стареење како главни повреди.

• Капацитивна опрема (кондензатори): Подлабоко на „Резонансна прекумерна ток“ — хармониците лесно активираат резонанса, со прекумерна ток-индуцирана повреда на изолацијата како главна повреда.

• Управувачка опрема (релеа, комуникациски системи): Подлабоко на „Дисторзија на узорување“ — хармониците дисторзираат податоци, доведувајќи до неправилни операции или неуспевано функционирање.

• Прецизна опрема (литографски машини, MRI): Подлабоко на „Дисторзија на форма“ — хармониците зголемуваат риплинг на напонот, доведувајќи до губење на точност.

Затоа, мрежите за електрична енергија мораат да го прифатат двојниот стратегија:
„Мониторинг на хармоници (контрола на грешка на мерене на THD ≤ ±0,5%) + Активно филтрирање (APF) / Пасивно филтрирање“
за да се задржи THDv во国家标准限制在5%以内，从而从源头上防止设备损坏。 看起来最后一段的翻译被截断了，我将完整翻译如下：

Затоа, мрежите за електрична енергија мораат да го прифатат двојниот стратегија:
„Мониторинг на хармоници (контрола на грешка на мерене на THD ≤ ±0,5%) + Активно филтрирање (APF) / Пасивно филтрирање“
за да се задржи THDv во国家标准限制在5%以内，从而从源头上防止设备损坏。

Затоа, мрежите за електрична енергија мораат да го прифатат двојниот стратегија:
„Мониторинг на хармоници (контрола на грешка на мерене на THD ≤ ±0,5%) + Активно филтрирање (APF) / Пасивно филтрирање“
за да се задржи THDv во националната стандардна граница од 5%, со тоа предизвикајќи предотврата на повреди на опремата на изворот.