THD Overload: Bagaimana Harmonik Menghancurkan Peralatan Kuasa

Apabila THD Grid Sebenar Melebihi Had (contohnya, THDv Voltan > 5%, THDi Arus > 10%), Ia Membawa Kerosakan Organik kepada Peralatan di Seluruh Rantai Kuasa — Penghantaran → Pembahagian → Penjanaan → Kawalan → Penggunaan. Mekanisme Utama Adalah Kerugian Tambahan, Arus Resonan Berlebihan, Fluktuasi Tork, dan Distorsi Sampel. Mekanisme dan Manifestasi Kerosakan Berbeza Mengikut Jenis Peralatan, seperti Diterangkan Di Bawah:

1. Peralatan Penghantaran: Panas Berlebihan, Penuaan, dan Usia Pakai yang Drastik Berkurang

Peralatan penghantaran membawa arus/voltan grid secara langsung. Harmonik memperburuk kerugian tenaga dan penurunan isolasi. Komponen utama yang terjejas adalah garis penghantaran (kabel/udara) dan transformator arus (CTs).

1.1 Garis Penghantaran (Kabel / Garis Udara)

• Mekanisme Kerosakan: Frekuensi harmonik yang lebih tinggi meningkatkan "kesan kulit" (arus frekuensi tinggi berkumpul di permukaan konduktor, mengurangkan luas rentangan efektif), menambah rintangan garis. Kerugian tambahan tembaga meningkat dengan kuasa dua urutan harmonik (contohnya, kerugian tembaga harmonik ke-5 adalah 25× daripada asas).

• Kerosakan Spesifik:

• Panas Berlebihan: Pada THDi = 10%, kerugian tembaga meningkat sebanyak 20%-30% berbanding kondisi dinilai. Suhu kabel boleh naik dari 70°C hingga 90°C (melampaui toleransi isolasi), mempercepatkan penuaan dan retak lapisan isolasi (contohnya, XLPE).

• Usia Pakai Berkurang: Pemanasan berpanjangan mengurangkan usia pakai kabel dari 30 tahun menjadi 15–20 tahun, mungkin menyebabkan "pecahan isolasi" dan kesalahan pendek siri. (Sebuah taman industri membakar dua kabel 10kV dalam masa setahun akibat harmonik ke-3 yang berlebihan, merugikan lebih dari 800,000 RMB untuk perbaikan.)

1.2 Transformator Arus (CTs)

• Mekanisme Kerosakan: Arus harmonik (terutamanya harmonik ke-3 dan ke-5) menyebabkan "kenyepuan sementara" pada inti besi CT, menaikkan kerugian histeresis dan arus eddy (kerugian besi tambahan). Kenyepuan mendistorsi gelombang keluaran sisi sekunder, mencegah representasi tepat arus primer.

• Kerosakan Spesifik:

• Panas Inti Berlebihan: Suhu inti CT mungkin melebihi 120°C, membakar isolasi pada belitan sekunder dan menyebabkan ketidaktepatan nisbah.

• Operasi Perlindungan Salah: Arus sekunder yang terdistorsi menyebabkan relai perlindungan (contohnya, perlindungan arus berlebihan) mendeteksi "pendek siri" palsu, memicu pemutusan palsu. (Sebuah rangkaian pembahagian mengalami 10 putus aliran akibat kenyepuan CT, mempengaruhi 20,000 isi rumah.)

2. Peralatan Pembahagian: Kegagalan Berulang, Kollapse Stabiliti Sistem

Peralatan pembahagian penting untuk "menghubungkan hulu dan hilir" dalam grid. THD melebihi had menyebabkan kerosakan paling langsung. Peranti utama yang terjejas termasuk transformator kuasa, bank kapasitor, dan reaktor.

2.1 Transformator Kuasa (Pembahagian / Transformator Utama)

• Mekanisme Kerosakan: Voltan harmonik meningkatkan kerugian histeresis dan arus eddy pada inti transformator (kerugian besi tambahan); arus harmonik meningkatkan kerugian tembaga belitan. Gabungan ini meningkatkan kerugian total secara signifikan. Harmonik tiga fasa tidak seimbang juga meningkatkan arus neutral (hingga 1.5× arus fasa), memperburuk pemanasan lokal.

• Kerosakan Spesifik:

• Panas Inti Berlebihan: Pada THDv = 8%, kerugian besi transformator meningkat sebanyak 15%-20%. Suhu inti naik dari 100°C hingga 120°C, mempercepatkan degradasi minyak isolasi (contohnya, minyak transformator 25#), meningkatkan keasaman, dan mengurangkan kekuatan dielektrik.

• Belitan Hangus: Pemanasan jangka panjang mengkarbonisasi kertas isolasi belitan (contohnya, Nomex), menyebabkan pendek siri. Sebuah substation 110kV mengalami pendek belitan selepas 3 tahun akibat harmonik ke-5 yang berlebihan, dengan kos perbaikan melebihi 5 juta RMB.

• Usia Pakai Berkurang: THD melebihi had mengurangkan usia pakai transformator dari 20 tahun menjadi 10–12 tahun.

2.2 Bank Kapasitor Serentak (untuk Kompensasi Daya Reaktif)

• Mekanisme Kerosakan: Reaktans kapasitif berkurang dengan frekuensi (Xc = 1/(2πfC)), jadi harmonik frekuensi tinggi menginduksi arus berlebihan. Jika kapasitor membentuk "resonansi harmonik" dengan induktansi grid (contohnya, resonansi urutan ke-5), arus boleh melonjak hingga 3–5× nilai dinilai—jauh melampaui rating kapasitor.

• Kerosakan Spesifik:

• Pecah Isolasi: Arus berlebihan memanaskan dielektrik dalaman (contohnya, filem polipropilena), menyebabkan tusukan, pembengkakan, atau bahkan letupan. (Sebuah bengkel industri merosakkan tiga bank kapasitor 10kV dalam masa satu bulan akibat resonansi harmonik ke-7; kos penggantian setiap bank melebihi 150,000 RMB.)

• Gagal Perlindungan: Arus resonan membakar hubungan pelindung; jika perlindungan gagal bertindak, risiko kebakaran meningkat.

2.3 Reaktor Seri (untuk Pengekangan Harmonik)

• Mekanisme Kerosakan: Walaupun digunakan untuk mengekang harmonik tertentu (contohnya, ke-3, ke-5), reaktor mengalami peningkatan kerugian tembaga belitan di bawah arus harmonik jangka panjang. Medan magnet pulsa dari harmonik juga meningkatkan getaran inti, menyebabkan aus mekanikal.

• Kerosakan Spesifik:

  • Pemanasan Pembungkusan: Apabila THDi = 12%, kerugian tembaga reaktor meningkat lebih dari 30%; suhu pembungkusan melebihi 110°C, menyebabkan varnis isolasi menjadi karbon dan mengelupas.

  • Bunyi dan Kerosakan Inti: Frekuensi getaran berpasangan dengan harmonik, menghasilkan bunyi yang keras (>85 dB). Getaran jangka panjang meredakan lapisan besi silikon, mengurangi permeabiliti dan menjadikan penahanan harmonik tidak efektif.

3. Peralatan Pembangkit: Had Keluaran, Risiko Keselamatan Meningkat

Peralatan pembangkit adalah "sumber tenaga" grid. THD berlebihan memberi kesan negatif kepada kestabilan operasi. Peranti utama yang dipengaruhi: generator sinkron, inverter boleh diperbaharui (PV/angin).

3.1 Generator Sinkron (Lokasi Termal/Hidro)

• Mekanisme Kerosakan: Harmonik grid kembali masuk ke dalam pembungkusan stator generator, mencipta "tork elektromagnetik harmonik." Ditambah dengan tork asas, ini membentuk "tork bergoyang," meningkatkan getaran. Arus harmonik juga meningkatkan kerugian tembaga stator, menyebabkan pemanasan setempat.

• Kerosakan Spesifik:

• Penurunan Keluaran: Unit 300MW pada THDv = 6% mengalami fluktuasi kelajuan ±0.5% disebabkan tork bergoyang, menurunkan keluaran di bawah 280MW, menurunkan kecekapan sebanyak 5%-8%.

• Pemanasan Pembungkusan: Suhu stator mungkin mencapai 130°C (melebihi had isolasi Kelas A 105°C), mempercepatkan penuaan isolasi dan risiko hubungan pendek antara putaran.

• Kerosakan Bantalan: Getaran yang meningkat mempercepatkan kerosakan bantalan (misalnya, bantalan selongsong), mengurangkan umur simpan dari 5 tahun menjadi 2–3 tahun.

3.2 Inverter Boleh Diperbaharui (PV / Angin)

• Mekanisme Kerosakan: Inverter peka terhadap THD grid (berdasarkan GB/T 19964-2012). Jika THDv titik sambungan > 5%, inverter akan memicu "perlindungan harmonik" untuk mengelakkan kerosakan. Selain itu, voltan harmonik menyebabkan ketidakseimbangan kuasa antara sisi DC dan AC, menyebabkan pemanasan modul IGBT.

• Kerosakan Spesifik:

• Pencabutan Grid: Di ladang angin dengan THDv = 7%, 20 unit inverter 1.5MW dicabut serentak, meninggalkan lebih daripada 100,000 kWh tenaga angin dalam satu hari, mengakibatkan kerugian pendapatan ~50,000 RMB.

• Kerosakan IGBT: Operasi jangka panjang di bawah harmonik meningkatkan kerugian beralih dalam modul IGBT (komponen utama), meningkatkan suhu di atas 150°C, berisiko "pecah panas." Kos baiki per inverter melebihi 100,000 RMB.

4. Peralatan Kawalan: Distorsi Sampel, Malfungsi Sistem

Peralatan kawalan bertindak sebagai "otak dan sistem saraf" grid. THD berlebihan menyebabkan data sampel yang terdistorsi dan hantaran arahan yang abnormal. Peranti utama yang dipengaruhi: relai perlindungan, sistem komunikasi automatik.

4.1 Relai Perlindungan (Perlindungan Arus Berlebihan / Perlindungan Beza)

• Mekanisme Kerosakan: Arus harmonik menyebabkan jenuhan CT sementara, mendistorsi gelombang arus sampel (misalnya, gelombang rata), menyebabkan algoritma perlindungan salah menilai amplitudo dan fasa, memicu tindakan yang salah. Voltan harmonik juga mungkin mengganggu bekalan kuasa relai, menyebabkan malfungsi litar logik.

• Kerosakan Spesifik:

• Pemutusan Salah: Jaringan pengagihan dengan THDi = 12% mengalami output CT yang terdistorsi disebabkan jenuhan, menyebabkan perlindungan arus berlebihan salah mendeteksi "pendek sambungan garis" dan memutuskan 10 feeder, memutuskan bekalan elektrik kepada 20,000 rumah tangga selama 4 jam, mengakibatkan kerugian ekonomi tidak langsung melebihi 2 juta RMB.

• Gagal Memutus : Jika gangguan harmonik menyebabkan fluktuasi voltan ±10% dalam bekalan kuasa relai, litar logik mungkin crash, gagal memutus semasa kerosakan sebenar, membolehkan eskalasi kerosakan.

4.2 Peralatan Komunikasi Automatik (Modul RS485 / Serat Optik)

• Mekanisme Kerosakan: Radiasi elektromagnetik dari harmonik (misalnya, gangguan RF 10V/m) berpasangan dengan baris komunikasi, menyebabkan "bit flip" dalam penghantaran data. Voltan harmonik juga mengganggu modul jam, meningkatkan kesalahan penyelarasan.

• Kerosakan Spesifik:

• Kadar Bit Ralat Bertambah: Disebabkan gangguan harmonik, kadar bit ralat komunikasi RS485 dalam sistem automatik pengagihan meningkat dari 10⁻⁶ ke 10⁻³, mengundur atau hilangkan arahan pengaturcara (misalnya, "sesuaikan pemindahan kapasitor").

• Kerosakan Modul: Harmonik frekuensi tinggi dapat merosakkan litar isolasi isyarat (misalnya, optokoppler) dalam modul komunikasi, menyebabkan kegagalan. Satu substesen menghancurkan 8 modul serat optik dalam sebulan akibat gangguan harmonik ke-5.

5. Peralatan Pengguna Akhir: Penurunan Prestasi, Kemalangan Pengeluaran

Peralatan pengguna akhir mewakili "beban terminal" grid. Peralatan industri dan presisi paling terjejas oleh THD berlebihan. Peranti utama yang dipengaruhi: motor industri, peralatan presisi (mesin litografi / MRI perubatan).

5.1 Motor Industri (Motor Induksi / Motor Sinkron)

• Mekanisme Kerusakan: Voltan harmonik menghasilkan "arus harmonik" dalam lilitan stator motor, membentuk "medan magnet putaran negatif." Apabila ditambah dengan medan asas, ia menghasilkan "tork penghenti," menyebabkan fluktuasi kelajuan dan peningkatan getaran. Arus harmonik juga meningkatkan kehilangan tembaga stator/rotor, menyebabkan pemanasan keseluruhan.

• Kerusakan Spesifik:

• Penurunan Efisiensi: Sebuah motor induksi 100kW pada THDv = 7% melihat penurunan efisiensi dari 92% hingga di bawah 85%, mengkonsumsi lebih dari 50,000 kWh tambahan setiap tahun (pada 0.6 yuan/kWh, kos elektrik tambahan: 30,000 yuan/tahun).

• Kerosakan: Motor mesin bergulung di sebuah kilang besi terbakar dua kali dalam enam bulan akibat paparan harmonik ketujuh yang berpanjangan; suhu stator mencapai 140°C. Kos penggantian setiap motor melebihi 2 juta RMB.

• Getaran & Bunyi: Percepatan getaran motor meningkat dari 0.1g hingga 0.5g, bunyi melebihi 90dB, mempengaruhi persekitaran kerja dan mempercepatkan keausan dasar.

5.2 Peralatan Presisi (Mesin Fotolitografi Semikonduktor / MRI Perubatan)

• Mekanisme Kerusakan: Peralatan ini memerlukan voltan yang sangat bersih (THDv ≤ 2%). Harmonik meningkatkan ripple dalam bekalan kuasa dalaman dan mengurangkan ketepatan sampelan ADC, akhirnya merosakkan fungsionaliti.

• Kerusakan Spesifik:

• Kehilangan Presisi: Sebuah mesin fotolitografi semikonduktor pada THDv = 4% melihat ketepatan pemosisian laser menurun dari 0.1μm hingga 0.3μm, mengurangkan hasil wafer dari 95% hingga 80%, kehilangan lebih dari 500,000 yuan dalam nilai output setiap hari.

• Penghentian Peralatan: Harmonik menyebabkan fluktuasi arus dalam kumparan gradien MRI, mencegah pencitraan yang jelas, memaksa penghentian. (Sebuah hospital menghentikan operasi MRI selama 2 hari akibat kelebihan harmonik ketiga, kehilangan lebih dari 100,000 yuan dalam hasil diagnosis.)

Ringkasan: Peraturan Utama Kerusakan Peralatan Akibat THD

• Peralatan Induktif (Trafo, Motor, Reaktor): Rentan terhadap "Kehilangan Tambahan" — harmonik meningkatkan kehilangan besi/tembaga, dengan pemanasan dan penuaan sebagai kerusakan utama.

• Peralatan Kapasitif (Kapasitor): Rentan terhadap "Arus Resonansi Berlebihan" — harmonik mudah memicu resonansi, dengan kejadian peputusan isolasi akibat arus berlebihan sebagai kerusakan utama.

• Peralatan Kawalan (Relay, Sistem Komunikasi): Rentan terhadap "Distorsi Sampelan" — harmonik mendistorsi data, menyebabkan operasi yang salah atau gagal beroperasi.

• Peralatan Presisi (Mesin Fotolitografi, MRI): Rentan terhadap "Distorsi Gelombang" — harmonik meningkatkan ripple voltan, menyebabkan kehilangan ketepatan.

Oleh itu, rangkaian kuasa harus mengambil strategi ganda:
"Pemantauan Harmonik (mengawal ralat pengukuran THD ≤ ±0.5%) + Penapisan Aktif (APF) / Penapisan Pasif"
untuk menjaga THDv dalam had piawai negara 5%, dengan demikian mencegah kerusakan peralatan dari sumber.