การเกินกำลัง THD: วิธีที่ฮาร์โมนิกทำลายอุปกรณ์ไฟฟ้า

เมื่อค่า THD ของระบบไฟฟ้าจริงเกินขีดจำกัด (เช่น แรงดัน THDv > 5% กระแส THDi > 10%) จะทำให้เกิดความเสียหายต่ออุปกรณ์ทั่วทั้งวงจรไฟฟ้า — การส่ง → การกระจาย → การผลิต → การควบคุม → การใช้พลังงาน กลไกหลักคือการสูญเสียเพิ่มเติม การไหลของกระแสเกินจากเรโซแนนซ์ การเปลี่ยนแปลงของแรงบิด และการบิดเบือนจากการสุ่มตัวอย่าง กลไกและลักษณะของการเสียหายแตกต่างกันอย่างมากตามประเภทของอุปกรณ์ รายละเอียดดังต่อไปนี้:

1. อุปกรณ์ส่งผ่าน: การร้อนเกิน การเสื่อมสภาพ และอายุการใช้งานลดลงอย่างมาก

อุปกรณ์ส่งผ่านขนถ่ายกระแส/แรงดันไฟฟ้าโดยตรง เฮอร์โมนิกส์ทำให้การสูญเสียพลังงานและการเสื่อมสภาพของฉนวนเพิ่มขึ้น ส่วนประกอบหลักที่ได้รับผลกระทบคือสายส่ง (สายเคเบิล/สายอากาศ) และทรานสฟอร์เมอร์กระแส (CTs)

1.1 สายส่ง (สายเคเบิล / สายอากาศ)

• กลไกการทำลาย: ความถี่ของเฮอร์โมนิกส์ที่สูงขึ้นทำให้ "เอฟเฟกต์ผิว" (กระแสความถี่สูงรวมศูนย์ที่ผิวของตัวนำ ทำให้พื้นที่ภาคตัดขวางที่มีประสิทธิภาพลดลง) เพิ่มขึ้น ทำให้ความต้านทานของสายเพิ่มขึ้น การสูญเสียทองแดงเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของลำดับของเฮอร์โมนิก (เช่น การสูญเสียทองแดงของเฮอร์โมนิกลำดับที่ 5 เป็น 25 เท่าของฐาน)

• ความเสียหายเฉพาะ:

• การร้อนเกิน: ที่ THDi = 10% การสูญเสียทองแดงเพิ่มขึ้น 20%-30% เมื่อเทียบกับเงื่อนไขกำหนด ความร้อนของสายเคเบิลสามารถเพิ่มขึ้นจาก 70°C ถึง 90°C (เกินความสามารถในการทนทานของฉนวน) ทำให้การเสื่อมสภาพและการแตกของชั้นฉนวน (เช่น XLPE) เร็วขึ้น

• อายุการใช้งานลดลง: การร้อนเกินอย่างต่อเนื่องทำให้อายุการใช้งานของสายเคเบิลลดลงจาก 30 ปีเหลือ 15–20 ปี อาจทำให้เกิด "การชำรุดของฉนวน" และการลัดวงจร (เขตอุตสาหกรรมเผาไหม้สายเคเบิล 10kV สองเส้นภายในหนึ่งปีเนื่องจากเฮอร์โมนิกลำดับที่ 3 มากเกินไป ค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมเกินกว่า 800,000 RMB)

1.2 ทรานสฟอร์เมอร์กระแส (CTs)

• กลไกการทำลาย: กระแสเฮอร์โมนิก (โดยเฉพาะลำดับที่ 3 และ 5) ทำให้เกิด "ภาวะอิ่มตัวชั่วขณะ" ของแกนเหล็กของ CT ทำให้การสูญเสียจากความหน่วงแม่เหล็กและกระแสวนเพิ่มขึ้น (การสูญเสียเหล็กเพิ่มเติม) ภาวะอิ่มตัวทำให้คลื่นรูปร่างที่ออกทางด้านรองบิดเบือน ไม่สามารถแสดงกระแสทางด้านหลักได้อย่างถูกต้อง

• ความเสียหายเฉพาะ:

• แกนร้อนเกิน: อุณหภูมิของแกน CT อาจเกิน 120°C ทำให้ฉนวนของวงจรรองไหม้และทำให้ความถูกต้องของอัตราส่วนลดลง

• การทำงานผิดพลาดของระบบป้องกัน: กระแสรองที่บิดเบือนทำให้รีเลย์ป้องกัน (เช่น การป้องกันกระแสเกิน) ตรวจจับ "การลัดวงจรในสาย" อย่างผิดพลาด ทำให้เกิดการกระโดดผิดพลาด (เครือข่ายการกระจายประสบการณ์การกระโดดของสายฟีดเดอร์ 10 ครั้งเนื่องจากภาวะอิ่มตัวของ CT กระทบ 20,000 ครัวเรือน)

2. อุปกรณ์การกระจาย: ความเสียหายบ่อย ๆ ระบบเสถียรภาพล่มสลาย

อุปกรณ์การกระจายเป็นสิ่งสำคัญสำหรับ "การเชื่อมต่อระหว่างส่วนบนและส่วนล่าง" ในระบบไฟฟ้า THD ที่เกินขีดจำกัดทำให้เกิดความเสียหายโดยตรงมากที่สุด ส่วนประกอบหลักที่ได้รับผลกระทบคือทรานสฟอร์เมอร์พลังงาน แบงค์คอนเดนเซอร์ และรีแอคเตอร์

2.1 ทรานสฟอร์เมอร์พลังงาน (ทรานสฟอร์เมอร์การกระจาย / ทรานสฟอร์เมอร์หลัก)

• กลไกการทำลาย: แรงดันเฮอร์โมนิกเพิ่มการสูญเสียจากความหน่วงแม่เหล็กและกระแสวนในแกนของทรานสฟอร์เมอร์ (การสูญเสียเหล็กเพิ่มเติม) กระแสเฮอร์โมนิกเพิ่มการสูญเสียทองแดงของวงจรพัน รวมกันแล้วทำให้การสูญเสียทั้งหมดเพิ่มขึ้นอย่างมาก แฮร์โมนิกสามเฟสที่ไม่สมดุลย์ยังทำให้กระแสกลางเพิ่มขึ้น (ถึง 1.5 เท่าของกระแสเฟส) ทำให้การร้อนเฉพาะที่แย่ลง

• ความเสียหายเฉพาะ:

• แกนร้อนเกิน: ที่ THDv = 8% การสูญเสียเหล็กของทรานสฟอร์เมอร์เพิ่มขึ้น 15%-20% อุณหภูมิของแกนเพิ่มขึ้นจาก 100°C ถึง 120°C ทำให้การเสื่อมสภาพของน้ำมันฉนวน (เช่น น้ำมันทรานสฟอร์เมอร์ #25) รวดเร็วขึ้น ความเป็นกรดเพิ่มขึ้น และความแข็งแรงของฉนวนลดลง

• วงจรพันไหม้: การร้อนเกินอย่างต่อเนื่องทำให้ฉนวนกระดาษของวงจรพัน (เช่น Nomex) ไหม้กลายเป็นคาร์บอน ทำให้เกิดการลัดวงจร ทรานสฟอร์เมอร์หลัก 110kV ของสถานีไฟฟ้าเสียหายจากวงจรพันลัดวงจรหลังจาก 3 ปีเนื่องจากเฮอร์โมนิกลำดับที่ 5 มากเกินไป ค่าใช้จ่ายในการซ่อมแซมเกินกว่า 5 ล้าน RMB

• อายุการใช้งานลดลง: THD ที่เกินขีดจำกัดทำให้อายุการใช้งานของทรานสฟอร์เมอร์ลดลงจาก 20 ปีเหลือ 10–12 ปี

2.2 แบงค์คอนเดนเซอร์แบบขนาน (สำหรับการชดเชยพลังงานปฏิกิริยา)

• กลไกการทำลาย: ความต้านทานคาปาซิทีลดลงตามความถี่ (Xc = 1/(2πfC)) ดังนั้นเฮอร์โมนิกความถี่สูงทำให้เกิดกระแสเกิน หากคอนเดนเซอร์สร้าง "เรโซแนนซ์เฮอร์โมนิก" กับอินดักแทนซ์ของระบบ (เช่น เรโซแนนซ์ลำดับที่ 5) กระแสสามารถเพิ่มขึ้นถึง 3–5 เท่าของค่ากำหนด — มากเกินไปสำหรับคอนเดนเซอร์

• ความเสียหายเฉพาะ:

• การทะลุของฉนวน: กระแสเกินทำให้ฉนวนภายใน (เช่น ฟิล์มโพลีโพรพิลีน) ร้อนและทำให้เกิดการทะลุ การบวม หรือแม้แต่การระเบิด (โรงงานอุตสาหกรรมเสียหายคอนเดนเซอร์ 10kV สามแบงค์ภายในหนึ่งเดือนเนื่องจากเรโซแนนซ์ลำดับที่ 7 ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนแบงค์ละเกินกว่า 150,000 RMB)

• ระบบป้องกันทำงานผิดพลาด: กระแสเรโซแนนซ์ทำให้ลวดฟิวส์ไหม้ หากระบบป้องกันไม่ทำงาน ความเสี่ยงของการเกิดไฟไหม้จะเพิ่มขึ้น

2.3 รีแอคเตอร์แบบอนุกรม (สำหรับการยับยั้งเฮอร์โมนิก)

• กลไกการทำลาย: แม้ว่าจะใช้เพื่อยับยั้งเฮอร์โมนิกเฉพาะ (เช่น ลำดับที่ 3 ลำดับที่ 5) รีแอคเตอร์ยังคงสูญเสียทองแดงของวงจรพันภายใต้กระแสเฮอร์โมนิกอย่างต่อเนื่อง สนามแม่เหล็กที่กระตุกจากเฮอร์โมนิกยังทำให้การสั่นสะเทือนของแกนเพิ่มขึ้น ทำให้เกิดการสึกหรอทางกลไก

ความเสียหายเฉพาะ:

• ความร้อนสูงของขดลวด: ที่ THDi = 12% ความสูญเสียของทองแดงในตัวเก็บพลังงานเพิ่มขึ้นมากกว่า 30%; อุณหภูมิของขดลวดสูงเกิน 110°C ทำให้วานิชฉนวนคาร์บอนและหลุดออก

• เสียงรบกวนและความสึกหรอของแกน: ความถี่ของการสั่นสะเทือนเชื่อมโยงกับฮาร์โมนิก ทำให้เกิดเสียงดัง (>85 dB) การสั่นสะเทือนระยะยาวทำให้แผ่นเหล็กซิลิคอนคลายตัว ลดความพรุนและทำให้การควบคุมฮาร์โมนิกไม่ได้ผล

3. อุปกรณ์กำเนิดไฟฟ้า: จำกัดกำลังผลิต เพิ่มความเสี่ยงด้านความปลอดภัย

อุปกรณ์กำเนิดไฟฟ้าเป็น "แหล่งพลังงาน" ของระบบไฟฟ้า เทอร์ฮาร์โมนิกที่มากเกินไปส่งผลกระทบต่อความมั่นคงในการทำงาน อุปกรณ์สำคัญที่ได้รับผลกระทบ: เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส อินเวอร์เตอร์พลังงานทดแทน (PV/ลม)

3.1 เครื่องกำเนิดไฟฟ้าแบบซิงโครนัส (โรงไฟฟ้าความร้อน/น้ำ)

• กลไกการทำลาย: ฮาร์โมนิกในระบบไฟฟ้าไหลย้อนกลับเข้าสู่ขดลวดสเตเตอร์ของเครื่องกำเนิดไฟฟ้า สร้าง "แรงบิดแม่เหล็กไฟฟ้าฮาร์โมนิก" ซ้อนทับกับแรงบิดพื้นฐาน ทำให้เกิด "แรงบิดกระตุก" ทำให้การสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้น กระแสฮาร์โมนิกยังเพิ่มความสูญเสียของทองแดงในสเตเตอร์ ทำให้เกิดความร้อนสูงเฉพาะจุด

• ความเสียหายเฉพาะ:

• กำลังผลิตลดลง: หน่วย 300MW ที่ THDv = 6% มีการเปลี่ยนแปลงความเร็ว ±0.5% จากแรงบิดกระตุก ทำให้กำลังผลิตลดลงต่ำกว่า 280MW ลดประสิทธิภาพลง 5%-8%

• ความร้อนสูงของขดลวด: อุณหภูมิของสเตเตอร์อาจสูงถึง 130°C (สูงกว่าข้อกำหนดฉนวนระดับ A ที่ 105°C) ทำให้การเสื่อมสภาพของฉนวนเร็วขึ้นและเสี่ยงต่อการลัดวงจรระหว่างขดลวด

• ความสึกหรอของแบริ่ง: การสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้นทำให้แบริ่ง (เช่น แบริ่งปลอก) สึกหรอเร็วขึ้น ลดอายุการใช้งานจาก 5 ปีเหลือ 2-3 ปี

3.2 อินเวอร์เตอร์พลังงานทดแทน (PV / ลม)

• กลไกการทำลาย: อินเวอร์เตอร์มีความไวต่อ THD ในระบบไฟฟ้า (ตาม GB/T 19964-2012) หาก THDv ที่จุดเชื่อมต่อ > 5% อินเวอร์เตอร์จะทริกเกอร์ "การป้องกันฮาร์โมนิก" เพื่อป้องกันความเสียหาย นอกจากนี้ แรงดันฮาร์โมนิกยังทำให้เกิดความไม่สมดุลของกำลังระหว่างด้าน DC และ AC ทำให้โมดูล IGBT ร้อนสูง

• ความเสียหายเฉพาะ:

• การตัดการเชื่อมต่อจากระบบ: ที่ฟาร์มลมที่ THDv = 7% 20 หน่วยของอินเวอร์เตอร์ 1.5MW ตัดการเชื่อมต่อพร้อมกัน ละทิ้งพลังงานลมมากกว่า 100,000 kWh ในหนึ่งวัน ทำให้สูญเสียรายได้ประมาณ 50,000 RMB

• IGBT ไหม้: การทำงานระยะยาวภายใต้ฮาร์โมนิกเพิ่มความสูญเสียจากการสลับของโมดูล IGBT (ส่วนประกอบหลัก) ทำให้อุณหภูมิสูงเกิน 150°C ทำให้เสี่ยงต่อ "การแตกเนื่องจากความร้อน" ค่าซ่อมแซมต่ออินเวอร์เตอร์เกิน 100,000 RMB

4. อุปกรณ์ควบคุม: การบิดเบือนของตัวอย่าง ความผิดปกติของระบบ

อุปกรณ์ควบคุมเป็น "สมองและระบบประสาท" ของระบบไฟฟ้า THD ที่มากเกินไปทำให้เกิดการบิดเบือนของข้อมูลตัวอย่างและการส่งคำสั่งที่ผิดปกติ อุปกรณ์สำคัญที่ได้รับผลกระทบ: เครื่องตัดป้องกัน ระบบสื่อสารอัตโนมัติ

4.1 เครื่องตัดป้องกัน (ป้องกันกระแสเกิน / ป้องกันความแตกต่าง)

• กลไกการทำลาย: กระแสฮาร์โมนิกทำให้เกิดการอิ่มตัวของ CT ชั่วขณะ ทำให้รูปคลื่นของกระแสที่ตัวอย่างบิดเบือน (เช่น คลื่นแบน) ทำให้อัลกอริทึมป้องกันผิดพลาดในการประเมินขนาดและเฟส ทำให้เกิดการกระทำที่ผิดพลาด แรงดันฮาร์โมนิกอาจยังแทรกแซงแหล่งจ่ายไฟของเครื่องตัด ทำให้เกิดความผิดปกติของวงจรลอจิก

• ความเสียหายเฉพาะ:

• การกระโดดผิดพลาด: เครือข่ายการกระจายไฟฟ้าที่ THDi = 12% มีการบิดเบือนของเอาต์พุต CT จากการอิ่มตัว ทำให้การป้องกันกระแสเกินตรวจพบ "การลัดวงจรสาย" อย่างผิดพลาดและกระโดด 10 สาย เคาะไฟให้ 20,000 ครัวเรือนเป็นเวลา 4 ชั่วโมง ทำให้เกิดความเสียหายทางเศรษฐกิจโดยอ้อมเกิน 2 ล้าน RMB

• ไม่กระโดด: หากการแทรกแซงจากฮาร์โมนิกทำให้แรงดันของแหล่งจ่ายไฟของเครื่องตัดเปลี่ยนแปลง ±10% วงจรลอจิกอาจล่ม ไม่กระโดดในกรณีที่เกิดความผิดปกติจริง ทำให้ความผิดปกติขยายตัว

4.2 อุปกรณ์สื่อสารอัตโนมัติ (RS485 / โมดูลใยแก้วนำแสง)

• กลไกการทำลาย: รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าจากฮาร์โมนิก (เช่น รบกวน RF 10V/m) คู่กับสายสื่อสาร ทำให้เกิด "การพลิกบิต" ในการส่งข้อมูล แรงดันฮาร์โมนิกยังทำให้เกิดความผิดปกติของโมดูลนาฬิกา เพิ่มความผิดพลาดในการซิงโครไนซ์

• ความเสียหายเฉพาะ:

• อัตราการผิดพลาดของบิตเพิ่มขึ้น: เนื่องจากการแทรกแซงจากฮาร์โมนิก อัตราการผิดพลาดของบิตในระบบสื่อสาร RS485 สำหรับระบบการกระจายอัตโนมัติเพิ่มจาก 10⁻⁶ เป็น 10⁻³ ทำให้คำสั่งการส่งมอบ (เช่น "ปรับการสลับคาปาซิเตอร์") ล่าช้าหรือสูญหาย

• โมดูลไหม้: ฮาร์โมนิกความถี่สูงสามารถทำลายวงจรแยกสัญญาณ (เช่น โฟโตคัปเปอร์) ในโมดูลสื่อสาร ทำให้เกิดความผิดพลาด สถานีไฟฟ้าแห่งหนึ่งทำลายโมดูลใยแก้วนำแสง 8 ชิ้นภายในหนึ่งเดือนเนื่องจากการแทรกแซงจากฮาร์โมนิกลำดับที่ 5

5. อุปกรณ์ปลายทาง: การลดประสิทธิภาพ การเกิดอุบัติเหตุในการผลิต

อุปกรณ์ปลายทางเป็น "โหลดปลายทาง" ของระบบไฟฟ้า เครื่องมืออุตสาหกรรมและเครื่องมือความแม่นยำได้รับผลกระทบที่รุนแรงที่สุดจาก THD ที่มากเกินไป อุปกรณ์สำคัญที่ได้รับผลกระทบ: มอเตอร์อุตสาหกรรม เครื่องมือความแม่นยำ (เครื่องเลเซอร์/เครื่อง MRI ทางการแพทย์)

5.1 มอเตอร์อุตสาหกรรม (มอเตอร์เหนี่ยวนำ / มอเตอร์ซิงโครนัส)

• กลไกการทำลาย: แรงดันฮาร์โมนิกสร้าง "กระแสฮาร์โมนิก" ในขดลวดสเตเตอร์ของมอเตอร์ ทำให้เกิด "สนามแม่เหล็กหมุนเชิงลบ" เมื่อทับซ้อนกับสนามพื้นฐาน จะทำให้เกิด "แรงบิดเบรก" ทำให้มีการผันผวนของความเร็วและการสั่นสะเทือนเพิ่มขึ้น กระแสฮาร์โมนิกยังเพิ่มการสูญเสียทองแดงในสเตเตอร์และโรเตอร์ ทำให้เกิดความร้อนสะสม

• ความเสียหายเฉพาะ:

• ลดประสิทธิภาพ: มอเตอร์เหนี่ยวนำขนาด 100 กิโลวัตต์ที่ THDv = 7% มีประสิทธิภาพลดลงจาก 92% เป็นต่ำกว่า 85% ใช้ไฟฟ้าเพิ่มขึ้นมากกว่า 50,000 kWh ต่อปี (ที่ราคา 0.6 หยวน/kWh ค่าไฟฟ้าเพิ่มขึ้น: 30,000 หยวน/ปี)

• ไหม้ไหม้: มอเตอร์ของโรงกลั่นเหล็กถูกเผาไหม้สองครั้งภายในหกเดือนเนื่องจากการสัมผัสกับฮาร์โมนิกลำดับที่ 7 อย่างต่อเนื่อง; อุณหภูมิสเตเตอร์สูงถึง 140°C ค่าใช้จ่ายในการเปลี่ยนมอเตอร์แต่ละตัวเกิน 2 ล้านหยวน

• การสั่นสะเทือนและความดัง: การเร่งความเร็วของการสั่นสะเทือนของมอเตอร์เพิ่มขึ้นจาก 0.1g เป็น 0.5g ระดับเสียงเกิน 90dB ส่งผลต่อสภาพแวดล้อมการทำงานและเร่งการสึกหรอของฐานราก

5.2 เครื่องมือความแม่นยำ (เครื่องพิมพ์วงจรรอง / เครื่อง MRI ทางการแพทย์)

• กลไกการทำลาย: เครื่องมือเหล่านี้ต้องการแรงดันที่สะอาดมาก (THDv ≤ 2%) ฮาร์โมนิกเพิ่มแรงดันริบบิ้นในแหล่งจ่ายไฟภายในและลดความแม่นยำในการสุ่มตัวอย่าง ADC ทำให้การทำงานเสื่อมลง

• ความเสียหายเฉพาะ:

• ลดความแม่นยำ: เครื่องพิมพ์วงจรรองที่ THDv = 4% มีความแม่นยำในการกำหนดตำแหน่งเลเซอร์ลดลงจาก 0.1μm เป็น 0.3μm ทำให้อัตราการผลิตวัฟเฟอร์ลดลงจาก 95% เป็น 80% สูญเสียมูลค่าการผลิตมากกว่า 500,000 หยวนต่อวัน

• เครื่องมือหยุดทำงาน: ฮาร์โมนิกทำให้เกิดการผันผวนของกระแสในขดลวดความลาดชันของเครื่อง MRI ทำให้ไม่สามารถสร้างภาพได้อย่างชัดเจน ทำให้ต้องหยุดทำงาน (โรงพยาบาลหนึ่งหยุดการทำงานของเครื่อง MRI เป็นเวลา 2 วันเนื่องจากฮาร์โมนิกลำดับที่ 3 สูงเกินไป สูญเสียรายได้จากการวินิจฉัยมากกว่า 100,000 หยวน)

สรุป: กฎหลักของการทำลายอุปกรณ์โดยฮาร์โมนิก

• อุปกรณ์เหนี่ยวนำ (ทรานสฟอร์เมอร์, มอเตอร์, รีแอคเตอร์): ไวต่อ "การสูญเสียเพิ่มเติม" — ฮาร์โมนิกเพิ่มการสูญเสียเหล็ก/ทองแดง ทำให้เกิดความร้อนและความเสื่อมเป็นความเสียหายหลัก

• อุปกรณ์แบบคาปาซิทีฟ (คอนเดนเซอร์): ไวต่อ "กระแสเกินจากการสั่น" — ฮาร์โมนิกทำให้เกิดการสั่นสะเทือนได้ง่าย ทำให้เกิดการแตกของฉนวนจากการไหลของกระแสเกิน

• อุปกรณ์ควบคุม (รีเลย์, ระบบสื่อสาร): ไวต่อ "การบิดเบือนจากการสุ่มตัวอย่าง" — ฮาร์โมนิกทำให้ข้อมูลบิดเบือน ทำให้เกิดการทำงานผิดพลาดหรือไม่สามารถทำงานได้

• อุปกรณ์ความแม่นยำ (เครื่องพิมพ์วงจรรอง, เครื่อง MRI): ไวต่อ "การบิดเบือนของคลื่น" — ฮาร์โมนิกเพิ่มแรงดันริบบิ้น ทำให้เกิดการสูญเสียความแม่นยำ

ดังนั้น ระบบพลังงานไฟฟ้าต้องใช้กลยุทธ์คู่:
"การตรวจสอบฮาร์โมนิก (ควบคุมความคลาดเคลื่อนในการวัด THD ≤ ±0.5%) + การกรองแบบแอคทีฟ (APF) / การกรองแบบพาสซีฟ"
เพื่อรักษา THDv ให้อยู่ภายในขีดจำกัดมาตรฐานของประเทศที่ 5% ทำให้ป้องกันการเสียหายของอุปกรณ์ที่ต้นทาง