THD Aşırı Yük: Harmonikler Nasıl Güç Ekipmanlarını Yok Ediyor

Gerçek Ağ THD Sınırların Üstündeyken (örneğin, Gerilim THDv > 5%, Akım THDi > 10%), Tüm Enerji Zinciri Boyunca Ekipmanlara Organik Hasar Verir — İletim → Dağıtım → Üretim → Kontrol → Tüketim. Temel Mekanizmalar Ek Kayıplar, Rezonanslı Aşırı Akım, Tork Fluktuasyonları ve Örnekleme Bozulmasıdır. Hasar Mekanizmaları ve Gösterimleri Ekipman Türüne Göre Ani Farklılıklar Gösterir, Aşağıda Ayrintılı Olarak Belirtilmiştir:

1. İletim Ekipmanları: Aşırı Isınma, Yaşlanma ve Drastik Şekilde Azalan Ömür

İletim ekipmanları doğrudan ağ akımı/gerilimini taşır. Harmonikler enerji kaybını ve yalıtım azalmasını artırır. Ana etkilenen bileşenler kablo hatları (kablo/hava yolu) ve akım dönüştürücüleridir (CT'ler).

1.1 Kablo Hatları (Kablo / Hava Yolu Hatları)

• Hasar Mekanizması: Yüksek harmonik frekansları "deri etkisi"ni yoğunlaştırır (yüksek frekansta akımlar iletken yüzeyine yoğunlaşır, etkin kesit alanını azaltır), hattın direncini artırır. Ek bakır kayıpları harmonik derecesinin karesiyle artar (örneğin, 5. harmonik bakır kaybı temelden 25 kat daha fazladır).

• Spesifik Hasarlar:

• Aşırı Isınma: THDi = 10% olduğunda, bakır kayıpları nominal koşullara göre %20-30 artar. Kablo sıcaklığı 70°C'den 90°C'ye yükselir (yalıtım toleransını aşar), yalıtım tabakalarının yaşlanmasını ve çatlak oluşmasını hızlandırır (örneğin, XLPE).

• Kısaltılan Ömür: Uzun süreli aşırı ısınma, kablonun ömrünü 30 yıl yerine 15–20 yıla indirir, potansiyel olarak "yalıtım bozulması" ve kısa devre arızalarına neden olur. (Bir endüstriyel site, aşırı 3. harmonik nedeniyle bir yıl içinde iki 10kV kabloyu yakmış, onarım maliyeti 800.000 RMB'yi aşmıştır.)

1.2 Akım Dönüştürücüler (CT'ler)

• Hasar Mekanizması: Harmonik akımlar (özellikle 3. ve 5.) CT demir çekirdeğini "geçici doygunluk" durumuna getirir, histeresis ve eddy akım kayıplarını (ek demir kayıpları) keskin bir şekilde artırır. Doygunluk, ikincil taraf çıkış dalgacığını bozar, birincil akımı doğru bir şekilde temsil etmesini engeller.

• Spesifik Hasarlar:

• Çekirdek Aşırı Isınması: CT çekirdeği sıcaklığı 120°C'yi aşabilir, ikincil bobinlerin yalıtımını yakarak oran hatalarına neden olur.

• Koruma Yanlış İşlemi: Bozulmuş ikincil akım, koruma rölelerini (örneğin, aşırı akım koruması) yanlış bir şekilde "hat kısa devresi" algılamasına sebep olur, yanlış atlatmayı tetikler. (Bir dağıtım ağı, CT doygunluğu nedeniyle 10 besleyici atlatma yaşadı, 20.000 haneye etki etti.)

2. Dağıtım Ekipmanları: Frekanslı Arızalar, Sistem Stabilitesi Çöküşü

Dağıtım ekipmanları, ağda "yukarı ve aşağı akış arasında bağlantı" için kritiktir. THD sınırların üstünde olması en doğrudan hasarı verir. Ana etkilenen cihazlar güç transformatörleri, kondansatör bankaları ve reaktörlerdir.

2.1 Güç Transformatörleri (Dağıtım / Ana Transformatörler)

• Hasar Mekanizması: Harmonik gerilimler, transformatör çekirdeğinde manyetik histeresis ve eddy akım kayıplarını artırır (ek demir kayıpları); harmonik akımlar sarım bakır kayıplarını artırır. Bu ikisi birlikte toplam kayıpları önemli ölçüde yükseltir. Dengesiz üç faz harmonikleri aynı zamanda nötr akımı da artırır (faz akımının 1.5 katına kadar), yerel aşırı ısınmayı kötüleştirir.

• Spesifik Hasarlar:

• Çekirdek Aşırı Isınması: THDv = 8% olduğunda, transformatör demir kayıpları %15-20 artar. Çekirdekteki sıcaklık 100°C'den 120°C'ye çıkar, yalıtım yağının (örneğin, 25# transformatör yağı) erimesini hızlandırır, asitliği artırır ve dielektrik gücünü azaltır.

• Sarım Yakılması: Uzun süreli aşırı ısınma, sarım yalıtım kağıdını (örneğin, Nomex) karbonize eder, kısa devre oluşturur. Bir trafiğe bağlı 110kV ana transformatör, aşırı 5. harmonik nedeniyle 3 yıl sonra sarım kısa devresi yaşadı, onarım maliyeti 5 milyon RMB'yi aştı.

• Kısaltılan Ömür: Uzun süreli THD, transformatörün ömrünü 20 yıl yerine 10–12 yıla indirir.

2.2 Paralel Kondansatör Bankaları (Reaktif Güç Tazminatı İçin)

• Hasar Mekanizması: Kapasitif reaktans frekans ile azalır (Xc = 1/(2πfC)), bu nedenle yüksek frekansta harmonikler aşırı akım üretir. Eğer kondansatörler ağ endüktansıyla "harmonik rezonans" oluştururlarsa (örneğin, 5. derece rezonans), akım nominal değerinin 3–5 katına ulaşabilir—kondansatör kapasitesinin çok ötesindedir.

• Spesifik Hasarlar:

• Yalıtım Bozulması: Aşırı akım, iç dielektrikleri (örneğin, polipropilen film) ısıtır, delik açar, şişmeye veya patlamaya neden olur. (Bir endüstriyel atölye, 7. harmonik rezonans nedeniyle bir ay içinde üç 10kV kondansatör bankasını zarar gördü; her banka için değiştirme maliyeti 150.000 RMB'yi aştı.)

• Koruma Başarısızlığı: Rezonans akımları, sigorta bağlarını yakar; koruma işlem yapmazsa yangın riski artar.

2.3 Seri Reaktörler (Harmonik Baskılama İçin)

• Hasar Mekanizması: Belirli harmonikleri (örneğin, 3. ve 5.) baskılamak için kullanılırken, reaktörler uzun süren harmonik akım altında sarım bakır kayıplarını artırır. Harmoniklerden kaynaklanan titreşen manyetik alanlar, çekirdek titreşimini artırarak mekanik aşınmayı hızlandırır.

• Belirli Hasımlar:

• Bobin Aşırı Isınması: THDi = 12% olduğunda, reaktör bakır kayıpları %30'dan fazla artar; bobin sıcaklıkları 110°C'yi aşarak yalıtım boya karbonize olur ve soyulur.

• Çekirdek Gürültüsü ve Yorulması: Titreşim frekansı harmoniklerle birleşerek yüksek gürültü (>85 dB) üretir. Uzun süreli titreşim silikon çelik lamine katmanlarını gevşetir, geçirgenliği azaltır ve harmonik baskılamayı etkisiz hale getirir.

3. Üretim Ekipmanları: Çıktı Sınırlaması, Artan Güvenlik Riskleri

Üretim ekipmanları, şebekenin "enerji kaynağı"dır. Aşırı THD, operasyonel istikrar üzerinde olumsuz etkiye sahiptir. Ana etkilenen cihazlar: senkron jeneratörler, yenilenebilir inversörler (Güneş/Pruz).

3.1 Senkron Jeneratörler (Termal/Hidro Santralleri)

• Hasar Mekanizması: Şebekedeki harmonikler jeneratör stator bobinlerine geri beslenir, bu da "harmonik elektromanyetik tork" oluşturur. Temel tork üzerine eklenerek "dalgalanan tork" oluşur, bu da titreşimi artırır. Harmonik akımlar ayrıca stator bakır kayıplarını artırarak yerel aşırı ısılmasına neden olur.

• Belirli Hasımlar:

• Azalan Çıktı: THDv = 6% olan 300MW ünitede, dalgalanan tork nedeniyle hızda ±0.5% dalgalanma görülür, bu da çıktıyı 280MW'nin altına düşürüp verimliliği %5-%8 oranında azaltır.

• Bobin Aşırı Isınması: Stator sıcaklığı 130°C'ye ulaşabilir (A sınıfı yalıtım sınırı olan 105°C'yi aşar), bu da yalıtım yaşlanmasını hızlandırır ve turdan tur ya short circuit riskini artırır.

• Rulman Yorulması: Artan titreşim, rulman (örneğin, manşon rulman) yorulmasını hızlandırarak ömrünü 5 yıldan 2-3 yıla indirir.

3.2 Yenilenebilir Inversörler (Güneş/Rüzgar)

• Hasar Mekanizması: Inversörler, şebekedeki THD'ye duyarlıdır (GB/T 19964-2012'e göre). Bağlantı noktasındaki THDv > 5% ise, inversör "harmonik koruma" tetikleyerek hasardan korunur. Ayrıca, harmonik voltaj, DC ve AC tarafları arasındaki güç dengesizliğine neden olur, bu da IGBT modülünün aşırı ısılmasına yol açar.

• Belirli Hasımlar:

• Şebeke Kesintisi: THDv = 7% olan bir rüzgar çiftliğinde, aynı anda 20 adet 1.5MW inversör bağlantısını kesti, bu da bir günde 100.000 kWh'lık rüzgar enerjisinin terk edilmesine ve yaklaşık 50.000 RMB'lık gelir kaybına neden oldu.

• IGBT Yanması: Uzun süre harmonik altında çalışmak, IGBT modüllerindeki (çekirdek bileşen) anahtarlama kayıplarını artırarak sıcaklığı 150°C'nin üstüne çıkarır, bu da "termal kırılmaya" riski oluşturur. Her inversör başına tamir maliyeti 100.000 RMB'yi aşar.

4. Kontrol Ekipmanları: Örneklem Bozulması, Sistem Hataları

Kontrol ekipmanları, şebekenin "beyni ve sinir sistemi"dır. Aşırı THD, örneklenmiş verileri bozar ve komut iletiminde anormalliklere neden olur. Ana etkilenen cihazlar: koruma releleri, otomasyon iletişim sistemleri.

4.1 Koruma Releleri (Aşırı Akım / Diferansiyel Koruma)

• Hasar Mekanizması: Harmonik akımlar geçici CT doygunluğuna neden olur, bu da örneklenmiş akım dalga biçimlerini (örneğin, düz tepeli dalgalarda) bozar, koruma algoritmalarının amplitüd ve fazı yanlış olarak değerlendirmesine ve yanlış eylemler gerçekleştirmesine neden olur. Harmonik voltajlar ayrıca rele güç kaynaklarına müdahale ederek mantık devrelerinin hatalı çalışmasına neden olabilir.

• Belirli Hasımlar:

• Yanlış Kesme: THDi = 12% olan bir dağıtım ağında, doygunluk nedeniyle CT çıkışı bozuldu, bu da aşırı akım korumasının "hattaki kısa devre" algılamasına ve 10 hatı kesmesine, 20.000 hanenin 4 saat boyunca elektrik kesintisine neden oldu, bu da dolaylı ekonomik kayıpların 2 milyon RMB'yi aşmasına neden oldu.

• Kesme Başaramama : Eğer harmonik interferans, rele güç kaynağında ±10% voltaj dalgalanmasına neden olursa, mantık devresi çökebilir, gerçek arızalar sırasında kesme yapamaz, bu da arızanın yükseltmesine neden olur.

4.2 Otomasyon İletişim Cihazları (RS485 / Fiber Modülleri)

• Hasar Mekanizması: Harmoniklerden kaynaklanan elektromanyetik radyasyon (örneğin, 10V/m RF interferansı) iletişim hatlarına girerek veri iletiminde "bit çevirme" oluşturur. Harmonik voltajlar ayrıca saat modüllerini bozarak senkronizasyon hatalarını artırır.

• Belirli Hasımlar:

• Bit Hata Oranının Artışı: Harmonik interferans nedeniyle, bir dağıtım otomasyon sisteminde RS485 iletişim bit hata oranı 10⁻⁶'dan 10⁻³'e yükseldi, bu da komuta emirlerinin (örneğin, "kondansatör kapaklarının değiştirilmesi") gecikmesine veya kaybolmasına neden oldu.

• Modül Yanması: Yüksek frekansta harmonikler, iletişim modüllerindeki sinyal izolasyon devrelerini (örneğin, optokuplerler) bozarak başarısızlığa neden olabilir. Bir trafiğe 5. harmonik interferans nedeniyle bir ay içinde 8 fiber modülü tahrip edildi.

5. Son Kullanıcı Ekipmanları: Performans Azalması, Üretim Kazaları

Son kullanıcı ekipmanları, şebekenin "son yükü" dur. Endüstriyel ve hassas ekipmanlar, aşırı THD'den en çok zarar görür. Ana etkilenen cihazlar: endüstriyel motorlar, hassas ekipmanlar (litograf makinaları/medikal MRI).

5.1 Endüstriyel Motorlar (İndüksiyon / Senkron Motorlar)

• Hasar Mekanizması: Harmonik gerilim, motor stator sarımlarında "harmonik akımlar" oluşturur ve bu da "negatif sıra dönen manyetik alanları" oluşturur. Temel alana eklenince, "fren torku" oluşur, hız dalgalanmalarına ve titreşimin artmasına neden olur. Harmonik akımlar ayrıca stator/rotor bakır kayıplarını artırarak genel aşınmayı tetikler.

• Spesifik Hasarlar:

• Verimlilik Düşüşü: THDv = 7% olan 100kW indüksiyon motorunda verimlilik, %92'den %85'in altına düşer, yıllık olarak fazladan 50.000 kWh tüketir (0,6 yuan/kWh'ye göre, ek elektrik maliyeti: yılda 30.000 yuan).

• Yakılma: Bir çelik fabrikasındaki tezgah motoru, yedinci harmonik etkisi altında uzun süre kalmış olup, altı ay içinde iki kez yandı; stator sıcaklığı 140°C'ye ulaştı. Her motorun değiştirilmesi maliyeti 2 milyon RMB'yi aştı.

• Titreşim & Gürültü: Motor titreşim ivmesi 0,1g'den 0,5g'ye yükseldi, gürültü 90dB'yi aştı, çalışma ortamını etkiledi ve temel aşınmasını hızlandırdı.

5.2 Hassas Ekipman (Yarıiletken Fotolitografi Makineleri / Tıbbi MRI)

• Hasar Mekanizması: Bu cihazlar, çok temiz bir gerilime ihtiyaç duyar (THDv ≤ 2%). Harmonikler, dahili güç kaynaklarındaki dalgalanmayı artırır ve ADC örnekleme doğruluğunu azaltır, sonunda işlevselliği bozar.

• Spesifik Hasarlar:

• Hassasiyet Kaybı: THDv = 4% olan yarıiletken fotolitografi makinesinde lazer pozisyonlama doğruluğu 0,1μm'den 0,3μm'ye düştü, wafer verimliliği %95'ten %80'e düştü, günlük üretim değeri 500.000 yuan'a kadar kaybedildi.

• Ekipman Duruşu: Harmonikler, MRI gradyan bobinlerinde akım dalgalanmalarına neden oldu, net görüntüleme engellendi, duruşlara zorladı. (Üçüncü harmonik fazlası nedeniyle bir hastane, MRI işlemlerini 2 gün boyunca durdurdu, tanı geliri 100.000 yuan'a kadar kaybedildi.)

Özet: THD ile İlgili Ekipman Hasarlarının Ana Kuralları

• Endüktif Ekipman (Dönüşümcüler, Motorlar, Reaktörler): "Ek Kayıplara" karşı hassas — harmonikler demir/bakır kayıplarını artırır, aşınma ve yaşlanma ana hasarlardır.

• Kapasitif Ekipman (Kondansatörler): "Rezonanslı Aşırı Akıma" karşı hassas — harmonikler kolayca rezonansı tetikler, aşırı akım ile izolasyon arızası ana hasardır.

• Kontrol Ekipmanı (Röleler, İletişim Sistemleri): "Örnekleme Bozulmasına" karşı hassas — harmonikler veriyi bozar, yanlış işlemlere veya işlem yapmama durumlarına neden olur.

• Hassas Ekipman (Fotolitografi Makineleri, MRI): "Dalga Biçimi Bozulmasına" karşı hassas — harmonikler gerilim dalgalanmasını artırır, doğruluğun kaybedilmesine neden olur.

Bu nedenle, enerji ağları, THDv'nin ulusal standart sınırı olan %5'i aşmaması için şu çift stratejiyi benimsemelidir:
"Harmonik İzleme (THD ölçüm hatasını ±0,5%'den daha düşük tutma) + Aktif Filtreleme (APF) / Pasif Filtreleme"