Перевантаження THD: Як гармоніки знищують електрообладнання
Коли фактичне гармонійне спотворення мережі перевищує обмеження (наприклад, гармонійне спотворення напруги THDv > 5%, гармонійне спотворення струму THDi > 10%), це призводить до органічного пошкодження обладнання на всьому електроенергетичному ланцюгу — передача → розподіл → генерація → керування → споживання. Основні механізми є додатковими втратами, резонансними надструмами, коливаннями моменту та спотворенням вибірки. Механізми пошкодження та їх прояви значно відрізняються в залежності від типу обладнання, як детально описано нижче:
1. Обладнання для передачі: перегрівання, старіння та значне скорочення терміну служби
Обладнання для передачі безпосередньо переносить струм/напругу мережі. Гармонії погіршують втрати енергії та деградацію ізоляції. Ключові компоненти, які зазнають пошкодження, — це лінії передачі (кабелі/повітряні) та трансформатори струму (CT).
1.1 Лінії передачі (кабелі / повітряні лінії)
Механізм пошкодження: Високі частоти гармоній підсилюють "екранний ефект" (високочастотні струми концентруються на поверхні провідника, зменшуючи ефективну площу перерізу), що збільшує опір лінії. Додаткові втрати міді зростають пропорційно квадрату порядку гармонії (наприклад, втрати міді 5-го гармоніка становлять 25× від основного).
Специфічні пошкодження:
Перегрівання: При THDi = 10% втрати міді зростають на 20%-30% порівняно з номінальними умовами. Температура кабелю може зростати з 70°C до 90°C (що перевищує терпимість ізоляції), прискорюючи старіння та тріщини ізоляційних шарів (наприклад, XLPE).
Зкорочений термін служби: Тривале перегрівання зменшує термін служби кабелю з 30 років до 15–20 років, потенційно призводячи до "розриву ізоляції" та коротких замикань. (У промисловому парку за один рік вгоріли два кабелі 10кВ через надмірний 3-й гармонік, що коштувало більше 800 000 юань ремонту.)
1.2 Трансформатори струму (CT)
Механізм пошкодження: Гармонійні струми (особливо 3-й та 5-й) призводять до "тимчасового насичення" жорстких сердечників CT, різко збільшуючи втрати гістерезису та вихрових струмів (додаткові втрати заліза). Насичення спотворює вихідну форму хвилі на стороні вторинної обмотки, не дозволяючи точно представляти первинний струм.
Специфічні пошкодження:
Перегрівання сердечника: Температура сердечника CT може перевищити 120°C, спалюючи ізоляцію вторинних обмоток та призводячи до неточностей відношення.
Неправильна робота захисту: Спотворений вторинний струм призводить до того, що реле захисту (наприклад, захист від надструму) помилково виявляють "коротке замикання лінії", запускаючи невірне відключення. (У розподільній мережі через насичення CT відбулося 10 відключень підходів, що вплинуло на 20 000 домогосподарств.)
2. Обладнання для розподілу: часті відмови, коллапс системної стабільності
Обладнання для розподілу є ключовим для "зв'язку верхнього та нижнього рівнів" в мережі. При перевищенні обмежень THD відбувається найпряміше пошкодження. Ключові затронуті пристрої включають трансформатори живлення, банки конденсаторів та реактори.
2.1 Трансформатори живлення (розподільні / головні трансформатори)
Механізм пошкодження: Гармонійні напруги збільшують втрати гістерезису та вихрових струмів в сердечнику трансформатора (додаткові втрати заліза); гармонійні струми збільшують втрати міді в обмотках. Разом це значно підвищує загальні втрати. Несбалансовані трифазні гармонії також збільшують нейтральний струм (до 1,5× фазового струму), погіршуючи локальне перегрівання.
Специфічні пошкодження:
Перегрівання сердечника: При THDv = 8% втрати заліза трансформатора зростають на 15%-20%. Температура сердечника зростає з 100°C до 120°C, прискорюючи деградацію ізоляційного масла (наприклад, масло 25#), збільшуючи кислотність та зменшуючи диелектричну стійкість.
Випалювання обмоток: Довготривале перегрівання карбонізує ізоляційну бумагу обмоток (наприклад, Nomex), що призводить до коротких замикань. У підстанції після 3 років через надмірний 5-й гармонік відбулося коротке замикання в головному трансформаторі 110кВ, ремонт якого коштував більше 5 мільйонів юань.
Зменшення терміну служби: Тривалий THD зменшує термін служби трансформатора з 20 років до 10–12 років.
2.2 Паралельні банки конденсаторів (для компенсації реактивної потужності)
Механізм пошкодження: Реактивне опір зменшується зі зростанням частоти (Xc = 1/(2πfC)), тому високочастотні гармонії викликають надструм. Якщо конденсатори формують "гармонійний резонанс" з індуктивністю мережі (наприклад, 5-го порядку резонанс), струм може зростати до 3–5× номінального значення — далеко за межами рейтингу конденсаторів.
Специфічні пошкодження:
Розрив ізоляції: Надструм нагріває внутрішні диелектрики (наприклад, поліпропіленова плівка), що призводить до пробою, видилення або навіть вибуху. (У промисловій майстерні протягом одного місяця було пошкоджено три банки конденсаторів 10кВ через 7-й гармонійний резонанс; вартість заміни однієї банки перевищила 150 000 юань.)
Помилка захисту: Резонансні струми спалюють плавкі вставки; якщо захист не діє, зростає ризик пожежі.
2.3 Серійні реактори (для підтримки гармоній)
Механізм пошкодження: Хоча використовуються для підтримки конкретних гармоній (наприклад, 3-го, 5-го), реактори страждають від збільшених втрат міді в обмотках під дією довготривалих гармонійних струмів. Пульсуєльні магнітні поля від гармоній також підсилюють вібрацію сердечника, викликаючи механічний витерт.
Специфічні пошкодження:
Перегрівання обмоток: При THDi = 12% втрати міді реактора зростають більше ніж на 30%; температура обмоток перевищує 110°C, що призводить до карбонізації та відшелушування ізоляційного лаку.
Шум сердечника та витерт: Частота вібрації зв'язується з гармоніями, виробляючи сильний шум (>85 дБ). Довготривала вібрація послаблює пластини силиконової сталі, зменшуючи проникність та роблячи підтримку гармоній неефективною.
3. Обладнання для генерації: обмеження виводу, зростання ризиків безпеки
Обладнання для генерації є "джерелом енергії" мережі. Надмірний THD негативно впливає на стабільність роботи. Ключові затронуті пристрої: синхронні генератори, інвертори відновлюваних джерел (PV/ветрояні).
3.1 Синхронні генератори (теплові/гідроелектростанції)
Механізм пошкодження: Гармонії мережі повертаються до обмоток статора генератора, створюючи "гармонійний електромагнітний момент". Накладаючись на основний момент, це формує "пульсуючий момент", що збільшує вібрацію. Гармонійні струми також збільшують втрати міді в статорі, призводячи до локального перегрівання.
Специфічні пошкодження:
