THD Quá tải: Cách mà Harmonics Phá hủy Thiết bị Điện

Khi THD thực tế của lưới điện vượt quá giới hạn (ví dụ: THDv > 5%, THDi > 10%), nó gây ra hư hỏng hữu cơ cho thiết bị trên toàn bộ chuỗi điện - Truyền tải → Phân phối → Sản xuất → Điều khiển → Tiêu thụ. Các cơ chế cốt lõi là tổn thất bổ sung, dòng điện cộng hưởng quá mức, dao động mô-men và méo mẫu. Cơ chế và biểu hiện của sự hư hỏng thay đổi đáng kể theo loại thiết bị, như được chi tiết dưới đây:

1. Thiết bị truyền tải: Quá nhiệt, lão hóa và tuổi thọ giảm đáng kể

Thiết bị truyền tải trực tiếp mang dòng điện/điện áp của lưới. Hài âm làm tăng tổn thất năng lượng và suy giảm cách điện. Các thành phần chính bị ảnh hưởng là đường dây truyền tải (dây cáp/dây treo) và biến dòng (CTs).

1.1 Đường dây truyền tải (Cáp / Dây treo)

• Cơ chế hư hỏng: Tần số hài âm cao làm tăng "hiệu ứng da" (dòng điện tần số cao tập trung ở bề mặt dẫn, giảm diện tích hiệu dụng), tăng sức cản dòng. Tổn thất đồng bổ sung tăng theo bình phương của bậc hài (ví dụ, tổn thất đồng bậc 5 là 25 lần so với bậc cơ bản).

• Hư hỏng cụ thể:

• Quá nhiệt: Tại THDi = 10%, tổn thất đồng tăng 20%-30% so với điều kiện định mức. Nhiệt độ cáp có thể tăng từ 70°C đến 90°C (vượt quá khả năng chịu đựng của cách điện), làm tăng tốc độ lão hóa và nứt vỡ lớp cách điện (ví dụ, XLPE).

• Tuổi thọ giảm ngắn: Quá nhiệt kéo dài làm giảm tuổi thọ cáp từ 30 năm xuống còn 15–20 năm, có thể gây "hư hỏng cách điện" và lỗi ngắn mạch. (Một khu công nghiệp đã cháy hai cáp 10kV trong một năm do hài thứ ba quá mức, chi phí sửa chữa vượt quá 800.000 RMB.)

1.2 Biến dòng (CTs)

• Cơ chế hư hỏng: Dòng điện hài (đặc biệt là bậc 3 và 5) gây "bão hòa tạm thời" lõi sắt của CT, tăng mạnh tổn thất hysteresis và dòng xoáy (tổn thất sắt bổ sung). Bão hòa làm méo dạng sóng đầu ra phía thứ cấp, ngăn chặn việc đại diện chính xác cho dòng điện sơ cấp.

• Hư hỏng cụ thể:

• Lõi quá nhiệt: Nhiệt độ lõi CT có thể vượt quá 120°C, đốt cháy cách điện cuộn dây thứ cấp và gây sai lệch tỷ lệ.

• Sai hoạt động bảo vệ: Dòng điện thứ cấp méo dẫn đến rơle bảo vệ (ví dụ, bảo vệ quá dòng) phát hiện giả "đường ngắn mạch," kích hoạt nhảy sai. (Một mạng phân phối đã gặp 10 lần nhảy do bão hòa CT, ảnh hưởng đến 20.000 hộ gia đình.)

2. Thiết bị phân phối: Sự cố thường xuyên, sụp đổ ổn định hệ thống

Thiết bị phân phối là then chốt để "kết nối thượng hạ nguồn" trong lưới. THD vượt giới hạn gây hư hỏng trực tiếp nhất. Các thiết bị chính bị ảnh hưởng bao gồm biến áp phân phối, băng tụ điện và cuộn cảm.

2.1 Biến áp phân phối (Biến áp phân phối / biến áp chính)

• Cơ chế hư hỏng: Điện áp hài tăng tổn thất hysteresis và dòng xoáy trong lõi biến áp (tổn thất sắt bổ sung); dòng điện hài tăng tổn thất đồng cuộn dây. Tổng hợp, điều này làm tăng đáng kể tổng tổn thất. Harmonics ba pha không cân đối cũng tăng dòng điện trung tính (lên tới 1,5× dòng pha), làm tăng quá nhiệt cục bộ.

• Hư hỏng cụ thể:

• Lõi quá nhiệt: Tại THDv = 8%, tổn thất sắt của biến áp tăng 15%-20%. Nhiệt độ lõi tăng từ 100°C lên 120°C, làm tăng tốc độ lão hóa dầu cách điện (ví dụ, dầu biến áp 25#), tăng độ axit và giảm cường độ điện môi.

• Cuộn dây cháy nổ: Quá nhiệt lâu dài làm cacbon hóa giấy cách điện cuộn dây (ví dụ, Nomex), dẫn đến ngắn mạch. Một biến áp chính 110kV tại một trạm biến áp đã bị ngắn mạch sau 3 năm do hài thứ 5 quá mức, chi phí sửa chữa vượt quá 5 triệu RMB.

• Tuổi thọ giảm ngắn: THD vượt giới hạn làm giảm tuổi thọ biến áp từ 20 năm xuống còn 10–12 năm.

2.2 Băng tụ điện song song (để bù công suất phản kháng)

• Cơ chế hư hỏng: Điện kháng tụ giảm khi tần số tăng (Xc = 1/(2πfC)), vì vậy harmonics tần số cao gây ra dòng điện quá mức. Nếu tụ điện tạo "cộng hưởng hài" với điện cảm của lưới (ví dụ, cộng hưởng bậc 5), dòng điện có thể tăng lên 3–5× giá trị định mức—xa hơn nhiều so với định mức của tụ điện.

• Hư hỏng cụ thể:

• Hư hỏng cách điện: Dòng điện quá mức làm nóng các chất cách điện bên trong (ví dụ, màng polypropylene), gây thủng, phồng hoặc thậm chí nổ. (Một xưởng công nghiệp đã làm hỏng ba băng tụ điện 10kV trong vòng một tháng do cộng hưởng bậc 7; chi phí thay thế mỗi băng tụ vượt quá 150.000 RMB.)

• Bảo vệ hỏng: Dòng điện cộng hưởng làm cháy cầu chì; nếu bảo vệ không hoạt động, nguy cơ hỏa hoạn tăng lên.

2.3 Cuộn cảm串联电抗器（用于谐波抑制）的损坏机制和具体损害如下： **2.3 串联电抗器（用于谐波抑制）** - **损坏机制：** 虽然用于抑制特定谐波（例如3次、5次），但在长期谐波电流下，电抗器的绕组铜损会增加。谐波产生的脉动磁场还会加剧铁芯振动，导致机械磨损。 - **具体损害：** - **绕组过热：** 当THDi = 12%时，电抗器的铜损增加超过30%；绕组温度超过110°C，导致绝缘漆碳化并脱落。 - **铁芯噪音与磨损：** 振动频率与谐波耦合，产生高噪音（>85 dB）。长期振动会使硅钢片松动，降低磁导率，使谐波抑制失效。 请继续翻译剩余部分。