Harmonický dopad THD: Od sítě k zařízení

Edwiin

Pole: Přepínač elektrického proudu

China

Dopad harmonických THD chyb na elektrické systémy je třeba analyzovat z dvou hledisek: "skutečný THD v síti překračuje limity (přílišný obsah harmonik)" a "chyby měření THD (nepravdivé monitorování)" — první z nich přímo poškozuje zařízení a stabilitu systému, zatímco druhá vedou k nesprávnému odstraňování kvůli "falešným nebo propašovaným poplachům." Když se tyto dva faktory kombinují, zesilují rizika systému. Dopady se projevují v celém řetězu dodávky energie — generace → přenos → distribuce → spotřeba — ovlivňují bezpečnost, stabilitu a ekonomiku.

Základní dopad 1: Přímé škodlivé účinky přílišného skutečného THD (vysoký obsah harmonik)

Když THDv (celková harmonická deformace napětí) v síti překročí národní standardy (≤5% pro veřejné sítě) nebo THDi (celková harmonická deformace proudu) překročí toleranci zařízení (např. transformátory ≤10%), způsobuje fyzické poškození hardwaru systému, operační stability a zařízení koncových uživatelů.

Přenosové systémy: Zvýšené ztráty a přehřívání

Zvýšené měděné ztráty: Harmonické proudy způsobují "efekt kůže" v přenosových článcích (např. 110kV kabely), koncentrují vysokofrekvenční proudy na povrchu vodiče, což zvyšuje odpor a měděné ztráty s řádem harmoniky.
Příklad: Když THDi stoupne z 5% na 10%, měděné ztráty v článku stoupnou o 20%-30% (počítáno pomocí I²R). Dlouhodobá operace zvyšuje teplotu vodiče (např. z 70°C na 90°C), urychluje stárnutí izolace a zkracuje životnost článku (z 30 na 20 let).
Zhoršení propadu napětí: Harmonická napětí se superponuje na základní napětí, deformuje vlnové formy na konci zátěže. Citliví uživatelé (např. polovodičové továrny) mohou zaznamenat vypnutí zařízení kvůli nerovnoměrnému napětí, s jednotlivými incidenty stojícími stovky tisíc.

Distribuční zařízení: Přehřívání, poškození a zkrácená životnost

Rizika selhání transformátorů:
Harmonické proudy zvyšují "dodatečné železné ztráty" (eddy current losses rostou s druhou mocninou frekvence harmoniky). Při THDv=8% železné ztráty transformátoru stoupnou o 15%-20% v porovnání s nominálními podmínkami, což zvyšuje teplotu jádra (např. z 100°C na 120°C), urychluje degradaci izolačního oleje, což může vést k částečnému výboji nebo spálení (např. rozvodna ztratila 10kV transformátor kvůli přílišnému pátému harmonickému, s přímými ztrátami přes jeden milion).
Nebalancované třífázové harmoniky také zvyšují proud neutrálního vedení (až 1.5× fázový proud), což ohrožuje přehřívání a přerušení neutrálního vedení, což vede k nerozvrzení třífázového napětí.
Poškození rezonancí kondenzátorových baterií:
Kondenzátory mají nízkou impedanci pro harmoniky, snadno tvoří "rezonanci harmonik" s induktancí sítě (např. pátá harmonická rezonance může způsobit, že proud kondenzátoru dosáhne 3–5× nominální hodnoty), což vede k průrazu izolace nebo explozi. Jedna průmyslová dílna poškodila tři 10kV kondenzátorové baterie během měsíce kvůli sedmé harmonické rezonanci, s náklady na opravu přes 500 000.

Generační zařízení: Fluktuace výkonu a pokles efektivity

Omezení výstupu synchronního generátoru:
Harmoniky sítě se vracejí do statorových cívek generátoru, vytvářejí "harmonický moment," zvyšují vibrovaní (fluktuace otáček ±0.5%), snižují výkon (např. 300MW jednotka klesne na 280MW při THDv=6%) a zvyšují teplotu statoru, což ovlivňuje životnost generátoru.
Selhání připojení obnovitelných inverterů k síti:
Invertere fotovoltaických a větrných zdrojů jsou citlivé na THD sítě. Pokud THDv v bodě připojení > 5%, invertere aktivují "ochranu proti harmonikám" a odpojí se (podle GB/T 19964-2012), což způsobuje omezení obnovitelných zdrojů (např. větrná farma ztratila přes 100 000 kWh v jednom dni kvůli přílišnému třetímu harmonickému).

Řídící systémy: Nesprávné fungování vedoucí k systémovým problémům

Nesprávné fungování ochrany relé:
Harmonické proudy způsobují dočasné nasycení proudových transformátorů (CTs), což vede k nepřesnému vzorkování v ochraně přetížení nebo diferenciální ochraně. Například superponovaný pátý harmonický proud deformuje sekundární proud CT, což způsobuje, že ochrana přetížení falešně detekuje "krátké spojení v článku" a odpojí se, což vede k rozsáhlým výpadkům (např. distribuční síť zaznamenala 10 výpadků článků kvůli THDi=12%, ovlivňující 20 000 domácností).
Rušení komunikace automatizačních systémů:
Harmoniky elektromagneticky kopplovaly do řídících komunikačních linek (např. RS485, vlákno), což zvyšuje míru chybového datového toku (z 10⁻⁶ na 10⁻³), způsobují zpoždění nebo zkreslení dispečerských příkazů (např. příkaz "odpojit vadnou linku" není doručen, což rozšiřuje problém).