हार्मोनिक THD प्रभाव: ग्रिड से उपकरण तक

विद्युत प्रणालियों पर हार्मोनिक THD त्रुटियों के प्रभाव को दो पहलुओं से विश्लेषित किया जाना चाहिए: "वास्तविक ग्रिड THD सीमा से अधिक (अतिरिक्त हार्मोनिक सामग्री)" और "THD मापन त्रुटियाँ (असही मॉनिटरिंग)" — पूर्व निर्वहन सिस्टम उपकरणों और स्थिरता को सीधे नुकसान पहुँचाता है, जबकि बाद वाला "गलत या छूटे अलार्म" के कारण गलत नियंत्रण की ओर ले जाता है। इन दोनों कारकों का संयोजन प्रणाली के जोखिम को बढ़ाता है। प्रभाव पूरी विद्युत श्रृंखला पर फैला होता है — उत्पादन → प्रसारण → वितरण → उपभोग — सुरक्षा, स्थिरता, और आर्थिकता को प्रभावित करता है।

मुख्य प्रभाव 1: अतिरिक्त वास्तविक THD (उच्च हार्मोनिक सामग्री) का सीधा नुकसान

जब ग्रिड THDv (वोल्टेज कुल हार्मोनिक विकृति) राष्ट्रीय मानकों (सार्वजनिक ग्रिड के लिए ≤5%) से अधिक होता है या THDi (करंट कुल हार्मोनिक विकृति) उपकरणों की सहनशीलता (उदाहरण के लिए, ट्रांसफार्मर ≤10%) से ऊपर जाता है, तो यह प्रणाली के हार्डवेयर, संचालन स्थिरता, और अंतिम उपयोगकर्ता उपकरणों को भौतिक नुकसान पहुँचाता है।

• प्रसारण प्रणालियाँ: नुकसान और अतिताप

• कॉपर नुकसान बढ़ा: हार्मोनिक करंट "स्किन प्रभाव" का कारण बनते हैं (उदाहरण के लिए, 110kV केबल), जो उच्च-आवृत्ति करंट को चालक की सतह पर केंद्रित करते हैं, प्रतिरोध और कॉपर नुकसान को बढ़ाते हैं।
  उदाहरण: जब THDi 5% से 10% तक बढ़ता है, तो लाइन कॉपर नुकसान 20%-30% तक बढ़ता है (I²R द्वारा गणना की गई)। लंबे समय तक संचालन चालक के तापमान (उदाहरण के लिए, 70°C से 90°C) को बढ़ाता है, जो आइसोलेशन को जल्दी पुराना करता है और लाइन की आयु (30 से 20 वर्ष) को कम करता है।

• वोल्टेज साग खराब: हार्मोनिक वोल्टेज मूल वोल्टेज पर सुपरिम्पोजिट होता है, जो लोड के अंतिम छोर पर तरंग रूप को विकृत करता है। संवेदनशील उपयोगकर्ता (उदाहरण के लिए, सेमीकंडक्टर फैक्ट्री) अनियमित वोल्टेज के कारण उपकरणों को बंद करने का अनुभव कर सकते हैं, जिसकी एक घटना की लागत लाखों तक हो सकती है।

• वितरण उपकरण: अतिताप, नुकसान, और घटित आयु

• ट्रांसफार्मर विफलता के जोखिम:
  हार्मोनिक करंट "अतिरिक्त लोह नुकसान" (हार्मोनिक आवृत्ति के वर्ग के साथ इडी करंट नुकसान बढ़ता है) को बढ़ाते हैं। THDv=8% पर, ट्रांसफार्मर लोह नुकसान रेटिंग शर्तों की तुलना में 15%-20% तक बढ़ता है, कोर तापमान (उदाहरण के लिए, 100°C से 120°C) को बढ़ाता है, आइसोलेशन तेल के विकार को तेज करता है, जो आंशिक डिस्चार्ज या जलन (उदाहरण के लिए, एक उपस्टेशन ने 10kV ट्रांसफार्मर को 5वें हार्मोनिक की अतिरिक्तता के कारण खो दिया, जिसका प्रत्यक्ष नुकसान एक मिलियन से अधिक था) का कारण बनता है।
  असंतुलित तीन-फेज हार्मोनिक न्यूट्रल वायर करंट (फेज करंट का 1.5×) को बढ़ाता है, जो न्यूट्रल ताप और टूटने के जोखिम को बढ़ाता है, जो तीन-फेज वोल्टेज की असंतुलनता का कारण बनता है।

• कैपेसिटर बैंक रिझोनेंस नुकसान:
  कैपेसिटर हार्मोनिक के लिए कम प्रतिरोध रखते हैं, जो आसानी से ग्रिड इंडक्टेंस (उदाहरण के लिए, 5वें हार्मोनिक रिझोनेंस 3–5× रेटिंग मूल्य) के साथ "हार्मोनिक रिझोनेंस" बनाते हैं, जो इंसुलेशन की टूट या विस्फोट का कारण बनता है। एक औद्योगिक कार्यशाला ने 7वें हार्मोनिक रिझोनेंस के कारण एक महीने में तीन 10kV कैपेसिटर बैंकों को नुकसान पहुँचाया, जिसकी मरम्मत की लागत 500,000 से अधिक थी।

• उत्पादन उपकरण: उत्पादन की उतार-चढ़ाव और दक्षता की गिरावट

• सिंक्रोनस जनरेटर उत्पादन सीमा:
  ग्रिड हार्मोनिक जनरेटर स्टेटर वाइंडिंग में वापस फीड होता है, "हार्मोनिक टोक" बनाता है, जो दोलन (गति दोलन ±0.5%) को बढ़ाता है, उत्पादन (उदाहरण के लिए, 300MW यूनिट THDv=6% पर 280MW तक गिर जाता है) को कम करता है, और स्टेटर तापमान, जनरेटर की आयु पर प्रभाव डालता है।

• नवीकरणीय इनवर्टर ग्रिड-संपर्क विफलता:
  PV/वायु इनवर्टर ग्रिड THD के प्रति संवेदनशील होते हैं। यदि जोड़ने के बिंदु पर THDv > 5%, तो इनवर्टर "हार्मोनिक सुरक्षा" ट्रिगर होता है और विच्छेदित हो जाता है (GB/T 19964-2012 के अनुसार), जो नवीकरणीय विधि को रोकता है (उदाहरण के लिए, एक वायु फार्म ने अतिरिक्त 3rd हार्मोनिक के कारण एक दिन में 100,000 kWh से अधिक खो दिया)।

• नियंत्रण प्रणाली: गलत संचालन जो प्रणाली की विफलता का कारण बनता है

• रिले सुरक्षा गलत संचालन:
  हार्मोनिक करंट धारा ट्रांसफार्मर (CTs) में अस्थायी संतुलन का कारण बनते हैं, जो ओवरकरंट या डिफरेंशियल सुरक्षा में गलत नमूना लेने का कारण बनता है। उदाहरण के लिए, 5वें हार्मोनिक करंट द्वारा सुपरिम्पोजिट CT करंट विकृत होता है, जो ओवरकरंट सुरक्षा को "लाइन शॉर्ट सर्किट" का गलत निर्णय लेने का कारण बनता है और ट्रिप होता है, जिससे व्यापक विच्छेद होता है (उदाहरण के लिए, एक वितरण नेटवर्क ने THDi=12% के कारण 10 फीडर ट्रिप देखा, जो 20,000 घरों को प्रभावित करता था)।

• ऑटोमेशन प्रणाली संचार व्यवधान:
  हार्मोनिक नियंत्रण संचार लाइनों (उदाहरण के लिए, RS485, फाइबर) में विद्युत चुंबकीय रूप से जुड़ते हैं, जो डेटा त्रुटि दर (10⁻⁶ से 10⁻³) बढ़ाते हैं, डिस्पैच कमांडों (उदाहरण के लिए, एक "ट्रिप फाल्ट लाइन" कमांड नहीं पहुँचता, जो फाल्ट को फैलाता है) को देरी या गलत करते हैं।

• अंतिम उपयोगकर्ता उपकरण: प्रदर्शन की गिरावट और अक्सर विफलता

• औद्योगिक मोटर अतिताप और जलन:
  हार्मोनिक वोल्टेज के तहत एसिंक्रोनस मोटर "नकारात्मक अनुक्रम टोक" उत्पन्न करता है, जो गति के दोलन, बढ़ी हुई दोलन, और उच्च स्टेटर कॉपर नुकसान का कारण बनता है। THDv=7% पर, मोटर दक्षता 5%-8% तक गिरती है, तापमान 20–30°C तक बढ़ता है, और आयु आधी हो जाती है (उदाहरण के लिए, एक स्टील प्लांट ने 7th हार्मोनिक के कारण छह महीने में दो रोलिंग मिल मोटर जला दिया, जिसकी मरम्मत की लागत 2 मिलियन से अधिक थी)।

• संवेदनशील उपकरणों की दक्षता की हानि:
  सेमीकंडक्टर लिथोग्राफी मशीन और चिकित्सा MRI सिस्टम जैसे संवेदनशील उपकरण अत्यंत स्वच्छ वोल्टेज (THDv≤2%) की आवश्यकता होती है। अतिरिक्त THDv मापन त्रुटियों को बढ़ाता है — उदाहरण के लिए, लिथोग्राफी मशीन की एचिंग दक्षता वोल्टेज हार्मोनिक के कारण 0.1μm से 0.3μm तक गिर जाती है, जो उत्पाद उत्पादन को 95% से 80% तक गिरा देता है।

मुख्य प्रभाव 2: THD मापन त्रुटियों (असही मॉनिटरिंग) के अप्रत्यक्ष जोखिम

THD मापन त्रुटियाँ (जैसे, वास्तविक THDv=6%, मापा गया 4%, त्रुटि = -2%) "गलत संपालन" या "अधिक-उपचार" की ओर ले जाती हैं, जो खतरों को बढ़ाती हैं या आर्थिक व्यर्थपण का कारण बनती हैं — मूल रूप से, "डेटा विकृति गलत निर्णयों का कारण बनती है।"

• अधिकता का गुम जाना: देरी से उपचार, बढ़ाई गई हानि
  यदि मापा गया THD वास्तविक से कम है (जैसे, वास्तविक THDv=6%, मापन त्रुटि -1%, प्रदर्शित 5% के रूप में), तो यह गलत रूप से "हार्मोनिक संपालन" दर्शाता है, जिससे फिल्टर (जैसे, APF) की स्थापना देर हो जाती है। यह लंबी अवधि के लिए हार्मोनिक इकट्ठा होने की अनुमति देता है:

• क्षीणकाल: ट्रांसफार्मर, कैपसिटर आदि के जल्दी पुराना होना और अधिक फेलर दर

• दीर्घकाल: प्रणाली रिझोनेंस का खतरा, जो क्षेत्रीय ग्रिड की गिरावट (जैसे, एक क्षेत्रीय ग्रिड दो वर्षों के बाद गुम गया 3rd हार्मोनिक के पता चलने की वजह से 5 सबस्टेशन ऑफलाइन हो गए) का कारण बन सकता है।

• अधिकता का गलत अलार्म: अतिव्यय, व्यर्थपण
  यदि मापा गया THD वास्तविक से अधिक है (जैसे, वास्तविक THDv=4%, मापन त्रुटि +1%, प्रदर्शित 5% के रूप में), तो यह गलत रूप से "हार्मोनिक अधिकता" दर्शाता है, जिससे अनावश्यक फिल्टर स्थापना होती है:

• आर्थिक व्यर्थपण: एक 10kV/100A APF की लागत ~500,000; यदि उपचार की आवश्यकता नहीं है, तो उपकरण निष्क्रिय रहता है (वार्षिक रखरखाव 20,000 के साथ)।

• प्रणाली विकार: अतिरिक्त फिल्टर नए रिझोनेंस बिंदुओं (जैसे, 5th हार्मोनिक फिल्टर की स्थापना 7th हार्मोनिक रिझोनेंस को ट्रिगर करती है) का निर्माण कर सकते हैं, नए खतरों को पेश करते हैं।

• डेटा विकृति: ग्रिड योजना और डिस्पैच पर प्रभाव
  THD मापन त्रुटियाँ हार्मोनिक वितरण डेटा को विकृत करती हैं, लंबी अवधि की योजना पर प्रभाव डालती हैं:

• उदाहरण: एक क्षेत्र की निगरानी औसत THDi=8% (वास्तविक 6%) दिखाती है, जिससे हार्मोनिक मिटिगेशन क्षमता (2 अतिरिक्त फिल्टर स्टेशन बनाने, निवेश 10 मिलियन से अधिक) का अधिक प्रावधान होता है।

• डिस्पैच में, असही THD डेटा निश्चित हार्मोनिक स्रोत की पहचान (जैसे, गलत तरीके से एक PV प्लांट को दोषी ठहराना, इसके उत्पादन को सीमित करना) को रोकता है, जो नवीकरणीय ऊर्जा समावेशन पर प्रभाव डालता है।

मुख्य प्रभाव 3: आर्थिक हानि — निर्धारित लागत से अनिर्धारित हानि तक

हार्मोनिक THD त्रुटियाँ (समावेशी अधिकता और मापन असही) उपकरण की क्षति, ऊर्जा उपभोग में वृद्धि, और उत्पादन बंदी के माध्यम से महत्वपूर्ण आर्थिक हानि का कारण बनती हैं, जो तीन लागत श्रेणियों में मापी जा सकती हैं:

सारांश: विद्युत प्रणालियों पर THD त्रुटियों का मूलभूत प्रभाव श्रृंखला

हार्मोनिक THD त्रुटियों का मूलभूत प्रभाव एक प्रवाही श्रृंखला का अनुसरण करता है: "तरंग विकृति → उपकरण क्षति → प्रणाली अस्थिरता → आर्थिक नुकसान।" मापन त्रुटियाँ इस श्रृंखला को बढ़ावा देती हैं या गलत तरीके से निर्धारित करती हैं:

• अधिक वास्तविक THD "मुख्य खतरा" है, जो सीधे विद्युत प्रणाली के हार्डवेयर को क्षति पहुँचाता है और स्थिरता को घटा देता है;

• THD मापन त्रुटि "निर्णय विक्षेपण" है, जो गलत निवारण का कारण बनती है—या तो खतरों को बढ़ाती है या संसाधनों का व्यर्थ उपयोग करती है;

• अंततः, दोनों सुरक्षा खतरों (उपकरण का जलना, प्रणाली का ढहना) और आर्थिक नुकसान (रिपेयर की लागत, ऊर्जा का व्यर्थ उपयोग, उत्पादन का रोक

इसलिए, विद्युत प्रणालियों को एक दोहरा दृष्टिकोण अपनाना चाहिए: "सटीक निगरानी (THD मापन त्रुटि ≤ ±0.5% को नियंत्रित करना) + प्रभावी निवारण (वास्तविक THDv को 5% से नीचे रखना)" ये सभी खतरों से व्यापक रूप से बचने के लिए।