Хармонички THD влијание: Од мрежа до опрема

Влиокото на грешките во THD хармоници во електроприводните системи треба да се анализира од две аспекти: „актуалниот THD на мрежата надвор од границите (претерано содржание на хармонии)“ и „грешки при мерењето на THD (неточно следење)“ — првиот директно штети опремата и стабилноста на системата, додека вториот доведува до неправилно намалување поради „лажни или изгубени аларми“. Кога се комбинираат, овие два фактори зголемуваат ризикот во системата. Влиокот се ширум целата верига на енергија — производство → пренос → распределба → консумација — влијајќи на безбедноста, стабилноста и економијата.

Основен влиок 1: Директна штета од претерано актуелно THD (високо содржание на хармонии)

Кога THDv (укупна хармоничка деформација на напонот) на мрежата надмине националните стандарди (≤5% за јавни мрежи) или THDi (укупна хармоничка деформација на стројмот) надмине толерантноста на опремата (на пример, трансформатори ≤10%), тоа причинува физичка штета на хардверот на системот, оперативна стабилност и опремата на крајниот корисник.

• Системи за пренос: Зголемени загуби и прекувачење

• Зголемени медни загуби: Хармоничните стројови предизвikuваат „кутан ефект“ во линиите за пренос (на пример, кабели со 110kV), концентрирајќи височестотните стројови на површината на проводника, зголемувајќи отпорот и медните загуби со ред на хармонија.
  Пример: Кога THDi се зголеми од 5% до 10%, медните загуби на линијата се зголемуваат за 20%-30% (израчунато преку I²R). Продолжената работа го зголемува температурата на проводникот (на пример, од 70°C до 90°C), убрзувaјќи стареењето на изолацијата и скратувајќи животниот век на линијата (од 30 до 20 години).

• Погорела паднала напонска вредност: Хармоничните напони се надградуваат на основниот напон, деформирајќи формите на таласите на крајните точки на нагузбата. Осетливите корисници (на пример, заводи за полупроводници) може да испретпостават зауставување на опремата поради нерегуларен напон, со една инциденца која стои стотици хиляди.

• Опрема за распределба: Прекувачење, штета и скратен животен век

• Ризики од неуспех на трансформаторите:
  Хармоничните стројови зголемуваат „додаточните железни загуби“ (загубите од циркулаторни стројови се зголемуваат со квадрат на честотата на хармонија). При THDv=8%, железните загуби на трансформаторите се зголемуваат за 15%-20% според условите по должба, зголемувајќи температурата на жежето (на пример, од 100°C до 120°C), убрзувајќи стареењето на изолационата масло, потенцијално предизвикувајќи делечна разрядка или изгорење (на пример, подстанцијата го изгубила 10kV трансформатор поради претерана 5та хармонија, со директни загуби над една милион).
  Неизбалансираните трифазни хармонии исто така зголемуваат стројот на нутралната жица (до 1.5× фазен строј), ризикувајќи од прекувачење и прекин на нутралната, што доведува до неизбалансираност на трите фази напони.

• Штета од резонанса на банката капацитори:
  Капациторите имаат ниско противотставување на хармониите, лесно формирајќи „хармонична резонанса“ со индуктивноста на мрежата (на пример, 5та хармонична резонанса може да доведе до капациторскиот строј да достигне 3–5× номинален вредност), што резултира во разбидање на изолацијата или експлозија. Еден индустријски работилнички објект повреди три 10kV капациторски банки за еден месец поради 7та хармонична резонанса, со поправни вредности над 500,000.

• Опрема за производство: Флуктуации на производството и пад на ефикасноста

• Ограничување на производството на синхронни генератори:
  Хармониите на мрежата враќаат се назад во витчињата на генераторот, создавајќи „хармоничен момент“, зголемувајќи вибрациите (флуктуации на брзината ±0.5%), намалувајќи производството (на пример, 300MW единица се намалува до 280MW при THDv=6%) и зголемувајќи температурата на витчињата, влијајќи на животниот век на генераторот.

• Неуспех на поврзувањето на инверторите на возобновливите извори:
  Инверторите на фотон-волни се осетливи на THD на мрежата. Ако THDv на точката на поврзување > 5%, инверторите активираат „хармонична заштита“ и се одлучуваат (според GB/T 19964-2012), што предизвикува ограничување на возобновливите (на пример, ветропар изгубил над 100,000 kWh за еден ден поради претерана 3та хармонија).

• Контролни системи: Неправилна работа што доведува до системски грешки

• Неправилна работа на реле за заштита:
  Хармоничните стројови предизвikuваат преходна наситеност во трансформаторите на стројот (CTs), што доведува до неточно узорување во заштита против прекомерен строј или диференцијална заштита. На пример, надградена 5та хармонична стројна деформира вторичната CT стројна, што прави заштитата против прекомерен строј да лажно детектира „краткирање на линијата“ и да се избегне, што резултира во широко прекинување (на пример, распределбата на мрежата искуси 10 прекинувања на фидери поради THDi=12%, влијајќи на 20,000 домашнија).

• Електромагнетна интерференција во комуникационите линии на контролниот систем:
  Хармониите се куплуваат електромагнетно во комуникационите линии на контролата (на пример, RS485, влакна), зголемувајќи стапката на грешки во податоците (од 10⁻⁶ до 10⁻³), забавувајќи или повреѓајќи команди за управување (на пример, командата за „прекинување на линијата со грешка“ не успее да се достави, што го проширува грешката).

• Опрема на крајниот корисник: Спад на перформансата и чести неуспеви

• Прекувачење и изгорење на индустријските мотори:
  Асинхроните мотори под хармоничен напон генерираат „негативен секвенцијален момент“, што предизвikuва флуктуации на брзината, зголемување на вибрациите и повисоки медни загуби на витчињата. При THDv=7%, ефикасноста на моторот се намалува за 5%-8%, температурата се зголемува за 20–30°C, а животниот век се скратува (на пример, стална планина изгори два мотори на ваљачи за полуготовиња за шест месеци поради 7та хармонија, со поправни вредности над 2 милиони).

• Губење на точноста на прецизната опрема:
  Осетлива опрема како машини за литографија на полупроводници и медицински MRI системи бараат екстремно чист напон (THDv≤2%). Претерано THDv зголемува грешките во мерењето — на пример, точноста на гравировањето на машината за литографија се намалува од 0.1μm до 0.3μm поради напонските хармонии, што го намалува производството од 95% до 80%.

Основен влиок 2: Индиректни ризици од грешки во мерењето на THD (неточно следење)

Грешките во мерењето на THD (на пример, актуелниот THDv=6%, мерејќи го како 4%, грешка = -2%) доведуваат до „лажна компатибилност“ или „претрутување“, што ја заострнува ризиката или предизвикува економска трошок — основно, „искривување на податоците што доведува до лоши одлуки.“

• Пропуштање на детекцијата на премногу: Закашнено намалување, ескалирано штетно дејство
  Ако мереното THD е помало од актуелното (на пример, актуелниот THDv=6%, грешка во мерењето -1%, прикажано како 5%), тоа лажно указува на „хармонична компатибилност“, што забавува инсталирањето на филтер (на пример, APF). Ова дозволува долготrajчно натрупување на хармонии:

• Краткосрочно: Убрзано стареење и повишена стапка на повреди на трансформатори, кондензатори итн.

• Долгосрочно: Ризик од резонанса на системот, со потенцијал да предизвика коллапс на регионален мрежа (на пример, регионална мрежа искусила резонанса по два години поради пропуштената детекција на 3-та хармонија, што доведе до изведување на 5 подстанции).

• Лажна тревога за премногу: Претрутување, изгубени трошоци
  Ако мереното THD е повисоко од актуелното (на пример, актуелниот THDv=4%, грешка во мерењето +1%, прикажано како 5%), тоа лажно указува на „хармонична надмерност“, што доведува до неопходно инсталирање на филтер:

• Економски трошок: 10kV/100A APF кошта околу 500.000; ако не е потребно намалување, опремата стои без употреба (со годишна одржба од 20.000).

• Системска perturbation: Претрутувани филтри можат да создадат нови точки на резонанса (на пример, инсталирање на 5-та хармонија филтер активира 7-та хармонија резонанса), што воведува нови ризици.

• Искривување на податоци: Влијае на планирањето и распоредувањето на мрежата
  Грешките во мерењето на THD искривуваат податоците за хармонична дистрибуција, влијајќи на долгосрочното планирање:

• Пример: Мониторингот во регион покажува просечен THDi=8% (актуелно 6%), што доведува до преопходно обезбедување на капацитет за намалување на хармонии (градење на 2 дополнителни станции за филтрирање, инвестиции над 10 милиони).

• Во распоредувањето, неточните податоци за THD спречуваат точна идентификација на хармонични извори (на пример, погрешно критикување на ПВ централа, ограничување на неговата производна способност), влијајќи на интеграцијата на обновливите извори на енергија.

Основен Удар 3: Економска Штета — Од Директни Трошоци До Индиректни Губитоци

Грешките во THD (вклучувајќи ги премногу и неточности во мерењето) предизвикуваат значајни економски губитоци преку повреди на опремата, повишена консумација на енергија и прекинување на производството, квантификувани во три категории на трошоци:

Сума: Основната врска на влијанието на грешките THD во енергетските системи

Основниот влијание на хармоничките грешки THD следува каскадна врска: „искажаност на формата на сигналот → повреда на опремата → нестабилност на системот → економски загуби“. Грешките во мерење делуваат за да ја амплификуваат или погрешно оценат оваа врска:

• Претерано реално THD е „основниот ризик“, директно штети хардверот на енергетскиот систем и компромитира стабилноста;

• Грешка во мерење на THD е „интерференција во одлуката“, што доведува до неправилно сведување — било тоа зголемување на ризици или трошење на ресурси;

• На крајот, и двата доведуваат до безбедносни ризици (изгорење на опремата, колапс на системот) и економски загуби (трошоци за поправка, губиток на енергија, престанок на производството).

Затоа, енергетските системи мораат да применат двостран пристап: „точно надзорување (контрола на грешката во мерење на THD ≤ ±0,5%) + ефикасно сведување (задржување на реалното THDv под 5%)“ за да се избегнат целосно овие ризици.