Impak THD Harmonik: Dari Grid ke Peralatan

Impak kesilapan THD harmonik terhadap sistem kuasa mesti dianalisis dari dua aspek: "THD grid sebenar melebihi had (kandungan harmonik berlebihan)" dan "kesilapan pengukuran THD (pemantauan tidak tepat)" — yang pertama merosakkan peralatan dan kestabilan sistem secara langsung, sementara yang kedua menyebabkan penyelesaian yang tidak betul disebabkan oleh "kekeliruan atau ketinggalan alaram." Apabila digabungkan, kedua-dua faktor ini memperbesar risiko sistem. Impaknya meliputi seluruh rantaian kuasa — penjanaan → penghantaran → pembahagian → penggunaan — mempengaruhi keselamatan, kestabilan, dan ekonomi.

Impak Utama 1: Kerusakan Langsung Akibat THD Sebenar Berlebihan (Kandungan Harmonik Tinggi)

Apabila THDv grid (penyimpangan harmonik voltan total) melebihi piawaian negara (≤5% untuk grid awam) atau THDi (penyimpangan harmonik arus total) melebihi toleransi peralatan (contohnya, transformator ≤10%), ia menyebabkan kerusakan fizikal kepada peralatan keras sistem, kestabilan operasi, dan peralatan pengguna akhir.

• Sistem Penghantaran: Kehilangan Bertambah dan Pemanasan Berlebihan

• Kehilangan Tembaga Bertambah: Arus harmonik menyebabkan "kesan kulit" pada laluan penghantaran (contohnya, kabel 110kV), mengumpulkan arus frekuensi tinggi di permukaan konduktor, meningkatkan rintangan dan kehilangan tembaga dengan urutan harmonik.
  Contoh: Apabila THDi meningkat dari 5% hingga 10%, kehilangan tembaga laluan meningkat sebanyak 20%-30% (dihitung melalui I²R). Operasi jangka panjang meningkatkan suhu konduktor (contohnya, dari 70°C hingga 90°C), mempercepatkan penuaan isolasi dan memendekkan umur laluan (dari 30 hingga 20 tahun).

• Penurunan Voltan Memburuk: Voltan harmonik bertindih dengan voltan asas, mendistorsi bentuk gelombang di hujung beban. Pengguna sensitif (contohnya, kilang semikonduktor) mungkin mengalami pemadaman peralatan disebabkan oleh voltan tidak sekata, dengan insiden tunggal boleh menelan kos ratusan ribu.

• Peralatan Pembahagian: Pemanasan Berlebihan, Kerusakan, dan Umur Pakai Berkurang

• Risiko Kegagalan Transformator:
  Arus harmonik meningkatkan "kehilangan besi tambahan" (kehilangan eddy current meningkat dengan kuasa dua frekuensi harmonik). Pada THDv=8%, kehilangan besi transformator meningkat sebanyak 15%-20% berbanding dengan keadaan berperingkat, meningkatkan suhu inti (contohnya, dari 100°C hingga 120°C), mempercepatkan penuaan minyak isolasi, mungkin menyebabkan pelepasan separa atau hangus (contohnya, sebuah substation kehilangan transformator 10kV disebabkan oleh harmonik kelima yang berlebihan, dengan kerugian langsung lebih dari satu juta).
  Harmonik tiga fasa tidak seimbang juga meningkatkan arus way netral (hingga 1.5× arus fasa), membawa risiko pemanasan dan putus way netral, menyebabkan ketidakseimbangan voltan tiga fasa.

• Kerosakan Resonans Bank Kapasitor:
  Kapasitor mempunyai impedansi rendah terhadap harmonik, mudah membentuk "resonans harmonik" dengan induktansi grid (contohnya, resonans harmonik kelima boleh menyebabkan arus kapasitor mencapai 3–5× nilai berperingkat), mengakibatkan pecah atau letupan isolasi. Sebuah bengkel industri merosakkan tiga bank kapasitor 10kV dalam tempoh sebulan disebabkan resonans harmonik ketujuh, dengan kos baiki melebihi 500,000.

• Peralatan Penjanaan: Fluktuasi Output dan Penurunan Efisiensi

• Had Output Jenerator Sinkron:
  Harmonik grid kembali masuk ke dalam belitan stator jenerator, mencipta "tork harmonik," meningkatkan getaran (fluktuasi kelajuan ±0.5%), mengurangkan output (contohnya, unit 300MW turun menjadi 280MW pada THDv=6%), dan meningkatkan suhu stator, mempengaruhi umur pakai jenerator.

• Gagal Sambungan Inverter Pembaharuan:
  Inverter PV/angin sensitif terhadap THD grid. Jika THDv titik sambungan > 5%, inverter memicu "perlindungan harmonik" dan putus sambungan (mengikut GB/T 19964-2012), menyebabkan pengurangan pembaharuan (contohnya, sebuah ladang angin kehilangan lebih dari 100,000 kWh dalam sehari disebabkan harmonik ketiga yang berlebihan).

• Sistem Kawalan: Kesalahan Operasi Menyebabkan Kerosakan Sistem

• Kesalahan Perlindungan Rangkaian:
  Arus harmonik menyebabkan saturasi sementara dalam transformer arus (CTs), menyebabkan sampel tidak tepat dalam perlindungan arus berlebihan atau diferensial. Contohnya, arus harmonik kelima yang bertindih mendistorsi arus CT sekunder, menyebabkan perlindungan arus berlebihan mendeteksi "hubungan pendek laluan" palsu dan trip, mengakibatkan gangguan luas (contohnya, sebuah rangkaian pembahagian mengalami 10 trip laluan disebabkan THDi=12%, mempengaruhi 20,000 rumah tangga).

• Gangguan Komunikasi Sistem Automasi:
  Harmonik berkaitan elektromagnetik ke dalam laluan komunikasi kawalan (contohnya, RS485, fiber), meningkatkan kadar ralat data (dari 10⁻⁶ hingga 10⁻³), menghambat atau merosakkan arahan penjadualan (contohnya, arahan "trip laluan rosak" gagal disampaikan, memperluas kerosakan).

• Peralatan Pengguna Akhir: Penurunan Prestasi dan Kerosakan Berulang

• Motor Industri Overheating dan Hangus:
  Motor asinkron di bawah voltan harmonik menghasilkan "tork urutan negatif," menyebabkan fluktuasi kelajuan, getaran bertambah, dan kehilangan tembaga stator yang lebih tinggi. Pada THDv=7%, efisiensi motor turun sebanyak 5%-8%, suhu meningkat sebanyak 20–30°C, dan umur pakai dipotong setengah (contohnya, sebuah kilang baja membakar dua motor rolling mill dalam masa enam bulan disebabkan harmonik ketujuh, dengan kos baiki melebihi 2 juta).

• Kehilangan Ketepatan Peralatan Presisi:
  Peralatan sensitif seperti mesin litografi semikonduktor dan sistem MRI perubatan memerlukan voltan yang sangat bersih (THDv≤2%). THDv berlebihan meningkatkan ralat pengukuran — contohnya, ketepatan etching mesin litografi turun dari 0.1μm hingga 0.3μm disebabkan harmonik voltan, mengurangkan hasil produk dari 95% hingga 80%.

Impak Utama 2: Risiko Tidak Langsung Akibat Kesilapan Pengukuran THD (Pemantauan Tidak Tepat)

Kesilapan pengukuran THD (contohnya, THDv sebenar=6%, diukur sebagai 4%, kesilapan = -2%) menyebabkan "kesesuaian palsu" atau "penyelesaian berlebihan," memperburuk risiko atau menyebabkan pembaziran ekonomi — pada dasarnya, "distorsi data mengarah kepada keputusan yang buruk."

• Ketinggalan Deteksi Kelebihan: Penyelesaian Ditunda, Kerusakan Bertambah
  Jika THD yang diukur lebih rendah daripada sebenarnya (contohnya, THDv sebenar=6%, kesilapan pengukuran -1%, ditunjukkan sebagai 5%), ia memberi isyarat palsu "kesesuaian harmonik," menunda pemasangan filter (contohnya, APF). Ini membolehkan penumpukan harmonik jangka panjang:

• Jangka pendek: Penuaan dipercepat dan kadar kegagalan lebih tinggi bagi transformator, kapasitor, dll.

• Jangka panjang: Risiko resonans sistem, mungkin menyebabkan runtuh grid regional (contohnya, grid regional mengalami resonans setelah dua tahun disebabkan deteksi harmonik ketiga yang tertinggal, mengakibatkan 5 substation offline).

• Alaram Palsu Kelebihan: Pelaburan Berlebihan, Kos Terbuang
  Jika THD yang diukur lebih tinggi daripada sebenarnya (contohnya, THDv sebenar=4%, kesilapan pengukuran +1%, ditunjukkan sebagai 5%), ia memberi isyarat palsu "kelebihan harmonik," menyebabkan pemasangan filter yang tidak perlu:

• Pembaziran ekonomi: APF 10kV/100A berharga ~500,000; jika tidak perlu mitigasi, peralatan itu tidak digunakan (dengan penyelenggaraan tahunan 20,000).

• Gangguan sistem: Filter berlebihan mungkin mencipta titik resonans baru (contohnya, pemasangan filter harmonik kelima memicu resonans harmonik ketujuh), memperkenalkan risiko baru.

• Distorsi Data: Mempengaruhi Perancangan dan Penjadualan Grid
  Kesilapan pengukuran THD mendistorsi data distribusi harmonik, mempengaruhi perancangan jangka panjang:

• Contoh: Pemantauan di suatu wilayah menunjukkan THDi purata=8% (sebenarnya 6%), menyebabkan penyediaan berlebihan kapasiti mitigasi harmonik (membina 2 stesen filter tambahan, pelaburan melebihi 10 juta).

• Dalam penjadualan, data THD yang tidak tepat mencegah identifikasi sumber harmonik yang tepat (contohnya, menyalahkan tanaman PV, membatasi outputnya), mempengaruhi integrasi tenaga pembaharuan.

Impak Utama 3: Kerugian Ekonomi — Dari Kos Langsung hingga Kerugian Tidak Langsung

Kesilapan THD harmonik (termasuk kelebihan dan ketidaktepatan pengukuran) menyebabkan kerugian ekonomi yang signifikan melalui kerusakan peralatan, peningkatan penggunaan tenaga, dan gangguan produksi, dapat dikuantifikasi dalam tiga kategori kos:

Ringkasan: Rantai Impak Utama Kesilapan THD terhadap Sistem Kuasa

Impak asas kesilapan THD harmonik mengikuti rantai bertingkat: "distorsi bentuk gelombang → kerusakan peralatan → ketidakstabilan sistem → kerugian ekonomi." Kesilapan pengukuran bertindak untuk memperbesar atau salah menilai rantai ini:

• THD sebenar berlebihan adalah "bahaya utama", merosakkan peralatan keras sistem kuasa dan mengompromikan kestabilan;

• Kesilapan pengukuran THD adalah "gangguan keputusan", menyebabkan penyelesaian yang tidak betul—entah memperburuk risiko atau membuang sumber daya;

• Akhirnya, kedua-duanya menyebabkan risiko keselamatan (peralatan hangus, runtuh sistem) dan kerugian ekonomi (kos baiki, pembaziran tenaga, gangguan produksi).

Oleh itu, sistem kuasa mesti mengambil pendekatan ganda: "pemantauan tepat (mengawal kesilapan pengukuran THD ≤ ±0.5%) + mitigasi berkesan (mengekalkan THDv sebenar di bawah 5%)" untuk mengelakkan risiko-risiko ini secara menyeluruh.