Harmonische THD-impact: van netwerk naar apparatuur

De impact van harmonische THD-fouten op elektriciteitsnetwerken moet worden geanalyseerd vanuit twee aspecten: "daadwerkelijke net-THD die de limieten overschrijdt (overmatige harmonische inhoud)" en "THD-metingfouten (onjuiste monitoring)" — het eerste schaadt direct de systeemapparatuur en stabiliteit, terwijl het laatste leidt tot onjuiste maatregelen als gevolg van "vals of gemiste alarmen." Wanneer deze twee factoren samenkomen, verergeren ze de systeemrisico's. De effecten strekken zich uit over de hele energieketen — generatie → transmissie → distributie → consumptie — met invloed op veiligheid, stabiliteit en economie.

Core Impact 1: Directe Schade van Overmatige Daadwerkelijke THD (Hoge Harmonische Inhoud)

Wanneer de net-THDv (totale harmonische vervorming van de spanning) nationale normen overschrijdt (≤5% voor openbare netwerken) of THDi (totale harmonische vervorming van de stroom) de toelaatbaarheid van apparatuur (bijvoorbeeld transformators ≤10%) te boven gaat, veroorzaakt dit fysieke schade aan systeemhardware, operationele stabiliteit en eindgebruikersapparatuur.

• Transmissiesystemen: Toename van Verliezen en Oververhitting

• Verhoogde Koperverliezen: Harmonische stromen veroorzaken een "skin-effect" in transmissielijnen (bijvoorbeeld 110kV-kabels), waardoor hoogfrequente stromen zich concentreren op de oppervlakte van de geleider, de weerstand en koperverliezen vergroten naarmate de harmonische orde toeneemt.
  Voorbeeld: Wanneer THDi stijgt van 5% naar 10%, neemt de koperverlies in de lijn toe met 20%-30% (bereken via I²R). Langdurig gebruik verhoogt de temperatuur van de geleider (bijvoorbeeld van 70°C naar 90°C), versnelt de isolatie-aging en verkort de levensduur van de lijn (van 30 naar 20 jaar).

• Verslechterde Spanningsdaling: Harmonische spanningen worden supergevoegd op de fundamentele spanning, wat de golfformen aan de belastingzijde verdraait. Gevoelige gebruikers (bijvoorbeeld halfgeleiderfabrieken) kunnen door onregelmatige spanningen tijdelijk hun apparatuur moeten stilleggen, met eenmalige incidenten die honderdduizenden kosten.

• Distributieapparatuur: Oververhitting, Schade en Verkorte Levensduur

• Risico's op Transformatoruitval:
  Harmonische stromen verhogen de "extra ijzerverliezen" (wervelstroomverliezen nemen toe met het kwadraat van de harmonische frequentie). Bij THDv=8% nemen de ijzerverliezen van de transformator toe met 15%-20% ten opzichte van de nominale omstandigheden, waardoor de kern temperatuur stijgt (bijvoorbeeld van 100°C naar 120°C), de isolatieolie sneller degradeert, wat kan leiden tot gedeeltelijke ontlaading of brand (bijvoorbeeld een onderstation verloor een 10kV-transformator door overmatige 5e harmonische, met directe verliezen van meer dan een miljoen).
  Ongebalanceerde driefasige harmonischen verhogen ook de neutrale draadstroom (tot 1,5× fasestroom), wat risico's oplevert voor oververhitting en breuk van de neutrale draad, wat leidt tot een driefase spanningonevenwichtigheid.

• Resonantieschade aan Condensatorbanken:
  Condensatoren hebben een lage impedantie voor harmonische stromen, waardoor gemakkelijk "harmonische resonantie" ontstaat met de netinductie (bijvoorbeeld 5e harmonische resonantie kan de condensatorstroom doen stijgen tot 3–5× de nominale waarde), wat leidt tot isolatiebreuk of explosie. Een industriële werkplaats vernietigde binnen een maand drie 10kV-condensatorbanken door 7e harmonische resonantie, met herstelkosten van meer dan 500.000.

• Generatieapparatuur: Uitvoerfluctuaties en Efficiëntievermindering

• Beperking van Synchrone Generatoruitvoer:
  Netwerkharmonische stromen vloeien terug in de statorwindingen van de generator, creëren "harmonische koppel", vergroten trilling (snelheidsfluctuaties ±0,5%), verminderen de uitvoer (bijvoorbeeld een 300MW-eenheid daalt naar 280MW bij THDv=6%) en verhogen de stator temperatuur, wat de levensduur van de generator beïnvloedt.

• Storing bij Aansluiting van Herverkrijkbare Omzetters:
  PV/windomzetters zijn gevoelig voor net-THD. Als de aansluitings-THDv > 5%, activeren omzetters de "harmonische bescherming" en verbreken de verbinding (volgens GB/T 19964-2012), wat leidt tot beperking van hernieuwbare energie (bijvoorbeeld een windpark verloor meer dan 100.000 kWh in één dag door overmatige 3e harmonische).

• Besturingssystemen: Foute Operatie Leidt Tot Systeemfouten

• Foute Werking van Relaisbescherming:
  Harmonische stromen veroorzaken tijdelijke verzadiging in stroomtransformatoren (CT's), wat leidt tot onnauwkeurige sampling in overstroming of differentiële bescherming. Bijvoorbeeld, de supergevoegde 5e harmonische stroom verdraait de secundaire CT-stroom, waardoor de overstromingsbescherming vals detecteert "lijnkortsluiting" en uitschakelt, wat leidt tot wijdverspreide storingen (bijvoorbeeld een distributienetwerk ervoer 10 voederlijnuitval door THDi=12%, wat 20.000 huishoudens beïnvloedde).

• Interferentie in Automatiseringssysteemcommunicatie:
  Harmonische stromen koppelen elektromagnetisch in besturingscommunicatielijnen (bijvoorbeeld RS485, glasvezel), waardoor de dataverstoringsgraad toeneemt (van 10⁻⁶ naar 10⁻³), waardoor dispatch-opdrachten vertraagd of corrupt worden (bijvoorbeeld een "uitval van foutlijn"-opdracht wordt niet afgeleverd, wat de fout verergert).

• Eindgebruikersapparatuur: Prestatievermindering en Regelmatige Storingen

• Oververhitting en Brand van Industriële Motoren:
  Asynchrone motoren onder harmonische spanning genereren "negatieve sequentiekoppel", wat snelheidsfluctuaties, verhoogde trilling en hogere stator koperverliezen veroorzaakt. Bij THDv=7% daalt de motorefficiëntie met 5%-8%, de temperatuur stijgt met 20–30°C en de levensduur wordt gehalveerd (bijvoorbeeld een staalfabriek brandde twee rollend millmotoren binnen zes maanden door 7e harmonische, met herstelkosten van meer dan 2 miljoen).

• Prestatievermindering van Precisieapparatuur:
  Gevoelige apparatuur zoals halftgeleiderlithografieapparaten en medische MRI-systemen vereisen extreem schone spanning (THDv≤2%). Overmatige THDv verhoogt meetfouten — bijvoorbeeld, de precisie van een lithografieapparaat daalt van 0,1μm naar 0,3μm door spanningsharmonieën, wat de productieopbrengst vermindert van 95% naar 80%.

Core Impact 2: Indirecte Risico's van THD-meting Fouten (Onjuiste Monitoring)

THD-meting fouten (bijvoorbeeld werkelijke THDv=6%, gemeten als 4%, fout = -2%) leiden tot "vals voldoen" of "overbehandeling", wat risico's verergert of economische verspilling veroorzaakt — essentieel, "datavervorming leidt tot slechte beslissingen."

• Gemiste Detectie van Overschrijding: Uitgestelde Beheersing, Verslechterde Schade
  Als de gemeten THD lager is dan de werkelijke (bijvoorbeeld werkelijke THDv=6%, meting fout -1%, weergegeven als 5%), geeft dit vals "harmonische voldoening" aan, waardoor de installatie van filters (bijvoorbeeld APF) wordt uitgesteld. Dit laat lange-termijn harmonische accumulatie toe:

• Kortetermijn: Versnelde ouderdom en hogere faalraten van transformators, condensatoren, enz.

• Langtermijn: Risico op systeemresonantie, wat regionaal netwerkinstort kan veroorzaken (bijvoorbeeld een regionaal netwerk ervoer resonantie na twee jaar door gemiste 3e harmonische detectie, wat 5 onderstations offline bracht).

• Vals Alarm van Overschrijding: Overinvestering, Verspilde Kosten
  Als de gemeten THD hoger is dan de werkelijke (bijvoorbeeld werkelijke THDv=4%, meting fout +1%, weergegeven als 5%), geeft dit vals "harmonische overschrijding" aan, wat leidt tot onnodige filterinstallatie:

• Economische verspilling: Een 10kV/100A APF kost ~500.000; als geen beheersing nodig is, staat het apparaat stil (met jaarlijkse onderhoudskosten van 20.000).

• Systeemstoornis: Excessieve filters kunnen nieuwe resonantiepunten creëren (bijvoorbeeld het installeren van een 5e harmonische filter activeert 7e harmonische resonantie), wat nieuwe risico's introduceert.

• Datavervorming: Beïnvloedt Netwerkplanning en Dispatch
  THD-meting fouten vervormen harmonische distributiedata, wat de langetermijnplanning beïnvloedt:

• Voorbeeld: Het monitoren van een regio toont gemiddeld THDi=8% (werkelijk 6%), wat leidt tot overcapaciteit van harmonische beheersing (bouwen van 2 extra filterstations, investering van meer dan 10 miljoen).

• Bij dispatch voorkomt onnauwkeurige THD-data de nauwkeurige identificatie van harmonische bronnen (bijvoorbeeld onterecht een PV-installatie de schuld geven, waardoor de uitvoer beperkt wordt), wat de integratie van hernieuwbare energie beïnvloedt.

Core Impact 3: Economische Verliezen — Van Directe Kosten tot Indirecte Verliezen

Harmonische THD-fouten (inclusief overschrijding en onnauwkeurige metingen) veroorzaken aanzienlijke economische verliezen door apparatuurschade, toegenomen energieverbruik en productiestilstanden, quantificeerbaar in drie kosten categorieën:

Samenvatting: De Kernimpactketen van THD-fouten op Elektriciteitsnetwerken

De fundamentele impact van harmonische THD-fouten volgt een cascadeketen: "golfvormvervorming → apparatuurschade → systeeminstabiliteit → economische verliezen." Meting fouten werken mee om deze keten te versterken of te misinterpreteren:

• Overmatige werkelijke THD is de "primaire schade", die rechtstreeks de hardware van het elektriciteitsnetwerk schaadt en de stabiliteit in gevaar brengt;

• THD-meting fouten zijn de "beslissingsinterferentie", die leiden tot onjuiste beheersmaatregelen — ofwel het verergeren van risico's of het verspillen van middelen;

• Ten slotte leiden beide tot veiligheidsrisico's (apparatuurbrand, systeeminval) en economische verliezen (herstelkosten, energieverkwisting, productiestilstanden).

Daarom moeten elektriciteitsnetwerken een dubbele benadering hanteren: "precise monitoring (controle van THD-meting fout ≤ ±0,5%) + effectieve beheersing (houden van werkelijke THDv onder 5%)" om deze risico's volledig te voorkomen.