Vpliv harmoničnih THD: Od omrežja do opreme

Edwiin

Polje: Preklopnik za strmo napajanje

China

Vpliv harmonskih THD napak na elektronske sisteme je potrebno analizirati iz dveh vidikov: "prekoračitev dejanskega THD v omrežju (prekomerna harmonska vsebnost)" in "napake pri merjenju THD (netočno spremljanje)" — prvi neposredno škoduje opremi in stabilnosti sistema, drugi pa vodi do napačnega odziva zaradi "lažnih ali preuščenih alarmov". Ko sta ti dva faktorja kombinirana, se tveganja v sistemu povečajo. Vplivi segajo čez celotno verigo snabdevanja z energijo — proizvodnja → prenos → distribucija → poraba — in vplivajo na varnost, stabilnost in gospodarstvo.

Osnutni vpliv 1: Neposredni škodljiv učinek prekomerne dejanske THD (visoka harmonska vsebnost)

Ko prekorači THDv (skupna harmonska distorzija napetosti) nacionalne standarde (≤5% za javna omrežja) ali THDi (skupna harmonska distorzija toka) preseže tolerancno stopnjo opreme (npr., transformatorji ≤10%), povzroči fizično poškodbo strojne opreme, operativne stabilnosti in končne uporabniške opreme.

Sistemi za prenos: Povečane izgube in pregrevanje

Povečane medno žične izgube: Harmonski tokovi povzročajo "efekt kože" v prenosnih črteh (npr., 110kV kabeli), koncentrirajo visokofrekvenčne tokove na površini vodnika, kar poveča upornost in medno žične izgube s harmonskim redom.
Primer: Ko THDi naraste od 5% do 10%, medno žične izgube naraščajo za 20%-30% (izračunano preko I²R). Dolgoročno delovanje poveča temperaturo vodnika (npr., od 70°C do 90°C), pospešuje staranje izolacije in skraca življenjski čas črte (s 30 na 20 let).
Poslabšanje padanja napetosti: Harmonske napetosti se superponirajo na osnovno napetost, deformirajo valčne oblike na kraju porabe. Občutljivi uporabniki (npr., polprevodniški obrati) lahko doživijo ustavitev opreme zaradi neravnovesne napetosti, ena takšna incidenta lahko stane sto tisoč evrov.

Distribucijska oprema: Pregrjevanje, poškodba in skrajšan življenjski čas

Tveganja za odpoved transformatorjev:
Harmonski tokovi povečajo "dodatne železne izgube" (izgube edinica naraščajo s kvadratom harmonske frekvence). Pri THDv=8% se železne izgube transformatorja povečajo za 15%-20% glede na imenovane pogoje, kar poveča temperaturu jedra (npr., od 100°C na 120°C), pospešuje degradacijo izolacijskega olja, kar lahko povzroči delno razpoložitveno ali poplavljanje (npr., podstanica je izgubila 10kV transformator zaradi prekomernega petega harmonika, neposredne izgube presegajo milijon evrov).
Neravnotežje tri-faznih harmonik tudi poveča tok v neutralni vodi (do 1,5× faznega toka), kar pomeni tveganje za pregrevanje in prelom neutralne vode, kar vodi do neravnotežja tri-fazne napetosti.
Poškodba kondenzatorskih bank zaradi rezonance:
Kondenzatorji imajo nizko impedanco za harmonike, lahko se lako formira "harmonsko rezonanca" z induktivnostjo omrežja (npr., peti harmonski rezonanca lahko poveča tok kondenzatorja na 3–5× imenovani vrednosti), kar vodi do premika izolacije ali eksplozije. En industrijski delavnik je poškodoval tri 10kV kondenzatorske banke v en mesec zaradi sedmega harmonskega rezonance, stroški popravil presegajo 500.000 evrov.

Generatorska oprema: Fluktuacija izhoda in zmanjšanje učinkovitosti

Omejitev izhoda sinhronnega generatorja:
Harmonski tokovi v omrežju se vrnejo v statorne ovije generatorja, ustvarijo "harmonski navor", povečajo vibracije (fluktuacija hitrosti ±0,5%), zmanjšajo izhod (npr., 300MW blok pada na 280MW pri THDv=6%) in povečajo temperaturo statora, kar vpliva na življenjski čas generatorja.
Neprikladnost pretvorbe obnovljive energije:
PV/vetrni pretvorniki so občutljivi na THD omrežja. Če je THDv na povezovalnem mestu > 5%, pretvorniki aktivirajo "harmonsko zaščito" in se odstranijo (glede na GB/T 19964-2012), kar vodi do omejitve obnovljive energije (npr., vetrna elektrarna je izgubila več kot 100.000 kWh v en dan zaradi prekomernega tretjega harmonika).