ہارمونک THD کا اثر: گرڈ سے تکنیکل معدات تک

ہارمونک THD خرابیوں کے برقی نظام پر اثرات کو دو جہتوں سے تجزیہ کیا جانا چاہئے: "واقعی گرڈ THD حد سے زائد (زیادہ ہارمونک محتوا)" اور "THD ناپنے کی خرابیاں (غیر صحیح مراقبہ)" — پہلی میں سسٹم کی تعمیر و تکنیکیں اور استحکام کو مستقیماً نقصان پہنچاتا ہے، جبکہ دوسرا "غلط یا فراموش کردہ حذرات" کی وجہ سے غیر مناسب تحفظ کی طرف لے جاتا ہے۔ جب ان دونوں عوامل کو ملایا جائے تو یہ سسٹم کے خطرات کو بڑھا دیتے ہیں۔ یہ اثرات پورے برقی زنجیر میں پھیلے ہوئے ہوتے ہیں — تولید → منتقلی → تقسیم → استعمال — جس کے ذریعے سلامتی، استحکام، اور معیشت کو متاثر کرتے ہیں۔

اساسی اثر 1: زیادہ واقعی THD (زیادہ ہارمونک محتوا) کا مستقیم نقصان

جب گرڈ THDv (voltages کا کل ہارمونک خرابی) قومی معیار (عوامی گرڈوں کے لیے ≤5%) سے زیادہ ہو یا THDi (currents کا کل ہارمونک خرابی) آلات کی تحمل کی حد (مثال کے طور پر، ترانسفارمر ≤10%) سے اوپر جائے تو یہ نظام کی تعمیر و تکنیکیں، کارکردگی کا استحکام، اور آخری صارفین کی آلات کو جسمانی نقصان پہنچاتا ہے۔

• منتقلی نظام: نقصان کی اضافہ اور بھارت

• کپر کے نقصان کی اضافہ: ہارمونک currents ٹرانسفر لائن (مثال کے طور پر، 110kV کیبل) میں "skin effect" پیدا کرتے ہیں، جس سے تیز تریکھی currents کونڈکٹر کی سطح پر مرکوز ہو جاتی ہیں، ریزسٹنس اور کپر کے نقصان کو ہارمونک کے درجے کے ساتھ بڑھا دیتے ہیں۔
  مثال: جب THDi 5% سے 10% تک بڑھ جائے تو لائن کا کپر نقصان 20%-30% تک بڑھ جاتا ہے (I²R کے ذریعے شمار کیا گیا)۔ لمبے عرصے تک کام کرنے سے کونڈکٹر کا درجہ حرارت (70°C سے 90°C تک) بڑھ جاتا ہے، جس سے عایقیت کی عمر کم ہو جاتی ہے (30 سال سے 20 سال تک)۔

• برتری کی کمی: ہارمونک voltages بنیادی voltage پر سمتیہ کرتے ہیں، جس سے لوڈ کے سرے پر waveform کو داغنا ہوتا ہے۔ حساس صارفین (مثال کے طور پر، سیمی کانڈکٹر کے پلانٹ) نامنظم voltage کی وجہ سے آلات کو بند کرنا پڑ سکتا ہے، جس کی ایک واقعہ کی لاگت لمبوں کی ہوتی ہے۔

• تقسیم کی تجهیزات: بھارت، نقصان، اور کم عمر

• ترانسفارمر کی خرابی کے خطرات:
  ہارمونک currents "اضافی آئرن نقصان" (eddy current losses ہارمونک فریکوئنسی کے مربع کے ساتھ بڑھتے ہیں) کو بڑھاتے ہیں۔ THDv=8% پر ترانسفارمر کا آئرن نقصان مقررہ شرائط کے مقابلے میں 15%-20% تک بڑھ جاتا ہے، جس سے کور کا درجہ حرارت (100°C سے 120°C تک) بڑھ جاتا ہے، عایقیت کے تیل کی تجزیہ کو تیز کرتا ہے، جس سے جزوی discharge یا burnout (مثال کے طور پر، ایک substation 10kV ترانسفارمر کو 5th ہارمونک کی وجہ سے گم کر چکا ہے، جس کی مستقیم نقصانات ایک ملین سے زیادہ ہیں)۔
  غیر متوازن تین phase ہارمونک neutral wire کا current (phase current کا 1.5× تک) بڑھاتا ہے، جس سے neutral کا بھارت اور توڑنے کا خطرہ ہوتا ہے، جس کی وجہ سے تین phase voltage کی عدم توازن پیدا ہوتی ہے۔

• کیپیسٹر بینک کی resonance خرابی:
  کیپیسٹرز ہارمونک کے لیے کم impedance رکھتے ہیں، جو آسانی سے گرڈ inductance (مثال کے طور پر، 5th ہارمونک resonance کیپیسٹر کا current 3–5× مقررہ قدر تک پہنچا سکتا ہے) کے ساتھ "ہارمونک resonance" تشکیل دیتے ہیں، جس کی وجہ سے عایقیت کی breakdown یا explosion ہو سکتی ہے۔ ایک صنعتی کارخانے میں 7th ہارمونک resonance کی وجہ سے ایک مہینے میں تین 10kV کیپیسٹر بینک خراب ہو گئے، جس کی میں دوبارہ ترتیب کی لاگت 500,000 سے زیادہ ہوئی۔

• تولید کی تجهیزات: آؤٹ پٹ کی تزلزل اور کارکردگی کا کمی

• سنکرونائزڈ جنریٹر کی آؤٹ پٹ کی محدودیت:
  گرڈ ہارمونک جنریٹر کے stator windings میں واپس داخل ہوتے ہیں، جس سے "ہارمونک torque" پیدا ہوتا ہے، vibrational (speed fluctuation ±0.5%) کو بڑھاتا ہے، آؤٹ پٹ (مثال کے طور پر، 300MW یونٹ THDv=6% پر 280MW تک کم ہو جاتا ہے) کو کم کرتا ہے، اور stator کا درجہ حرارت بڑھاتا ہے، جس سے جنریٹر کی عمر کم ہو جاتی ہے۔

• تجدیدی inverter کی گرڈ کنکشن کی خرابی:
  PV/wind inverters گرڈ THD کے لیے حساس ہوتے ہیں۔ اگر point-of-connection THDv > 5% ہو تو inverters "ہارمونک protection" کو تحریک دیتے ہیں اور disconnect (GB/T 19964-2012 کے مطابق)، جس کی وجہ سے تجدیدی curtailment (مثال کے طور پر، ایک wind farm کو ایک دن میں 3rd ہارمونک کی وجہ سے 100,000 kWh سے زیادہ گم ہو گیا) ہوتا ہے۔

• کنٹرول سسٹمز: غلط کام کرنا جس سے سسٹم کی خرابیاں ہوتی ہیں

• ریلے protection کی غلط کام کرنا:
  ہارمونک currents کرنٹ transformers (CTs) میں transient saturation پیدا کرتے ہیں، جس کی وجہ سے overcurrent یا differential protection میں غلط sampling ہوتا ہے۔ مثال کے طور پر، superimposed 5th ہارمونک current secondary CT current کو distorts کرتا ہے، جس کی وجہ سے overcurrent protection غلط طور پر "line short circuit" کا پتہ لگاتا ہے اور trip ہوتا ہے، جس کی وجہ سے وسیع outages (مثال کے طور پر، ایک distribution network THDi=12% کی وجہ سے 10 feeder trips ہوئے، جس نے 20,000 گھروں کو متاثر کیا) ہوتا ہے۔

• automation system کی communication interference:
  ہارمونک control communication lines (مثال کے طور پر، RS485, fiber) میں electromagnetically couple ہوتے ہیں، جس سے data error rates (10⁻⁶ سے 10⁻³ تک) بڑھتے ہیں، dispatch commands (مثال کے طور پر، ایک "trip fault line" command deliver نہیں ہوتا، جس کی وجہ سے fault expand ہوتا ہے) کو دیری یا corrupt کرتے ہیں۔

• آخری صارفین کی تجهیزات: کارکردگی کی کمی اور بار بار خرابیاں

• صنعتی موٹر کا بھارت اور burnout:
  ہارمونک voltage تحت asynchronous motors "negative sequence torque" پیدا کرتے ہیں، جس کی وجہ سے speed fluctuations، vibrational کی اضافہ، اور stator copper losses کی اضافہ ہوتی ہے۔ THDv=7% پر موٹر کی کارکردگی 5%-8% تک کم ہو جاتی ہے، درجہ حرارت 20–30°C تک بڑھ جاتا ہے، اور عمر نصف ہو جاتی ہے (مثال کے طور پر، ایک steel plant 7th ہارمونک کی وجہ سے چھ مہینوں میں دو rolling mill motors جل گئے، جس کی میں دوبارہ ترتیب کی لاگت 2 ملین سے زیادہ ہوئی)۔

• precision equipment کی صحت کی کمی:
  حساس تجهیزات جیسے سیمی کانڈکٹر lithography machines اور medical MRI systems بہت پاک voltage (THDv≤2%) کی ضرورت ہوتی ہے۔ زیادہ THDv measurement errors کو بڑھاتا ہے — مثال کے طور پر، ایک lithography machine کی etching precision voltage harmonics کی وجہ سے 0.1μm سے 0.3μm تک کم ہو جاتی ہے، جس کی وجہ سے product yield 95% سے 80% تک کم ہو جاتا ہے۔

اساسی اثر 2: THD ناپنے کی خرابیوں کے غیر مستقیم خطرات (غیر صحیح مراقبہ)

THD ناپنے کی خرابیاں (مثال کے طور پر، واقعی THDv=6%，测量误差为-2%) 导致“虚假合规”或“过度处理”，加剧风险或造成经济损失——本质上是“数据失真导致错误决策。”

• 过量检测遗漏：延迟缓解，损害加剧
  如果测量的THD低于实际值（例如，实际THDv=6%，测量误差-1%，显示为5%），则会错误地指示“谐波合规”，从而延迟滤波器安装（如APF）。这会导致长期谐波积累：

• 短期内：变压器、电容器等设备老化加速和故障率增加。

• 长期内：系统共振的风险，可能导致区域电网崩溃（例如，由于未检测到3次谐波，某区域电网在两年后发生共振，导致5个变电站离线）。

• 过量误报：过度投资，浪费成本
  如果测量的THD高于实际值（例如，实际THDv=4%，测量误差+1%，显示为5%），则会错误地指示“谐波过量”，导致不必要的滤波器安装：

• 经济损失：一个10kV/100A的APF成本约为50万；如果不需要缓解，则设备闲置（每年维护费用2万）。

• 系统干扰：过多的滤波器可能创建新的共振点（例如，安装5次谐波滤波器触发7次谐波共振），引入新的风险。

• 数据失真：影响电网规划和调度
  THD测量误差扭曲谐波分布数据，影响长期规划：

• 示例：某地区的监测显示平均THDi=8%（实际为6%），导致过度配置谐波缓解能力（建设2个额外的滤波站，投资超过1000万）。

• 在调度中，不准确的THD数据妨碍精确识别谐波源（例如，错误地指责光伏电站，限制其输出），影响可再生能源的整合。

核心影响3：经济损失——从直接成本到间接损失

谐波THD误差（包括过量和谐波测量不准确）通过设备损坏、能耗增加和生产停机时间造成显著的经济损失，可以通过以下三个成本类别量化：

总结：THD误差对电力系统的根本影响链

谐波THD误差的基本影响遵循一个级联链：“波形失真 → 设备损坏 → 系统不稳定 → 经济损失。” 测量误差起到放大或误判这一链条的作用：

• 实际THD过高是“主要危害”，直接损坏电力系统硬件并破坏稳定性；

• THD测量误差是“决策干扰”，导致不当缓解——要么加剧风险，要么浪费资源；

• 最终，两者都会导致安全风险（设备烧毁、系统崩溃）和经济损失（维修费用、能源浪费、生产停机）。

因此，电力系统必须采取双重方法：“精确监测（控制THD测量误差 ≤ ±0.5%）+ 有效缓解（保持实际THDv低于5%）”来全面避免这些风险。