Vpliv višjih harmonikov napetosti in toka na delovanje električne opreme

Višji harmoniki napetosti in toka vplivajo na elemente elektroenergetskih sistemov in komunikacijskih vodov.

Glavne oblike vpliva višjih harmonikov na elektroenergetske sisteme so:

• povečanje tokov in napetosti višjih harmonikov zaradi vzporednih in serijskih resonanc;

• zmanjšanje učinkovitosti procesov proizvodnje, prenosa in uporabe električne energije;

• staranje izolacije električne opreme in posledično zmanjšanje njene življenjske dobe;

• napačno delovanje opreme.

Vpliv resonance na sisteme

Resonance v elektroenergetskih sistemih se običajno obravnavajo v smislu kondenzatorjev, zlasti močnostnih kondenzatorjev. Ko harmoniki toka presežejo najvišje dovoljene vrednosti za kondenzatorje, slednji ne poslabšajo svojega delovanja, ampak čez nekaj časa odpovejo.

Drugo področje, kjer lahko resonance povzročijo poškodbe opreme, so sistemi za nadzor tonov. Da močnostni kondenzatorji ne bi absorbirali signala, so njihova vezja ločena z uglašenim serijskim filtrom (filter-»notch«). V primeru lokalne resonance se harmoniki toka v vezju močnostnega kondenzatorja močno povečajo, kar vodi do poškodbe uglašenega kondenzatorja serijskega filtra.

V eni od naprav so filtri, nastavljeni na frekvenco 530 Hz s prehodnim tokom 100 A, blokirali vsako vezje močnostnega kondenzatorja, ki je imel 15 odsekov 65 kvar. Kondenzatorji ti filtri so odpovedali po dveh dneh. Razlog je bila prisotnost harmonika s frekvenco 350 Hz, v neposredni bližini katerega so se vzpostavile resonančne razmere med uglašenim filtrom in močnostnimi kondenzatorji.

Vpliv harmonikov na rotacijske stroje

Harmoniki napetosti in toka povzročajo dodatne izgube v navitjih statorja, v tokokrogih rotorja ter v jeklu statorja in rotorja. Izgube v vodnikih statorja in rotorja zaradi vrtinčnih tokov in površinskega učinka so večje od tistih, ki jih določa ohmski upor.

Uhajajoči tokovi, ki jih povzročajo harmoniki v končnih conah statorja in rotorja, povzročajo dodatne izgube.

V indukcijskem motorju s stožčastim rotorjem s pulzirajočim magnetnim tokom v statorju in rotorju povzročajo višji harmoniki dodatne izgube v jeklu. Velikost teh izgub je odvisna od kota naklona rež in značilnosti magnetnega vezja.

Povprečna porazdelitev izgub višjih harmonikov je označena z naslednjimi podatki; navitje statorja 14%; rotorske verige 41 %; končne cone 19%; asimetrični val 26%.

Razen nesimetričnih valovnih izgub je njihova porazdelitev v sinhronskih strojih približno enaka.

Upoštevati je treba, da sosednji lihi harmoniki v statorju sinhronskega stroja povzročajo harmonike enake frekvence v rotorju. Na primer, 5. in 7. harmonik v statorju povzročita tokovne harmonike 6. reda v rotorju, ki se vrtijo v različnih smereh. Pri linearnih sistemih je povprečna gostota izgube na površini rotorja sorazmerna z vrednostjo, vendar je zaradi različne smeri vrtenja gostota izgube na nekaterih točkah sorazmerna z vrednostjo (I5 + I7) 2.

Dodatne izgube so eden najbolj negativnih pojavov, ki jih povzročajo harmoniki v rotacijskih strojih. Privedejo do povečanja skupne temperature stroja in do lokalnega pregrevanja, najverjetneje v rotorju. Motorji z veveričjo kletko omogočajo višje izgube in temperature kot motorji z navitim rotorjem. Nekatere smernice omejujejo dovoljeno raven toka negativnega zaporedja v generatorju na 10 % in raven napetosti negativnega zaporedja na vhodih indukcijskega motorja na 2 %. Toleranca harmonikov je v tem primeru določena s tem, katere ravni napetosti in tokov negativnega zaporedja ustvarjajo.

Navori, ki jih ustvarjajo harmoniki. Harmoniki toka v statorju povzročajo ustrezne navore: harmoniki, ki tvorijo pozitivno zaporedje v smeri vrtenja rotorja, in tvorijo obratno zaporedje v nasprotni smeri.

Harmonični tokovi v statorju stroja povzročajo pogonsko silo, kar vodi do pojava vrtilnih momentov na gredi v smeri vrtenja harmoničnega magnetnega polja. Običajno so zelo majhne in so zaradi nasprotne smeri tudi delno zamaknjene. Lahko pa povzročijo vibriranje gredi motorja.

Vpliv harmonikov na statično opremo, daljnovode. Tokovni harmoniki v vodih povzročajo dodatne izgube električne energije in napetosti.

V kabelskih vodih napetostni harmoniki povečajo učinek na dielektrik sorazmerno s povečanjem največje vrednosti amplitude. To posledično poveča število okvar kablov in stroške popravil.

V vodih EHV lahko napetostni harmoniki povzročijo povečanje koronskih izgub iz istega razloga.

Vpliv višjih harmonikov na transformatorje

Harmoniki napetosti povzročajo povečanje histereznih izgub in izgub zaradi vrtinčnih tokov v jeklu v transformatorjih ter izgube v navitjih. Zmanjša se tudi življenjska doba izolacije.

Povečanje izgub v navitju je najpomembnejše pri padajočem transformatorju, ker prisotnost filtra, običajno priključenega na AC stran, ne zmanjša tokovnih harmonikov v transformatorju. Zato je treba namestiti velik močnostni transformator. Opazimo tudi lokalno pregrevanje rezervoarja transformatorja.

Negativni vidik učinka harmonikov na transformatorje velike moči je kroženje toka trojnega ničelnega zaporedja v navitjih, povezanih v trikotniku. To jih lahko preobremeni.

Vpliv višjih harmonikov na kondenzatorske baterije

Dodatne izgube v električnih kondenzatorjih vodijo do njihovega pregrevanja. Na splošno so kondenzatorji zasnovani tako, da prenesejo določeno tokovno preobremenitev. Kondenzatorji, proizvedeni v Veliki Britaniji, omogočajo preobremenitev 15%, v Evropi in Avstraliji - 30%, v ZDA - 80%, v CIS - 30%. Ko so te vrednosti presežene, opažene v pogojih povečane napetosti višjih harmonikov na vhodih kondenzatorjev, se slednji pregrejejo in odpovejo.

Vpliv višjih harmonikov na zaščitne naprave EES

Harmoniki lahko motijo ​​delovanje zaščitnih naprav ali poslabšajo njihovo delovanje. Narava kršitve je odvisna od načela delovanja naprave. Digitalni releji in algoritmi, ki temeljijo na diskretizirani analizi podatkov ali analizi prečkanja ničle, so še posebej občutljivi na harmonike.

Najpogosteje so spremembe lastnosti manjše. Večina tipov relejev bo normalno delovala do stopnje popačenja 20 %. Povečanje deleža močnostnih pretvornikov v omrežjih pa lahko v prihodnosti spremeni situacijo.

Težave, ki izhajajo iz harmonikov, so različne za normalne in zasilne načine in so ločeno obravnavane spodaj.

Vpliv harmonikov v zasilnih načinih

Zaščitne naprave se običajno odzivajo na osnovno frekvenco napetosti ali toka in vsi prehodni harmoniki so izločeni ali ne vplivajo na napravo. Slednje je značilno za elektromehanske releje, ki se uporabljajo predvsem v nadtokovni zaščiti. Ti releji imajo visoko vztrajnost, zaradi česar so praktično neobčutljivi na višje harmonike.

Bolj pomemben je vpliv harmonikov na delovanje zaščite na podlagi merjenja upora. Distančna zaščita, kjer se upor meri na osnovni frekvenci, lahko povzroči znatne napake v prisotnosti višjih harmonikov v kratkostičnem toku (predvsem 3. reda). Visoka vsebnost harmonikov je običajno opazna, ko tok kratkega stika teče skozi ozemljitev (ozemljitveni upor prevladuje nad skupnim uporom zanke). Če harmoniki niso filtrirani, je verjetnost napačnega delovanja zelo velika.

V primeru kovinskega kratkega stika v toku prevladuje osnovna frekvenca. Zaradi nasičenosti transformatorja pa pride do popačenja sekundarne krivulje, predvsem v primeru velike DC komponente v primarnem toku. V tem primeru se pojavijo tudi težave z zagotavljanjem normalnega delovanja zaščite.

V stacionarnih pogojih delovanja povzroča nelinearnost, povezana s čezmernim vzbujanjem transformatorja, le harmonike lihega reda. V prehodnih načinih se lahko pojavijo vse vrste harmonikov, pri čemer sta največji amplitudi običajno 2. in 3. harmonika.

S pravilnim projektiranjem pa je večina naštetih težav enostavno rešljiva. Izbira prave opreme odpravi številne težave, povezane z merilnimi transformatorji.

Harmonično filtriranje je predvsem pri digitalnih zaščitah najpomembnejše za zaščito na daljavo. Delo, opravljeno na področju metod digitalnega filtriranja, je pokazalo, da čeprav so algoritmi za takšno filtriranje pogosto precej zapleteni, doseganje želenega rezultata ne predstavlja posebnih težav.

Vpliv harmonikov na zaščitne sisteme pri normalnih načinih delovanja električnih omrežij. Nizka občutljivost zaščitnih naprav na parametre načina v normalnih pogojih vodi do praktične odsotnosti težav, povezanih s harmoniki v teh načinih. Izjema je težava, povezana z vključitvijo močnih transformatorjev v omrežje, ki jo spremlja skok toka magnetiziranja.

Amplituda vrha je odvisna od induktivnosti transformatorja, upornosti navitja in trenutka, ko je vklop vklopljen. Preostali fluks v trenutku pred vklopom nekoliko poveča ali zmanjša amplitudo, odvisno od polarnosti fluksa glede na začetno vrednost trenutne napetosti. Ker med magnetizacijo na sekundarni strani ni toka, lahko velik primarni tok povzroči napačno sprožitev diferenčne zaščite.

Najlažji način, da se izognete lažnim alarmom, je uporaba časovne zakasnitve, vendar lahko to povzroči resno škodo na transformatorju, če pride do nesreče, ko je vklopljen. V praksi se drugi harmonik, ki je prisoten v zagonskem toku, neznačilen za omrežja, uporablja za blokiranje zaščite, čeprav zaščita ostaja precej občutljiva na notranje napake transformatorja med vklopom.

Vpliv harmonikov na potrošniško opremo

Vpliv višjih harmonikov na televizorje

Harmoniki, ki povečajo najvišjo napetost, lahko povzročijo popačenje slike in spremembo svetlosti.

Fluorescentne in živosrebrne sijalke. Predstikalne naprave teh žarnic včasih vsebujejo kondenzatorje in pod določenimi pogoji lahko pride do resonance, ki povzroči okvaro žarnice.

Vpliv višjih harmonikov na računalnike

V omrežjih, ki napajajo računalnike in sisteme za obdelavo podatkov, obstajajo omejitve glede dovoljenih ravni popačenja. V nekaterih primerih so izraženi kot odstotek nazivne napetosti (za računalnik IVM - 5%) ali v obliki razmerja med najvišjo napetostjo in povprečno vrednostjo (CDC določa svoje dovoljene meje pri 1,41 ± 0,1).

Vpliv višjih harmonikov na pretvorniško opremo

Zareze v sinusni napetosti, ki se pojavijo med preklapljanjem ventila, lahko vplivajo na časovno razporeditev druge podobne opreme ali naprav, ki se krmilijo med krivuljo ničelne napetosti.

Vpliv višjih harmonikov na tiristorsko krmiljeno hitrostno opremo

Teoretično lahko harmoniki vplivajo na takšno opremo na več načinov:

• zareze sinusnega vala povzročijo okvaro zaradi napačnega vžiga tiristorjev;

• napetostni harmoniki lahko povzročijo izpade vžiga;

• posledična resonanca v prisotnosti različnih vrst opreme lahko povzroči prenapetost in vibracije strojev.

Zgoraj opisane vplive lahko občutijo drugi uporabniki, povezani v isto omrežje. Če uporabnik nima težav s tiristorsko krmiljeno opremo v svojih omrežjih, je malo verjetno, da bo to vplivalo na druge uporabnike. Porabniki, ki jih napajajo različna vodila, lahko teoretično vplivajo drug na drugega, vendar električna razdalja zmanjšuje verjetnost takšne interakcije.

Vpliv harmonikov na meritve moči in energije

Merilne naprave so običajno kalibrirane na čiste sinusne napetosti in povečajo negotovost v prisotnosti višjih harmonikov. Velikost in smer harmonikov sta pomembna dejavnika, ker predznak napake določa smer harmonikov.

Merilne napake zaradi harmonikov so močno odvisne od vrste merilnih instrumentov. Običajni indukcijski merilniki običajno precenijo odčitke za nekaj odstotkov (vsak po 6 %), če ima uporabnik vir popačenja. Takšni uporabniki so samodejno kaznovani za vnašanje motenj v omrežje, zato je v njihovem lastnem interesu, da vzpostavijo ustrezne načine za zatiranje teh motenj.

Kvantitativnih podatkov o vplivu harmonikov na točnost merjenja konične obremenitve ni. Predpostavlja se, da je vpliv harmonikov na natančnost merjenja konične obremenitve enak kot na natančnost merjenja energije.

Natančno merjenje energije, ne glede na obliko tokovne in napetostne krivulje, zagotavljajo elektronski števci, ki imajo višjo ceno.

Harmoniki vplivajo tako na natančnost merjenja jalove moči, ki je jasno definirana le pri sinusnih tokovih in napetostih, kot tudi na natančnost merjenja faktorja moči.

Vpliv harmonikov na točnost kontrole in kalibracije instrumentov v laboratorijih se redko omenja, čeprav je tudi ta vidik zadeve pomemben.

Vpliv harmonikov na komunikacijska vezja

Harmoniki v močnostnih tokokrogih povzročajo šum v komunikacijskih tokokrogih.Nizka raven hrupa povzroči nekaj nelagodja, ko se poveča, se del prenesenih informacij izgubi, v skrajnih primerih postane komunikacija popolnoma nemogoča. Pri tem je ob kakršnih koli tehnoloških spremembah napajalnih in komunikacijskih sistemov potrebno upoštevati vpliv daljnovodov na telefonske linije.

Učinek harmonikov na šum telefonske linije je odvisen od vrstnega reda harmonikov. V povprečju ima telefon - človeško uho funkcijo občutljivosti z največjo vrednostjo pri frekvenci reda 1 kHz. Za ovrednotenje vpliva različnih harmonikov na hrup c. telefon uporablja koeficiente, ki so vsota harmonikov, vzetih z določenimi utežmi. Najpogostejša sta dva koeficienta: psofometrična utež in C-prenos. Prvi faktor je razvil Mednarodni posvetovalni odbor za telefonske in telegrafske sisteme (CCITT) in se uporablja v Evropi, drugi - Bella Telephone Company in Edison Electrotechnical Institute - se uporablja v Združenih državah in Kanadi.

Harmonični tokovi v treh fazah se zaradi neenakosti amplitud in faznih kotov medsebojno ne kompenzirajo popolnoma in vplivajo na telekomunikacije s posledično ničelnim tokom (podobno kot zemeljski tokovi in ​​zemeljski tokovi iz vlečnih sistemov).

Vpliv lahko povzročijo tudi harmonični tokovi v samih fazah zaradi razlike v oddaljenosti faznih vodnikov do bližnjih telekomunikacijskih vodov.

Tovrstne vplive lahko omilimo s pravilno izbiro tras prog, v primeru neizogibnih prehodov črt pa do takšnih vplivov pride.Še posebej močno se kaže pri navpični razporeditvi vodnikov daljnovoda in pri premeščanju vodnikov komunikacijskega voda v bližino daljnovoda.

Pri velikih razdaljah (več kot 100 m) med vodi se izkaže, da je glavni vplivni dejavnik tok ničelnega zaporedja. Ko se nazivna napetost daljnovoda zmanjša, se vpliv zmanjša, vendar se izkaže za opaznega zaradi uporabe skupnih podpor ali jarkov za polaganje nizkonapetostnih daljnovodov in komunikacijskih vodov.