Wpływ wyższych harmonicznych napięcia i prądu na pracę urządzeń elektrycznych

Wyższe harmoniczne napięcia i prądu wpływają na elementy systemów elektroenergetycznych i linii komunikacyjnych.

Główne formy oddziaływania wyższych harmonicznych na systemy elektroenergetyczne to:

• wzrost prądów i napięć wyższych harmonicznych na skutek rezonansów równoległych i szeregowych;

• zmniejszenie efektywności procesów produkcji, przesyłu, wykorzystania energii elektrycznej;

• starzenie się izolacji urządzeń elektrycznych i wynikające z tego skrócenie ich żywotności;

• fałszywe działanie sprzętu.

Wpływ rezonansów na układy

Rezonanse w systemach zasilania są zwykle rozpatrywane w kategoriach kondensatorów, zwłaszcza kondensatorów mocy. Kiedy harmoniczne prądu przekraczają maksymalne dopuszczalne poziomy dla kondensatorów, te ostatnie nie pogarszają swojej wydajności, ale po pewnym czasie ulegają awarii.

Innym obszarem, w którym rezonanse mogą powodować uszkodzenia sprzętu, są systemy sterowania obciążeniem alikwotowym. Aby zapobiec pochłanianiu sygnału przez kondensatory mocy, ich obwody są oddzielone dostrojonym filtrem szeregowym (filter-«notch»). W przypadku lokalnego rezonansu harmoniczne prądu w obwodzie kondensatora mocy gwałtownie rosną, co prowadzi do uszkodzenia dostrojonego kondensatora filtra szeregowego.

W jednej z instalacji filtry dostrojone do częstotliwości 530 Hz przy prądzie przepustowym 100 A zablokowały każdy obwód kondensatora mocy, który miał 15 sekcji po 65 kvar. Kondensatory te filtry zawiodły po dwóch dniach. Powodem była obecność harmonicznej o częstotliwości 350 Hz, w bezpośrednim sąsiedztwie której powstały warunki rezonansowe między dostrojonym filtrem a kondensatorami mocy.

Wpływ harmonicznych na maszyny wirujące

Harmoniczne napięcia i prądu prowadzą do dodatkowych strat w uzwojeniach stojana, w obwodach wirnika oraz w stali stojana i wirnika. Straty w przewodnikach stojana i wirnika spowodowane prądami wirowymi i efektem powierzchniowym są większe niż te określone przez rezystancję omową.

Prądy upływowe spowodowane harmonicznymi w strefach krańcowych stojana i wirnika prowadzą do dodatkowych strat.

W silniku indukcyjnym o stożkowym wirniku z pulsującym strumieniem magnetycznym w stojanie i wirniku wyższe harmoniczne powodują dodatkowe straty w stali. Wielkość tych strat zależy od kąta nachylenia szczelin i charakterystyki obwodu magnetycznego.

Średni rozkład strat od wyższych harmonicznych charakteryzuje się następującymi danymi; uzwojenie stojana 14%; łańcuchy wirnika 41%; strefy końcowe 19%; fala asymetryczna 26%.

Z wyjątkiem asymetrycznych strat falowych, ich rozkład w maszynach synchronicznych jest w przybliżeniu taki sam.

Należy zauważyć, że sąsiednie nieparzyste harmoniczne w stojanie maszyny synchronicznej powodują harmoniczne o tej samej częstotliwości w wirniku. Na przykład piąta i siódma harmoniczna w stojanie powodują harmoniczne prądu szóstego rzędu w wirniku, wirujące w różnych kierunkach. Dla układów liniowych średnia gęstość strat na powierzchni wirnika jest proporcjonalna do wartości, ale ze względu na inny kierunek obrotów gęstość strat w niektórych punktach jest proporcjonalna do wartości (I5 + I7) 2.

Straty dodatkowe są jednym z najbardziej negatywnych zjawisk powodowanych przez harmoniczne w maszynach wirujących. Prowadzą one do wzrostu temperatury ogólnej maszyny i miejscowego przegrzania, najprawdopodobniej w wirniku. Silniki klatkowe pozwalają na wyższe straty i temperatury niż silniki z wirnikiem uzwojonym. Niektóre wytyczne ograniczają dopuszczalny poziom składowej przeciwnej prądu w generatorze do 10%, a poziom składowej przeciwnej napięcia na wejściach silnika indukcyjnego do 2%. Tolerancja harmonicznych w tym przypadku zależy od tego, jakie poziomy składowej przeciwnej napięć i prądów tworzą.

Momenty generowane przez harmoniczne. Harmoniczne prądu w stojanie powodują powstanie odpowiednich momentów obrotowych: harmoniczne tworzące ciąg dodatni w kierunku wirowania wirnika i tworzące ciąg odwrotny w kierunku przeciwnym.

Prądy harmoniczne w stojanie maszyny powodują powstanie siły napędowej, która prowadzi do pojawienia się na wale momentów obrotowych w kierunku wirowania harmonicznego pola magnetycznego. Są one zwykle bardzo małe, a także częściowo przesunięte ze względu na przeciwny kierunek. Mogą jednak powodować wibracje wału silnika.

Wpływ harmonicznych na urządzenia statyczne, linie elektroenergetyczne. Harmoniczne prądu w liniach prowadzą do dodatkowych strat energii elektrycznej i napięcia.

W liniach kablowych harmoniczne napięcia zwiększają oddziaływanie na dielektryk proporcjonalnie do wzrostu maksymalnej wartości amplitudy. To z kolei zwiększa liczbę awarii kabli i koszty naprawy.

W liniach EHV harmoniczne napięcia mogą powodować wzrost strat koronowych z tego samego powodu.

Wpływ wyższych harmonicznych na transformatory

Harmoniczne napięcia powodują wzrost strat histerezy i prądów wirowych w stali transformatorów oraz strat w uzwojeniach. Zmniejsza się również żywotność izolacji.

Wzrost strat uzwojenia jest najważniejszy w transformatorze obniżającym napięcie, ponieważ obecność filtra, zwykle podłączonego po stronie prądu przemiennego, nie zmniejsza harmonicznych prądu w transformatorze. Dlatego konieczne jest zainstalowanie dużego transformatora mocy. Obserwuje się również miejscowe przegrzewanie kadzi transformatora.

Negatywnym aspektem wpływu harmonicznych na transformatory dużej mocy jest cyrkulacja prądu potrójnej składowej zerowej w uzwojeniach połączonych w trójkąt. To może ich przerastać.

Wpływ wyższych harmonicznych na baterie kondensatorów

Dodatkowe straty w kondensatorach elektrycznych prowadzą do ich przegrzania. Ogólnie rzecz biorąc, kondensatory są zaprojektowane tak, aby wytrzymać określone przeciążenie prądowe. Kondensatory produkowane w Wielkiej Brytanii pozwalają na przeciążenie 15%, w Europie i Australii - 30%, w USA - 80%, w WNP - 30%. Gdy te wartości zostaną przekroczone, obserwowane w warunkach podwyższonego napięcia wyższych harmonicznych na wejściach kondensatorów, te ostatnie przegrzewają się i ulegają awarii.

Wpływ wyższych harmonicznych na elektroenergetyczne urządzenia zabezpieczające

Harmoniczne mogą zakłócać działanie urządzeń zabezpieczających lub utrudniać ich działanie. Charakter naruszenia zależy od zasady działania urządzenia. Przekaźniki cyfrowe i algorytmy oparte na analizie danych dyskretyzowanych lub analizie przejścia przez zero są szczególnie wrażliwe na harmoniczne.

Najczęściej zmiany w charakterystyce są niewielkie. Większość typów przekaźników będzie działać normalnie do poziomu zniekształceń 20%. Jednak zwiększenie udziału przekształtników w sieciach może zmienić sytuację w przyszłości.

Problemy wynikające z harmonicznych są różne dla trybu normalnego i awaryjnego i zostały omówione oddzielnie poniżej.

Wpływ harmonicznych w stanach awaryjnych

Urządzenia zabezpieczające zwykle reagują na napięcie lub prąd o częstotliwości podstawowej, a wszelkie harmoniczne przejściowe są filtrowane lub nie mają wpływu na urządzenie. To ostatnie jest charakterystyczne dla przekaźników elektromechanicznych, zwłaszcza stosowanych w zabezpieczeniach nadprądowych. Przekaźniki te mają dużą bezwładność, co czyni je praktycznie niewrażliwymi na wyższe harmoniczne.

Bardziej znaczący jest wpływ harmonicznych na skuteczność ochrony na podstawie pomiaru rezystancji. Zabezpieczenie odległościowe, w którym rezystancja jest mierzona przy częstotliwości podstawowej, może dawać znaczne błędy w obecności wyższych harmonicznych w prądzie zwarciowym (zwłaszcza 3. rzędu). Wysoka zawartość harmonicznych jest zwykle obserwowana, gdy prąd zwarciowy przepływa przez ziemię (rezystancja uziemienia dominuje w całkowitej rezystancji pętli). Jeśli harmoniczne nie są filtrowane, prawdopodobieństwo błędnego działania jest bardzo wysokie.

W przypadku zwarcia metalicznego prąd jest zdominowany przez częstotliwość podstawową. Jednak ze względu na nasycenie transformatora dochodzi do zniekształceń krzywej wtórnej, zwłaszcza w przypadku dużej składowej stałej prądu pierwotnego. W tym przypadku również występują problemy z zapewnieniem normalnego działania zabezpieczenia.

W warunkach pracy w stanie ustalonym nieliniowość związana z przewzbudzeniem transformatora powoduje jedynie harmoniczne nieparzystego rzędu. W trybach przejściowych mogą występować wszystkie rodzaje harmonicznych, przy czym największe amplitudy to zazwyczaj 2. i 3. harmoniczna.

Jednak przy odpowiednim projekcie większość wymienionych problemów można łatwo rozwiązać. Dobór odpowiedniego sprzętu eliminuje wiele trudności związanych z pomiarami przekładników.

Filtrowanie harmonicznych, zwłaszcza w zabezpieczeniach cyfrowych, jest najważniejsze dla zabezpieczenia odległościowego. Prace przeprowadzone w zakresie metod filtracji cyfrowej pokazały, że choć algorytmy takiej filtracji są często dość złożone, to uzyskanie pożądanego rezultatu nie nastręcza szczególnych trudności.

Wpływ harmonicznych na układy ochronne w normalnych trybach pracy sieci elektrycznych. Mała wrażliwość zabezpieczeń na parametry modowe w normalnych warunkach prowadzi do praktycznego braku problemów związanych z harmonicznymi w tych modach. Wyjątkiem jest problem związany z włączeniem do sieci potężnych transformatorów, któremu towarzyszy skok prądu magnesującego.

Amplituda piku zależy od indukcyjności transformatora, rezystancji uzwojenia oraz momentu załączenia. Strumień szczątkowy w chwili przed włączeniem nieznacznie zwiększa lub zmniejsza amplitudę w zależności od biegunowości strumienia względem wartości początkowej napięcia chwilowego. Ponieważ podczas magnesowania po stronie wtórnej nie płynie prąd, duży prąd pierwotny może spowodować fałszywe zadziałanie zabezpieczenia różnicowego.

Najłatwiejszym sposobem uniknięcia fałszywych alarmów jest użycie opóźnienia czasowego, ale może to spowodować poważne uszkodzenie transformatora, jeśli zdarzy się wypadek, gdy jest on włączony. W praktyce druga harmoniczna występująca w prądzie rozruchowym, niecharakterystyczna dla sieci, służy do blokowania zabezpieczenia, chociaż zabezpieczenie pozostaje dość wrażliwe na wewnętrzne zwarcia transformatora podczas załączania.

Wpływ harmonicznych na sprzęt konsumencki

Wpływ wyższych harmonicznych na telewizory

Harmoniczne zwiększające napięcie szczytowe mogą powodować zniekształcenie obrazu i zmianę jasności.

Lampy fluorescencyjne i rtęciowe. Stateczniki tych lamp czasami zawierają kondensatory iw pewnych warunkach może wystąpić rezonans, powodujący awarię lampy.

Wpływ wyższych harmonicznych na komputery

Istnieją granice dopuszczalnych poziomów zniekształceń w sieciach zasilających komputery i systemy przetwarzania danych. W niektórych przypadkach są one wyrażone jako procent napięcia nominalnego (dla komputera IVM — 5%) lub w postaci stosunku napięcia szczytowego do wartości średniej (CDC ustala swoje dopuszczalne granice na 1,41 ± 0,1).

Wpływ wyższych harmonicznych na urządzenia przetwarzające

Karby w napięciu sinusoidalnym, które występują podczas przełączania zaworów, mogą wpływać na taktowanie innych podobnych urządzeń lub urządzeń, które są sterowane podczas krzywej napięcia zerowego.

Wpływ wyższych harmonicznych na urządzenia prędkości sterowane tyrystorowo

Teoretycznie harmoniczne mogą wpływać na taki sprzęt na kilka sposobów:

• wycięcia fali sinusoidalnej powodują awarię z powodu przerwy w zapłonie tyrystorów;

• harmoniczne napięcia mogą powodować przerwy w zapłonie;

• wynikający z tego rezonans w obecności różnego rodzaju urządzeń może prowadzić do przepięć i wibracji maszyn.

Opisane powyżej skutki mogą być odczuwalne przez innych użytkowników podłączonych do tej samej sieci. Jeśli użytkownik nie ma trudności z urządzeniami sterowanymi tyrystorowo w swoich sieciach, jest mało prawdopodobne, aby miało to wpływ na innych użytkowników. Konsumenci zasilani różnymi autobusami mogą teoretycznie wpływać na siebie nawzajem, ale odległość elektryczna zmniejsza prawdopodobieństwo takiej interakcji.

Wpływ harmonicznych na pomiary mocy i energii

Urządzenia pomiarowe są zwykle kalibrowane do czystych napięć sinusoidalnych i zwiększają niepewność w obecności wyższych harmonicznych. Wielkość i kierunek harmonicznych są ważnymi czynnikami, ponieważ znak błędu jest określony przez kierunek harmonicznych.

Błędy pomiarowe powodowane przez harmoniczne w dużym stopniu zależą od rodzaju przyrządów pomiarowych. Konwencjonalne mierniki indukcyjne zwykle zawyżają odczyty o kilka procent (po 6%), jeśli użytkownik ma źródło zniekształceń. Tacy użytkownicy są automatycznie karani za wprowadzanie zakłóceń do sieci, dlatego w ich własnym interesie leży ustanowienie odpowiednich środków tłumienia tych zakłóceń.

Brak jest danych ilościowych dotyczących wpływu harmonicznych na dokładność pomiaru obciążenia szczytowego. Przyjmuje się, że wpływ harmonicznych na dokładność pomiaru obciążenia szczytowego jest taki sam jak na dokładność pomiaru energii.

Dokładny pomiar energii, niezależnie od kształtu krzywych prądu i napięcia, zapewniają mierniki elektroniczne, które mają wyższy koszt.

Harmoniczne wpływają zarówno na dokładność pomiaru mocy biernej, która jest jednoznacznie określona tylko w przypadku prądów i napięć sinusoidalnych, jak i na dokładność pomiaru współczynnika mocy.

Rzadko wspomina się o wpływie harmonicznych na dokładność kontroli i wzorcowania przyrządów w laboratoriach, choć ten aspekt zagadnienia jest również istotny.

Wpływ harmonicznych na obwody komunikacyjne

Harmoniczne w obwodach mocy powodują szumy w obwodach komunikacyjnych.Niski poziom hałasu powoduje pewien dyskomfort, ponieważ wzrasta, część przesyłanych informacji jest tracona, w skrajnych przypadkach komunikacja staje się całkowicie niemożliwa. W związku z tym przy wszelkich zmianach technologicznych w systemach zasilania i łączności konieczne jest uwzględnienie wpływu linii elektroenergetycznych na linie telefoniczne.

Wpływ harmonicznych na zakłócenia linii telefonicznej zależy od kolejności harmonicznych. Średnio telefon - ucho ludzkie ma funkcję czułości o maksymalnej wartości przy częstotliwości rzędu 1 kHz. Ocena wpływu różnych harmonicznych na hałas c. telefon wykorzystuje współczynniki, które są sumą harmonicznych pobieranych z określonymi wagami.Najczęstsze są dwa współczynniki: ważenie psofometryczne i transmisja C. Pierwszy czynnik został opracowany przez Międzynarodowy Komitet Konsultacyjny ds. Systemów Telefonicznych i Telegraficznych (CCITT) i jest używany w Europie, drugi — przez firmę Bella Telephone Company i Edison Electrotechnical Institute — jest używany w Stanach Zjednoczonych i Kanadzie.

Prądy harmoniczne w trzech fazach nie kompensują się w pełni ze względu na nierówność amplitud i kątów fazowych i wpływają na telekomunikację z wynikającym z tego prądem składowej zerowej (podobnie jak prądy ziemnozwarciowe i prądy doziemne z sieci trakcyjnych).

Wpływ mogą mieć również prądy harmoniczne w samych fazach spowodowane różnicą odległości między przewodami fazowymi a pobliskimi liniami telekomunikacyjnymi.

Tego typu wpływy można złagodzić poprzez odpowiedni dobór przebiegów linii, jednak w przypadku nieuniknionych przecięć linii takie wpływy występują.Szczególnie silnie objawia się to w przypadku pionowego ułożenia przewodów linii elektroenergetycznej oraz gdy przewody linii komunikacyjnej są transponowane w sąsiedztwie linii elektroenergetycznej.

Przy dużych odległościach (powyżej 100 m) między liniami głównym czynnikiem wpływającym okazuje się składowa zerowa prądu. Gdy napięcie znamionowe linii elektroenergetycznej maleje, wpływ ten maleje, ale okazuje się zauważalny ze względu na stosowanie wspólnych podpór lub rowów do układania linii elektroenergetycznych niskiego napięcia i linii komunikacyjnych.