Utjecaj viših harmonika napona i struje na rad električne opreme

Viši harmonici napona i struje utječu na elemente elektroenergetskih sustava i komunikacijskih vodova.

Glavni oblici utjecaja viših harmonika na elektroenergetske sustave su:

• povećanje struja i napona viših harmonika zbog paralelnih i serijskih rezonancija;

• smanjenje učinkovitosti procesa proizvodnje, prijenosa i korištenja električne energije;

• starenje izolacije električne opreme i rezultirajuće smanjenje njezina vijeka trajanja;

• lažni rad opreme.

Utjecaj rezonancija na sustave

Rezonancije u elektroenergetskim sustavima obično se razmatraju u smislu kondenzatora, posebno energetskih kondenzatora. Kada harmonici struje premašuju maksimalno dopuštene razine za kondenzatore, potonji ne pogoršavaju svoje performanse, ali nakon nekog vremena otkazuju.

Drugo područje u kojem rezonancije mogu uzrokovati oštećenje opreme su sustavi za kontrolu tonskog opterećenja. Kako bi se spriječilo da kondenzatori snage apsorbiraju signal, njihovi krugovi su odvojeni podešenim serijskim filtrom (filter-«notch»). U slučaju lokalne rezonancije, harmonici struje u krugu kondenzatora snage naglo rastu, što dovodi do oštećenja podešenog kondenzatora serijskog filtra.

U jednoj od instalacija filtri podešeni na frekvenciju od 530 Hz s prolaznom strujom od 100 A blokirali su svaki krug kondenzatora snage koji je imao 15 sekcija od 65 kvar. Kondenzatori ovi filtri nisu uspjeli nakon dva dana. Razlog je bila prisutnost harmonika frekvencije 350 Hz, u čijoj neposrednoj blizini su uspostavljeni uvjeti rezonancije između podešenog filtra i energetskih kondenzatora.

Djelovanje harmonika na rotacijske strojeve

Harmonici napona i struje dovode do dodatnih gubitaka u namotima statora, u krugovima rotora te u čeliku statora i rotora. Gubici u vodičima statora i rotora zbog vrtložnih struja i površinskog učinka veći su od onih koji su određeni omskim otporom.

Struje curenja uzrokovane harmonicima u krajnjim zonama statora i rotora dovode do dodatnih gubitaka.

U indukcijskom motoru s konusnim rotorom s pulsirajućim magnetskim tokom u statoru i rotoru, viši harmonici uzrokuju dodatne gubitke u čeliku. Veličina tih gubitaka ovisi o kutu nagiba utora i karakteristikama magnetskog kruga.

Prosječna raspodjela gubitaka od viših harmonika karakterizirana je sljedećim podacima; namot statora 14%; lanci rotora 41%; krajnje zone 19%; asimetrični val 26%.

Osim nesimetričnih valnih gubitaka, njihova je raspodjela u sinkronim strojevima približno jednaka.

Treba napomenuti da susjedni neparni harmonici u statoru sinkronog stroja uzrokuju harmonike iste frekvencije u rotoru. Na primjer, 5. i 7. harmonik u statoru uzrokuju strujne harmonike 6. reda u rotoru, vrteći se u različitim smjerovima. Za linearne sustave prosječna gustoća gubitaka na površini rotora proporcionalna je vrijednosti, ali zbog različitog smjera vrtnje gustoća gubitaka u nekim točkama proporcionalna je vrijednosti (I5 + I7) 2.

Dodatni gubici su jedna od najnegativnijih pojava uzrokovanih harmonicima u rotirajućim strojevima. Oni dovode do povećanja ukupne temperature stroja i do lokalnog pregrijavanja, najvjerojatnije u rotoru. Kavezni motori dopuštaju veće gubitke i temperature od motora s namotanim rotorom. Neke smjernice ograničavaju dopuštenu razinu struje negativnog slijeda u generatoru na 10%, a razinu napona negativnog slijeda na ulazima indukcijskog motora na 2%. Tolerancija harmonika u ovom slučaju određena je razinama napona i struja negativnog slijeda koje stvaraju.

Zakretni momenti generirani harmonicima. Harmonici struje u statoru dovode do odgovarajućih zakretnih momenta: harmonici koji tvore pozitivan slijed u smjeru vrtnje rotora i tvore obrnuti slijed u suprotnom smjeru.

Harmonijske struje u statoru stroja uzrokuju pogonsku silu, što dovodi do pojave momenta na osovini u smjeru vrtnje harmoničkog magnetskog polja. Obično su vrlo male i također su djelomično pomaknute zbog suprotnog smjera. Međutim, oni mogu uzrokovati vibriranje osovine motora.

Utjecaj harmonika na statičku opremu, vodove. Strujni harmonici u vodovima dovode do dodatnih gubitaka električne energije i napona.

U kabelskim vodovima harmonici napona pojačavaju djelovanje na dielektrik proporcionalno porastu maksimalne vrijednosti amplitude. To pak povećava broj kvarova kabela i troškove popravka.

U EHV vodovima, naponski harmonici mogu uzrokovati povećanje gubitaka u koroni iz istog razloga.

Utjecaj viših harmonika na transformatore

Harmonici napona uzrokuju povećanje gubitaka zbog histereze i vrtložnih struja u čeliku u transformatorima, kao i gubitke u namotu. Životni vijek izolacije također se smanjuje.

Povećanje gubitaka u namotu najvažnije je u silaznom transformatoru jer prisutnost filtra, obično spojenog na AC stranu, ne smanjuje strujne harmonike u transformatoru. Stoga je potrebno ugraditi veliki energetski transformator. Također se uočava lokalno pregrijavanje spremnika transformatora.

Negativan aspekt učinka harmonika na transformatore velike snage je strujanje trostruke struje nulte sekvence u trokut spojenim namotima. Ovo ih može nadvladati.

Utjecaj viših harmonika na kondenzatorske baterije

Dodatni gubici u električnim kondenzatorima dovode do njihovog pregrijavanja. Općenito, kondenzatori su dizajnirani da izdrže određeno strujno preopterećenje. Kondenzatori proizvedeni u Velikoj Britaniji dopuštaju preopterećenje od 15%, u Europi i Australiji - 30%, u SAD-u - 80%, u CIS-u - 30%. Kada su te vrijednosti prekoračene, promatrane u uvjetima povećanog napona viših harmonika na ulazima kondenzatora, potonji se pregrijavaju i kvare.

Utjecaj viših harmonika na zaštitne uređaje elektroenergetskog sustava

Harmonici mogu ometati rad zaštitnih uređaja ili poremetiti njihov rad. Priroda kršenja ovisi o principu rada uređaja. Digitalni releji i algoritmi temeljeni na diskretiziranoj analizi podataka ili analizi prelaska nule posebno su osjetljivi na harmonike.

Najčešće su promjene u karakteristikama manje. Većina tipova releja će raditi normalno do razine izobličenja od 20%. Međutim, povećanje udjela pretvarača električne energije u mrežama može promijeniti situaciju u budućnosti.

Problemi koji proizlaze iz harmonika razlikuju se za normalne i hitne načine rada i o njima se zasebno govori u nastavku.

Utjecaj harmonika u hitnim načinima rada

Zaštitni uređaji obično reagiraju na napon ili struju osnovne frekvencije i svi prijelazni harmonici se ili filtriraju ili ne utječu na uređaj. Potonji je karakterističan za elektromehaničke releje, posebno korištene u prekostrujnoj zaštiti. Ovi releji imaju visoku inerciju, što ih čini praktički neosjetljivima na više harmonike.

Značajniji je utjecaj harmonika na rad zaštite na temelju mjerenja otpora. Distantna zaštita, gdje se otpor mjeri na osnovnoj frekvenciji, može dati značajne pogreške u prisutnosti viših harmonika u struji kratkog spoja (osobito 3. reda). Visoki sadržaj harmonika obično se opaža kada struja kratkog spoja teče kroz uzemljenje (otpor uzemljenja dominira ukupnim otporom petlje). Ako se harmonici ne filtriraju, vjerojatnost lažnog rada je vrlo velika.

U slučaju metalnog kratkog spoja strujom dominira osnovna frekvencija. Međutim, zbog zasićenja transformatora dolazi do izobličenja sekundarne krivulje, posebno u slučaju velike istosmjerne komponente u primarnoj struji. U ovom slučaju također postoje problemi s osiguravanjem normalnog rada zaštite.

U radnim uvjetima u stacionarnom stanju, nelinearnost povezana s preuzbudom transformatora uzrokuje samo harmonike neparnog reda. Sve vrste harmonika mogu se pojaviti u prijelaznim modovima, s najvećim amplitudama obično 2. i 3. harmonika.

Međutim, pravilnim projektiranjem većina navedenih problema lako se rješava. Odabir prave opreme uklanja mnoge poteškoće povezane s mjernim transformatorima.

Filtriranje harmonika, posebno kod digitalnih zaštita, najvažnije je za daljinsku zaštitu. Radovi provedeni na području metoda digitalnog filtriranja pokazali su da iako su algoritmi za takvo filtriranje često prilično složeni, postizanje željenog rezultata ne predstavlja posebne poteškoće.

Utjecaj harmonika na zaštitne sustave u normalnim režimima rada električnih mreža. Niska osjetljivost zaštitnih uređaja na parametre načina rada u normalnim uvjetima dovodi do praktične odsutnosti problema povezanih s harmonicima u tim načinima rada. Iznimka je problem povezan s uključivanjem snažnih transformatora u mrežu, popraćen valom struje magnetiziranja.

Amplituda vrha ovisi o induktivitetu transformatora, otporu namota i trenutku u kojem je uključivanje uključeno. Zaostali tok u trenutku prije uključivanja blago povećava ili smanjuje amplitudu, ovisno o polaritetu toka u odnosu na početnu vrijednost trenutnog napona. Budući da nema struje na sekundarnoj strani tijekom magnetiziranja, velika primarna struja može uzrokovati lažno okidanje diferencijalne zaštite.

Najlakši način da izbjegnete lažne alarme je korištenje vremenske odgode, ali to može uzrokovati ozbiljnu štetu na transformatoru ako se nezgoda dogodi dok je uključen. U praksi se drugi harmonik prisutan u udarnoj struji, nesvojstven za mreže, koristi za blokiranje zaštite, iako zaštita ostaje prilično osjetljiva na unutarnje kvarove transformatora tijekom uključivanja.

Utjecaj harmonika na potrošačku opremu

Utjecaj viših harmonika na televizore

Harmonici koji povećavaju vršni napon mogu uzrokovati izobličenje slike i promjenu svjetline.

Fluorescentne i živine svjetiljke. Prigušnice ovih žarulja ponekad sadrže kondenzatore i pod određenim uvjetima može doći do rezonancije, što rezultira kvarom žarulje.

Utjecaj viših harmonika na računala

Postoje ograničenja dopuštenih razina izobličenja u mrežama koje pokreću računala i sustave za obradu podataka. U nekim slučajevima se izražavaju kao postotak nominalnog napona (za računalo IVM — 5%) ili u obliku omjera vršnog napona i prosječne vrijednosti (CDC postavlja svoje dopuštene granice na 1,41 ± 0,1).

Utjecaj viših harmonika na pretvaračku opremu

Zarezi u sinusoidnom naponu koji se javljaju tijekom prebacivanja ventila mogu utjecati na vremenski raspored druge slične opreme ili uređaja koji se kontroliraju tijekom krivulje nultog napona.

Utjecaj viših harmonika na opremu s tiristorskim upravljanjem brzinom

U teoriji, harmonici mogu utjecati na takvu opremu na nekoliko načina:

• zarezi sinusnog vala uzrokuju kvar zbog neispravnog paljenja tiristora;

• harmonici napona mogu izazvati izostanak paljenja;

• rezultirajuća rezonancija u prisutnosti raznih vrsta opreme može dovesti do prenapona i vibracija strojeva.

Gore opisane utjecaje mogu osjetiti drugi korisnici povezani na istu mrežu. Ako korisnik nema poteškoća s opremom upravljanom tiristorima u svojim mrežama, malo je vjerojatno da će to utjecati na druge korisnike. Potrošači koji se napajaju različitim sabirnicama teoretski mogu utjecati jedni na druge, ali električna udaljenost smanjuje vjerojatnost takve interakcije.

Utjecaj harmonika na mjerenje snage i energije

Mjerni uređaji obično su kalibrirani na čiste sinusne napone i povećavaju nesigurnost u prisutnosti viših harmonika. Veličina i smjer harmonika važni su čimbenici jer je predznak pogreške određen smjerom harmonika.

Pogreške mjerenja uzrokovane harmonicima uvelike ovise o vrsti mjernih instrumenata. Konvencionalni indukcijski mjerači obično precjenjuju očitanja za nekoliko postotaka (6% svaki) ako korisnik ima izvor izobličenja. Takvi su korisnici automatski kažnjeni za unošenje smetnji u mrežu, pa je u njihovom vlastitom interesu uspostaviti odgovarajuće načine za suzbijanje tih smetnji.

Ne postoje kvantitativni podaci o utjecaju harmonika na točnost mjerenja vršnog opterećenja. Pretpostavlja se da je utjecaj harmonika na točnost mjerenja vršnog opterećenja isti kao i na točnost mjerenja energije.

Točno mjerenje energije, bez obzira na oblik krivulje struje i napona, omogućuju elektronička brojila, čija je cijena veća.

Harmonici utječu kako na točnost mjerenja jalove snage, koja je jasno definirana samo u slučaju sinusoidnih struja i napona, tako i na točnost mjerenja faktora snage.

Rijetko se spominje utjecaj harmonika na točnost kontrole i umjeravanja instrumenata u laboratorijima, iako je i ovaj aspekt stvari važan.

Utjecaj harmonika na komunikacijske krugove

Harmonici u strujnim krugovima uzrokuju šum u komunikacijskim krugovima.Niska razina buke dovodi do određene nelagode, kako se povećava, dio prenesenih informacija se gubi, u ekstremnim slučajevima komunikacija postaje potpuno nemoguća. S tim u vezi, kod bilo kakvih tehnoloških promjena u sustavima napajanja i komunikacija, potrebno je voditi računa o utjecaju vodova na telefonske vodove.

Učinak harmonika na šum telefonske linije ovisi o redoslijedu harmonika. U prosjeku, telefon - ljudsko uho ima funkciju osjetljivosti s maksimalnom vrijednošću na frekvenciji reda veličine 1 kHz. Za procjenu utjecaja različitih harmonika na buku c. telefon koristi koeficijente, koji su zbroj harmonika uzetih s određenim ponderima. Dva su najčešća koeficijenta: psofometrijsko ponderiranje i C-prijenos. Prvi faktor razvio je Međunarodni savjetodavni odbor za telefonske i telegrafske sustave (CCITT) i koristi se u Europi, drugi — od strane Bella Telephone Company i Edison Electrotechnical Institute — koristi se u Sjedinjenim Državama i Kanadi.

Harmonijske struje u tri faze ne kompenziraju u potpunosti jedna drugu zbog nejednakosti amplituda i faznih kutova i utječu na telekomunikacije s rezultirajućom strujom nulte sekvence (slično strujama zemljospoja i strujama zemljospoja iz sustava vuče).

Utjecaj mogu izazvati i harmonijske struje u samim fazama zbog razlike u udaljenosti faznih vodiča do obližnjih telekomunikacijskih vodova.

Ove vrste utjecaja mogu se ublažiti pravilnim odabirom tragova vodova, ali u slučaju neizbježnih križanja vodova do takvih utjecaja dolazi.Posebno se snažno očituje u slučaju vertikalnog rasporeda vodova dalekovoda i kada su vodovi komunikacijskog voda transponirani u blizini dalekovoda.

Na velikim udaljenostima (više od 100 m) između vodova, glavni utjecajni čimbenik je struja nulte sekvence. Kada se smanji nazivni napon dalekovoda, utjecaj se smanjuje, ali se pokazuje vidljivim zbog korištenja zajedničkih nosača ili rovova za polaganje vodova niskog napona i komunikacijskih vodova.