Påvirkning av høyere harmoniske av spenning og strøm på driften av elektrisk utstyr

De høyere spennings- og strømharmoniene påvirker elementene i kraftsystemer og kommunikasjonslinjer.

De viktigste formene for påvirkning av høyere harmoniske på kraftsystemer er:

• økning i strømmer og spenninger med høyere harmoniske på grunn av parallell- og serieresonanser;

• redusere effektiviteten til produksjon, overføring, bruk av elektrisitetsprosesser;

• aldring av elektrisk utstyrsisolasjon og resulterende reduksjon i levetiden;

• feil bruk av utstyret.

Påvirkning av resonanser på systemer

Resonanser i kraftsystemer blir vanligvis vurdert når det gjelder kondensatorer, spesielt kraftkondensatorer. Når strømmens harmoniske overskrider de maksimalt tillatte nivåene for kondensatorer, forringer ikke sistnevnte ytelsen, men mislykkes etter en stund.

Et annet område hvor resonanser kan forårsake skade på utstyret er i overtonelastkontrollsystemer. For å forhindre at signalet absorberes av kraftkondensatorene, er kretsene deres atskilt med et avstemt seriefilter (filter-«notch»). Ved lokal resonans øker strømmens harmoniske i strømkondensatorkretsen kraftig, noe som fører til skade på den innstilte kondensatoren til seriefilteret.

I en av installasjonene blokkerte filtre innstilt til en frekvens på 530 Hz med en passstrøm på 100 A hver krets i en strømkondensator som hadde 15 seksjoner på 65 kvar. Kondensatorer disse filtrene mislyktes etter to dager. Årsaken var tilstedeværelsen av en harmonisk med en frekvens på 350 Hz, i umiddelbar nærhet av hvilken resonansforhold ble etablert mellom det innstilte filteret og kraftkondensatorene.

Effekt av harmoniske på roterende maskiner

Spennings- og strømharmoniske fører til ytterligere tap i statorviklingene, i rotorkretsene og i statoren og rotorstålet. Tapene i stator- og rotorlederne på grunn av virvelstrømmer og overflateeffekt er større enn de som bestemmes av den ohmske motstanden.

Lekkasjestrømmene forårsaket av harmoniske i endesonene til statoren og rotoren fører til ytterligere tap.

I en konisk rotorinduksjonsmotor med pulserende magnetisk fluks i statoren og rotoren, forårsaker de høyere harmoniske ytterligere tap i stålet. Størrelsen på disse tapene avhenger av hellingsvinkelen til sporene og egenskapene til den magnetiske kretsen.

Den gjennomsnittlige fordelingen av tap fra høyere harmoniske er preget av følgende data; statorvikling 14 %; rotorkjeder 41%; endesoner 19%; asymmetrisk bølge 26%.

Bortsett fra asymmetriske bølgetap, er deres fordeling i synkrone maskiner omtrent den samme.

Det skal bemerkes at tilstøtende odde harmoniske i statoren til en synkronmaskin forårsaker harmoniske med samme frekvens i rotoren. For eksempel forårsaker 5. og 7. harmoniske i statoren 6. ordens strømharmoniske i rotoren, som spinner i forskjellige retninger. For lineære systemer er den gjennomsnittlige tapstettheten på rotoroverflaten proporsjonal med verdien, men på grunn av ulik rotasjonsretning er tapstettheten på noen punkter proporsjonal med verdien (I5 + I7) 2.

Ytterligere tap er et av de mest negative fenomenene forårsaket av harmoniske i roterende maskiner. De fører til en økning i den totale temperaturen på maskinen og til lokal overoppheting, mest sannsynlig i rotoren. Ekornburmotorer tillater høyere tap og temperaturer enn viklede rotormotorer. Noen retningslinjer begrenser det tillatte strømnivået for negativ sekvens i generatoren til 10 % og spenningsnivået i negativ sekvens ved induksjonsmotorinngangene til 2 %. Toleransen til harmoniske i dette tilfellet bestemmes av hvilke nivåer av negative sekvensspenninger og strømmer de skaper.

Dreiemomentene generert av harmoniske. Overtonene til strømmen i statoren gir opphav til de tilsvarende dreiemomentene: harmoniske som danner en positiv sekvens i rotorens rotasjonsretning, og danner en omvendt sekvens i motsatt retning.

Harmoniske strømmer i maskinens stator forårsaker en drivkraft, som fører til utseendet av dreiemomenter på akselen i rotasjonsretningen til det harmoniske magnetfeltet. De er vanligvis svært små og er også delvis forskjøvet på grunn av motsatt retning. Imidlertid kan de få motorakselen til å vibrere.

Påvirkning av harmoniske på statisk utstyr, kraftledninger. Strømovertoner i linjene fører til ytterligere tap av elektrisitet og spenning.

I kabellinjer øker spenningsharmoniske effekten på dielektrikumet i forhold til økningen i maksimalverdien av amplituden. Dette øker igjen antallet kabelfeil og reparasjonskostnader.

I EHV-linjer kan spenningsovertoner forårsake en økning i korona-tap av samme grunn.

Påvirkning av høyere harmoniske på transformatorer

Spenningsharmoniske forårsaker en økning i hysterese-tap og virvelstrømstap i stålet i transformatorer, samt viklingstap. Levetiden til isolasjonen reduseres også.

Økningen i viklingstap er viktigst i en nedtrappingstransformator fordi tilstedeværelsen av et filter, vanligvis koblet til AC-siden, ikke reduserer strømharmoniske i transformatoren. Derfor er det nødvendig å installere en stor krafttransformator. Lokal overoppheting av transformatortanken observeres også.

Et negativt aspekt ved effekten av harmoniske på høyeffekttransformatorer er sirkulasjonen av trippel nullsekvensstrøm i deltakoblede viklinger. Dette kan overvelde dem.

Påvirkning av høyere harmoniske på kondensatorbanker

De ekstra tapene i de elektriske kondensatorene fører til overoppheting av dem. Generelt er kondensatorer designet for å tåle en viss strømoverbelastning. Kondensatorer produsert i Storbritannia tillater en overbelastning på 15%, i Europa og Australia - 30%, i USA - 80%, i CIS - 30%. Når disse verdiene overskrides, observert under forhold med økt spenning med høyere harmoniske ved inngangene til kondensatorene, overopphetes sistnevnte og mislykkes.

Påvirkning av høyere harmoniske på kraftsystembeskyttelsesenheter

Overtoner kan forstyrre bruken av verneutstyr eller svekke deres funksjon. Arten av bruddet avhenger av prinsippet om enhetens drift. Digitale releer og algoritmer basert på diskretisert dataanalyse eller nullkryssanalyse er spesielt følsomme for harmoniske.

Oftest er endringer i egenskaper små. De fleste typer reléer vil fungere normalt opp til et forvrengningsnivå på 20 %. Å øke andelen kraftomformere i nettverk kan imidlertid endre situasjonen i fremtiden.

Problemene som oppstår fra harmoniske er forskjellige for normal- og nødmodus og diskuteres separat nedenfor.

Påvirkning av harmoniske i nødmodus

Beskyttelsesenheter reagerer vanligvis på grunnfrekvensspenningen eller -strømmen, og eventuelle transiente harmoniske blir enten filtrert ut eller påvirker ikke enheten. Sistnevnte er karakteristisk for elektromekaniske releer, spesielt brukt i overstrømsbeskyttelse. Disse reléene har høy treghet, noe som gjør dem praktisk talt ufølsomme for høyere harmoniske.

Mer signifikant er påvirkningen av harmoniske på beskyttelsesytelse basert på motstandsmåling. Avstandsbeskyttelse, hvor motstanden måles ved grunnfrekvensen, kan gi betydelige feil ved tilstedeværelse av høyere harmoniske i kortslutningsstrømmen (spesielt av 3. orden). Høyt harmonisk innhold observeres vanligvis når kortslutningsstrøm flyter gjennom jord (jordmotstand dominerer den totale sløyfemotstanden). Hvis harmoniske ikke filtreres, er sannsynligheten for feiloperasjon svært høy.

Ved en metallisk kortslutning domineres strømmen av grunnfrekvensen. På grunn av transformatorens metning oppstår imidlertid sekundær kurveforvrengning, spesielt ved en stor likestrømskomponent i primærstrømmen. I dette tilfellet er det også problemer med å sikre normal drift av vernet.

Under stabile driftsforhold forårsaker ikke-lineariteten forbundet med transformatorovereksitasjon bare odde-ordens harmoniske. Alle slags harmoniske kan forekomme i transiente moduser, med de største amplitudene vanligvis den andre og tredje.

Men med riktig design løses de fleste av de oppførte problemene enkelt. Å velge riktig utstyr eliminerer mange av vanskelighetene forbundet med å måle transformatorer.

Harmonisk filtrering, spesielt i digitale beskyttelser, er viktigst for avstandsbeskyttelse. Arbeidet som er utført innen digitale filtreringsmetoder har vist at selv om algoritmene for slik filtrering ofte er ganske komplekse, gir det ikke spesielle vanskeligheter å oppnå ønsket resultat.

Påvirkningen av harmoniske på beskyttelsessystemer under normale driftsmoduser for elektriske nettverk. Den lave følsomheten til beskyttelsesanordningene for modusparametrene under normale forhold fører til praktisk fravær av problemer forbundet med harmoniske i disse modusene. Et unntak er problemet forbundet med inkludering av kraftige transformatorer i nettverket, ledsaget av en økning i magnetiseringsstrømmen.

Amplituden til toppen avhenger av induktansen til transformatoren, motstanden til viklingen og øyeblikket når tenningen slås på. Restfluksen i øyeblikket før innkobling øker eller reduserer amplituden litt, avhengig av polariteten til fluksen i forhold til startverdien til den øyeblikkelige spenningen. Siden det ikke er strøm på sekundærsiden under magnetisering, kan en stor primærstrøm føre til at differensialbeskyttelsen utløses feilaktig.

Den enkleste måten å unngå falske alarmer på er å bruke en tidsforsinkelse, men dette kan forårsake alvorlige skader på transformatoren dersom det skjer en ulykke mens den er på. I praksis brukes den andre harmoniske som er tilstede i innkoblingsstrømmen, ukarakteristisk for nettverk, for å blokkere beskyttelsen, selv om beskyttelsen forblir ganske følsom for interne feil i transformatoren under innkobling.

Effekt av harmoniske på forbrukerutstyr

Påvirkningen av høyere harmoniske på TVer

Overtoner som øker toppspenningen kan forårsake bildeforvrengning og endring i lysstyrke.

Lysrør og kvikksølvlamper. Ballastene til disse lampene inneholder noen ganger kondensatorer og under visse forhold kan det oppstå resonans, noe som resulterer i lampesvikt.

Effekten av høyere harmoniske på datamaskiner

Det er grenser for de tillatte nivåene av forvrengning i nettverkene som driver datamaskiner og databehandlingssystemer. I noen tilfeller er de uttrykt som en prosentandel av den nominelle spenningen (for en datamaskin IVM - 5%) eller i form av forholdet mellom toppspenningen og gjennomsnittsverdien (CDC setter sine tillatte grenser til 1,41 ± 0,1).

Påvirkningen av høyere harmoniske på konverteringsutstyr

Hakk i den sinusformede spenningen som oppstår under ventilbytte kan påvirke tidspunktet for annet lignende utstyr eller enheter som styres under nullspenningskurven.

Påvirkningen av høyere harmoniske på tyristorstyrt hastighetsutstyr

I teorien kan harmoniske påvirke slikt utstyr på flere måter:

• hakkene i sinusbølgen forårsaker en funksjonsfeil på grunn av feiltenning av tyristorene;

• spenningsharmoniske kan forårsake feiltenninger;

• den resulterende resonansen i nærvær av ulike typer utstyr kan føre til overspenninger og vibrasjoner av maskiner.

Konsekvensene beskrevet ovenfor kan merkes av andre brukere som er koblet til samme nettverk. Hvis brukeren ikke har noen problemer med tyristorstyrt utstyr i sine nettverk, er det lite sannsynlig at det vil påvirke andre brukere. Forbrukere som drives av forskjellige busser kan teoretisk påvirke hverandre, men den elektriske avstanden reduserer sannsynligheten for slik interaksjon.

Effekt av harmoniske på effekt- og energimålinger

Måleenheter er vanligvis kalibrert til rene sinusformede spenninger og øker usikkerheten i nærvær av høyere harmoniske. Størrelsen og retningen til de harmoniske er viktige faktorer fordi fortegnet på feilen bestemmes av retningen til de harmoniske.

Målefeil forårsaket av harmoniske er svært avhengig av typen måleinstrumenter. Konvensjonelle induksjonsmålere overvurderer vanligvis avlesningene med noen få prosent (6 % hver) hvis brukeren har en kilde til forvrengning. Slike brukere blir automatisk straffet for å introdusere forvrengninger i nettverket, så det er i deres egen interesse å etablere passende metoder for å undertrykke disse forvrengningene.

Det er ingen kvantitative data på innflytelsen av harmoniske på nøyaktigheten av topplastmåling. Det antas at innflytelsen av harmoniske på nøyaktigheten av topplastmålingen er den samme som på nøyaktigheten til energimålingen.

Nøyaktig måling av energi, uavhengig av formen på strøm- og spenningskurvene, leveres av elektroniske målere, som har en høyere kostnad.

Overtoner påvirker både nøyaktigheten av målingen av reaktiv effekt, som er klart definert bare i tilfelle av sinusformede strømmer og spenninger, og nøyaktigheten av effektfaktormålingen.

Påvirkningen av harmoniske på nøyaktigheten av inspeksjon og kalibrering av instrumenter i laboratorier er sjelden nevnt, selv om dette aspektet av saken også er viktig.

Påvirkningen av harmoniske på kommunikasjonskretser

Overtoner i strømkretser forårsaker støy i kommunikasjonskretser.Et lavt støynivå fører til noe ubehag, ettersom det øker, går en del av den overførte informasjonen tapt, i ekstreme tilfeller blir kommunikasjon helt umulig. I denne forbindelse, med eventuelle teknologiske endringer i strømforsynings- og kommunikasjonssystemer, er det nødvendig å ta hensyn til påvirkningen av kraftlinjer på telefonlinjer.

Effekten av harmoniske på telefonlinjestøy avhenger av rekkefølgen på harmoniske. I gjennomsnitt har telefonen - det menneskelige øret en følsomhetsfunksjon med en maksimal verdi ved en frekvens i størrelsesorden 1 kHz. For å evaluere påvirkningen av ulike harmoniske på støyen c. telefonen bruker koeffisienter, som er summen av harmoniske tatt med visse vekter To koeffisienter er mest vanlig: psofometrisk vekting og C-overføring. Den første faktoren ble utviklet av International Consultative Committee on Telephone and Telegraph Systems (CCITT) og brukes i Europa, den andre - av Bella Telephone Company og Edison Electrotechnical Institute - brukes i USA og Canada.

Harmoniske strømmer i de tre fasene kompenserer ikke hverandre fullt ut på grunn av ulikheten i amplituder og fasevinkler og påvirker telekommunikasjonen med den resulterende nullsekvensstrømmen (ligner jordfeilstrømmer og jordstrømmer fra trekksystemer).

Påvirkningen kan også være forårsaket av harmoniske strømmer i selve fasene på grunn av forskjellen i avstander fra faselederne til nærliggende telekommunikasjonslinjer.

Disse typer påvirkninger kan dempes ved riktig valg av linjespor, men ved uunngåelige linjekryssinger forekommer slike påvirkninger.Det er spesielt sterkt manifestert i tilfellet med et vertikalt arrangement av ledningene til kraftledningen og når ledningene til kommunikasjonslinjen er transponert i nærheten av kraftledningen.

Ved store avstander (mer enn 100 m) mellom linjene viser det seg at hovedpåvirkningsfaktoren er nullsekvensstrømmen. Når den nominelle spenningen til kraftledningen synker, avtar påvirkningen, men den viser seg å være merkbar på grunn av bruken av vanlige støtter eller grøfter for å legge lavspentledninger og kommunikasjonslinjer.