Vplyv vyšších harmonických napätia a prúdu na prevádzku elektrických zariadení

Vyššie harmonické napätie a prúd ovplyvňujú prvky energetických systémov a komunikačných vedení.

Hlavné formy vplyvu vyšších harmonických na energetické systémy sú:

• zvýšenie prúdov a napätí vyšších harmonických v dôsledku paralelných a sériových rezonancií;

• zníženie efektívnosti procesov výroby, prenosu, využívania elektriny;

• starnutie izolácie elektrického zariadenia a z toho vyplývajúce zníženie jeho životnosti;

• nesprávne fungovanie zariadenia.

Vplyv rezonancií na systémy

Rezonancie v energetických systémoch sa zvyčajne považujú za kondenzátory, najmä výkonové kondenzátory. Keď harmonické prúdy prekročia maximálne prípustné úrovne pre kondenzátory, kondenzátory nezhoršia ich výkon, ale po chvíli zlyhajú.

Ďalšou oblasťou, kde môžu rezonancie spôsobiť poškodenie zariadenia, sú systémy riadenia záťaže podtónu. Aby sa zabránilo pohlcovaniu signálu výkonovými kondenzátormi, ich obvody sú oddelené vyladeným sériovým filtrom (filter-«notch»). V prípade lokálnej rezonancie sa harmonické prúdy v obvode výkonového kondenzátora prudko zvyšujú, čo vedie k poškodeniu ladeného kondenzátora sériového filtra.

V jednej z inštalácií filtre naladené na frekvenciu 530 Hz s priepustným prúdom 100 A blokovali každý okruh výkonového kondenzátora, ktorý mal 15 sekcií po 65 kvar. Kondenzátory tieto filtre zlyhali po dvoch dňoch. Dôvodom bola prítomnosť harmonickej s frekvenciou 350 Hz, v tesnej blízkosti ktorej vznikli rezonančné podmienky medzi ladeným filtrom a výkonovými kondenzátormi.

Vplyv harmonických na točivé stroje

Harmonické napätie a prúd vedú k dodatočným stratám vo vinutiach statora, v obvodoch rotora a v oceli statora a rotora. Straty vo vodičoch statora a rotora spôsobené vírivými prúdmi a povrchovým efektom sú väčšie ako straty určené ohmickým odporom.

Zvodové prúdy spôsobené harmonickými v koncových zónach statora a rotora vedú k dodatočným stratám.

V indukčnom motore s kužeľovým rotorom s pulzujúcim magnetickým tokom v statore a rotore spôsobujú vyššie harmonické v oceli dodatočné straty. Veľkosť týchto strát závisí od uhla sklonu štrbín a vlastností magnetického obvodu.

Priemerné rozdelenie strát z vyšších harmonických charakterizujú nasledujúce údaje; vinutie statora 14%; rotorové reťaze 41 %; koncové zóny 19 %; asymetrická vlna 26 %.

Okrem asymetrických vlnových strát je ich rozdelenie v synchrónnych strojoch približne rovnaké.

Treba poznamenať, že susedné nepárne harmonické v statore synchrónneho stroja spôsobujú harmonické s rovnakou frekvenciou v rotore. Napríklad 5. a 7. harmonická v statore spôsobujú prúdové harmonické 6. rádu v rotore, ktorý sa otáča rôznymi smermi. Pri lineárnych systémoch je priemerná hustota strát na povrchu rotora úmerná hodnote, ale v dôsledku odlišného smeru otáčania je hustota strát v niektorých bodoch úmerná hodnote (I5 + I7) 2.

Dodatočné straty sú jedným z najnegatívnejších javov spôsobených harmonickými v točivých strojoch. Vedú k zvýšeniu celkovej teploty stroja a k lokálnemu prehriatiu, s najväčšou pravdepodobnosťou v rotore. Motory s kotvou nakrátko umožňujú vyššie straty a teploty ako motory s vinutým rotorom. Niektoré smernice obmedzujú prípustnú úroveň záporného sledu prúdu v generátore na 10 % a úroveň napätia záporného sledu na vstupoch indukčného motora na 2 %. Tolerancia harmonických je v tomto prípade určená tým, aké úrovne zápornej sekvencie napätí a prúdov vytvárajú.

Krútiace momenty generované harmonickými. Harmonické prúdy v statore spôsobujú vznik zodpovedajúcich krútiacich momentov: harmonické, ktoré tvoria kladnú sekvenciu v smere otáčania rotora a tvoria opačnú sekvenciu v opačnom smere.

Harmonické prúdy v statore stroja spôsobujú hnaciu silu, ktorá vedie k vzniku krútiacich momentov na hriadeli v smere otáčania harmonického magnetického poľa. Zvyčajne sú veľmi malé a sú tiež čiastočne posunuté v dôsledku opačného smeru. Môžu však spôsobiť vibrácie hriadeľa motora.

Vplyv harmonických na statické zariadenia, elektrické vedenia. Súčasné harmonické vo vedení vedú k dodatočným stratám elektriny a napätia.

V káblových vedeniach harmonické napätie zvyšuje účinok na dielektrikum v pomere k zvýšeniu maximálnej hodnoty amplitúdy. To následne zvyšuje počet porúch káblov a náklady na opravy.

V vedeniach EHV môžu harmonické napätie spôsobiť zvýšenie strát v koróne z rovnakého dôvodu.

Vplyv vyšších harmonických na transformátory

Harmonické napätie spôsobuje zvýšenie hysteréznych strát a strát vírivými prúdmi v oceli v transformátoroch, ako aj straty vo vinutí. Znižuje sa aj životnosť izolácie.

Zvýšenie strát vo vinutí je najdôležitejšie v transformátore so znižovaním, pretože prítomnosť filtra, zvyčajne pripojeného na stranu AC, neznižuje harmonické prúdy v transformátore. Preto je potrebné nainštalovať veľký výkonový transformátor. Pozoruje sa aj lokálne prehriatie nádrže transformátora.

Negatívnym aspektom vplyvu harmonických na vysokovýkonné transformátory je cirkulácia trojnásobného nulového sledu prúdu vo vinutiach zapojených do trojuholníka. To ich môže prevalcovať.

Vplyv vyšších harmonických na banky kondenzátorov

Dodatočné straty v elektrických kondenzátoroch vedú k ich prehriatiu. Vo všeobecnosti sú kondenzátory navrhnuté tak, aby vydržali určité prúdové preťaženie. Kondenzátory vyrábané vo Veľkej Británii umožňujú preťaženie 15%, v Európe a Austrálii - 30%, v USA - 80%, v SNŠ - 30%. Keď sú tieto hodnoty prekročené, pozorované v podmienkach zvýšeného napätia vyšších harmonických na vstupoch kondenzátorov, kondenzátory sa prehrievajú a zlyhajú.

Vplyv vyšších harmonických na ochranné zariadenia elektrizačnej sústavy

Harmonické môžu narúšať činnosť ochranných zariadení alebo zhoršovať ich činnosť. Povaha porušenia závisí od princípu fungovania zariadenia. Digitálne relé a algoritmy založené na diskretizovanej analýze údajov alebo analýze prechodu nulou sú obzvlášť citlivé na harmonické.

Zmeny charakteristík sú najčastejšie malé. Väčšina typov relé bude fungovať normálne až do úrovne skreslenia 20%. Zvyšovanie podielu výkonových meničov v sieťach však môže v budúcnosti zmeniť situáciu.

Problémy vyplývajúce z harmonických sú rozdielne pre normálny a núdzový režim a sú diskutované samostatne nižšie.

Vplyv harmonických v núdzových režimoch

Ochranné zariadenia zvyčajne reagujú na napätie alebo prúd základnej frekvencie a akékoľvek prechodné harmonické sú buď odfiltrované, alebo neovplyvňujú zariadenie. Posledne menované je charakteristické pre elektromechanické relé, používané najmä v nadprúdovej ochrane. Tieto relé majú vysokú zotrvačnosť, vďaka čomu sú prakticky necitlivé na vyššie harmonické.

Významnejší je vplyv harmonických na výkon ochrany na základe merania odporu. Dištančná ochrana, kde sa odpor meria na základnej frekvencii, môže spôsobiť významné chyby v prítomnosti vyšších harmonických v skratovom prúde (najmä 3. rádu). Vysoký obsah harmonických sa zvyčajne pozoruje, keď skratový prúd preteká zemou (odpor zeme dominuje celkovému odporu slučky). Ak harmonické nie sú filtrované, pravdepodobnosť nesprávnej prevádzky je veľmi vysoká.

V prípade kovového skratu dominuje prúdu základná frekvencia. Vplyvom nasýtenia transformátora však dochádza k skresleniu sekundárnej krivky, najmä v prípade veľkej jednosmernej zložky v primárnom prúde. V tomto prípade sú tiež problémy so zabezpečením normálnej prevádzky ochrany.

V prevádzkových podmienkach v ustálenom stave spôsobuje nelinearita spojená s prebudením transformátora iba harmonické nepárneho rádu. Všetky druhy harmonických sa môžu vyskytovať v prechodových režimoch, pričom najväčšie amplitúdy sú zvyčajne 2. a 3.

Pri správnom návrhu je však väčšina uvedených problémov ľahko vyriešená. Výber správneho zariadenia odstraňuje mnohé ťažkosti spojené s meracími transformátormi.

Pre ochranu na diaľku je najdôležitejšie harmonické filtrovanie, najmä pri digitálnych ochrane. Práca vykonaná v oblasti metód digitálneho filtrovania ukázala, že hoci algoritmy na takéto filtrovanie sú často dosť zložité, získanie požadovaného výsledku nepredstavuje zvláštne ťažkosti.

Vplyv harmonických na ochranné systémy počas normálnych prevádzkových režimov elektrických sietí. Nízka citlivosť ochranných zariadení na parametre režimu za normálnych podmienok vedie k praktickej absencii problémov spojených s harmonickými v týchto režimoch. Výnimkou je problém spojený so zahrnutím výkonných transformátorov do siete, sprevádzaný nárastom magnetizačného prúdu.

Amplitúda vrcholu závisí od indukčnosti transformátora, odporu vinutia a momentu, v ktorom je zapnuté. Zvyškový tok v okamihu pred zapnutím mierne zvyšuje alebo znižuje amplitúdu v závislosti od polarity toku vzhľadom na počiatočnú hodnotu okamžitého napätia. Keďže na sekundárnej strane počas magnetizácie nie je žiadny prúd, veľký primárny prúd môže spôsobiť chybné vypnutie diferenciálnej ochrany.

Najjednoduchší spôsob, ako sa vyhnúť falošným poplachom, je použiť časové oneskorenie, ktoré však môže spôsobiť vážne poškodenie transformátora, ak dôjde k nehode, keď je zapnutý. V praxi sa na blokovanie ochrany používa druhá harmonická prítomná v nábehovom prúde, ktorá nie je charakteristická pre siete, hoci ochrana zostáva dosť citlivá na vnútorné poruchy transformátora počas zapínania.

Vplyv harmonických na spotrebné zariadenia

Vplyv vyšších harmonických na televízory

Harmonické, ktoré zvyšujú špičkové napätie, môžu spôsobiť skreslenie obrazu a zmenu jasu.

Žiarivky a ortuťové výbojky. Predradníky týchto lámp niekedy obsahujú kondenzátory a za určitých podmienok môže dôjsť k rezonancii, ktorá vedie k poruche lampy.

Vplyv vyšších harmonických na počítače

V sieťach, ktoré poháňajú počítače a systémy na spracovanie údajov, sú limity prípustných úrovní skreslenia. V niektorých prípadoch sú vyjadrené ako percento menovitého napätia (pre počítač IVM — 5 %) alebo vo forme pomeru špičkového napätia k priemernej hodnote (CDC stanovuje svoje prípustné limity na 1,41 ± 0,1).

Vplyv vyšších harmonických na konvertorové zariadenie

Zárezy v sínusovom napätí, ktoré sa vyskytujú počas prepínania ventilov, môžu ovplyvniť časovanie iných podobných zariadení alebo zariadení, ktoré sú riadené počas krivky nulového napätia.

Vplyv vyšších harmonických na tyristorom riadené otáčkové zariadenia

Teoreticky môžu harmonické zložky ovplyvniť takéto zariadenie niekoľkými spôsobmi:

• zárezy sínusovej vlny spôsobujú poruchu v dôsledku vynechávania tyristorov;

• harmonické napätie môže spôsobiť výpadky zapaľovania;

• výsledná rezonancia v prítomnosti rôznych typov zariadení môže viesť k rázom a vibráciám strojov.

Dopady opísané vyššie môžu pocítiť aj iní používatelia pripojení k rovnakej sieti. Ak používateľ nemá problémy s tyristorom riadeným zariadením vo svojich sieťach, je nepravdepodobné, že to ovplyvní ostatných používateľov. Spotrebitelia poháňaní rôznymi autobusmi sa teoreticky môžu navzájom ovplyvňovať, ale elektrická vzdialenosť znižuje pravdepodobnosť takejto interakcie.

Vplyv harmonických na meranie výkonu a energie

Meracie prístroje sú zvyčajne kalibrované na čisté sínusové napätia a zvyšujú neistotu v prítomnosti vyšších harmonických. Veľkosť a smer harmonických sú dôležitými faktormi, pretože znamienko chyby je určené smerom harmonických.

Chyby merania spôsobené harmonickými sú veľmi závislé od typu meracieho prístroja. Bežné indukčné merače zvyčajne nadhodnocujú namerané hodnoty o niekoľko percent (každý o 6 %), ak má používateľ zdroj skreslenia. Takíto používatelia sú automaticky penalizovaní za zavádzanie skreslení do siete, takže je v ich vlastnom záujme vytvoriť vhodné prostriedky na potlačenie týchto skreslení.

Neexistujú žiadne kvantitatívne údaje o vplyve harmonických na presnosť merania špičkového zaťaženia. Predpokladá sa, že vplyv harmonických na presnosť merania špičkového zaťaženia je rovnaký ako na presnosť merania energie.

Presné meranie energie bez ohľadu na tvar kriviek prúdu a napätia zabezpečujú elektronické merače, ktoré majú vyššiu cenu.

Harmonické ovplyvňujú jednak presnosť merania jalového výkonu, ktorý je jednoznačne definovaný len v prípade sínusových prúdov a napätí, jednak presnosť merania účinníka.

Vplyv harmonických na presnosť kontroly a kalibrácie prístrojov v laboratóriách sa zriedka spomína, hoci aj tento aspekt veci je dôležitý.

Vplyv harmonických na komunikačné obvody

Harmonické v silových obvodoch spôsobujú šum v komunikačných obvodoch.Nízka hladina hluku vedie k určitému nepohodliu, pretože sa zvyšuje, časť prenášaných informácií sa stráca, v extrémnych prípadoch je komunikácia úplne nemožná. V tomto smere je potrebné pri akýchkoľvek technologických zmenách v napájacích a komunikačných systémoch brať do úvahy vplyv elektrického vedenia na telefónne linky.

Vplyv harmonických na šum telefónnej linky závisí od poradia harmonických. V priemere má telefón - ľudské ucho funkciu citlivosti s maximálnou hodnotou pri frekvencii rádovo 1 kHz. Vyhodnotiť vplyv rôznych harmonických na hluk c. telefón používa koeficienty, ktoré sú súčtom harmonických s určitými váhami. Najbežnejšie sú dva koeficienty: psofometrické váženie a C-prenos. Prvý faktor bol vyvinutý Medzinárodným poradným výborom pre telefónne a telegrafické systémy (CCITT) a používa sa v Európe, druhý – spoločnosťou Bella Telephone Company a Edison Electrotechnical Institute – sa používa v Spojených štátoch a Kanade.

Harmonické prúdy v troch fázach sa navzájom plne nekompenzujú v dôsledku nerovnosti amplitúd a fázových uhlov a ovplyvňujú telekomunikácie výsledným nulovým prúdom (podobne ako zemné poruchové prúdy a zemné prúdy z trakčných sústav).

Vplyv môže byť spôsobený aj harmonickými prúdmi v samotných fázach v dôsledku rozdielu vo vzdialenostiach od fázových vodičov k blízkym telekomunikačným vedeniam.

Tieto typy vplyvov je možné zmierniť správnym výberom trás línií, ale v prípade nevyhnutných križovaní línií sa takéto vplyvy vyskytujú.Zvlášť silne sa prejavuje pri zvislom usporiadaní vodičov elektrického vedenia a pri transponovaní vodičov komunikačného vedenia v blízkosti elektrického vedenia.

Pri veľkých vzdialenostiach (viac ako 100 m) medzi vedeniami sa ukazuje, že hlavným ovplyvňujúcim faktorom je prúd nulovej sekvencie. Keď sa menovité napätie elektrického vedenia zníži, vplyv sa zníži, ale ukazuje sa, že je to viditeľné v dôsledku použitia bežných podpier alebo zákopov na kladenie nízkonapäťových elektrických vedení a komunikačných vedení.