A feszültség és áram magasabb felharmonikusainak hatása a villamos berendezések működésére

A nagyobb feszültség- és áramharmonikusok az energiaellátó rendszerek és a kommunikációs vonalak elemeire hatnak.

A magasabb harmonikusok energiarendszerekre gyakorolt ​​hatásának fő formái a következők:

• a magasabb harmonikusok áramainak és feszültségeinek növekedése a párhuzamos és soros rezonanciák miatt;

• a villamosenergia-termelési, -szállítási, -felhasználási folyamatok hatékonyságának csökkentése;

• az elektromos berendezések szigetelésének elöregedése és ennek következtében élettartamának csökkenése;

• a berendezés hibás működése.

A rezonanciák hatása a rendszerekre

Az energiaellátó rendszerek rezonanciáit általában a kondenzátorok, különösen a teljesítménykondenzátorok szempontjából veszik figyelembe. Ha az áram felharmonikusai meghaladják a kondenzátorok maximális megengedett szintjét, az utóbbiak nem rontják teljesítményüket, hanem egy idő után meghibásodnak.

Egy másik terület, ahol a rezonanciák a berendezés károsodását okozhatják, a felhangos terhelésszabályozó rendszerek. Annak elkerülése érdekében, hogy a jelet a teljesítménykondenzátorok elnyeljék, áramköreiket egy hangolt soros szűrő választja el (filter-«notch»). Helyi rezonancia esetén a teljesítmény-kondenzátor áramkörében az áram harmonikusai meredeken megnövekednek, ami a soros szűrő hangolt kondenzátorának károsodásához vezet.

Az egyik telepítésben 530 Hz-es frekvenciára hangolt szűrők 100 A áteresztőárammal blokkolták a 15 65 kvar-os szakaszból álló teljesítménykondenzátor minden áramkörét. Kondenzátorok ezek a szűrők két nap után meghibásodtak. Ennek oka egy 350 Hz frekvenciájú harmonikus jelenléte volt, amelynek közvetlen közelében rezonanciaviszonyok jöttek létre a hangolt szűrő és a teljesítménykondenzátorok között.

Harmonikusok hatása forgó gépekre

A feszültség- és áramharmonikusok további veszteségekhez vezetnek az állórész tekercseiben, a forgórész áramköreiben, valamint az állórészben és a forgórész acéljában. Az állórész és a forgórész vezetőiben az örvényáramok és a felületi hatás miatti veszteségek nagyobbak, mint az ohmos ellenállás által meghatározott veszteségek.

Az állórész és a forgórész végzónáiban felharmonikusok okozta szivárgóáramok további veszteségekhez vezetnek.

Az állórészben és a forgórészben pulzáló mágneses fluxusú kúpos forgórészes indukciós motorban a magasabb harmonikusok további veszteségeket okoznak az acélban. E veszteségek nagysága a rések dőlésszögétől és a mágneses áramkör jellemzőitől függ.

A magasabb harmonikusok veszteségeinek átlagos eloszlását a következő adatok jellemzik; állórész tekercselés 14%; rotorláncok 41%; végzónák 19%; aszimmetrikus hullám 26%.

Az aszimmetrikus hullámveszteségeket leszámítva ezek eloszlása ​​a szinkrongépekben megközelítőleg azonos.

Meg kell jegyezni, hogy a szinkrongép állórészében a szomszédos páratlan harmonikusok azonos frekvenciájú felharmonikusokat okoznak a forgórészben. Például az állórész 5. és 7. harmonikusa 6. rendű áramharmonikusokat okoz a forgórészben, amelyek különböző irányokba forognak. Lineáris rendszerek esetén az átlagos veszteségsűrűség a rotor felületén arányos az értékkel, de az eltérő forgásirány miatt egyes pontokon a veszteségsűrűség arányos az (I5 + I7) 2 értékkel.

A járulékos veszteségek az egyik legnegatívabb jelenség, amelyet a forgó gépek harmonikusai okoznak. Ezek a gép általános hőmérsékletének növekedéséhez és helyi túlmelegedéshez vezetnek, valószínűleg a forgórészben. A mókuskalitkás motorok nagyobb veszteséget és hőmérsékletet tesznek lehetővé, mint a tekercses forgórészes motorok. Egyes irányelvek korlátozzák a megengedett negatív sorrendű áramszintet a generátorban 10%-ra, és a negatív sorrendű feszültségszintet az indukciós motor bemenetein 2%-ra. A harmonikusok tűrését ebben az esetben az határozza meg, hogy milyen szintű negatív sorrendű feszültségeket és áramokat hoznak létre.

A felharmonikusok által generált nyomatékok. Az állórész áramának harmonikusai a megfelelő nyomatékokat eredményezik: a felharmonikusok a forgórész forgásirányában pozitív sorozatot, az ellenkező irányban pedig fordított sorrendet alkotnak.

A gép állórészében fellépő harmonikus áramok hajtóerőt okoznak, ami nyomatékok megjelenéséhez vezet a tengelyen a harmonikus mágneses tér forgásirányában. Általában nagyon kicsik, és az ellenkező irány miatt részben el is tolódnak. Ezek azonban a motor tengelyének rezgését okozhatják.

Harmonikusok hatása statikus berendezésekre, távvezetékekre. A vonalak áramharmonikusai további villamosenergia- és feszültségveszteségekhez vezetnek.

A kábelvonalakban a feszültségharmonikusok az amplitúdó maximális értékének növekedésével arányosan növelik a dielektrikumra gyakorolt ​​hatást. Ez viszont növeli a kábelhibák számát és a javítási költségeket.

Az EHV vonalakban a feszültségharmonikusok ugyanezen okból okozhatják a koronaveszteség növekedését.

A magasabb harmonikusok hatása a transzformátorokra

A feszültségharmonikusok növelik a hiszterézis veszteségeket és az örvényáram-veszteségeket a transzformátorok acéljában, valamint a tekercselési veszteségeket. A szigetelés élettartama is csökken.

A tekercselési veszteségek növekedése a legjelentősebb a lecsökkentő transzformátornál, mert az általában a váltakozó áramú oldalra csatlakoztatott szűrő jelenléte nem csökkenti a transzformátor áramharmonikusait. Ezért nagy teljesítményű transzformátort kell telepíteni. A transzformátor tartályának helyi túlmelegedése is megfigyelhető.

A felharmonikusok nagy teljesítményű transzformátorokra gyakorolt ​​hatásának negatív aspektusa a háromszoros nulla sorrendű áram keringése a delta kapcsolású tekercsekben. Ez túlterhelheti őket.

A magasabb harmonikusok hatása a kondenzátortelepekre

Az elektromos kondenzátorok további veszteségei azok túlmelegedéséhez vezetnek. Általában a kondenzátorokat úgy tervezték, hogy ellenálljanak egy bizonyos áram túlterhelésének. A Nagy-Britanniában gyártott kondenzátorok 15%-os túlterhelést tesznek lehetővé Európában és Ausztráliában - 30%, az USA-ban - 80%, a FÁK-ban - 30%. Ha ezeket az értékeket túllépik, és a kondenzátorok bemenetein magasabb felharmonikusok feszültsége megnövekedett, az utóbbi túlmelegszik és meghibásodik.

A magasabb harmonikusok hatása a villamosenergia-rendszer védelmi berendezéseire

A felharmonikusok zavarhatják a védőberendezések működését vagy ronthatják működésüket. A jogsértés jellege az eszköz működési elvétől függ. A diszkretizált adatelemzésen vagy zéró-keresztezésen alapuló digitális relék és algoritmusok különösen érzékenyek a harmonikusokra.

Leggyakrabban a jellemzők változásai csekélyek. A legtöbb relétípus normálisan működik 20%-os torzítási szintig. Az áramátalakítók arányának növelése a hálózatokban azonban megváltoztathatja a helyzetet a jövőben.

A felharmonikusokból eredő problémák a normál és a vészüzemmódok esetében eltérőek, és az alábbiakban külön tárgyaljuk őket.

Harmonikusok hatása vészüzemmódokban

A védelmi eszközök általában az alapfrekvenciás feszültségre vagy áramerősségre reagálnak, és az esetleges tranziens harmonikusok vagy kiszűrődnek, vagy nincsenek hatással az eszközre. Ez utóbbi jellemző az elektromechanikus relékre, különösen a túláramvédelemben használják. Ezek a relék nagy tehetetlenséggel rendelkeznek, ami gyakorlatilag érzéketlenné teszi a magasabb harmonikusokra.

Jelentősebb a harmonikusok befolyása a védelmi teljesítményre az ellenállásmérés alapján. A távolságvédelem, ahol az ellenállást az alapfrekvencián mérik, jelentős hibákat adhat a zárlati áram magasabb felharmonikusai esetén (különösen a 3. rendű). Magas harmonikus tartalom általában akkor figyelhető meg, amikor rövidzárlati áram folyik a földön (a földellenállás dominál a hurok teljes ellenállásán). Ha a harmonikusokat nem szűrjük, nagyon nagy a hamis működés valószínűsége.

Fémes zárlat esetén az áramot az alapfrekvencia uralja. A transzformátor telítettsége miatt azonban szekunder görbe torzulás lép fel, különösen nagy egyenáramú komponens esetén a primer áramban. Ebben az esetben a védelem normál működésének biztosításával is gondok vannak.

Állandósult üzemi körülmények között a transzformátor túlgerjesztésével járó nemlinearitás csak páratlan rendű harmonikusokat okoz. Mindenféle harmonikus előfordulhat tranziens módban, a legnagyobb amplitúdó általában a 2. és 3.

Megfelelő tervezéssel azonban a felsorolt ​​problémák többsége könnyen megoldható. A megfelelő berendezés kiválasztása kiküszöböli a transzformátorok mérésével kapcsolatos számos nehézséget.

A harmonikus szűrés, különösen a digitális védelmek esetében, a legfontosabb a távolságvédelem szempontjából. A digitális szűrési módszerek területén végzett munka azt mutatta, hogy bár az ilyen szűrési algoritmusok gyakran meglehetősen összetettek, a kívánt eredmény elérése nem jelent különösebb nehézséget.

A harmonikusok hatása a védelmi rendszerekre az elektromos hálózatok normál üzemmódjaiban. A védőeszközök alacsony érzékenysége az üzemmódparaméterekre normál körülmények között azt eredményezi, hogy ezekben az üzemmódokban a harmonikusokkal kapcsolatos problémák gyakorlatilag hiányoznak. Kivételt képez a nagy teljesítményű transzformátorok hálózatba való beépítésével kapcsolatos probléma, amelyet a mágnesező áram túlfeszültsége kísér.

A csúcs amplitúdója a transzformátor induktivitásától, a tekercs ellenállásától és a bekapcsolás pillanatától függ. A bekapcsolás előtti maradék fluxus enyhén növeli vagy csökkenti az amplitúdót, attól függően, hogy a fluxus milyen polaritású a pillanatnyi feszültség kezdeti értékéhez viszonyítva. Mivel a mágnesezés során nincs áram a szekunder oldalon, a nagy primer áram hatására a differenciálvédelem tévesen kioldhat.

A téves riasztások elkerülésének legegyszerűbb módja az időkésleltetés, de ez súlyos károkat okozhat a transzformátorban, ha bekapcsolt állapotban baleset történik. A gyakorlatban a bekapcsolási áramban jelenlévő, hálózatokra nem jellemző második felharmonikus a védelem blokkolására szolgál, bár a védelem eléggé érzékeny marad a transzformátor belső hibáira bekapcsoláskor.

Harmonikusok hatása fogyasztói berendezésekre

A magasabb harmonikusok hatása a televíziókra

A csúcsfeszültséget növelő felharmonikusok képtorzulást és fényerő-változást okozhatnak.

Fluoreszkáló és higanylámpák. Ezeknek a lámpáknak az előtétjei néha kondenzátorokat tartalmaznak, és bizonyos körülmények között rezonancia léphet fel, ami a lámpa meghibásodását eredményezheti.

A magasabb harmonikusok hatása számítógépekre

A számítógépeket és adatfeldolgozó rendszereket tápláló hálózatokban a megengedett torzítási szintek határok. Egyes esetekben a névleges feszültség százalékában (IVM számítógépnél - 5%) vagy a csúcsfeszültség és az átlagos érték arányának formájában fejezik ki (a CDC 1,41 ± 0,1-re állítja a megengedett határértékeket).

A magasabb harmonikusok hatása az átalakító berendezésekre

A szinuszos feszültségben a szelepkapcsolás során fellépő bevágások befolyásolhatják más hasonló berendezések vagy eszközök időzítését, amelyeket a nulla feszültséggörbe alatt vezérelnek.

A magasabb harmonikusok hatása tirisztoros fordulatszámú berendezésekre

Elméletileg a harmonikusok többféle módon is befolyásolhatják az ilyen berendezéseket:

• a szinuszhullám rovátkái a tirisztorok hibás gyújtása miatt hibás működést okoznak;

• a feszültségharmonikusok gyújtáskimaradást okozhatnak;

• az ebből eredő rezonancia különböző típusú berendezések jelenlétében túlfeszültségekhez és a gépek rezgéséhez vezethet.

A fent leírt hatásokat más, ugyanahhoz a hálózathoz csatlakozó felhasználók is érezhetik. Ha a felhasználónak nincsenek nehézségei a hálózatában lévő tirisztoros vezérlésű berendezésekkel, akkor nem valószínű, hogy ez más felhasználókat is érinteni fog. A különböző buszokkal hajtott fogyasztók elméletileg befolyásolhatják egymást, de az elektromos távolság csökkenti az ilyen kölcsönhatások valószínűségét.

Harmonikusok hatása a teljesítmény- és energiamérésekre

A mérőeszközöket általában tiszta szinuszos feszültségre kalibrálják, és növelik a bizonytalanságot magasabb harmonikusok jelenlétében. A harmonikusok nagysága és iránya fontos tényező, mert a hiba előjelét a harmonikusok iránya határozza meg.

A felharmonikusok által okozott mérési hibák nagymértékben függenek a mérőműszerek típusától. A hagyományos indukciós mérőórák általában néhány százalékkal (mindegyik 6%-kal) túlbecsülik a leolvasott értékeket, ha a felhasználó valamilyen torzítást okoz. Az ilyen felhasználókat automatikusan megbüntetik, ha torzulást visznek be a hálózatba, ezért saját érdekükben áll, hogy megfelelő eszközöket hozzanak létre e torzítások elnyomására.

Nincsenek kvantitatív adatok a harmonikusok hatásáról a csúcsterhelés mérésének pontosságára. Feltételezzük, hogy a harmonikusok hatása a csúcsterhelés mérésének pontosságára megegyezik az energiamérés pontosságával.

Az energia pontos mérését, függetlenül az áram- és feszültséggörbék alakjától, elektronikus mérőórák biztosítják, amelyek költsége magasabb.

A felharmonikusok befolyásolják mind a meddőteljesítmény mérés pontosságát, amely csak szinuszos áramok és feszültségek esetén egyértelműen meghatározható, valamint a teljesítménytényező mérésének pontosságát.

Ritkán esik szó a harmonikusok befolyásáról a laboratóriumi műszerek ellenőrzésének és kalibrálásának pontosságára, bár a dolognak ez a vonatkozása is fontos.

A harmonikusok hatása a kommunikációs áramkörökre

A tápáramkörök harmonikusai zajt okoznak a kommunikációs áramkörökben.Az alacsony zajszint némi kényelmetlenséget okoz, mivel növekszik, a továbbított információ egy része elveszik, szélsőséges esetekben a kommunikáció teljesen lehetetlenné válik. Ebben a tekintetben az energiaellátó és kommunikációs rendszerek technológiai változásainál figyelembe kell venni a távvezetékek telefonvonalakra gyakorolt ​​hatását.

A harmonikusok hatása a telefonvonal zajára a felharmonikusok sorrendjétől függ. Átlagosan a telefon - az emberi fül érzékenységi funkcióval rendelkezik, amelynek maximális értéke 1 kHz nagyságrendű frekvencián. A különböző harmonikusok zajra gyakorolt ​​hatásának értékelése c. a telefon együtthatókat használ, amelyek bizonyos súlyokkal felvett harmonikusok összege, két együttható a leggyakoribb: a psofometrikus súlyozás és a C-átvitel. Az első tényezőt a Telefon- és Távírórendszerek Nemzetközi Tanácsadó Bizottsága (CCITT) fejlesztette ki, és Európában használják, a másodikat – a Bella Telephone Company és az Edison Electrotechnical Institute – az Egyesült Államokban és Kanadában használják.

A három fázis harmonikus áramai az amplitúdók és fázisszögek egyenlőtlensége miatt nem kompenzálják egymást teljesen, és a keletkező nulla sorrendű árammal (hasonlóan a földzárlati áramokhoz és a vontatási rendszerekből származó földáramokhoz) befolyásolják a távközlést.

A hatást magukban a fázisokban fellépő harmonikus áramok is okozhatják, a fázisvezetők és a közeli távközlési vonalak közötti távolságok különbsége miatt.

Az ilyen típusú hatások a vonalnyomok megfelelő megválasztásával mérsékelhetők, de elkerülhetetlen vonalátlépések esetén előfordulnak ilyen hatások.Különösen erősen megnyilvánul a távvezeték vezetékeinek függőleges elrendezése esetén, illetve amikor a kommunikációs vezeték vezetékei a távvezeték közelébe kerülnek.

A vonalak közötti nagy távolságok (több mint 100 m) esetén a fő befolyásoló tényező a nulla sorrendű áram. Amikor a tápvezeték névleges feszültsége csökken, a befolyás csökken, de észrevehetőnek bizonyul, mivel közös támasztékokat vagy árkokat használnak kisfeszültségű távvezetékek és kommunikációs vezetékek fektetéséhez.