Vliv vyšších harmonických napětí a proudu na provoz elektrických zařízení

Vyšší harmonické napětí a proudu ovlivňují prvky energetických systémů a komunikačních linek.

Hlavní formy vlivu vyšších harmonických na energetické systémy jsou:

• zvýšení proudů a napětí vyšších harmonických v důsledku paralelních a sériových rezonancí;

• snížení účinnosti procesů výroby, přenosu, využití elektřiny;

• stárnutí izolace elektrického zařízení a z toho vyplývající snížení jeho životnosti;

• nesprávný provoz zařízení.

Vliv rezonancí na systémy

Rezonance v energetických systémech jsou obvykle uvažovány z hlediska kondenzátorů, zejména výkonových kondenzátorů. Když harmonické proudu překročí maximální přípustné úrovně pro kondenzátory, kondenzátory nezhorší jejich výkon, ale po chvíli selžou.

Další oblastí, kde mohou rezonance způsobit poškození zařízení, jsou systémy řízení zátěže podtónu. Aby se zabránilo pohlcení signálu výkonovými kondenzátory, jsou jejich obvody odděleny laděným sériovým filtrem (filtr-«notch»). V případě lokální rezonance dochází k prudkému nárůstu harmonických proudu v obvodu výkonového kondenzátoru, což vede k poškození laděného kondenzátoru sériového filtru.

V jedné z instalací blokovaly filtry naladěné na frekvenci 530 Hz s propustným proudem 100 A každý obvod výkonového kondenzátoru, který měl 15 sekcí po 65 kvar. Kondenzátory tyto filtry selhaly po dvou dnech. Důvodem byla přítomnost harmonické s frekvencí 350 Hz, v jejímž bezprostředním okolí byly nastoleny rezonanční podmínky mezi laděným filtrem a výkonovými kondenzátory.

Vliv harmonických na točivé stroje

Harmonické napěťové a proudové harmonické vedou k dodatečným ztrátám ve vinutí statoru, v obvodech rotoru a v oceli statoru a rotoru. Ztráty ve vodičích statoru a rotoru vířivými proudy a povrchovým efektem jsou větší než ztráty určené ohmickým odporem.

Svodové proudy způsobené harmonickými v koncových zónách statoru a rotoru vedou k dodatečným ztrátám.

U indukčního motoru s kuželovým rotorem s pulzujícím magnetickým tokem ve statoru a rotoru způsobují vyšší harmonické další ztráty v oceli. Velikost těchto ztrát závisí na úhlu sklonu štěrbin a vlastnostech magnetického obvodu.

Průměrné rozložení ztrát z vyšších harmonických charakterizují následující údaje; vinutí statoru 14 %; rotorové řetězy 41 %; koncové zóny 19 %; asymetrická vlna 26 %.

S výjimkou asymetrických vlnových ztrát je jejich rozložení u synchronních strojů přibližně stejné.

Je třeba poznamenat, že sousední liché harmonické ve statoru synchronního stroje způsobují harmonické stejné frekvence v rotoru. Například 5. a 7. harmonická ve statoru způsobují proudové harmonické 6. řádu v rotoru, který se točí v různých směrech. U lineárních systémů je průměrná hustota ztrát na povrchu rotoru úměrná hodnotě, ale vzhledem k odlišnému směru otáčení je hustota ztrát v některých bodech úměrná hodnotě (I5 + I7) 2.

Dodatečné ztráty jsou jedním z nejnegativnějších jevů způsobených harmonickými v točivých strojích. Vedou ke zvýšení celkové teploty stroje a k lokálnímu přehřátí, nejspíše v rotoru. Motory s kotvou nakrátko umožňují vyšší ztráty a teploty než motory s vinutým rotorem. Některé směrnice omezují přípustnou úroveň proudu se zpětnou složkou v generátoru na 10 % a úroveň napětí se zápornou složkou na vstupech indukčního motoru na 2 %. Tolerance harmonických je v tomto případě určena tím, jaké úrovně záporné souslednosti napětí a proudů vytvářejí.

Točivé momenty generované harmonickými. Harmonické proudy ve statoru dávají vzniknout odpovídajícím točivým momentům: harmonické, které tvoří kladný sled ve směru otáčení rotoru a tvoří opačný sled v opačném směru.

Harmonické proudy ve statoru stroje způsobují hnací sílu, která vede ke vzniku točivých momentů na hřídeli ve směru otáčení harmonického magnetického pole. Obvykle jsou velmi malé a jsou také částečně posunuty kvůli opačnému směru. Mohou však způsobit vibrace hřídele motoru.

Vliv harmonických na statická zařízení, elektrické vedení. Proudové harmonické ve vedení vedou k dodatečným ztrátám elektřiny a napětí.

V kabelových vedeních zvyšují harmonické napětí účinek na dielektrikum úměrně zvýšení maximální hodnoty amplitudy. To následně zvyšuje počet poruch kabelů a náklady na opravy.

U vedení EHV mohou harmonické napětí způsobit zvýšení korónových ztrát ze stejného důvodu.

Vliv vyšších harmonických na transformátory

Harmonické napětí způsobuje zvýšení ztrát hysterezí a ztrát vířivými proudy v oceli v transformátorech, stejně jako ztráty ve vinutí. Snižuje se také životnost izolace.

Zvýšení ztrát ve vinutí je nejdůležitější u snižovacího transformátoru, protože přítomnost filtru, obvykle připojeného na střídavou stranu, nesnižuje harmonické proudy v transformátoru. Proto je nutné instalovat velký výkonový transformátor. Rovněž je pozorováno místní přehřívání nádrže transformátoru.

Negativním aspektem vlivu harmonických na vysokovýkonové transformátory je cirkulace trojité nulové složky proudu ve vinutích zapojených do trojúhelníku. To je může přemoci.

Vliv vyšších harmonických na kondenzátorové baterie

Dodatečné ztráty v elektrických kondenzátorech vedou k jejich přehřátí. Obecně jsou kondenzátory konstruovány tak, aby vydržely určité proudové přetížení. Kondenzátory vyráběné ve Velké Británii umožňují přetížení 15%, v Evropě a Austrálii - 30%, v USA - 80%, v SNS - 30%. Když jsou tyto hodnoty překročeny, pozorované v podmínkách zvýšeného napětí vyšších harmonických na vstupech kondenzátorů, kondenzátory se přehřívají a selhávají.

Vliv vyšších harmonických na ochranná zařízení elektrizační soustavy

Harmonické mohou rušit činnost ochranných zařízení nebo zhoršovat jejich činnost. Povaha porušení závisí na principu fungování zařízení. Digitální relé a algoritmy založené na diskretizované analýze dat nebo analýze průchodu nulou jsou zvláště citlivé na harmonické.

Změny vlastností jsou nejčastěji malé. Většina typů relé bude normálně fungovat až do úrovně zkreslení 20 %. Zvyšování podílu výkonových měničů v sítích však může v budoucnu situaci změnit.

Problémy vyplývající z harmonických se liší pro normální a nouzový režim a jsou diskutovány samostatně níže.

Vliv harmonických v nouzových režimech

Ochranná zařízení obvykle reagují na napětí nebo proud základní frekvence a jakékoli přechodné harmonické jsou buď odfiltrovány, nebo zařízení neovlivňují. Posledně jmenovaný je charakteristický pro elektromechanická relé, používaná zejména v nadproudové ochraně. Tato relé mají vysokou setrvačnost, díky čemuž jsou prakticky necitlivá na vyšší harmonické.

Významnější je vliv harmonických na výkon ochrany na základě měření odporu. Distanční ochrana, kde je odpor měřen na základní frekvenci, může způsobit významné chyby v přítomnosti vyšších harmonických ve zkratovém proudu (zejména 3. řádu). Vysoký obsah harmonických se obvykle pozoruje, když zkratový proud protéká zemí (odpor země převažuje nad celkovým odporem smyčky). Pokud harmonické nejsou filtrovány, je pravděpodobnost nesprávné činnosti velmi vysoká.

V případě kovového zkratu dominuje proudu základní frekvence. Vlivem saturace transformátoru však dochází ke zkreslení sekundární křivky, zejména v případě velké stejnosměrné složky v primárním proudu. V tomto případě jsou také problémy se zajištěním normálního provozu ochrany.

V ustálených provozních podmínkách způsobuje nelinearita spojená s přebuzením transformátoru pouze harmonické lichého řádu. V přechodových režimech se mohou vyskytovat všechny druhy harmonických, přičemž největší amplitudy jsou obvykle 2. a 3.

Při správném návrhu je však většina uvedených problémů snadno vyřešena. Výběr správného zařízení odstraňuje mnohé potíže spojené s měřicími transformátory.

Pro ochranu na dálku je nejdůležitější filtrace harmonických, zejména u digitálních ochran. Práce provedené v oblasti metod digitální filtrace ukázaly, že ačkoliv jsou algoritmy pro takové filtrování často poměrně složité, dosažení požadovaného výsledku nepředstavuje zvláštní potíže.

Vliv harmonických na ochranné systémy při normálních provozních režimech elektrických sítí. Nízká citlivost ochranných zařízení na parametry režimu za normálních podmínek vede k praktické absenci problémů spojených s harmonickými v těchto režimech. Výjimkou je problém spojený se zapojením výkonných transformátorů do sítě, doprovázený rázem magnetizačního proudu.

Amplituda špičky závisí na indukčnosti transformátoru, odporu vinutí a okamžiku, kdy dojde k zapnutí. Zbytkový tok v okamžiku před zapnutím mírně zvyšuje nebo snižuje amplitudu v závislosti na polaritě toku vzhledem k počáteční hodnotě okamžitého napětí. Protože během magnetizace není na sekundární straně žádný proud, může velký primární proud způsobit falešné vypnutí diferenciální ochrany.

Nejjednodušší způsob, jak se vyhnout falešným poplachům, je použít časové zpoždění, ale to může způsobit vážné poškození transformátoru, pokud dojde k nehodě, když je zapnutý. V praxi se k blokování ochrany používá druhá harmonická přítomná v zapínacím proudu, která není charakteristická pro sítě, ačkoli ochrana zůstává při zapínání poměrně citlivá na vnitřní poruchy transformátoru.

Vliv harmonických na spotřební zařízení

Vliv vyšších harmonických na televizory

Harmonické, které zvyšují špičkové napětí, mohou způsobit zkreslení obrazu a změnu jasu.

Zářivky a rtuťové výbojky. Předřadníky těchto žárovek někdy obsahují kondenzátory a za určitých podmínek může dojít k rezonanci, která má za následek poruchu žárovky.

Vliv vyšších harmonických na počítače

V sítích, které pohánějí počítače a systémy zpracování dat, jsou limity přípustných úrovní zkreslení. V některých případech jsou vyjádřeny jako procento jmenovitého napětí (u počítače IVM — 5 %) nebo ve formě poměru špičkového napětí k průměrné hodnotě (CDC stanoví své přípustné limity na 1,41 ± 0,1).

Vliv vyšších harmonických na převodní zařízení

Zářezy v sinusovém napětí, ke kterým dochází při přepínání ventilů, mohou ovlivnit časování jiných podobných zařízení nebo zařízení, která jsou řízena během křivky nulového napětí.

Vliv vyšších harmonických na tyristorově řízená rychlostní zařízení

Teoreticky mohou harmonické složky ovlivnit takové zařízení několika způsoby:

• zářezy sinusové vlny způsobují poruchu v důsledku vynechávání tyristorů;

• harmonické napětí může způsobit vynechání zapalování;

• výsledná rezonance v přítomnosti různých typů zařízení může vést k rázům a vibracím strojů.

Výše popsané dopady mohou pociťovat jiní uživatelé připojení ke stejné síti. Pokud uživatel nemá žádné potíže se zařízením řízeným tyristorem ve svých sítích, je nepravděpodobné, že to ovlivní ostatní uživatele. Spotřebiče poháněné různými sběrnicemi se teoreticky mohou navzájem ovlivňovat, ale elektrická vzdálenost snižuje pravděpodobnost takové interakce.

Vliv harmonických na měření výkonu a energie

Měřicí přístroje jsou obvykle kalibrovány na čistě sinusová napětí a zvyšují nejistotu v přítomnosti vyšších harmonických. Velikost a směr harmonických jsou důležitými faktory, protože znaménko chyby je určeno směrem harmonických.

Chyby měření způsobené harmonickými jsou velmi závislé na typu měřicích přístrojů. Konvenční indukční měřiče obvykle nadhodnocují odečty o několik procent (každý o 6 %), pokud má uživatel zdroj zkreslení. Takoví uživatelé jsou automaticky penalizováni za zavádění zkreslení do sítě, takže je v jejich vlastním zájmu vytvořit vhodné prostředky k potlačení těchto zkreslení.

Neexistují žádné kvantitativní údaje o vlivu harmonických na přesnost měření špičkového zatížení. Předpokládá se, že vliv harmonických na přesnost měření špičkového zatížení je stejný jako na přesnost měření energie.

Přesné měření energie bez ohledu na tvar křivek proudu a napětí zajišťují elektronické měřiče, které mají vyšší cenu.

Harmonické ovlivňují jak přesnost měření jalového výkonu, který je jednoznačně definován pouze v případě sinusových proudů a napětí, tak i přesnost měření účiníku.

Vliv harmonických na přesnost kontroly a kalibrace přístrojů v laboratořích je zmiňován jen zřídka, i když tento aspekt věci je také důležitý.

Vliv harmonických na komunikační obvody

Harmonické ve silových obvodech způsobují šum v komunikačních obvodech.Nízká hladina hluku vede k určitému nepohodlí, protože se zvyšuje, část přenášených informací se ztrácí, v extrémních případech je komunikace zcela nemožná. V tomto ohledu je při jakýchkoli technologických změnách v napájecích a komunikačních systémech nutné počítat s vlivem elektrického vedení na telefonní vedení.

Vliv harmonických na šum telefonní linky závisí na pořadí harmonických. V průměru má telefon - lidské ucho funkci citlivosti s maximální hodnotou při frekvenci řádově 1 kHz. c. Vyhodnotit vliv různých harmonických na hluk. telefon používá koeficienty, které jsou součtem harmonických s určitými váhami Nejběžnější jsou dva koeficienty: psofometrické vážení a C-přenos. První faktor byl vyvinut Mezinárodním poradním výborem pro telefonní a telegrafní systémy (CCITT) a používá se v Evropě, druhý – společností Bella Telephone Company a Edison Electrotechnical Institute – se používá ve Spojených státech a Kanadě.

Harmonické proudy ve třech fázích se v důsledku nestejnoměrnosti amplitud a fázových úhlů vzájemně plně nekompenzují a výsledným proudem nulové složky ovlivňují telekomunikace (podobně jako zemní poruchové proudy a zemní proudy z trakčních soustav).

Vliv může být způsoben i harmonickými proudy v samotných fázích v důsledku rozdílu ve vzdálenostech od fázových vodičů k blízkým telekomunikačním vedením.

Tyto typy vlivů lze zmírnit správným výběrem tras vedení, ale v případě nevyhnutelných křížení vedení k takovým vlivům dochází.Zvláště silně se projevuje v případě vertikálního uspořádání vodičů elektrického vedení a při transpozici vodičů komunikačního vedení v blízkosti vedení.

Při velkých vzdálenostech (více než 100 m) mezi vedeními se ukazuje být hlavním ovlivňujícím faktorem nulová složka proudu. Když se jmenovité napětí elektrického vedení snižuje, vliv klesá, ale ukazuje se, že je patrný díky použití běžných podpěr nebo zákopů pro pokládání nízkonapěťových elektrických vedení a komunikačních vedení.