Dopad harmonických na elektrické systémy

Pochopení účinků harmonických na elektrické systémy je velmi užitečné pro to, aby věci fungovaly hladce a bezpečně.Harmonické jsou změny v elektrické vlně, které mohou způsobit různé problémy, jako je příliš mnoho tepla, rozbití zařízení a menší účinnost.Tento článek vysvětluje různé typy harmonických, co je způsobuje, a problémy, které mohou vytvořit v energetických systémech používaných v průmyslových odvětvích a podnicích.Také se podíváme na způsoby, jak tyto problémy vyřešit, jako je použití speciálních filtrů, transformátorů navržených pro zpracování harmonických a pravidelných kontrol kvality energie.Naším cílem je poskytnout jasný a jednoduchý průvodce pro efektivní správu harmonických v elektrických systémech.

Katalog

Obrázek 1: harmonické

Porozumění harmonickým v energetickém inženýrství

Harmonické jsou proudy nebo napětí při vyšších frekvencích, které jsou násobky základní frekvence.Mohou způsobit problémy, jako jsou zkreslené průběhy, extra vytápění a nižší účinnost elektrického zařízení.Odd harmonické, které se vyskytují při lichých násobcích základní frekvence, zvyšují zkreslení a zahřívání.Dokonce i harmonické, které se vyskytují při dokonce i násobcích základní frekvence, mohou způsobit přehřátí transformátorů.Triplen harmonické, které jsou specifickým typem lichých harmonických, mohou přetížit neutrální dráty a také způsobit přehřátí transformátorů.

Harmonické mohou být rozděleny do tří typů: pozitivní, negativní a nulové sekvence.Harmonické pozitivní sekvence přidávají do systému další teplo.Harmonické negativní sekvence snižují sílu motorů a zvyšují teplo.Harmonické sekvence nulové sekvence způsobují zahřívání v neutrálních drátech.Celkové harmonické zkreslení (THD) je měřítkem účinků harmonických, přičemž vyšší hodnoty vykazují větší zkreslení.

V průmyslových nastaveních vytvářejí zařízení, jako jsou variabilní frekvenční jednotky, hodně zkreslení.Pro snížení těchto problémů můžeme použít filtry a speciální transformátory určené k zvládnutí vysokých úrovní harmonických.Pravidelná kontrola kvality energie pomáhá najít a vyřešit harmonické problémy a zajišťuje dodržování standardů IEEE 519.Pokročilé nástroje mohou měřit až 511. harmonickou, aby pomohly tyto problémy efektivně řídit.

Typy harmonických

Liché harmonické

Obrázek 2: Odd harmonické

Odpravné harmonické jsou harmonické, které jsou lichými násobky hlavní frekvence, jako je 3., 5. a 7. harmonický.Tyto harmonické mohou způsobit velké problémy v energetických systémech, protože mohou poškodit elektrická zařízení a způsobit, že je špatně pracovat.Když jsou přítomny liché harmonické, zvyšují ztráty odporu a ztráty vířivých proudů v transformátorech.Ztráty odporu, také nazývané ztráty I²R, se dějí, protože harmonické proudy způsobují, že se vodiče více zahřívají.Toto další zahřívání je způsobeno ztracenou silou jako teplo kvůli odporu ve vodičích.Ztráty vířivých proudů dochází, když v jádru transformátoru proudí indukované proudy, a také vytvářející teplo.Přítomnost harmonických zhoršuje tyto účinky, protože jádro transformátoru čelí vyšší frekvenční magnetické pole, které vytvářejí více vířivých proudů a více tepla.

Vysoké úrovně lichých harmonických mohou výrazně ovlivnit, jak dobře transformátor funguje.Aby se snížilo riziko přehřátí a možného selhání, je třeba transformátory často snižovat, pokud existují vysoké úrovně harmonických.Snížení transformátoru znamená použití při nižší kapacitě, než je jmenovitá kapacita ke snížení vytápění způsobeného harmonickými.To udržuje transformátor bezpečně a způsobuje, že vydrží déle.Derating zahrnuje zjištění, kolik harmonického obsahu existuje a vypočítává další ztráty způsobené těmito harmonickými.Jakmile jsou tyto ztráty známy, je upravena zatížení transformátoru, aby se zabránilo přehřátí a zajistilo, že bude fungovat spolehlivě.

Zjednodušeně řečeno, snižování transformátoru kvůli lichým harmonickým zahrnuje pečlivý pohled na harmonický obsah zátěže.Inženýři používají měřiče kvality energie k měření harmonického obsahu a vidí, jak ovlivňuje transformátor.Data z těchto měření se pak použijí k zjištění, kolik snížit zatížení transformátoru, aby bylo bezpečné fungování.

Dokonce i harmonické

Obrázek 3: Dokonce i harmonické

Dokonce i harmonické jsou frekvence, které jsou dokonce násobky hlavní frekvence, jako je 2. (120 Hz), 4. (240 Hz) a 6. (360 Hz) harmoniky, když je hlavní frekvence 60 Hz.V energetických systémech jsou dokonce i harmonické obvykle malé, protože většina nelineárních zatížení většinou vytváří liché harmonické.Přítomnost sudých harmonických však může projevovat specifické problémy v elektrickém systému.

Dokonce i harmonické často označují DC posun v systému.Osazení DC se stane, když existuje komponenta přímého proudu (DC) smíchaná s tvarem vlny střídavého proudu (AC).To může být způsobeno rektifikací poloviční vlny, ke které dochází v důsledku zlomeného usměrňovače.Usměrňovač je zařízení, které mění AC na DC, a když se rozbije, může vytvořit neúplný průběh, což vede k posunu DC.Offset DC zavedený i harmonickými může způsobit několik problémů v elektrických systémech.Jedním z hlavních efektů je nasycení transformátoru.Když transformátor zažije DC offset, jeho jádro se může stát magneticky nasyceným během alternativních polovičních cyklů průběhu střídavého proudu.Tato nasycení vede k nadměrnému tahu proudu, což způsobí, že transformátor přehřívá a možná spálí primární vinutí.Offset DC může také způsobit mechanické vibrace a hluk v transformátorech.Magnetická nasycení jádra má za následek silné vibrace, které mohou být jak hlasité, tak fyzicky škodlivé pro strukturu transformátoru.Tyto vážné problémy může způsobit i malý posun DC, více než 1% jmenovitého proudu.

I jako diagnostický nástroj lze také použít i harmonické.Jejich přítomnost v elektrickém systému může pomoci identifikovat problémy související s usměrňovači nebo jinými komponenty, které mohou do systému zavést komponentu DC.Sledováním a analýzou i harmonických mohou inženýři detekovat a řešit problémy brzy, zabránit potenciálním selháním a zajistit spolehlivý provoz systému distribuce energie.

Triplen harmonické

Obrázek 4: Triplen harmonické

Triplen harmonické jsou zvláštním typem lichých násobků třetí harmonické.Vyskytují se na 3., 9., 15. atd.Jsou jedinečně produkovány jednofázovými zařízeními a mohou způsobit významné problémy v elektrických systémech.

Jedním z hlavních problémů způsobeného harmonickými trojnásobnými je přetížení neutrálních vodičů.Ve vyváženém třífázovém systému by se proudy v neutrálním drátu měly navzájem zrušit.Harníky Triplen z jednofázových zařízení však v neutrálním drátu nezruší.Místo toho se sčítají a způsobují nadměrné proudy.To může vést k přehřátí a potenciálnímu poškození neutrálního drátu.

Triplen harmonické mohou také zasahovat do telefonních linek.Vysokofrekvenční části těchto harmonických mohou vytvářet šum v komunikačních liniích, které běží paralelně s napájecími kabely.Tento šum může snížit kvalitu telefonních signálů a narušit komunikační systémy.

Dalším hlavním problémem s harmonickými Triplen je přehřátí transformátoru.Transformátory jsou vytvořeny tak, aby zvládli specifické úrovně proudu a napětí.Harmonické trojnásobky zvyšují proud RMS (střední čtvercový čtverec) ve vinutí transformátoru, což způsobuje další zahřívání.Pokud transformátor není navržen tak, aby zvládl toto extra teplo, může to vést k rozpadu izolace a případnému selhání.

Pro snížení účinků harmonických trojnásobků lze použít speciální transformátory zvané trans Transformátory s hodnocením K.Tyto transformátory jsou navrženy tak, aby zvládli vyšší harmonické proudy bez přehřátí.Mají lepší chladicí systémy a jsou vyrobeny z materiálů, které vydrží extra teplo způsobené harmonickými.

Harmonická sekvence

Harmonická sekvence popisuje, jak různé frekvence elektrických vln interagují s hlavní vlnou, což nám pomáhá pochopit jejich dopad na energetické systémy.Existují tři hlavní typy harmonických sekvencí: pozitivní, negativní a nulové.

Pozitivní harmonické sekvence

Harmonické pozitivní sekvence zahrnují frekvence jako 1., 4. a 7. harmonický.Tyto harmonické se pohybují stejným směrem jako hlavní vlna.Zvyšují proud v systému a generují další teplo v komponentách.Toto přidané teplo může poškodit izolaci, snížit účinnost systému a způsobit, že se komponenty rozpadají dříve, než se očekávalo.V motorech tyto harmonické narušují magnetické pole, což způsobuje, že motor běží méně účinně a zkracuje jeho životnost.Pro řešení těchto problémů je užitečné použít filtry nebo jiná zařízení ke sledování a redukci harmonických pozitivních sekvencí.

Harmonické negativní sekvence

Harmonické negativní sekvence zahrnují frekvence jako 2., 5. a 8. harmonický.Tyto harmonické se pohybují opačným směrem k hlavní vlně.Snižují sílu motorů a vytvářejí extra teplo, které může poškodit izolaci, způsobit mechanické vibrace a zkrátit životnost motorů a dalších složek.Transformátory mohou také zažít zvýšené ztráty a přehřátí v důsledku těchto harmonických.Monitorování a instalace správných filtrů může pomoci spravovat harmonické negativní sekvence a jejich nepříznivé účinky.

Harmonické nulové sekvence

Harmonické nulové sekvence zahrnují frekvence jako 3., 6. a 9. harmonický.Tyto harmonické nevytvářejí rotující magnetické pole, ale místo toho se hromadí v neutrálním drátu, což způsobuje přehřátí a poškození.To je zvláště problematické v systémech s nelineárním zatížením.Použití speciálních transformátorů a harmonických filtrů může pomoci zvládnout extra teplo a snížit harmonický obsah v systému, zabránit přehřátí a poškození neutrálního drátu.

Příčiny elektrických harmonických

V průmyslových nastaveních některé typy elektrických zařízení často způsobují harmonické zkreslení.Tento problém je běžný u zařízení, jako jsou disky s proměnlivou frekvencí (VFD) a střídače.Tato zařízení mění střídavý proud (AC) k přímému proudu (DC) a poté vytvoří variabilní frekvenční výstup střídavého proudu pro přesné řízení motorů přesně v různých aplikacích.

Během této konverze tato zařízení nakreslují proud nelineárním, nerovnoměrným způsobem, namísto hladkého, vlnového způsobu pravidelného zatížení.Tento nerovnoměrný proud přidává harmonické komponenty do elektrického systému a způsobuje zkreslení napětí.Hlavním důvodem tohoto nerovnoměrného proudu jsou vnitřní elektronické části, jako jsou usměrňovače a přepínací obvody, které v určitých časech během cyklu střídavého proudu čerpají pouze proud.Například VFD, který ovládá průmyslový motor, nejprve změní příchozí AC na DC a poté použije střídač k vytvoření výstupu AC s proměnlivou frekvencí k úpravě rychlosti motoru.Stadium rektifikace zahrnuje přepínání částí, které přitahují proud do prasknutí, spíše než nepřetržitě.Tento výbuch proudu narušuje tvar vlny a vytváří harmonické.

Tyto harmonické mohou způsobit několik problémů v průmyslovém energetickém systému.Mohou zvýšit zahřívání v transformátorech a dalších elektrických částech a snížit jejich účinnost a životnost.Harmonické zkreslení může také způsobit nesprávnou elektronickou zařízení, zvyšování energetických ztrát a potenciálně narušit komunikační systémy.

Aby se tyto účinky snížily, výrobci zařízení navrhují své výrobky tak, aby splňovaly standardy elektromagnetické kompatibility (EMC).Tyto standardy omezují množství harmonického zkreslení, které mohou jejich zařízení zavést do napájecího systému.Standardy EMC zajišťují, že jednotlivá zařízení nezpůsobují nadměrné zkreslení, které by mohlo ovlivnit celý energetický systém.Avšak i se zařízením kompatibilním s EMC může kombinovaný účinek mnoha zařízení běžených současně způsobit významné harmonické zkreslení.Díky tomu je nezbytné aktivně sledovat a spravovat harmonické v průmyslovém prostředí.

Problémy náchylné k vyskytujícím se na vyšších harmonických úrovních

Problémy v motorech a generátorech

Harmonické mohou způsobit velké problémy v motorech a generátorech.Extra teplo vytvořené harmonickými proudy může rozbít izolaci a kladení napětí na části stroje.To může způsobit, že tyto stroje selhávají dříve, mají kratší životnost a potřebují více oprav.Harmonické vibrace mohou také způsobit opotřebení strojů, což zhoršuje problém.

Nižší účinnost

Harmonické zhoršují odporové ztráty (I²R ztráty) v drátech a transformátorech.Tyto ztráty vytvářejí extra teplo, což činí energetický systém méně efektivní.Extra teplo může urychlit stárnutí izolačních materiálů, což vede k častějším selháním a vyššímu spotřebě energie.

Neplánované výlety jističe a foukané pojistky

Vysoká harmonická hladina může způsobit, že jističe s obvody zakopnou a pojistky budou foukat bez dobrého důvodu.K tomu dochází, protože harmonické mohou v těchto bezpečnostních zařízeních způsobit příliš mnoho tepla a magnetického rušení, takže je nesprávně fungují.Toto nežádoucí zakopnutí může přerušit operace, způsobit neplánované prostoje a vyžadovat větší údržbu.

Problémy s elektronickým zařízením

Elektronická zařízení jsou velmi citlivá na harmonické zkreslení.Harmonické mohou způsobit problémy v zařízeních, jako jsou počítače, komunikační zařízení a další citlivá elektronika.Interference z harmonických frekvencí může zkazit data, způsobit chyby komunikace a snížit výkon, vyžadovat další filtrování a ochranu.

Neočekávané rezonance

Harmonické frekvence se mohou mísit s přirozenými frekvencemi napájecího systému, což způsobuje rezonance.Tyto rezonance mohou zesílit harmonické proudy a napětí, což vede k překročení, přehřátí a možnému poškození zařízení.Nalezení a stanovení rezonančních podmínek pomáhá předcházet vážným selháním v energetických systémech.

Řešení pro zmírnění harmonických

Instalace filtrů

Filtry jsou praktickým a ekonomickým řešením pro snižování harmonických v systémech distribuce energie.Harmonické filtry jsou navrženy tak, aby blokovaly nebo snižovaly specifické harmonické frekvence, což umožňuje procházet pouze základní frekvence.Tento proces pomáhá při čištění elektrického průběhu a zmírňování nepříznivých účinků harmonických.

Pro efektivní implementaci filtrů je nezbytné provádět harmonické průzkumy.Tyto průzkumy zahrnují použití analyzátorů kvality energie k měření úrovní a typů harmonických v systému.Identifikací specifických harmonických frekvencí a jejich zdrojů mohou inženýři navrhovat a instalovat filtry přizpůsobené pro řešení konkrétních potřeb systému.K dispozici jsou různé typy filtrů, jako jsou pasivní, aktivní a hybridní filtry, z nichž každá má své specifické aplikace a výhody.Pasivní filtry se skládají z induktorů, kondenzátorů a rezistorů.Jsou vyladěny tak, aby odfiltrovaly specifické harmonické frekvence.Pasivní filtry jsou nákladově efektivní a snadno se implementují, ale v dynamických systémech mohou být objemné a méně flexibilní.Aktivní filtry používají napájecí elektroniku k dynamickému působení proti harmonickému zkreslení.Jsou všestrannější a mohou se přizpůsobit měnícím se harmonickým profilům v reálném čase.Aktivní filtry jsou dražší, ale poskytují vynikající výkon v proměnných podmínkách zatížení.Hybridní filtry kombinují pasivní a aktivní součásti filtru pro optimalizaci výkonu a nákladů.Nabízejí vyvážený přístup a poskytují efektivní harmonické zmírnění s mírnými investicemi.

Používání vysokých transformátorů K-faktorů

Obrázek 5: Transformátor s vysokým obsahem K a jeho současný tvar vlny

Transformátory s vysokým obsahem K-faktory jsou vyrobeny tak, aby zvládly extra teplo způsobené harmonickými proudy.„K-Factor“ je hodnocení, které ukazuje, jak dobře se transformátor může s těmito proudy vypořádat, aniž by byl příliš horký.Tyto transformátory mají lepší izolační a chladicí systémy pro správu extra tepla od harmonických.Mohou se zbavit dalšího tepla, zabránit poškození a prodloužení života transformátoru.Při manipulaci s vyššími harmonickými úrovněmi tyto transformátory snižují riziko přehřátí a selhání, což činí spolehlivější systém distribuce energie.

Použití transformátorů s vysokým K-faktorem vyžaduje pečlivé plánování.Instalují více a jsou obtížnější než běžné transformátory.Proces začíná podrobnou kontrolou a zjistí potřebné hodnocení K-faktoru pro konkrétní použití.Tato kontrola zahrnuje pohledu na harmonický obsah zatížení a pochopení toho, jak ovlivňuje transformátor.Inženýři používají nástroje k měření harmonických úrovní a vypočítání extra tepla způsobeného těmito harmonickými.

Jakmile je stanoveno správné hodnocení K-faktorů, dalším krokem je vyvážit dlouhodobé výhody proti počátečním nákladům.Vysoké transformátory K-faktorů snižují potřeby údržby a zlepšují spolehlivost, což může v průběhu času vyrovnat vyšší náklady na nákup a instalaci.Instalace těchto transformátorů je však složitá, takže k minimalizaci narušení je vyžadováno pečlivé plánování.To zahrnuje možné plánování možných prostojů pro výměnu nebo instalaci transformátoru a zvážení všech dopadů na operace.

Pravidelné průzkumy kvality energie

Pro udržení zdravých elektrických systémů a běhu jsou zapotřebí pravidelné kontroly kvality energie.Tyto kontroly zahrnují systematické měření elektrických vlastností, aby se včas našli a opravili potenciální problémy.Neustále sledováním kvality energie zajišťujeme, že elektrická zařízení funguje dobře, trvá déle a je spolehlivější.Měření by měla být prováděna v klíčových bodech v systému, jako je místo, kde vstoupí výkon a na distribučních panelech.Pravidelný sběr dat pomáhá spotkovým vzorům, které by mohly vykazovat problémy s vývojem, jako je zvyšování úrovní změn elektrického šumu nebo napětí.Hlavními nástroji používanými v těchto kontrolách jsou měřiče kvality energie, které měří napětí, proud, elektrický šum a náhlé změny.Pokročilé měřiče zaznamenávají data v průběhu času a poskytují úplný obrázek o trendech kvality energie.Při pohledu na tato data pomáhá najít rozdíly z normálních podmínek, umožňující včasné opravy a snížení rizika rozpadu zařízení.

Dodržování standardů IEEE 519

Standardy IEEE 519 stanoví pravidla pro přijatelné úrovně napětí a proudu v elektrických systémech.Tato pravidla pomáhají předcházet poškození zařízení a zajistit spolehlivost systému.

Níže uvedená tabulka ukazuje standardy IEEE 519-2014 pro celkové harmonické zkreslení (THD) v napětí a proudu pro různé úrovně napětí:

Obrázek 6: Tabulka ukazující celkové hranice harmonického zkreslení (THD) pro napětí a proud při různých úrovních napětí

Analyzátory kvality energie jsou nástroje, které pomáhají měřit harmonické až do 511. harmonické.Tyto analyzátory poskytují podrobná data, která umožňují přesné monitorování a řízení kvality energie.Pomáhají identifikovat specifické harmonické frekvence a jejich velikosti, což umožňuje cílená řešení.

Pravidelné sledování kvality energie zajišťuje, že harmonická úroveň zůstane v přijatelných limitch a pomáhá včas detekovat potenciální problémy.Správa harmonických účinných zahrnuje hledání a upevňování zdrojů zkreslení, jako je instalace harmonických filtrů a upgrade transformátorů.

Závěr

Harmonické v elektrických systémech mohou způsobit mnoho problémů, jako je přehřátí, selhání zařízení a neefektivnost.Pochopením různých typů harmonických - ADD, dokonce a trojnásobku - a tím, jak ovlivňují elektrické části, mohou inženýři lépe předvídat a opravit tyto problémy.Použití řešení, jako jsou harmonické filtry, speciální transformátory, které zpracovávají extra teplo a pravidelné kontroly kvality energie, pomáhají udržovat systémy spolehlivé a efektivní.Podle norem IEEE 519 zajišťuje, že harmonické úrovně zůstávají v bezpečných limitch a chrání jak vybavení, tak operace.Správa harmonických nejen způsobuje, že elektrické systémy vydrží déle, ale také zlepšují výkon a snižuje náklady na údržbu, což z něj činí klíčovou součást moderního elektrotechniky.

Často kladené otázky [FAQ]

1. Jaká jsou nebezpečí harmonických?

Nebezpečí harmonických zahrnují přehřátí elektrických zařízení, předčasné selhání izolace, zvýšené ztráty, poruchu citlivé elektroniky, nepříjemné zakopnutí jističů a potenciální podmínky rezonance, které mohou způsobit vážné poškození komponent.

2. Jaké jsou účinky harmonických na kvalitu energie a ztráty v systémech distribuce energie?

Harmonické degradují kvalitu energie zkreslením napětí a proudových průběhů, což vede ke zvýšeným ztrátám v transformátorech a vodičích, snížené účinnosti, přehřátí a rušení citlivého vybavení, což může vést k provozním selháním a zvýšeným nákladům na údržbu.

3. Jaká je hlavní příčina harmonických v elektrickém systému?

Hlavní příčinou harmonických v elektrickém systému je přítomnost nelineárních zatížení, jako jsou variabilní frekvenční jednotky, střídače, usměrňovače a další elektronická zařízení, která nakreslí proud neinusoidálním způsobem a do systému zavádějí harmonické proudy.

4. Jaký je účinek harmonických na účinek distribučního systému?

Harmonické negativně ovlivňují účinek distribučního systému zvýšením zjevné síly, což způsobuje, že je více proudu nakreslen pro stejné množství skutečné síly.To má za následek nižší účinnost a vyšší provozní náklady v důsledku zvýšených ztrát a snížené kapacity systémových složek.

5. Jaké jsou harmonické v systému distribuce elektrické energie?

Harmonické v systému distribuce elektrického výkonu jsou proudy nebo napětí při frekvencích, které jsou celočíselnými násobky základní frekvence (60 Hz v USA).Výsledkem je z nelineárních zatížení a způsobují zkreslení ve tvaru vlny, což vede k různým provozním a účinným problémům v rámci systému.