Aukštesnių įtampos ir srovės harmonikų įtaka elektros įrenginių darbui

Didesnės įtampos ir srovės harmonikos veikia elektros sistemų elementus ir ryšio linijas.

Pagrindinės aukštesnių harmonikų įtakos energijos sistemoms formos yra šios:

• aukštesnių harmonikų srovių ir įtampų padidėjimas dėl lygiagrečių ir nuoseklių rezonansų;

• elektros energijos gamybos, perdavimo, naudojimo procesų efektyvumo mažinimas;

• elektros įrenginių izoliacijos senėjimas ir dėl to sutrumpėjęs jos tarnavimo laikas;

• klaidingas įrangos veikimas.

Rezonansų įtaka sistemoms

Energijos sistemų rezonansai paprastai vertinami atsižvelgiant į kondensatorius, ypač galios kondensatorius. Kai srovės harmonikos viršija maksimalius leistinus kondensatorių lygius, pastarieji nepablogina savo veikimo, o po kurio laiko sugenda.

Kita sritis, kurioje rezonansai gali sugadinti įrangą, yra obertonų apkrovos valdymo sistemos. Kad signalo nesugertų galios kondensatoriai, jų grandinės yra atskirtos sureguliuotu serijiniu filtru (filtro „įpjova“). Esant vietiniam rezonansui, srovės harmonikos galios kondensatoriaus grandinėje smarkiai padidėja, todėl sugadinamas nuoseklaus filtro sureguliuotas kondensatorius.

Viename iš įrenginių filtrai, sureguliuoti 530 Hz dažniu ir 100 A pralaidumo srove, blokavo kiekvieną galios kondensatoriaus grandinę, kurioje buvo 15 65 kvar sekcijų. Kondensatoriai šie filtrai sugedo po dviejų dienų. Priežastis buvo 350 Hz dažnio harmonikos buvimas, šalia kurio buvo nustatytos rezonanso sąlygos tarp sureguliuoto filtro ir galios kondensatorių.

Harmonikų poveikis besisukančioms mašinoms

Įtampos ir srovės harmonikos sukelia papildomų nuostolių statoriaus apvijose, rotoriaus grandinėse ir statoriaus bei rotoriaus plienuose. Statoriaus ir rotoriaus laidininkų nuostoliai dėl sūkurinių srovių ir paviršiaus efekto yra didesni nei nulemti ominės varžos.

Dėl harmonikų sukeltos nuotėkio srovės statoriaus ir rotoriaus galinėse zonose atsiranda papildomų nuostolių.

Kūginio rotoriaus indukciniame variklyje su pulsuojančiu magnetiniu srautu statoriuje ir rotoriuje didesnės harmonikos sukelia papildomų nuostolių pliene. Šių nuostolių dydis priklauso nuo plyšių pasvirimo kampo ir magnetinės grandinės charakteristikų.

Vidutinis nuostolių iš aukštesnių harmonikų pasiskirstymas apibūdinamas šiais duomenimis; statoriaus apvija 14%; rotoriaus grandinės 41%; pabaigos zonos 19%; asimetrinė banga 26%.

Išskyrus asimetrinių bangų nuostolius, jų pasiskirstymas sinchroninėse mašinose yra maždaug vienodas.

Pažymėtina, kad gretimos nelyginės harmonikos sinchroninės mašinos statoriuje sukelia tokio paties dažnio harmonikas rotoriuje. Pavyzdžiui, statoriaus 5-oji ir 7-oji harmonikos sukelia 6-osios eilės srovės harmonikus rotoriuje, besisukančius įvairiomis kryptimis. Linijinėms sistemoms vidutinis nuostolių tankis rotoriaus paviršiuje yra proporcingas vertei, tačiau dėl skirtingos sukimosi krypties nuostolių tankis kai kuriuose taškuose yra proporcingas reikšmei (I5 + I7) 2.

Papildomi nuostoliai yra vienas neigiamiausių reiškinių, kuriuos sukelia harmonikos besisukančiose mašinose. Dėl jų pakyla bendra mašinos temperatūra ir vietinis perkaitimas, greičiausiai rotoriuje. Varikliai su voverės narveliais užtikrina didesnius nuostolius ir temperatūrą nei varikliai su suvyniotu rotoriumi. Kai kurios rekomendacijos riboja leistiną neigiamos sekos srovės lygį generatoriuje iki 10%, o neigiamos sekos įtampos lygį asinchroninio variklio įėjimuose iki 2%. Harmonikų tolerancija šiuo atveju nustatoma pagal tai, kokius neigiamos sekos įtampų ir srovių lygius jos sukuria.

Harmonikų sukuriami sukimo momentai. Srovės harmonikos statoriuje sukelia atitinkamus sukimo momentus: harmonikos, sudarančios teigiamą seką rotoriaus sukimosi kryptimi, ir atvirkštinę seką priešinga kryptimi.

Harmoninės srovės mašinos statoriuje sukelia varomąją jėgą, dėl kurios ant veleno atsiranda sukimo momentai harmoninio magnetinio lauko sukimosi kryptimi. Paprastai jie yra labai maži ir taip pat iš dalies kompensuojami dėl priešingos krypties. Tačiau jie gali sukelti variklio veleno vibraciją.

Harmonikų įtaka statiniams įrenginiams, elektros linijoms. Srovės harmonikos linijose lemia papildomus elektros ir įtampos nuostolius.

Kabelių linijose įtampos harmonikos padidina poveikį dielektrikui proporcingai didžiausios amplitudės vertės padidėjimui. Tai savo ruožtu padidina kabelių gedimų skaičių ir remonto išlaidas.

Dėl tos pačios priežasties EHV linijose įtampos harmonikos gali padidinti koronos nuostolius.

Aukštesnių harmonikų įtaka transformatoriams

Įtampos harmonikos padidina histerezės ir sūkurinių srovių nuostolius pliene transformatoriuose, taip pat apvijų nuostolius. Taip pat sutrumpėja izoliacijos tarnavimo laikas.

Apvijų nuostolių padidėjimas yra svarbiausias sumažintame transformatoriuje, nes filtro, paprastai prijungto prie kintamosios srovės, buvimas nesumažina srovės harmonikų transformatoriuje. Todėl būtina įrengti didelį galios transformatorių. Taip pat stebimas vietinis transformatoriaus bako perkaitimas.

Neigiamas harmonikų poveikio didelės galios transformatoriams aspektas yra trigubos nulinės sekos srovės cirkuliacija trikampio jungties apvijose. Tai gali juos priblokšti.

Aukštesnių harmonikų įtaka kondensatorių bankams

Dėl papildomų nuostolių elektros kondensatoriuose jie perkaista. Apskritai, kondensatoriai yra skirti atlaikyti tam tikrą srovės perkrovą. Didžiojoje Britanijoje gaminami kondensatoriai leidžia perkrauti 15%, Europoje ir Australijoje - 30%, JAV - 80%, NVS šalyse - 30%. Viršijus šias vertes, kai kondensatorių įvesties aukštesnių harmonikų įtampa yra padidėjusi, pastarieji perkaista ir sugenda.

Aukštesnių harmonikų įtaka elektros sistemos apsaugos įtaisams

Harmonikos gali trikdyti apsauginių įtaisų veikimą arba pakenkti jų veikimui. Pažeidimo pobūdis priklauso nuo įrenginio veikimo principo. Skaitmeninės relės ir algoritmai, pagrįsti diskretizuota duomenų analize arba nulinio kirtimo analize, yra ypač jautrūs harmonikoms.

Dažniausiai savybių pokyčiai yra nedideli. Dauguma relių tipų normaliai veiks iki 20 % iškraipymo lygio. Tačiau padidinus energijos keitiklių dalį tinkluose, situacija ateityje gali pasikeisti.

Problemos, kylančios dėl harmonikų, skiriasi normaliu ir avariniu režimu ir yra aptariamos atskirai toliau.

Harmonikų poveikis avariniuose režimuose

Apsaugos įtaisai paprastai reaguoja į pagrindinio dažnio įtampą arba srovę, o bet kokios pereinamosios harmonikos arba išfiltruojamos, arba neturi įtakos įrenginiui. Pastaroji būdinga elektromechaninėms relėms, ypač naudojama apsaugai nuo viršsrovių. Šios relės turi didelę inerciją, todėl jos praktiškai nejautrios aukštesnėms harmonikoms.

Reikšmingesnė yra harmonikų įtaka apsaugos veiksmingumui, pagrįsta varžos matavimu. Apsauga nuo atstumo, kai varža matuojama pagrindiniu dažniu, gali duoti didelių paklaidų esant aukštesnėms harmonikoms trumpojo jungimo srovėje (ypač 3 eilės). Didelis harmonikų kiekis paprastai stebimas, kai trumpojo jungimo srovė teka per žemę (žemės varža dominuoja visoje kilpos varžoje). Jei harmonikos nefiltruojamos, klaidingo veikimo tikimybė yra labai didelė.

Metalinio trumpojo jungimo atveju srovėje dominuoja pagrindinis dažnis. Tačiau dėl transformatoriaus prisotinimo atsiranda antrinės kreivės iškraipymas, ypač esant dideliam nuolatinės srovės komponentui pirminėje srovėje. Tokiu atveju taip pat kyla problemų užtikrinant normalų apsaugos veikimą.

Pastovios būsenos veikimo sąlygomis netiesiškumas, susijęs su transformatoriaus per dideliu sužadinimu, sukelia tik nelyginės eilės harmonikas. Pereinamuoju režimu gali atsirasti visų rūšių harmonikų, kurių didžiausios amplitudės paprastai yra 2 ir 3.

Tačiau tinkamai suprojektavus, dauguma išvardintų problemų yra lengvai išsprendžiamos. Tinkamos įrangos pasirinkimas pašalina daugybę sunkumų, susijusių su transformatorių matavimu.

Harmoninis filtravimas, ypač skaitmeninėse apsaugose, yra svarbiausias apsaugai nuo nuotolio. Skaitmeninio filtravimo metodų srityje atliktas darbas parodė, kad nors tokio filtravimo algoritmai dažnai yra gana sudėtingi, norint gauti norimą rezultatą, ypatingų sunkumų nekyla.

Harmonikų įtaka apsauginėms sistemoms esant normaliam elektros tinklų veikimo režimui. Dėl mažo apsauginių įtaisų jautrumo režimo parametrams normaliomis sąlygomis praktiškai nėra problemų, susijusių su harmonikomis šiuose režimuose. Išimtis yra problema, susijusi su galingų transformatorių įtraukimu į tinklą, kartu su įmagnetinimo srovės padidėjimu.

Smailės amplitudė priklauso nuo transformatoriaus induktyvumo, apvijos varžos ir įjungimo momento. Liekamasis srautas momentu prieš įjungimą šiek tiek padidina arba sumažina amplitudę, priklausomai nuo srauto poliškumo, palyginti su pradine momentinės įtampos verte. Kadangi įmagnetinimo metu antrinėje pusėje nėra srovės, didelė pirminė srovė gali sukelti klaidingą diferencinės apsaugos suveikimą.

Lengviausias būdas išvengti klaidingų pavojaus signalų yra naudoti laiko delsą, tačiau tai gali rimtai sugadinti transformatorių, jei įvyktų avarija, kai jis įjungtas. Praktikoje apsaugai blokuoti naudojama antroji įjungimo srovėje esanti, tinklams nebūdinga harmonika, nors apsauga išlieka gana jautri vidiniams transformatoriaus gedimams įjungiant.

Harmonikų poveikis vartotojų įrangai

Aukštesnių harmonikų įtaka televizoriams

Harmonikos, padidinančios didžiausią įtampą, gali sukelti vaizdo iškraipymą ir ryškumo pokyčius.

Liuminescencinės ir gyvsidabrio lempos. Šių lempų balastuose kartais yra kondensatorių ir tam tikromis sąlygomis gali atsirasti rezonansas, dėl kurio lempa sugenda.

Aukštesnių harmonikų poveikis kompiuteriams

Kompiuteriams ir duomenų apdorojimo sistemoms maitinamuose tinkluose yra leistinų iškraipymo lygių ribos. Kai kuriais atvejais jie išreiškiami vardinės įtampos procentais (kompiuteriui IVM - 5%) arba didžiausios įtampos ir vidutinės vertės santykio forma (CDC nustato leistinas ribas 1,41 ± 0,1).

Aukštesnių harmonikų įtaka keitimo įrangai

Sinusinės įtampos įpjovos, atsirandančios vožtuvo perjungimo metu, gali turėti įtakos kitos panašios įrangos ar prietaisų, kurie valdomi nulinės įtampos kreivės metu, laikui.

Aukštesnių harmonikų įtaka tiristorių valdomai greičio įrangai

Teoriškai harmonikos gali paveikti tokią įrangą keliais būdais:

• sinusinės bangos įpjovos sukelia gedimą dėl netinkamo tiristorių uždegimo;

• įtampos harmonikos gali sukelti uždegimo pertrūkius;

• atsirandantis rezonansas, esant įvairių tipų įrangai, gali sukelti mašinų viršįtampius ir vibracijas.

Aukščiau aprašytą poveikį gali pajusti kiti prie to paties tinklo prisijungę vartotojai. Jei vartotojas neturi jokių sunkumų dėl tiristoriaus valdomos įrangos savo tinkluose, mažai tikėtina, kad tai turės įtakos kitiems vartotojams. Vartotojai, maitinami skirtingų magistralių, teoriškai gali turėti įtakos vieni kitiems, tačiau elektrinis atstumas sumažina tokios sąveikos tikimybę.

Harmonikų poveikis galios ir energijos matavimams

Matavimo prietaisai paprastai kalibruojami pagal grynas sinusines įtampas ir padidina neapibrėžtį esant aukštesnėms harmonikoms. Harmonikų dydis ir kryptis yra svarbūs veiksniai, nes paklaidos ženklą lemia harmonikų kryptis.

Harmonikų sukeliamos matavimo paklaidos labai priklauso nuo matavimo priemonių tipo. Įprasti indukciniai matuokliai paprastai pervertina rodmenis keliais procentais (kiekvienas 6 %), jei naudotojas turi iškraipymų šaltinį. Tokie vartotojai automatiškai baudžiami už iškraipymus tinkle, todėl jie patys suinteresuoti nustatyti tinkamas priemones šiems iškraipymams slopinti.

Kiekybinių duomenų apie harmonikų įtaką didžiausios apkrovos matavimo tikslumui nėra. Daroma prielaida, kad harmonikų įtaka didžiausios apkrovos matavimo tikslumui yra tokia pati kaip ir energijos matavimo tikslumui.

Tikslų energijos matavimą, neatsižvelgiant į srovės ir įtampos kreivių formą, užtikrina elektroniniai skaitikliai, kurių kaina yra didesnė.

Harmonikos turi įtakos tiek reaktyviosios galios matavimo tikslumui, kuris aiškiai apibrėžiamas tik esant sinusoidinėms srovėms ir įtampoms, ir galios koeficiento matavimo tikslumui.

Harmonikų įtaka instrumentų tikrinimo ir kalibravimo laboratorijose tikslumui minima retai, nors šis reikalo aspektas taip pat svarbus.

Harmonikų įtaka ryšio grandinėms

Galios grandinių harmonikos sukelia triukšmą ryšių grandinėse.Žemas triukšmo lygis sukelia tam tikrą diskomfortą, jam didėjant, prarandama dalis perduodamos informacijos, kraštutiniais atvejais bendravimas tampa visiškai neįmanomas. Atsižvelgiant į tai, keičiantis technologiniams energijos tiekimo ir ryšių sistemų pakeitimams, būtina atsižvelgti į elektros linijų įtaką telefono linijoms.

Harmonikų poveikis telefono linijos triukšmui priklauso nuo harmonikų eilės. Vidutiniškai telefonas - žmogaus ausis turi jautrumo funkciją, kurios didžiausia vertė yra 1 kHz dažniu. Įvertinti įvairių harmonikų įtaką triukšmui c. telefone naudojami koeficientai, kurie yra harmonikų suma, paimta su tam tikrais svoriais.Dažniausiai naudojami du koeficientai: psofometrinis svoris ir C perdavimas. Pirmąjį veiksnį sukūrė Tarptautinis konsultacinis telefono ir telegrafo sistemų komitetas (CCITT) ir jis naudojamas Europoje, antrasis – Bella Telephone Company ir Edisono elektrotechnikos institutas – naudojamas JAV ir Kanadoje.

Harmoninės srovės trijose fazėse nevisiškai kompensuoja viena kitą dėl amplitudių ir fazių kampų nelygybės ir veikia telekomunikacijas susidariusia nulinės sekos srove (panašiai į įžeminimo sroves ir įžeminimo sroves iš traukos sistemų).

Įtaką taip pat gali sukelti harmoninės srovės pačiose fazėse dėl atstumų nuo fazinių laidų iki šalia esančių telekomunikacijų linijų skirtumo.

Tokio tipo įtakas galima sumažinti tinkamai parinkus linijos pėdsakus, tačiau neišvengiamų linijų kirtimų atveju toks poveikis atsiranda.Tai ypač ryškiai pasireiškia esant vertikaliam elektros linijos laidų išdėstymui ir kai ryšio linijos laidai perkeliami šalia elektros linijos.

Esant dideliems atstumams (daugiau nei 100 m) tarp linijų, pagrindinis įtakojantis veiksnys yra nulinės sekos srovė. Kai elektros linijos vardinė įtampa mažėja, įtaka mažėja, tačiau ji pastebima dėl bendrų atramų ar tranšėjų naudojimo žemos įtampos elektros ir ryšių linijoms tiesti.