на 2024/06/25 401

Вплив гармоніків на електричні системи

Розуміння впливу гармоніків на електричні системи дуже корисно для того, щоб тримати речі, що працюють безперебійно та безпечно.Гармоніки - це зміни електричної хвилі, які можуть спричинити різні проблеми, такі як занадто багато тепла, руйнування обладнання та менша ефективність.Ця стаття пояснює різні типи гармоніків, що їх викликає, та проблеми, які вони можуть створити в електросахирах, що використовуються в галузях та підприємствах.Ми також розглянемо способи виправити ці проблеми, як -от використання спеціальних фільтрів, трансформатори, розроблені для обробки гармоніків, та регулярні перевірки якості електроенергії.Наша мета - забезпечити чітке та просте посібник з управління гармоніками в електричних системах.

Каталог

Малюнок 1: Гармоніки

Розуміння гармоніків у енергетиці

Гармоніки - це струми або напруги на більш високих частотах, які є кратними основними частотою.Вони можуть спричинити такі проблеми, як спотворені форми хвиль, додаткове опалення та нижча ефективність в електричному обладнанні.Непарні гармоніки, які трапляються при непарних кратних основних частот, збільшують спотворення та нагрівання.Навіть гармоніки, які трапляються навіть у кратних базових частот, можуть спричинити перегріву трансформаторів.Триплінні гармоніки, які є специфічним типом непарних гармоніків, можуть перевантажувати нейтральні дроти, а також змушувати трансформатори перегрітися.

Гармоніки можна розділити на три типи: позитивні, негативні та нульові послідовності.Позитивна послідовність гармоніків додає системі додаткове тепло.Негативна послідовність гармоніки знижують силу двигунів і збільшують тепло.Гармоніки нульової послідовності викликають нагрівання в нейтральних проводах.Загальне гармонічне спотворення (THD) - це міра наслідків гармоніків, при цьому більш високі значення демонструють більше спотворення.

У промислових умовах такі пристрої, як змінна частота, створюють багато спотворень.Щоб зменшити ці проблеми, ми можемо використовувати фільтри та спеціальні трансформатори, розроблені для обробки високих рівнів гармоніків.Регулярна перевірка якості електроенергії допомагає знайти та виправити гармонічні проблеми та забезпечує дотримання стандартів IEEE 519.Розширені інструменти можуть вимірювати до 511 -ї гармоніки, щоб допомогти ефективно керувати цими проблемами.

Типи гармоніків

Дивні гармоніки

Малюнок 2: непарні гармоніки

Непарні гармоніки - це гармоніки, які є незвичайними кратними основними частотами, як 3 -й, 5 -й та 7 -й гармоніки.Ці гармоніки можуть спричинити великі проблеми в системах електроенергії, оскільки вони можуть завдати шкоди електричному обладнанню та змусити їх працювати погано.Коли присутні дивні гармоніки, вони збільшують втрати опору та втрати струму у трансформаторах.Втрати резистентності, які також називаються втратами I²R, трапляються через те, що гармонічні течії змушують провідники нагріватися більше.Це додаткове нагрівання обумовлено потужністю, втраченою як тепло через опір у провідниках.Втрати струму EDDY трапляються, коли індуковані струми надходять у серцевину трансформатора, також генеруючи тепло.Наявність гармоніків робить ці ефекти гіршими, оскільки ядро ​​трансформатора стикається з магнітними полями більш високої частоти, які створюють більш вихрові струми та більше тепла.

Високий рівень дивних гармоніків може сильно вплинути на те, наскільки добре працює трансформатор.Для зменшення ризику перегріву та можливих збоїв трансформатори часто потрібно виводити, коли є високий рівень гармоніків.Отримання трансформатора означає використовувати його при меншій здатності, ніж його номінальна здатність, щоб зменшити нагрівання, спричинене гармоніками.Це спонукає трансформатора безпечно працювати і змушує його тривати довше.Дерінг передбачає з'ясування того, наскільки гармонійна вміст, і обчислення додаткових втрат, спричинених цими гармоніками.Після того, як ці втрати будуть відомі, вантажопідйомність трансформатора регулюється, щоб не перегріватися, і переконатися, що він надійно працює.

Простіше кажучи, отримання трансформатора через непарні гармоніки передбачає ретельний погляд на гармонійний вміст навантаження.Інженери використовують лічильники якості електроенергії для вимірювання гармонійного вмісту та побачення, як це впливає на трансформатор.Дані цих вимірювань потім використовуються для з'ясування, скільки можна зменшити навантаження трансформатора, щоб він працював безпечно.

Навіть гармоніки

Малюнок 3: Навіть гармоніки

Навіть гармоніки - це частоти, які навіть є кратними основними частотами, як 2 -й (120 Гц), 4 -й (240 Гц) та 6 -й (360 Гц) гармоніки, коли основна частота становить 60 Гц.У системах енергетики навіть гармоніки зазвичай невеликі, оскільки більшість нелінійних навантажень здебільшого виробляють дивні гармоніки.Однак наявність навіть гармоніків може виявляти конкретні проблеми в електричній системі.

Навіть гармоніки часто вказують на зміщення постійного струму в системі.Зсув постійного струму трапляється, коли є компонент постійного струму (постійного струму), змішаний із формою хвилі змінного струму (AC).Це може бути викликано напівхвильовим випрямленням, яке відбувається через зламаний випрямляч.Випрямляч - це пристрій, який змінює змінного струму на постійний струм, і коли він зламається, він може створити неповну форму хвилі, що призводить до зміщення постійного струму.Зсув постійного струму, введене навіть гармоніками, може спричинити кілька проблем в електричних системах.Одним з головних ефектів є насиченість трансформаторів.Коли трансформатор відчуває зміщення постійного струму, його ядро ​​може ставати магнетично насиченим під час альтернативних напівциклів форми хвилі змінного струму.Це насичення призводить до надмірного розіграшу струму, внаслідок чого трансформатор перегрівається і, можливо, спалює первинну обмотку.Також зміщення постійного струму може спричинити механічні коливання та шум у трансформаторах.Магнітна насиченість ядра призводить до сильної вібрації, яка може бути як гучною, так і фізично згубною до структури трансформатора.Навіть невелике зміщення постійного струму, більше 1% рейтингового струму, може спричинити ці серйозні проблеми.

Навіть гармоніки також можна використовувати як діагностичний інструмент.Їх присутність в електричній системі може допомогти визначити проблеми, пов’язані з випрямляннями або іншими компонентами, які можуть вводити компонент постійного струму в систему.Моніторинг та аналізу навіть гармоніки, інженери можуть виявити та вирішувати проблеми рано, запобігаючи потенційним збоям та забезпечуючи надійну роботу системи розподілу електроенергії.

Триплен гармоніки

Рисунок 4: Триплінна гармонія

Триплін -гармоніки - це особливий тип непарних кратних третій гармоніки.Вони трапляються на 3 -му, 9 -му, 15 -му тощо.Вони однозначно виробляються однофазними пристроями і можуть спричинити значні проблеми в електричних системах.

Однією з головних проблем, спричинених трипленом гармоніки, є перевантаження нейтральних проводів.У збалансованій трифазній системі струми в нейтральному проводі повинні скасувати один одного.Однак трифазна гармонія з однофазних пристроїв не скасовується в нейтральному проводі.Натомість вони додають разом, викликаючи надмірні течії.Це може призвести до перегріву та потенційного пошкодження нейтрального дроту.

Триплін -гармоніки також можуть заважати телефонним лініям.Високочастотні частини цих гармоніків можуть створювати шум у лініях зв'язку, які проходять паралельно силовим кабелям.Цей шум може знизити якість телефонних сигналів та порушити системи зв'язку.

Ще одне головне питання з Triplen Harmonics - це перегрівання трансформаторів.Трансформатори побудовані для обробки конкретних рівнів струму та напруги.Триплінні гармоніки збільшують струм RMS (середній кореневий квадрат) у обмотках трансформаторів, викликаючи додаткове нагрівання.Якщо трансформатор не призначений для обробки цього додаткового тепла, це може призвести до поломки ізоляції та можливого збої.

Для зменшення наслідків трипленів гармоніків можна використовувати спеціальні трансформатори, звані K-рейтинговими трансформаторами.Ці трансформатори призначені для обробки більш високих гармонічних струмів без перегріву.Вони мають кращі системи охолодження і виготовляються з матеріалів, які можуть витримати додаткову тепло, спричинену гармоніками.

Гармонічна послідовність

Гармонічна послідовність описує, як різні частоти електричних хвиль взаємодіють з головною хвилею, що допомагає нам зрозуміти їх вплив на системні систем.Існує три основні типи гармонічних послідовностей: позитивні, негативні та нульові.

Позитивна послідовність гармоніки

Позитивна послідовність гармоніків включає такі частоти, як 1 -й, 4 -й та 7 -й гармоніки.Ці гармоніки рухаються в тому ж напрямку, що і головна хвиля.Вони збільшують струм в системі і генерують додаткове тепло в компонентах.Це додане тепло може пошкодити ізоляцію, знизити ефективність системи та призвести до руйнування компонентів раніше, ніж очікувалося.У двигунах ці гармоніки порушують магнітне поле, що робить двигун менш ефективно і скорочує його тривалість життя.Для вирішення цих проблем корисно використовувати фільтри чи інші пристрої для моніторингу та зменшення гармоніки позитивної послідовності.

Негативна гармоніка

Негативна послідовність гармоніків включає такі частоти, як 2 -й, 5 -й та 8 -й гармоніки.Ці гармоніки рухаються у зворотному напрямку до основної хвилі.Вони зменшують потужність двигунів і створюють додаткове тепло, яке може пошкодити ізоляцію, викликати механічні коливання та скоротити термін експлуатації двигунів та інших компонентів.Трансформери також можуть зазнати збільшення втрат і перегріву через ці гармоніки.Моніторинг та встановлення правильних фільтрів може допомогти керувати негативними гармоніками та їх несприятливими наслідками.

Нульова послідовність гармоніки

Гармоніки нульової послідовності включають такі частоти, як 3 -й, 6 -й та 9 -й гармоній.Ці гармоніки не створюють обертове магнітне поле, а натомість накопичуються в нейтральному дроті, внаслідок чого він перегрівається і пошкодився.Це особливо проблематично в системах з нелінійними навантаженнями.Використання спеціальних трансформаторів та гармонічних фільтрів може допомогти керувати додатковим теплом та зменшити вміст гармоній в системі, запобігаючи перегріву та пошкодженню нейтрального дроту.

Причини електричних гармоніків

У промислових умовах певні типи електрообладнання часто викликають гармонічне спотворення.Ця проблема поширена з такими пристроями, як накопичувачі змінних частот (VFD) та інвертори.Ці пристрої змінюють змінний струм (змінного струму) для прямого струму (постійного струму), а потім створюють вихідну частоту змінного змінного струму для точного управління швидкістю двигуна в різних програмах.

Під час цього перетворення ці пристрої малюють струм нелінійним, нерівномірним способом, замість гладкого, хвильоподібного способу регулярних навантажень.Цей нерівномірний струм намальовує гармонічні компоненти електричній системі, викликаючи спотворення напруги.Основна причина цього нерівномірного струму - це внутрішні електронні деталі, як випрямлячі та комутаційні ланцюги, які малюють струм лише в певний час протягом циклу змінного струму.Наприклад, VFD, який контролює промисловий двигун, спочатку змінює вхідний змінного струму на постійний струм, а потім використовує інвертор для створення змінної частоти змінного струму для регулювання швидкості двигуна.Етап випрямлення передбачає перемикання деталей, що малює струм у сплесках, а не постійно.Цей сплеск струму спотворює форму хвилі, створюючи гармоніки.

Ці гармоніки можуть спричинити кілька проблем у промислової електроенергії.Вони можуть збільшити нагрівання в трансформаторах та інших електричних частинах, знижуючи їх ефективність та тривалість життя.Гармонічне спотворення також може спричинити несправність чутливого електронного обладнання, збільшити втрати енергії та потенційно заважати системам зв'язку.

Щоб зменшити ці ефекти, виробники обладнання розробляють свою продукцію для відповідності стандартам електромагнітної сумісності (EMC).Ці стандарти обмежують кількість гармонічних спотворень, які їхні пристрої можуть ввести в систему живлення.Стандарти EMC гарантують, що окремі пристрої не викликають надмірного спотворення, яке може вплинути на всю енергосистему.Однак навіть при обладнанні, сумісному з ЕМК, комбінований ефект багатьох пристроїв, що працюють одночасно, все ще можуть спричинити значне гармонічне спотворення.Це робить необхідним активно контролювати та керувати гармоніками в промислових умовах.

Проблеми, схильні до більш високих гармонійних рівнів

Проблеми в двигунах та генераторах

Гармоніки можуть спричинити великі проблеми в двигунах та генераторах.Додаткове тепло, створене гармонічними струмами, може розбити ізоляцію і поставити напругу на деталі машини.Це може змусити ці машини швидше провалюватися, мати коротший термін експлуатації та потребувати більше ремонту.Гармонічні коливання також можуть спричинити знос машини, що робить проблему гірше.

Нижча ефективність

Гармоніки роблять резистивні втрати (втрати I²R) у проводах та трансформаторах гіршими.Ці втрати створюють додаткове тепло, що робить енергосистему менш ефективною.Додаткове тепло може прискорити старіння ізоляційних матеріалів, що призводить до більш частого збоїв та більш високого використання енергії.

Незаплановані перемикачі вимикача та видуті запобіжники

Високі гармонічні рівні можуть призвести до того, що вимикачі подорожують, а запобіжники не дихають без поважних причин.Це трапляється тому, що гармоніки можуть спричинити занадто багато тепла та магнітних перешкод у цих пристроях безпеки, що змушує їх працювати неправильно.Це небажане трипінг може переривати операції, спричинити незапланований простої та потребує більшого обслуговування.

Проблеми з електронним обладнанням

Електронні пристрої дуже чутливі до гармонічних спотворень.Гармоніки можуть спричинити проблеми в таких пристроях, як комп’ютери, комунікаційне обладнання та інша чутлива електроніка.Втручання з гармонічних частот може зіпсувати дані, викликати помилки зв'язку та знизити продуктивність, вимагаючи додаткової фільтрації та захисту.

Несподівані резонанси

Гармонічні частоти можуть поєднуватися з природними частотами енергетичної системи, викликаючи резонанси.Ці резонанси можуть зробити гармонічні струми та напруги сильнішими, що призводить до перенапруг, перегріву та можливої ​​шкоди обладнання.Пошук та фіксація резонансних умов допомагає запобігти серйозним збоям у системах електроенергії.

Рішення для пом'якшення гармоніків

Встановлення фільтрів

Фільтри - це практичне та економічне рішення для зменшення гармоніків у системах розподілу електроенергії.Гармонічні фільтри розроблені для блокування або зменшення конкретних гармонічних частот, що дозволяє проходити лише базову частоту.Цей процес допомагає в очищенні електричної форми хвилі та пом'якшуючи несприятливі ефекти гармоніків.

Для ефективного впровадження фільтрів необхідне проведення гармонійних опитувань.Ці опитування передбачають використання аналізаторів якості електроенергії для вимірювання рівнів та типів гармоніків, присутніх у системі.Визначаючи конкретні гармонічні частоти та їх джерела, інженери можуть розробити та встановлювати фільтри, пристосовані для задоволення конкретних потреб системи.Існують різні типи фільтрів, такі як пасивні, активні та гібридні фільтри, кожен з яких має конкретні програми та переваги.Пасивні фільтри складаються з індукторів, конденсаторів та резисторів.Вони налаштовані на фільтрування конкретних гармонічних частот.Пасивні фільтри є економічно вигідними та простими в реалізації, але можуть бути громіздкими та менш гнучкими в динамічних системах.Активні фільтри використовують електроніку живлення для динамічного протидії гармонічному спотворенню.Вони більш універсальні і можуть адаптуватися до змін гармонічних профілів у режимі реального часу.Активні фільтри дорожчі, але забезпечують чудові показники в умовах змінної навантаження.Гібридні фільтри поєднують пасивні та активні компоненти фільтру для оптимізації продуктивності та витрат.Вони пропонують збалансований підхід, забезпечуючи ефективне гармонічне пом'якшення помірними інвестиціями.

Використання високих трансформаторів k-факторів

Малюнок 5: Високий трансформатор k-фактора та його поточна форма хвилі

Високі трансформатори K-факторів зроблені для обробки додаткової тепла, спричиненої гармонічними струмами."K-Factor"-це рейтинг, який показує, наскільки добре трансформатор може боротися з цими струмами, не надто гарячі.Ці трансформатори мають кращі системи ізоляції та охолодження для управління додатковим теплом від гармоніків.Вони можуть позбутися додаткового тепла, запобігаючи пошкодженню та довше, роблячи життя трансформатора.Поводячи більш високі гармонічні рівні, ці трансформатори знижують ризик перегріву та відмови, що робить систему розподілу потужності більш надійною.

Використання високих транс-факторів K вимагає ретельного планування.Вони коштують дорожче і складніше встановити, ніж звичайні трансформатори.Процес починається з детальної перевірки, щоб визначити необхідний рейтинг k-фактора для конкретного використання.Ця перевірка передбачає перегляд гармонічного вмісту навантаження та розуміння того, як це впливає на трансформатор.Інженери використовують інструменти для вимірювання гармонічних рівнів та обчислення додаткової тепла, спричиненої цими гармоніками.

Після того, як правильний рейтинг K-факторів визначається, наступним кроком є ​​збалансування довгострокових вигод від початкових витрат.Високі трансформатори K-факторів зменшують потреби в обслуговуванні та підвищують надійність, що може компенсувати їх більш високі витрати на придбання та встановлення з часом.Однак встановлення цих трансформаторів є складним, тому необхідне ретельне планування для мінімізації зривів.Сюди входить планування можливих простоїв для заміни або встановлення трансформатора та врахування всіх впливів на операції.

Регулярні опитування якості електроенергії

Регулярні перевірки якості електроенергії потрібні для збереження електричних систем здоровими та добре працюють.Ці перевірки включають систематично вимірювання електричних властивостей для пошуку та виправлення потенційних проблем.Постійно контролюючи якість електроенергії, ми гарантуємо, що електричне обладнання працює добре, триває довше і є більш надійним.Вимірювання слід проводити в ключових точках системи, як, наприклад, входить живлення та на розподілі панелей.Регулярний збір даних допомагає спотовим моделям, які можуть показати проблеми, що розвиваються, як -от підвищення рівня електричного шуму або змін напруги.Лічильники якості потужності, які вимірюють напругу, струм, електричний шум та раптові зміни, є основними інструментами, що використовуються в цих чеках.Додаткові метри записують дані з часом, даючи повну картину тенденцій якості живлення.Дивлячись на ці дані, допомагає знайти відмінності від звичайних умов, що забезпечує своєчасне виправлення та зменшення ризику руйнування обладнання.

Відповідність стандартам IEEE 519

Стандарти IEEE 519 Встановлюють правила для прийнятних рівнів напруги та спотворення струму в електричних системах.Ці правила допомагають запобігти пошкодженню обладнання та забезпечити надійність системи.

У таблиці нижче показані стандарти IEEE 519-2014 для загального гармонічного спотворення (THD) в напрузі та струму для різних рівнів напруги:

Малюнок 6: Таблиця, що показує загальне гармонічне спотворення (THD) обмеження напруги та струму на різних рівнях напруги

Аналізатори якості електроенергії - це інструменти, які допомагають вимірювати гармоніки до 511 -ї гармоніки.Ці аналізатори надають детальні дані, що дозволяє точного моніторингу та керувати якістю електроенергії.Вони допомагають визначити специфічні гармонічні частоти та їх розміри, що дозволяє здійснювати цільові рішення.

Регулярний моніторинг якості електроенергії забезпечує гармонійні рівні залишатися в прийнятних межах та допомагає виявити потенційні проблеми рано.Управління гармоніками ефективно передбачає пошук та фіксацію джерел спотворень, таких як встановлення гармонічних фільтрів та модернізації трансформаторів.

Висновок

Гармоніки в електричних системах можуть спричинити багато проблем, таких як перегрів, збої обладнання та неефективність.Розуміючи різні типи гармоніків - навіть, навіть і триплен - і як вони впливають на електричні деталі, інженери можуть краще передбачити та виправити ці проблеми.Використання таких рішень, як гармонічні фільтри, спеціальні трансформатори, які обробляють додаткове тепло, та регулярні перевірки якості електроенергії допомагають зберегти системи надійними та ефективними.Слідом за стандартами IEEE 519 гарантує, що рівні гармонійки залишаються в безпечних межах, захищаючи як обладнання, так і операції.Управління гармоніками не тільки змушує електричні системи тривати довше, але й покращує продуктивність та зменшує витрати на технічне обслуговування, що робить її ключовою частиною сучасної електротехніки.

Часті запитання [FAQ]

1. Яка небезпека гармоніків?

Небезпека гармоніків включає перегрівання електричного обладнання, недостатність передчасної ізоляції, збільшення втрат, несправність чутливої ​​електроніки, неприємність розбиття вимикачів та потенційні резонансні умови, які можуть спричинити серйозні пошкодження компонентів.

2. Який вплив гармоніків на якість електроенергії та втрати в системах розподілу електроенергії?

Гармоніки погіршують якість потужності, спотворюючи напругу та поточні форми хвиль, що призводить до збільшення втрат у трансформаторах та провідниках, зниження ефективності, перегріву та втручання в чутливе обладнання, що може призвести до оперативних збоїв та збільшення витрат на обслуговування.

3. Що є основною причиною гармоніків в електричній системі?

Основною причиною гармоніків в електричній системі є наявність нелінійних навантажень, таких як накопичувачі змінних частот, інвертори, випрямлячі та інші електронні пристрої, що вводять в систему струм не сингусоїдальним способом, вводячи гармонічні струми.

4. Який вплив гармоніків на коефіцієнт потужності системи розподілу?

Гармоніки негативно впливають на коефіцієнт потужності системи розподілу за рахунок збільшення видимої потужності, внаслідок чого більше струму набирається для однакової кількості реальної потужності.Це призводить до зниження ефективності та більш високих експлуатаційних витрат через збільшення втрат та зменшення потужності компонентів системи.

5. Які гармоніки в системі розподілу електроенергії?

Гармоніки в системі розподілу електроенергії - це струми або напруги на частотах, які є цілими кратними базовими частотою (60 Гц у США).Вони є результатом нелінійних навантажень і викликають спотворення в формі хвилі, що призводить до різних проблем з експлуатацією та ефективністю в системі.