Invloed van hogere harmonischen van spanning en stroom op de werking van elektrische apparatuur

De hogere spannings- en stroomharmonischen beïnvloeden de elementen van voedingssystemen en communicatielijnen.

De belangrijkste vormen van invloed van hogere harmonischen op voedingssystemen zijn:

• toename van stromen en spanningen van hogere harmonischen als gevolg van parallelle en serieresonanties;

• vermindering van de efficiëntie van de productie, transmissie en gebruik van elektriciteitsprocessen;

• veroudering van de isolatie van elektrische apparatuur en de daaruit voortvloeiende verkorting van de levensduur;

• verkeerde werking van de apparatuur.

Invloed van resonanties op systemen

Resonanties in voedingssystemen worden meestal beschouwd in termen van condensatoren, met name vermogenscondensatoren. Wanneer de harmonischen van de stroom de maximaal toegestane niveaus voor condensatoren overschrijden, verslechteren deze laatste hun prestaties niet, maar vallen ze na een tijdje uit.

Een ander gebied waar resonanties schade aan apparatuur kunnen veroorzaken, is in boventoonbelastingcontrolesystemen. Om te voorkomen dat het signaal door de vermogenscondensatoren wordt geabsorbeerd, zijn hun circuits gescheiden door een afgestemd seriefilter (filter-«notch»). In het geval van lokale resonantie nemen de harmonischen van de stroom in het vermogenscondensatorcircuit sterk toe, wat leidt tot schade aan de afgestemde condensator van het seriefilter.

In een van de installaties blokkeerden filters afgestemd op een frequentie van 530 Hz met een doorlaatstroom van 100 A elk circuit van een vermogenscondensator die 15 secties van 65 kvar had. condensatoren deze filters faalden na twee dagen. De reden was de aanwezigheid van een harmonische met een frequentie van 350 Hz, in de directe omgeving waarvan resonantiecondities tot stand kwamen tussen het afgestemde filter en de vermogenscondensatoren.

Effect van harmonischen op roterende machines

Spannings- en stroomharmonischen leiden tot extra verliezen in de statorwikkelingen, in de rotorcircuits en in het stator- en rotorstaal. De verliezen in de stator- en rotorgeleiders als gevolg van wervelstromen en oppervlakte-effect zijn groter dan die bepaald door de ohmse weerstand.

De lekstromen veroorzaakt door harmonischen in de eindzones van de stator en rotor leiden tot extra verliezen.

In een conische rotor-inductiemotor met pulserende magnetische flux in de stator en rotor veroorzaken de hogere harmonischen extra verliezen in het staal. De grootte van deze verliezen hangt af van de hellingshoek van de sleuven en de kenmerken van het magnetische circuit.

De gemiddelde verdeling van verliezen door hogere harmonischen wordt gekenmerkt door de volgende gegevens; statorwikkeling 14%; rotorkettingen 41%; eindzones 19%; asymmetrische golf 26%.

Behalve asymmetrische golfverliezen, is hun verdeling in synchrone machines ongeveer hetzelfde.

Opgemerkt moet worden dat aangrenzende oneven harmonischen in de stator van een synchrone machine harmonischen met dezelfde frequentie in de rotor veroorzaken. Bijvoorbeeld, 5e en 7e harmonischen in de stator veroorzaken stroomharmonischen van de 6e orde in de rotor, die in verschillende richtingen draaien. Voor lineaire systemen is de gemiddelde verliesdichtheid op het rotoroppervlak evenredig met de waarde, maar door de verschillende draairichting is de verliesdichtheid op sommige punten evenredig met de waarde (I5 + I7) 2.

Extra verliezen zijn een van de meest negatieve verschijnselen die worden veroorzaakt door harmonischen in roterende machines. Ze leiden tot een verhoging van de algehele temperatuur van de machine en tot lokale oververhitting, hoogstwaarschijnlijk in de rotor. Motoren met kooiankers laten hogere verliezen en temperaturen toe dan motoren met gewikkelde rotor. Sommige richtlijnen beperken het toegestane negatieve sequentiestroomniveau in de generator tot 10% en het negatieve sequentiespanningsniveau bij de ingangen van de inductiemotor tot 2%. De tolerantie van harmonischen wordt in dit geval bepaald door de niveaus van negatieve reeksspanningen en stromen die ze creëren.

De koppels die worden gegenereerd door harmonischen. De harmonischen van de stroom in de stator geven aanleiding tot de overeenkomstige koppels: harmonischen vormen een positieve reeks in de draairichting van de rotor en vormen een omgekeerde reeks in de tegenovergestelde richting.

Harmonische stromen in de stator van de machine veroorzaken een drijvende kracht, wat leidt tot het optreden van koppels op de as in de draairichting van het harmonische magnetische veld. Ze zijn meestal erg klein en zijn ook gedeeltelijk verschoven vanwege de tegenovergestelde richting. Ze kunnen er echter voor zorgen dat de motoras gaat trillen.

Invloed van harmonischen op statische apparatuur, hoogspanningslijnen. Stroomharmonischen in de lijnen leiden tot extra verliezen van elektriciteit en spanning.

In kabellijnen verhogen spanningsharmonischen het effect op het diëlektricum in verhouding tot de toename van de maximale waarde van de amplitude. Dit verhoogt op zijn beurt het aantal kabelstoringen en reparatiekosten.

In EHV-lijnen kunnen spanningsharmonischen om dezelfde reden een toename van coronaverliezen veroorzaken.

Invloed van hogere harmonischen op transformatoren

Spanningsharmonischen veroorzaken een toename van hysteresisverliezen en wervelstroomverliezen in het staal in transformatoren, evenals wikkelingsverliezen. Ook wordt de levensduur van de isolatie verkort.

De toename van wikkelingsverliezen is het belangrijkst in een step-down transformator omdat de aanwezigheid van een filter, meestal aangesloten op de AC-zijde, de stroomharmonischen in de transformator niet vermindert. Daarom is het noodzakelijk om een ​​grote voedingstransformator te installeren. Lokale oververhitting van de transformatortank wordt ook waargenomen.

Een negatief aspect van het effect van harmonischen op transformatoren met hoog vermogen is de circulatie van drievoudige nulsequentiestroom in delta-verbonden wikkelingen. Dit kan hen overweldigen.

Invloed van hogere harmonischen op condensatorbanken

De extra verliezen in de elektrische condensatoren leiden tot oververhitting. Over het algemeen zijn condensatoren ontworpen om een ​​bepaalde stroomoverbelasting te weerstaan. Condensatoren geproduceerd in Groot-Brittannië laten een overbelasting van 15% toe, in Europa en Australië - 30%, in de VS - 80%, in het GOS - 30%. Wanneer deze waarden worden overschreden, waargenomen in omstandigheden van verhoogde spanning van hogere harmonischen aan de ingangen van de condensatoren, raken deze laatste oververhit en falen.

Invloed van hogere harmonischen op beveiligingsapparaten van het voedingssysteem

Harmonischen kunnen de werking van beveiligingsapparaten verstoren of hun werking belemmeren. De aard van de overtreding hangt af van het werkingsprincipe van het apparaat. Digitale relais en algoritmen op basis van gediscretiseerde gegevensanalyse of nuldoorgangsanalyse zijn bijzonder gevoelig voor harmonischen.

Meestal zijn veranderingen in kenmerken gering. De meeste soorten relais werken normaal tot een vervormingsniveau van 20%. Het vergroten van het aandeel stroomomvormers in netwerken kan de situatie in de toekomst echter veranderen.

De problemen die voortkomen uit harmonischen zijn verschillend voor de normale modus en de noodmodus en worden hieronder afzonderlijk besproken.

Impact van harmonischen in noodmodi

Beveiligingsapparaten reageren meestal op de spanning of stroom van de grondfrequentie en alle tijdelijke harmonischen worden uitgefilterd of hebben geen invloed op het apparaat. Dit laatste is kenmerkend voor elektromechanische relais, vooral gebruikt in overstroombeveiliging. Deze relais hebben een hoge traagheid, waardoor ze praktisch ongevoelig zijn voor hogere harmonischen.

Belangrijker is de invloed van harmonischen op de beschermingsprestaties op basis van weerstandsmeting. Afstandsbeveiliging, waarbij de weerstand wordt gemeten op de grondfrequentie, kan aanzienlijke fouten geven bij aanwezigheid van hogere harmonischen in de kortsluitstroom (vooral van de 3e orde). Hoge harmonischen worden meestal waargenomen wanneer kortsluitstroom door aarde vloeit (aardingsweerstand domineert de totale lusweerstand). Als de harmonischen niet worden gefilterd, is de kans op een verkeerde werking zeer groot.

In het geval van een metalen kortsluiting wordt de stroom gedomineerd door de fundamentele frequentie. Door de verzadiging van de transformator treedt echter secundaire krommevervorming op, vooral bij een grote DC-component in de primaire stroom. In dit geval zijn er ook problemen met het waarborgen van de normale werking van de beveiliging.

In stabiele bedrijfsomstandigheden veroorzaakt de niet-lineariteit die gepaard gaat met overexcitatie van de transformator alleen harmonischen van oneven orde. Alle soorten harmonischen kunnen optreden in transiënte modi, waarbij de grootste amplitudes meestal de 2e en 3e zijn.

Met een goed ontwerp zijn de meeste van de genoemde problemen echter eenvoudig op te lossen. Het kiezen van de juiste apparatuur elimineert veel van de moeilijkheden die gepaard gaan met het meten van transformatoren.

Harmonische filtering, vooral bij digitale beveiligingen, is het belangrijkst voor bescherming op afstand. Het werk dat is uitgevoerd op het gebied van digitale filtermethoden heeft aangetoond dat, hoewel de algoritmen voor een dergelijke filtering vaak behoorlijk complex zijn, het verkrijgen van het gewenste resultaat geen bijzondere moeilijkheden oplevert.

De invloed van harmonischen op beveiligingssystemen tijdens normale bedrijfsmodi van elektrische netwerken. De lage gevoeligheid van de beveiligingsinrichtingen voor de modusparameters onder normale omstandigheden leidt tot de praktische afwezigheid van problemen in verband met harmonischen in deze modi. Een uitzondering is het probleem dat gepaard gaat met het opnemen van krachtige transformatoren in het netwerk, vergezeld van een toename van de magnetiseringsstroom.

De amplitude van de piek is afhankelijk van de inductantie van de transformator, de weerstand van de wikkeling en het moment waarop de inschakeling wordt ingeschakeld. De reststroom op het moment voor het inschakelen verhoogt of verlaagt de amplitude enigszins, afhankelijk van de polariteit van de flux ten opzichte van de beginwaarde van de momentane spanning. Aangezien er tijdens de magnetisatie geen stroom aan de secundaire zijde is, kan een grote primaire stroom ervoor zorgen dat de differentiaalbeveiliging onterecht aanspreekt.

De eenvoudigste manier om valse alarmen te voorkomen is het gebruik van een tijdvertraging, maar dit kan ernstige schade aan de transformator veroorzaken als er een ongeluk gebeurt terwijl deze aan staat. In de praktijk wordt de tweede harmonische aanwezig in de inschakelstroom, ongebruikelijk voor netwerken, gebruikt om de beveiliging te blokkeren, hoewel de beveiliging vrij gevoelig blijft voor interne fouten van de transformator tijdens het inschakelen.

Effect van harmonischen op consumentenapparatuur

De invloed van hogere harmonischen op televisies

Harmonischen die de piekspanning verhogen, kunnen beeldvervorming en verandering in helderheid veroorzaken.

Fluorescentie- en kwiklampen. De voorschakelapparaten van deze lampen bevatten soms condensatoren en onder bepaalde omstandigheden kan er resonantie optreden, waardoor de lamp uitvalt.

Effect van hogere harmonischen op computers

Er zijn grenzen aan de toegestane niveaus van vervorming in de netwerken die computers en gegevensverwerkingssystemen aandrijven. In sommige gevallen worden ze uitgedrukt als een percentage van de nominale spanning (voor een computer IVM - 5%) of in de vorm van de verhouding van de piekspanning tot de gemiddelde waarde (CDC stelt de toegestane limieten in op 1,41 ± 0,1).

De invloed van hogere harmonischen op het omzetten van apparatuur

Inkepingen in de sinusvormige spanning die optreden tijdens het schakelen van kleppen kunnen de timing beïnvloeden van andere vergelijkbare apparatuur of apparaten die worden bestuurd tijdens de nulspanningscurve.

De invloed van hogere harmonischen op thyristorgestuurde snelheidsapparatuur

In theorie kunnen harmonischen dergelijke apparatuur op verschillende manieren beïnvloeden:

• de inkepingen van de sinusgolf veroorzaken een storing als gevolg van het niet goed ontsteken van de thyristors;

• spanningsharmonischen kunnen ontstekingsfouten veroorzaken;

• de resulterende resonantie in de aanwezigheid van verschillende soorten apparatuur kan leiden tot spanningspieken en trillingen van machines.

De hierboven beschreven effecten kunnen worden gevoeld door andere gebruikers die op hetzelfde netwerk zijn aangesloten. Als de gebruiker geen problemen heeft met thyristorgestuurde apparatuur in zijn netwerk, is het onwaarschijnlijk dat dit gevolgen heeft voor andere gebruikers. Consumenten die door verschillende bussen worden aangedreven, kunnen elkaar in theorie beïnvloeden, maar de elektrische afstand verkleint de kans op een dergelijke interactie.

Effect van harmonischen op vermogens- en energiemetingen

Meettoestellen zijn meestal gekalibreerd op zuivere sinusvormige spanningen en verhogen de onzekerheid in de aanwezigheid van hogere harmonischen. De grootte en richting van de harmonischen zijn belangrijke factoren omdat het teken van de fout wordt bepaald door de richting van de harmonischen.

Meetfouten veroorzaakt door harmonischen zijn sterk afhankelijk van het type meetinstrument. Conventionele inductiemeters overschatten de meetwaarden meestal met een paar procent (elk 6%) als de gebruiker een bron van vervorming heeft. Dergelijke gebruikers worden automatisch gestraft voor het introduceren van verstoringen in het netwerk, dus het is in hun eigen belang om passende middelen te vinden om deze verstoringen te onderdrukken.

Er zijn geen kwantitatieve gegevens over de invloed van harmonischen op de nauwkeurigheid van piekbelastingmetingen. Aangenomen wordt dat de invloed van harmonischen op de nauwkeurigheid van de piekbelastingsmeting dezelfde is als op de nauwkeurigheid van de energiemeting.

Nauwkeurige meting van energie, ongeacht de vorm van de stroom- en spanningscurven, wordt geleverd door elektronische meters, die hogere kosten hebben.

Harmonischen beïnvloeden zowel de nauwkeurigheid van de meting van het blindvermogen, die alleen duidelijk gedefinieerd is in het geval van sinusvormige stromen en spanningen, als de nauwkeurigheid van de meting van de arbeidsfactor.

De invloed van harmonischen op de nauwkeurigheid van inspectie en kalibratie van instrumenten in laboratoria wordt zelden genoemd, hoewel dit aspect van de zaak ook belangrijk is.

De invloed van harmonischen op communicatiecircuits

Harmonischen in stroomcircuits veroorzaken ruis in communicatiecircuits.Een laag geluidsniveau leidt tot enig ongemak, naarmate het toeneemt, gaat een deel van de verzonden informatie verloren, in extreme gevallen wordt communicatie volledig onmogelijk. In dit verband moet bij eventuele technologische veranderingen in stroomvoorziening en communicatiesystemen rekening worden gehouden met de invloed van hoogspanningslijnen op telefoonlijnen.

Het effect van harmonischen op de ruis van de telefoonlijn hangt af van de volgorde van de harmonischen. Gemiddeld heeft de telefoon - het menselijk oor heeft een gevoeligheidsfunctie met een maximale waarde bij een frequentie in de orde van grootte van 1 kHz. Evalueren van de invloed van verschillende harmonischen op de ruis c. de telefoon gebruikt coëfficiënten, die de som zijn van de harmonischen genomen met bepaalde gewichten. Twee coëfficiënten komen het meest voor: psofometrische weging en C-transmissie. De eerste factor is ontwikkeld door het International Consultative Committee on Telephone and Telegraph Systems (CCITT) en wordt gebruikt in Europa, de tweede - door de Bella Telephone Company en het Edison Electrotechnical Institute - wordt gebruikt in de Verenigde Staten en Canada.

Harmonische stromen in de drie fasen compenseren elkaar niet volledig vanwege de ongelijkheid van amplitudes en fasehoeken en beïnvloeden telecommunicatie met de resulterende nulsequentiestroom (vergelijkbaar met aardfoutstromen en aardstromen van tractiesystemen).

De invloed kan ook worden veroorzaakt door harmonische stromen in de fasen zelf als gevolg van het verschil in afstand van de fasegeleiders tot nabijgelegen telecommunicatielijnen.

Dit soort invloeden kunnen worden verzacht door de juiste selectie van lijnsporen, maar in het geval van onvermijdelijke lijnoverschrijdingen treden dergelijke invloeden op.Het komt vooral sterk tot uiting in het geval van een verticale opstelling van de draden van de hoogspanningslijn en wanneer de draden van de communicatielijn worden getransponeerd in de buurt van de hoogspanningslijn.

Op grote afstanden (meer dan 100 m) tussen de lijnen blijkt de nulsequentiestroom de belangrijkste beïnvloedende factor te zijn. Wanneer de nominale spanning van de hoogspanningslijn afneemt, neemt de invloed af, maar deze blijkt merkbaar te zijn door het gebruik van gemeenschappelijke steunen of sleuven voor het leggen van laagspanningskabels en communicatielijnen.