Gerilim ve akımın daha yüksek harmoniklerinin elektrikli ekipmanın çalışmasına etkisi

Daha yüksek voltaj ve akım harmonikleri, güç sistemlerinin ve iletişim hatlarının elemanlarını etkiler.

Daha yüksek harmoniklerin güç sistemleri üzerindeki ana etki biçimleri şunlardır:

• paralel ve seri rezonanslar nedeniyle daha yüksek harmoniklerin akım ve gerilimlerinde artış;

• elektriğin üretim, iletim, kullanım süreçlerinin etkinliğinin azaltılması;

• elektrikli ekipman yalıtımının eskimesi ve bunun sonucunda kullanım ömrünün kısalması;

• ekipmanın yanlış çalışması.

Rezonansların sistemler üzerindeki etkisi

Güç sistemlerindeki rezonanslar genellikle kapasitörler, özellikle de güç kapasitörleri açısından ele alınır. Akımın harmonikleri kapasitörler için izin verilen maksimum seviyeleri aştığında, ikincisi performanslarını bozmaz, ancak bir süre sonra arızalanır.

Rezonansların ekipman hasarına neden olabileceği başka bir alan da aşırı tonlu yük kontrol sistemleridir. Sinyalin güç kondansatörleri tarafından emilmesini önlemek için, devreleri ayarlanmış bir seri filtre (filtre-«çentik») ile ayrılır. Yerel rezonans durumunda, güç kondansatörü devresindeki akımın harmonikleri keskin bir şekilde artar ve bu da seri filtrenin ayarlanmış kondansatörünün hasar görmesine yol açar.

Kurulumlardan birinde, 100 A geçiş akımıyla 530 Hz frekansa ayarlanmış filtreler, 65 kvar'lık 15 bölüme sahip bir güç kondansatörünün her devresini bloke etti. kapasitörler bu filtreler iki gün sonra başarısız oldu. Bunun nedeni, yakın çevresinde ayarlanmış filtre ile güç kapasitörleri arasında rezonans koşullarının oluşturulduğu 350 Hz frekanslı bir harmoniğin varlığıydı.

Harmoniklerin dönen makinelere etkisi

Gerilim ve akım harmonikleri, stator sargılarında, rotor devrelerinde ve stator ve rotor çeliğinde ek kayıplara yol açar. Girdap akımları ve yüzey etkisi nedeniyle stator ve rotor iletkenlerindeki kayıplar, omik direnç tarafından belirlenenlerden daha fazladır.

Stator ve rotor uç bölgelerindeki harmoniklerin neden olduğu kaçak akımlar ek kayıplara yol açar.

Stator ve rotorda titreşimli manyetik akı bulunan konik rotorlu endüksiyon motorunda, daha yüksek harmonikler çelikte ek kayıplara neden olur. Bu kayıpların büyüklüğü, yuvaların eğim açısına ve manyetik devrenin özelliklerine bağlıdır.

Daha yüksek harmoniklerden kaynaklanan kayıpların ortalama dağılımı aşağıdaki verilerle karakterize edilir; stator sargısı %14; rotor zincirleri %41; bitiş bölgeleri %19; asimetrik dalga %26.

Asimetrik dalga kayıpları dışında senkron makinelerdeki dağılımları yaklaşık olarak aynıdır.

Senkron bir makinenin statorundaki bitişik tek harmoniklerin, rotorda aynı frekansta harmoniklere neden olduğuna dikkat edilmelidir. Örneğin, statordaki 5. ve 7. harmonikler, rotorda farklı yönlerde dönen 6. dereceden akım harmoniğine neden olur. Lineer sistemlerde rotor yüzeyindeki ortalama kayıp yoğunluğu değerle orantılıdır ancak farklı dönüş yönlerinden dolayı bazı noktalardaki kayıp yoğunluğu (I5 + I7) 2 değeri ile orantılıdır.

Ek kayıplar, dönen makinelerde harmoniklerin neden olduğu en olumsuz olaylardan biridir. Bunlar, makinenin genel sıcaklığında bir artışa ve büyük olasılıkla rotorda yerel aşırı ısınmaya yol açar. Sincap kafesli motorlar, sargı rotorlu motorlardan daha yüksek kayıplara ve sıcaklıklara izin verir. Bazı yönergeler, jeneratörde izin verilen negatif dizi akım seviyesini %10 ve asenkron motor girişlerindeki negatif dizi voltaj seviyesini %2 ile sınırlar. Bu durumda harmoniklerin toleransı, oluşturdukları negatif dizi gerilimleri ve akımları tarafından belirlenir.

Harmonikler tarafından üretilen torklar. Statordaki akımın harmonikleri, karşılık gelen torklara yol açar: harmonikler, rotorun dönme yönünde pozitif bir sıra oluşturur ve ters yönde bir ters sıra oluşturur.

Makinenin statorundaki harmonik akımlar, bir tahrik kuvvetine neden olur ve bu da, harmonik manyetik alanın dönme yönünde mil üzerinde torkların ortaya çıkmasına neden olur. Genellikle çok küçüktürler ve ayrıca ters yön nedeniyle kısmen dengelenirler. Ancak motor milinin titremesine neden olabilirler.

Harmoniklerin statik ekipman, elektrik hatları üzerindeki etkisi. Hatlardaki akım harmonikleri ek elektrik ve gerilim kayıplarına yol açar.

Kablo hatlarında gerilim harmonikleri, genliğin maksimum değerindeki artışla orantılı olarak dielektrik üzerindeki etkiyi artırır. Bu da kablo arızalarının sayısını ve onarım maliyetlerini artırır.

EHV hatlarında gerilim harmonikleri aynı nedenden dolayı korona kayıplarında artışa neden olabilir.

Daha yüksek harmoniklerin transformatörler üzerindeki etkisi

Gerilim harmonikleri, sargı kayıplarının yanı sıra transformatörlerdeki çelikte histerezis kayıplarının ve girdap akımı kayıplarının artmasına neden olur. İzolasyonun kullanım ömrü de kısalır.

Sargı kayıplarındaki artış, düşürücü bir transformatörde çok önemlidir, çünkü genellikle AC tarafına bağlı bir filtrenin varlığı, transformatördeki akım harmoniklerini azaltmaz. Bu nedenle, büyük bir güç transformatörü kurmak gereklidir. Transformatör tankının yerel olarak aşırı ısınması da gözlenir.

Harmoniklerin yüksek güçlü transformatörler üzerindeki etkisinin olumsuz bir yönü, üçlü sıfır bileşen akımın üçgen bağlı sargılarda sirkülasyonudur. Bu onları bunaltabilir.

Daha yüksek harmoniklerin kapasitör sıraları üzerindeki etkisi

Elektrik kondansatörlerindeki ek kayıplar aşırı ısınmalarına neden olur. Genel olarak, kapasitörler belirli bir aşırı akım yüküne dayanacak şekilde tasarlanmıştır. Büyük Britanya'da üretilen kondansatörler %15, Avrupa ve Avustralya'da - %30, ABD'de - %80, BDT'de - %30 aşırı yüke izin verir. Kondansatörlerin girişlerinde daha yüksek harmoniklerin artan voltajı koşullarında gözlenen bu değerler aşıldığında, ikincisi aşırı ısınır ve arızalanır.

Güç sistemi koruma cihazlarında daha yüksek harmoniklerin etkisi

Harmonikler, koruyucu cihazların çalışmasına müdahale edebilir veya çalışmalarını bozabilir. İhlalin niteliği, cihazın çalışma prensibine bağlıdır. Ayrıklaştırılmış veri analizine veya sıfır geçiş analizine dayalı dijital röleler ve algoritmalar, harmoniklere karşı özellikle hassastır.

Çoğu zaman, özelliklerdeki değişiklikler küçüktür. Çoğu röle türü, %20 bozulma seviyesine kadar normal şekilde çalışacaktır. Ancak ağlarda güç dönüştürücülerin payını artırmak, gelecekte durumu değiştirebilir.

Harmoniklerden kaynaklanan problemler normal ve acil durum modları için farklıdır ve aşağıda ayrı ayrı ele alınmıştır.

Acil durum modlarında harmoniklerin etkisi

Koruma cihazları genellikle temel frekans voltajına veya akımına yanıt verir ve geçici harmonikler ya filtrelenir veya cihazı etkilemez. İkincisi, özellikle aşırı akım korumasında kullanılan elektromekanik rölelerin karakteristiğidir. Bu röleler, onları daha yüksek harmoniklere karşı pratik olarak duyarsız kılan yüksek bir atalete sahiptir.

Daha da önemlisi, direnç ölçümüne dayalı olarak harmoniklerin koruma performansı üzerindeki etkisidir. Direncin temel frekansta ölçüldüğü mesafe koruma, kısa devre akımında (özellikle 3. dereceden) daha yüksek harmoniklerin varlığında önemli hatalar verebilir. Yüksek harmonik içeriği genellikle topraktan kısa devre akımı geçtiğinde gözlenir (toprak direnci toplam döngü direncine hakimdir). Harmonikler filtrelenmezse yanlış çalışma olasılığı çok yüksektir.

Metalik bir kısa devre durumunda, akıma temel frekans hakimdir. Bununla birlikte, transformatörün doygunluğu nedeniyle, özellikle birincil akımda büyük bir DC bileşeni olması durumunda, ikincil eğri bozulması meydana gelir. Bu durumda, korumanın normal çalışmasını sağlamada da sorunlar vardır.

Kararlı durum çalışma koşullarında, transformatörün aşırı uyarılmasıyla ilişkili doğrusal olmama durumu yalnızca tek sıralı harmoniklere neden olur. Geçici modlarda her türlü harmonik meydana gelebilir, en büyük genlikler genellikle 2. ve 3.dür.

Bununla birlikte, uygun tasarımla, listelenen sorunların çoğu kolayca çözülebilir. Doğru ekipmanı seçmek, ölçüm transformatörleriyle ilgili zorlukların çoğunu ortadan kaldırır.

Harmonik filtreleme, özellikle dijital korumalarda mesafe koruma için çok önemlidir. Dijital filtreleme yöntemleri alanında yürütülen çalışmalar, bu tür filtreleme için algoritmaların genellikle oldukça karmaşık olmasına rağmen, istenen sonucun elde edilmesinin belirli güçlükler arz etmediğini göstermiştir.

Elektrik şebekelerinin normal çalışma modlarında harmoniklerin koruyucu sistemler üzerindeki etkisi. Koruyucu cihazların normal koşullar altında mod parametrelerine düşük duyarlılığı, bu modlarda harmoniklerle ilgili problemlerin pratikte yokluğuna yol açar. Mıknatıslama akımında bir dalgalanmanın eşlik ettiği güçlü transformatörlerin ağa dahil edilmesiyle ilgili sorun bir istisnadır.

Zirvenin genliği, transformatörün endüktansına, sargının direncine ve açmanın açıldığı ana bağlıdır. Açmadan önceki andaki artık akı, anlık voltajın başlangıç ​​değerine göre akının polaritesine bağlı olarak genliği biraz artırır veya azaltır. Mıknatıslanma sırasında ikincil tarafta akım olmadığından, büyük bir birincil akım, diferansiyel korumanın yanlış bir şekilde açmasına neden olabilir.

Yanlış alarmlardan kaçınmanın en kolay yolu, bir zaman gecikmesi kullanmaktır, ancak bu, açıkken bir kaza olursa trafoda ciddi hasara neden olabilir. Uygulamada, ani akımda bulunan ve şebekelerin karakteristiği olmayan ikinci harmonik, korumayı bloke etmek için kullanılır, ancak koruma, açma sırasında transformatörün dahili arızalarına karşı oldukça hassas kalır.

Harmoniklerin tüketici ekipmanı üzerindeki etkisi

Televizyonlarda daha yüksek harmoniklerin etkisi

Pik voltajı artıran harmonikler, görüntü bozulmasına ve parlaklıkta değişikliğe neden olabilir.

Floresan ve cıvalı lambalar. Bu lambaların balastları bazen kondansatörler içerir ve belirli koşullar altında rezonans oluşarak lamba arızasına neden olabilir.

Daha yüksek harmoniklerin bilgisayarlara etkisi

Bilgisayarlara ve veri işleme sistemlerine güç sağlayan ağlarda izin verilen bozulma düzeylerinin sınırları vardır. Bazı durumlarda, nominal voltajın yüzdesi olarak (bir bilgisayar IVM -% 5) veya tepe voltajın ortalama değere oranı şeklinde ifade edilirler (CDC, izin verilen sınırlarını 1,41 ± 0,1 olarak ayarlar).

Daha yüksek harmoniklerin dönüştürme ekipmanı üzerindeki etkisi

Valf değiştirme sırasında sinüzoidal gerilimde meydana gelen çentikler, sıfır gerilim eğrisi sırasında kontrol edilen diğer benzer ekipman veya cihazların zamanlamasını etkileyebilir.

Daha yüksek harmoniklerin tristör kontrollü hız ekipmanı üzerindeki etkisi

Teorik olarak, harmonikler bu tür ekipmanları çeşitli şekillerde etkileyebilir:

• sinüs dalgasının çentikleri, tristörlerin yanlış ateşlemesinden dolayı bir arızaya neden olur;

• voltaj harmonikleri teklemelere neden olabilir;

• çeşitli ekipman türlerinin varlığında ortaya çıkan rezonans, makinelerde dalgalanmalara ve titreşimlere yol açabilir.

Yukarıda açıklanan etkiler, aynı ağa bağlı diğer kullanıcılar tarafından hissedilebilir. Kullanıcının kendi ağlarında tristör kontrollü ekipmanlarla ilgili herhangi bir sıkıntısı yoksa diğer kullanıcıları etkilemesi pek olası değildir. Farklı otobüslerden güç alan tüketiciler teorik olarak birbirlerini etkileyebilir, ancak elektriksel mesafe bu tür bir etkileşim olasılığını azaltır.

Harmoniklerin güç ve enerji ölçümlerine etkisi

Ölçüm cihazları genellikle saf sinüzoidal gerilimlere göre kalibre edilir ve daha yüksek harmoniklerin varlığında belirsizliği artırır. Harmoniklerin büyüklüğü ve yönü önemli faktörlerdir çünkü hatanın işareti harmoniklerin yönü tarafından belirlenir.

Harmoniklerin neden olduğu ölçüm hataları büyük ölçüde ölçüm cihazlarının tipine bağlıdır. Kullanıcının bir bozulma kaynağı varsa, geleneksel indüksiyon ölçerler tipik olarak okumaları yüzde birkaç oranında (her biri %6) fazla tahmin eder. Bu tür kullanıcılar, ağa bozulmalar soktukları için otomatik olarak cezalandırılırlar, dolayısıyla bu bozulmaları bastırmak için uygun araçlar oluşturmak kendi çıkarlarınadır.

Pik yük ölçümünün doğruluğu üzerinde harmoniklerin etkisine ilişkin nicel veri yoktur. Harmoniklerin tepe yük ölçümünün doğruluğu üzerindeki etkisinin, enerji ölçümünün doğruluğu üzerindeki etkisinin aynı olduğu varsayılmaktadır.

Akım ve gerilim eğrilerinin şekli ne olursa olsun enerjinin doğru ölçümü, maliyeti daha yüksek olan elektronik sayaçlarla sağlanmaktadır.

Harmonikler, hem sadece sinüzoidal akımlar ve gerilimler durumunda açıkça tanımlanan reaktif güç ölçümünün doğruluğunu hem de güç faktörü ölçümünün doğruluğunu etkiler.

Konunun bu yönü de önemli olmasına rağmen, harmoniklerin laboratuvarlardaki aletlerin muayene ve kalibrasyonunun doğruluğu üzerindeki etkisinden nadiren bahsedilir.

Harmoniklerin iletişim devreleri üzerindeki etkisi

Güç devrelerindeki harmonikler, iletişim devrelerinde gürültüye neden olur.Düşük bir gürültü seviyesi biraz rahatsızlığa neden olur, arttıkça iletilen bilgilerin bir kısmı kaybolur, aşırı durumlarda iletişim tamamen imkansız hale gelir. Bu bağlamda, güç kaynağı ve iletişim sistemlerindeki herhangi bir teknolojik değişiklikle birlikte, elektrik hatlarının telefon hatları üzerindeki etkisini hesaba katmak gerekir.

Harmoniklerin telefon hattı gürültüsü üzerindeki etkisi, harmoniklerin sırasına bağlıdır. Ortalama olarak, telefon - insan kulağı, 1 kHz mertebesinde bir frekansta maksimum değere sahip bir hassasiyet işlevine sahiptir. Çeşitli harmoniklerin gürültü üzerindeki etkisini değerlendirmek c. telefon, belirli ağırlıklarla alınan harmoniklerin toplamı olan katsayıları kullanır.En yaygın iki katsayı: psofometrik ağırlıklandırma ve C-iletim. İlk faktör, Uluslararası Telefon ve Telgraf Sistemleri Danışma Komitesi (CCITT) tarafından geliştirildi ve Avrupa'da kullanılıyor, ikincisi - Bella Telephone Company ve Edison Electrotechnical Institute tarafından - Amerika Birleşik Devletleri ve Kanada'da kullanılıyor.

Üç fazdaki harmonik akımlar, genliklerin ve faz açılarının eşitsizliği nedeniyle birbirini tam olarak telafi etmez ve ortaya çıkan sıfır bileşen akımla telekomünikasyonu etkiler (toprak arıza akımlarına ve cer sistemlerinden gelen toprak akımlarına benzer).

Etki, faz iletkenlerinden yakındaki telekomünikasyon hatlarına olan mesafelerdeki farktan dolayı fazların kendilerindeki harmonik akımlardan da kaynaklanabilir.

Bu tür etkiler, çizgi izlerinin uygun şekilde seçilmesiyle hafifletilebilir, ancak kaçınılmaz hat geçişleri durumunda bu tür etkiler ortaya çıkar.Güç hattının tellerinin dikey olarak düzenlenmesi durumunda ve iletişim hattının telleri güç hattının yakınında yer değiştirdiğinde özellikle güçlü bir şekilde ortaya çıkar.

Hatlar arasındaki büyük mesafelerde (100 m'den fazla), ana etki faktörü sıfır bileşen akım olarak ortaya çıkıyor. Güç hattının nominal voltajı düştüğünde, etki azalır, ancak düşük voltajlı elektrik hatları ve iletişim hatları döşemek için ortak desteklerin veya hendeklerin kullanılması nedeniyle fark edilir hale gelir.