Влияние гармоник на электрические системы

Понимание влияния гармоник на электрические системы очень полезно для обеспечения бесперебойной и безопасной работы.Гармоники - это изменения в электрической волне, которые могут вызвать различные проблемы, такие как слишком много тепла, разрушение оборудования и меньшая эффективность.В этой статье объясняются различные типы гармоник, что вызывает их, и проблемы, которые они могут создавать в энергетических системах, используемых в отраслях и предприятиях.Мы также рассмотрим способы решения этих проблем, например, использование специальных фильтров, трансформаторов, предназначенных для обработки гармоник, и регулярных проверок качества энергии.Наша цель - обеспечить четкое и простое руководство по эффективному управлению гармониками в электрических системах.

Каталог

Рисунок 1: Гармоника

Понимание гармоник в энергетической инженерии

Гармоники - это токи или напряжения на более высоких частотах, которые являются множеством основной частоты.Они могут вызвать такие проблемы, как искаженные формы волны, дополнительное нагрев и более низкую эффективность в электрическом оборудовании.Странные гармоники, которые встречаются в нечетных кратных основной частоты, увеличивают искажение и нагрев.Даже гармоники, которые встречаются в даже кратных основной частоте, могут привести к перегреву трансформаторов.Triplen Harmonics, которые являются конкретным типом нечетных гармоник, могут перегружать нейтральные провода, а также привести к перегреву трансформаторов.

Гармоники можно разделить на три типа: положительные, отрицательные и нулевые последовательности.Гармоника положительной последовательности добавляет дополнительную тепло в систему.Гармоники негативных последовательности уменьшают мощность двигателей и увеличивают тепло.Гармоники нулевой последовательности вызывают нагрев в нейтральных проводах.Общее гармоническое искажение (THD) является мерой последствий гармоник, причем более высокие значения демонстрируют больше искажения.

В промышленных настройках устройства, такие как переменные частоты, создают много искажений.Чтобы уменьшить эти проблемы, мы можем использовать фильтры и специальные трансформаторы, предназначенные для обработки высоких уровней гармоник.Регулярная проверка качества власти помогает найти и исправлять гармонические проблемы и обеспечивает соответствие стандартам IEEE 519.Расширенные инструменты могут соответствовать 511 -й гармонике, чтобы помочь эффективно справиться с этими проблемами.

Типы гармоник

Странные гармоники

Рисунок 2: Странные гармоники

Странные гармоники - это гармоники, которые являются нечетными кратными основной частоты, такие как 3 -й, 5 -й и 7 -й гармоник.Эти гармоники могут вызвать большие проблемы в энергетических системах, потому что они могут нанести вред электрическому оборудованию и заставить их работать плохо.Когда присутствуют нечетные гармоники, они увеличивают потери сопротивления и потери вихревого тока в трансформаторах.Потери сопротивления, также называемые потери I²R, случаются, потому что гармонические течения заставляют проводники нагреваться больше.Это дополнительное нагревание связано с потерянностью мощности в качестве тепла из -за сопротивления в проводниках.Потери вихревого тока происходят, когда индуцированные токи протекают в ядро ​​трансформатора, также генерируя тепло.Наличие гармоник усугубляет эти эффекты, потому что ядро ​​трансформатора сталкивается с более высокими частотными магнитными полями, которые создают больше вихревых токов и больше тепла.

Высокий уровень странных гармоник может сильно повлиять на то, насколько хорошо работает трансформатор.Чтобы снизить риск перегрева и возможного неудачи, трансформаторы часто должны быть распределены, когда существует высокий уровень гармоник.Помещение трансформатора означает использование его в более низкой емкости, чем его номинальная емкость, чтобы уменьшить нагревание, вызванное гармониками.Это заставляет трансформатор работать безопасно и заставляет его длиться дольше.Помещение включает в себя выяснение того, сколько гармонического содержания существует, и расчет дополнительных потерь, вызванных этими гармониками.Как только эти потери известны, способность нагрузки трансформатора корректируется, чтобы не допустить его перегрева и обеспечить надежно.

Проще говоря, ухудшение трансформатора из -за нечетных гармоник предполагает тщательный взгляд на гармоническое содержание нагрузки.Инженеры используют счетчики качества энергии для измерения гармонического содержания и видят, как он влияет на трансформатор.Данные из этих измерений затем используются, чтобы выяснить, сколько, чтобы уменьшить нагрузку трансформатора, чтобы она безопасно работала.

Даже гармоники

Рисунок 3: Даже гармоники

Даже гармоники - это частоты, которые являются даже кратными основной частоты, такие как 2 -й (120 Гц), 4 -й (240 Гц) и 6 -й (360 Гц) гармоник, когда основная частота составляет 60 Гц.В энергетических системах даже гармоники обычно невелики, потому что большинство нелинейных нагрузок в основном дают нечетные гармоники.Тем не менее, наличие даже гармоник может показать конкретные проблемы в электрической системе.

Даже гармоники часто указывают смещение DC в системе.Смещение постоянного тока происходит, когда существует компонент постоянного тока (DC), смешанный с формой волны переменного тока (AC).Это может быть вызвано полуоволновым исправлением, которое происходит из-за сломанного выпрямителя.Выпрямитель - это устройство, которое изменяет AC на DC, а когда он ломается, оно может создать неполную форму волны, что приводит к смещению постоянного тока.Смещение постоянного тока, введенное даже гармониками, может вызвать несколько проблем в электрических системах.Одним из основных эффектов является насыщение трансформатора.Когда трансформатор испытывает смещение постоянного тока, его ядро ​​может стать магнитно насыщенным во время альтернативных полуциксов формы волны переменного тока.Эта насыщенность приводит к чрезмерной тяге тока, в результате чего трансформатор перегрелся и, возможно, сжигает первичную обмотку.Кроме того, смещение постоянного тока может вызвать механические вибрации и шум в трансформаторах.Магнитная насыщение ядра приводит к сильной вибрации, которая может быть как громкой, так и физически вредной для структуры трансформатора.Даже небольшое смещение постоянного тока, более 1% от номинального тока, может вызвать эти серьезные проблемы.

Даже гармоники также могут быть использованы в качестве диагностического инструмента.Их присутствие в электрической системе может помочь выявить проблемы, связанные с выпрямителями или другими компонентами, которые могут вводить компонент постоянного тока в систему.Монирируя и анализируя даже гармоники, инженеры могут рано обнаруживать и решать проблемы, предотвращая потенциальные сбои и обеспечивая надежную работу системы распределения мощности.

Triplen Harmonics

Рисунок 4: Triplen Harmonics

Гармоники Triplen - это особый тип нечетных кратных третьей гармоники.Они встречаются на 3, 9 -м, 15 -м и т. Д.Они уникально производятся однофазными устройствами и могут вызвать значительные проблемы в электрических системах.

Одной из основных проблем, вызванных Triplen Harmonics, является перегрузка нейтральных проводов.В сбалансированной трехфазной системе токи в нейтральном проводе должны отменить друг друга.Тем не менее, Triplen Harmonics от однофазных устройств не отменяются в нейтральном проводе.Вместо этого они объединяют, вызывая чрезмерные токи.Это может привести к перегреву и потенциальному повреждению нейтрального провода.

Triplen Harmonics также может мешать телефонным линиям.Высокочастотные части этих гармоник могут создавать шум в линиях связи, которые работают параллельно силовым кабелям.Этот шум может снизить качество телефонных сигналов и нарушить системы связи.

Еще одна важная проблема с Triplen Harmonics - это перегрев трансформатора.Трансформаторы создаются для обработки определенных уровней тока и напряжения.Гармоники Triplen увеличивают среднеквадратичный (средний квадратный) ток (средний квадрат корней) в обмотках трансформатора, вызывая дополнительное нагрев.Если трансформатор не предназначен для обработки этого дополнительного тепла, это может привести к расщеплению изоляции и возможным сбоям.

Чтобы уменьшить эффекты Triplen Harmonics, могут использоваться специальные трансформаторы, называемые трансформерами K-рейтинга.Эти трансформаторы предназначены для обработки более высоких гармонических течений без перегрева.Они имеют лучшие системы охлаждения и изготовлены из материалов, которые могут противостоять дополнительному тепло, вызванному гармониками.

Гармоническая последовательность

Гармоническая последовательность описывает, как различные частоты электрических волн взаимодействуют с основной волной, что помогает нам понять их влияние на энергосистемы.Существует три основных типа гармонических последовательностей: положительный, отрицательный и нулевой.

Гармоника положительной последовательности

Гармоники положительных последовательности включают такие частоты, как 1 -й, 4 -й и 7 -й гармоники.Эти гармоники движутся в том же направлении, что и основная волна.Они увеличивают ток в системе и генерируют дополнительное тепло в компонентах.Это добавленное тепло может повредить изоляцию, снизить эффективность системы и привести к тому, что компоненты ломаются раньше, чем ожидалось.В двигателях эти гармоники нарушают магнитное поле, что заставляет двигатель работать менее эффективно и сокращает его срок службы.Чтобы решить эти проблемы, полезно использовать фильтры или другие устройства для мониторинга и уменьшения гармоники положительных последовательности.

Гармоника негативной последовательности

Гармоники отрицательных последовательностей включают такие частоты, как 2 -й, 5 -й и 8 -й гармоник.Эти гармоники движутся в противоположном направлении к основной волне.Они уменьшают мощность двигателей и создают дополнительное тепло, которое может повредить изоляции, вызывать механические вибрации и сокращать срок службы двигателей и других компонентов.Трансформеры также могут испытывать увеличение потерь и перегрев из -за этих гармоник.Мониторинг и установка правильных фильтров может помочь управлять гармониками отрицательной последовательности и их неблагоприятными последствиями.

Гармоника нулевой последовательности

Гармоники нулевой последовательности включают такие частоты, как 3 -й, 6 -й и 9 -й гармоник.Эти гармоники не создают вращающегося магнитного поля, а накапливаются в нейтральном проводе, заставляя его перегреться и повреждать.Это особенно проблематично в системах с нелинейными нагрузками.Использование специальных трансформаторов и гармонических фильтров может помочь управлять дополнительным теплом и уменьшить содержание гармоники в системе, предотвращая перегрев и повреждение нейтрального провода.

Причины электрических гармоник

В промышленных условиях определенные типы электрического оборудования часто вызывают гармонические искажения.Эта проблема распространена с такими устройствами, как переменные частотные приводы (VFD) и инверторы.Эти устройства изменяют переменный ток (AC) на постоянный ток (DC), а затем создают переменную частоту частоты переменного тока, чтобы точно управлять скоростью двигателя в различных приложениях.

Во время этого преобразования эти устройства рисуют ток нелинейным, неравномерным способом, а не гладким, волнообразным способом регулярных нагрузок.Этот неровный ток рисунок добавляет гармонические компоненты в электрическую систему, вызывая искажение напряжения.Основной причиной этого неровного тока является внутренние электронные детали, такие как выпрямители и цепи переключения, которые рисуют ток только в определенное время во время цикла переменного тока.Например, VFD, который управляет промышленным двигателем, сначала изменяет входящий переменный ток в DC, а затем использует инвертор для создания переменной частоты переменного тока для регулировки скорости двигателя.Стадия выпрямления включает в себя переключение деталей, которые рисуют ток в всплесках, а не непрерывно.Этот всплеск тока искажает форму волны, создавая гармоники.

Эти гармоники могут вызвать несколько проблем в промышленной энергетической системе.Они могут увеличить нагрев в трансформаторах и других электрических частях, снижая их эффективность и продолжительность жизни.Гармонические искажения также могут привести к неисправности чувствительного электронного оборудования, увеличить потери энергии и потенциально мешать системам связи.

Чтобы уменьшить эти эффекты, производители оборудования разрабатывают свои продукты для соответствия стандартам электромагнитной совместимости (EMC).Эти стандарты ограничивают количество гармонических искажений, которые их устройства могут ввести в систему энергетики.Стандарты EMC гарантируют, что отдельные устройства не вызывают чрезмерных искажений, которые могут повлиять на всю систему питания.Однако даже при оборудовании, соответствующем EMC, комбинированный эффект многих устройств, работающих в то же время, все равно может вызвать значительные гармонические искажения.Это делает необходимым оперативным мониторингом и управлением гармониками в промышленных условиях.

Проблемы склонны возникать на более высоких уровнях гармоники

Проблемы в двигателях и генераторах

Гармоники могут вызвать большие проблемы в двигателях и генераторах.Дополнительное тепло, созданное гармоническими течениями, может разрушить изоляцию и привести к напряжению на детали машины.Это может заставить эти машины потерпеть неудачу раньше, иметь более короткий срок службы и нуждаться в большем ремонте.Гармонические вибрации также могут вызвать износ на машинах, что усугубляет проблему.

Более низкая эффективность

Гармоники усугубляют резистивные потери (I²R) в проводах и трансформаторах хуже.Эти потери создают дополнительное тепло, что делает систему питания менее эффективной.Дополнительное тепло может ускорить старение изоляционных материалов, что приводит к более частым сбоям и более высокому использованию энергии.

Незапланированные поездки на выключателях и взорванные предохранители

Высокие уровни гармоники могут привести к тому, что выключатели с точки зрения отключения и предотвращения взорвания без веской причины.Это происходит потому, что гармоники могут вызвать слишком много тепла и магнитных помех в этих устройствах безопасности, что заставляет их работать неправильно.Эта нежелательная перепонка может прервать операции, вызвать незапланированное время простоя и требует большего технического обслуживания.

Проблемы с электронным оборудованием

Электронные устройства очень чувствительны к гармоническим искажениям.Гармоники могут вызвать проблемы в таких устройствах, как компьютеры, оборудование для связи и другая конфиденциальная электроника.Вмешательство от гармонических частот может испортить данные, вызвать ошибки связи и снизить производительность, требуя дополнительной фильтрации и защиты.

Неожиданные резонансы

Гармонические частоты могут смешиваться с естественными частотами энергетической системы, вызывая резонансы.Эти резонансы могут укрепить гармонические течения и напряжения сильнее, что приводит к перенапряжениям, перегреву и возможному повреждению оборудования.Поиск и исправление резонансных условий помогает предотвратить серьезные сбои в энергетических системах.

Решения для смягчения гармоник

Установка фильтров

Фильтры являются практическим и экономичным решением для снижения гармоник в системах распределения власти.Гармонические фильтры предназначены для блокировки или уменьшения конкретных гармонических частот, что позволяет пройти только базовую частоту.Этот процесс помогает в очистке электрической формы волны и смягчении побочных эффектов гармоник.

Для эффективного реализации фильтров необходимо проведение гармонических исследований.Эти опросы включают использование анализаторов качества электроэнергии для измерения уровней и типов гармоник, присутствующих в системе.Выявляя конкретные гармонические частоты и их источники, инженеры могут проектировать и устанавливать фильтры, адаптированные для удовлетворения конкретных потребностей системы.Существуют разные типы фильтров, такие как пассивные, активные и гибридные фильтры, каждый из которых имеет свои конкретные приложения и преимущества.Пассивные фильтры состоят из индукторов, конденсаторов и резисторов.Они настроены, чтобы отфильтровать конкретные гармонические частоты.Пассивные фильтры являются экономически эффективными и простыми в реализации, но могут быть громоздкими и менее гибкими в динамических системах.Активные фильтры используют электронику питания для динамического противодействия гармоническим искажениям.Они более универсальны и могут адаптироваться к изменению гармонических профилей в режиме реального времени.Активные фильтры дороже, но обеспечивают превосходную производительность в условиях переменной нагрузки.Гибридные фильтры объединяют компоненты пассивного и активного фильтра для оптимизации производительности и стоимости.Они предлагают сбалансированный подход, обеспечивая эффективную гармоническую смягчение с умеренными инвестициями.

Использование высоких трансформаторов K-фактора

Рисунок 5: Высокий трансформатор K-фактора и его текущая форма волны

Высокие K-факторные трансформаторы создаются для обработки дополнительного тепла, вызванного гармоническими токами.«K-Factor»-это рейтинг, который показывает, насколько хорошо трансформатор может иметь дело с этими течениями, не становясь слишком горячими.Эти трансформаторы имеют лучшие системы изоляции и охлаждения для управления дополнительным теплом от гармоник.Они могут избавиться от дополнительного тепла, предотвращая повреждение и увеличивая жизнь трансформатора дольше.Обращаясь к более высоким уровням гармоники, эти трансформаторы снижают риск перегрева и отказа, что делает систему распределения энергии более надежной.

Использование высоких трансформаторов K-фактора требует тщательного планирования.Они стоят дороже и труднее установить, чем обычные трансформаторы.Процесс начинается с подробной проверки, чтобы выяснить необходимый рейтинг K-фактора для конкретного использования.Эта проверка включает в себя рассмотрение гармонического содержания нагрузки и понимание того, как она влияет на трансформатор.Инженеры используют инструменты для измерения уровней гармоники и рассчитывают дополнительное тепло, вызванное этими гармониками.

После определения правого рейтинга K-фактора следующим шагом является сбалансирование долгосрочных выгод от первоначальных затрат.Высокие K-факторные трансформаторы снижают потребности в техническом обслуживании и повышают надежность, что может компенсировать их более высокие затраты на покупку и установку с течением времени.Однако установка этих трансформаторов является сложной, поэтому требуется тщательное планирование для минимизации сбоев.Это включает в себя планирование возможного времени простоя для замены или установки трансформатора и рассмотрения всех воздействий на операции.

Обычные опросы качества электроэнергии

Регулярные проверки качества электроэнергии необходимы для поддержания здоровых и хороших работ электрических систем.Эти проверки включают в себя систематическое измерение электрических свойств, чтобы найти и исправлять потенциальные проблемы на раннем этапе.Постоянно контролируя качество электроэнергии, мы гарантируем, что электрическое оборудование работает хорошо, длится дольше и является более надежным.Измерения должны быть проведены в ключевых точках в системе, например, где входит питание и на распределительных панелях.Регулярный сбор данных помогает определить шаблоны, которые могут показывать развивающиеся проблемы, такие как повышение уровня электрического шума или изменения напряжения.Измерители качества электроэнергии, которые измеряют напряжение, ток, электрический шум и внезапные изменения, являются основными инструментами, используемыми в этих проверках.Усовершенствованные счетчики записывают данные с течением времени, давая полную картину тенденций качества электроэнергии.Просмотр этих данных помогает найти отличия от нормальных условий, позволяя своевременно исправить и снизить риск разрушения оборудования.

Соответствие стандартам IEEE 519

Стандарты IEEE 519 устанавливают правила для приемлемых уровней напряжения и искажения тока в электрических системах.Эти правила помогают предотвратить повреждение оборудования и обеспечить надежность системы.

В таблице ниже показаны стандарты IEEE 519-2014 для общего гармонического искажения (THD) в напряжении и токе для различных уровней напряжения:

Рисунок 6: Таблица, показывающая общее количество гармонических искажений (THD) для напряжения и тока на разных уровнях напряжения

Анализаторы качества электроэнергии - это инструменты, которые помогают измерить гармоники до 511 -й гармоники.Эти анализаторы предоставляют подробные данные, которые позволяют определять точный мониторинг и управление качеством электроэнергии.Они помогают выявить конкретные гармонические частоты и их размеры, позволяя иметь целевые решения.

Регулярный мониторинг качества электроэнергии гарантирует, что уровни гармоники остаются в приемлемых пределах и помогают выявлять потенциальные проблемы на раннем этапе.Управление гармониками эффективно включает в себя поиск и исправление источников искажений, таких как установка гармонических фильтров и обновление трансформаторов.

Заключение

Гармоники в электрических системах могут вызвать многие проблемы, такие как перегрев, сбои оборудования и неэффективность.Понимая различные типы гармоник - odd, evell, и Triplen - и как они влияют на электрические детали, инженеры могут лучше предсказать и исправить эти проблемы.Использование таких решений, как гармонические фильтры, специальные трансформаторы, которые обрабатывают дополнительное тепло, и регулярные проверки качества электроэнергии помогают сохранять надежные и эффективные системы.Следуя стандартам IEEE 519 гарантируют, что уровни гармоники остаются в безопасных пределах, защищая как оборудование, так и операции.Управление гармониками хорошо не только делает электрические системы длиться дольше, но и повышает производительность и снижает затраты на техническое обслуживание, что делает его ключевой частью современной электротехники.

Часто задаваемые вопросы [FAQ]

1. Каковы опасности гармоник?

Опасности гармоник включают перегрев электрического оборудования, преждевременную изоляцию, увеличение потерь, неисправность чувствительной электронной

2. Каковы влияние гармоник на качество мощности и потери в системах распределения электроэнергии?

Гармоники разрушают качество мощности за счет искажения напряжения и форм волн тока, что приводит к увеличению потерь в трансформаторах и проводниках, снижению эффективности, перегрева и помехи с чувствительным оборудованием, что может привести к эксплуатационным сбоям и увеличению затрат на техническое обслуживание.

3. Какова основная причина гармоник в электрической системе?

Основной причиной гармоник в электрической системе является наличие нелинейных нагрузок, таких как переменные частотные диски, инверторы, выпрямители и другие электронные устройства, которые рисуют ток не-синусоидальным образом, вводя в систему гармонические токи.

4. Каково влияние гармоник на коэффициент мощности системы распределения?

Гармоники негативно влияют на коэффициент мощности системы распределения за счет увеличения кажущейся мощности, что приводит к тому, что больше тока будет нарисовано для того же количества реальной мощности.Это приводит к снижению эффективности и более высоким эксплуатационным затратам из -за увеличения потерь и снижения мощности компонентов системы.

5. Каковы гармоники в системе распределения электроэнергии?

Гармоники в системе распределения электроэнергии - это токи или напряжения на частотах, которые являются множеством множества базовой частоты (60 Гц в США).Они возникают в результате нелинейных нагрузок и вызывают искажение в форме волны, что приводит к различным проблемам эксплуатации и эффективности в системе.