Jännitteen ja virran korkeampien harmonisten vaikutus sähkölaitteiden toimintaan

Suuremmat jännitteen ja virran harmoniset vaikuttavat sähköjärjestelmien ja tietoliikennelinjojen elementteihin.

Korkeampien harmonisten tärkeimmät vaikutusmuodot tehojärjestelmiin ovat:

• korkeampien harmonisten virtojen ja jännitteiden kasvu rinnakkais- ja sarjaresonanssien vuoksi;

• sähkön tuotannon, siirron ja käytön tehokkuuden vähentäminen;

• sähkölaitteiden eristyksen vanheneminen ja siitä johtuva sen käyttöiän lyheneminen;

• laitteen väärä toiminta.

Resonanssien vaikutus järjestelmiin

Sähköjärjestelmien resonanssit otetaan yleensä huomioon kondensaattoreiden, erityisesti tehokondensaattorien, kannalta. Kun virran harmoniset ylittävät kondensaattorien suurimmat sallitut tasot, kondensaattorit eivät heikennä suorituskykyään, vaan epäonnistuvat hetken kuluttua.

Toinen alue, jossa resonanssit voivat aiheuttaa laitevaurioita, on ylisävykuorman ohjausjärjestelmät. Jotta tehokondensaattorit eivät absorboisi signaalia, niiden piirit on erotettu viritetyllä sarjasuodattimella (filter-«notch»). Paikallisen resonanssin tapauksessa tehokondensaattoripiirin virran harmoniset lisääntyvät jyrkästi, mikä johtaa sarjasuodattimen viritetyn kondensaattorin vaurioitumiseen.

Yhdessä asennuksessa 530 Hz:n taajuudelle viritetyt suodattimet 100 A:n päästövirralla estivät jokaisen tehokondensaattorin piirin, jossa oli 15 65 kvar:n osaa. Kondensaattorit nämä suodattimet epäonnistuivat kahden päivän kuluttua. Syynä oli 350 Hz:n taajuuden harmonisen läsnäolo, jonka välittömässä läheisyydessä säädetyn suodattimen ja tehokondensaattorien välille muodostettiin resonanssiolosuhteet.

Yliaaltojen vaikutus pyöriviin koneisiin

Jännite- ja virtaharmoniset aiheuttavat lisähäviöitä staattorin käämeissä, roottoripiireissä sekä staattorin ja roottorin teräksessä. Pyörrevirroista ja pintavaikutuksista johtuvat häviöt staattorin ja roottorin johtimissa ovat suuremmat kuin ohmisen vastuksen määräämät.

Yliaaltojen aiheuttamat vuotovirrat staattorin ja roottorin päätyvyöhykkeissä aiheuttavat lisähäviöitä.

Suippenevan roottorin oikosulkumoottorissa, jossa on sykkivä magneettivuo staattorissa ja roottorissa, korkeammat harmoniset aiheuttavat lisähäviöitä teräkseen. Näiden häviöiden suuruus riippuu rakojen kaltevuuskulmasta ja magneettipiirin ominaisuuksista.

Korkeampien harmonisten häviöiden keskimääräistä jakautumista kuvaavat seuraavat tiedot; staattorin käämitys 14 %; roottoriketjut 41 %; päätealueet 19 %; epäsymmetrinen aalto 26%.

Epäsymmetrisiä aaltohäviöitä lukuun ottamatta niiden jakautuminen synkronisissa koneissa on suunnilleen sama.

On huomattava, että synkronisen koneen staattorin viereiset parittomat harmoniset aiheuttavat samantaajuisia harmonisia roottoriin. Esimerkiksi 5. ja 7. harmoninen staattorissa aiheuttavat 6. kertaluvun virtaharmoneja roottoriin, jotka pyörivät eri suuntiin. Lineaarisissa järjestelmissä keskimääräinen häviötiheys roottorin pinnalla on verrannollinen arvoon, mutta eri pyörimissuunnan vuoksi häviötiheys joissakin kohdissa on verrannollinen arvoon (I5 + I7) 2.

Lisähäviöt ovat yksi negatiivisimmista pyörivien koneiden harmonisten aiheuttamista ilmiöistä. Ne johtavat koneen kokonaislämpötilan nousuun ja paikalliseen ylikuumenemiseen, todennäköisimmin roottorissa. Oravahäkkimoottorit sallivat suuremmat häviöt ja lämpötilat kuin käämityt roottorimoottorit. Jotkut ohjeet rajoittavat generaattorin sallitun negatiivisen sekvenssin virran tason 10 prosenttiin ja negatiivisen sekvenssin jännitetason oikosulkumoottorin tuloissa 2 prosenttiin. Yliaaltojen toleranssi tässä tapauksessa määräytyy sen mukaan, minkä tasoisia negatiivisen sekvenssin jännitteitä ja virtoja ne synnyttävät.

Yliaaltojen synnyttämät vääntömomentit. Staattorin virran harmoniset synnyttävät vastaavat vääntömomentit: harmoniset muodostavat positiivisen sekvenssin roottorin pyörimissuunnassa ja käänteisen sekvenssin vastakkaiseen suuntaan.

Harmoniset virrat koneen staattorissa aiheuttavat käyttövoimaa, joka johtaa vääntömomenttien ilmaantumista akselille harmonisen magneettikentän pyörimissuunnassa. Ne ovat yleensä hyvin pieniä ja ovat myös osittain siirtyneet vastakkaisesta suunnasta. Ne voivat kuitenkin saada moottorin akselin tärisemään.

Yliaaltojen vaikutus staattisiin laitteisiin, voimalinjoihin. Linjojen virran harmoniset aiheuttavat lisäsähkön ja jännitteen häviöitä.

Kaapelilinjoissa jänniteharmoniset lisäävät vaikutusta eristeeseen suhteessa amplitudin maksimiarvon kasvuun. Tämä puolestaan ​​lisää kaapelivikojen määrää ja korjauskustannuksia.

EHV-linjoissa jänniteharmoniset voivat aiheuttaa koronahäviöiden kasvua samasta syystä.

Korkeampien harmonisten vaikutus muuntajiin

Jänniteaaltohäviöt lisäävät muuntajien teräksessä hystereesihäviöitä ja pyörrevirtahäviöitä sekä käämihäviöitä. Myös eristeen käyttöikä lyhenee.

Käämityshäviöiden lisääntyminen on tärkeintä alasasennusmuuntajassa, koska suodattimen läsnäolo, joka on yleensä kytketty vaihtovirtapuolelle, ei vähennä muuntajan virran harmonisia. Siksi on tarpeen asentaa suuri tehomuuntaja. Myös muuntajasäiliön paikallinen ylikuumeneminen havaitaan.

Negatiivinen puoli yliaaltojen vaikutuksesta suuritehoisiin muuntajiin on kolminkertaisen nollasekvenssivirran kierto kolmiokytketyissä käämeissä. Tämä voi ylittää heidät.

Korkeampien harmonisten vaikutus kondensaattoripankkiin

Sähkökondensaattorien ylimääräiset häviöt johtavat niiden ylikuumenemiseen. Yleensä kondensaattorit on suunniteltu kestämään tiettyä virran ylikuormitusta. Isossa-Britanniassa valmistetut kondensaattorit sallivat ylikuormituksen 15%, Euroopassa ja Australiassa - 30%, Yhdysvalloissa - 80%, IVY-maissa - 30%. Kun nämä arvot ylittyvät, kun kondensaattorien tuloissa on korkeampi yliaaltojännite, jälkimmäinen ylikuumenee ja epäonnistuu.

Korkeampien harmonisten vaikutus sähköjärjestelmän suojalaitteisiin

Yliaallot voivat häiritä suojalaitteiden toimintaa tai heikentää niiden toimintaa. Rikkomuksen luonne riippuu laitteen toimintaperiaatteesta. Digitaaliset releet ja algoritmit, jotka perustuvat diskretisoituun data-analyysiin tai nollapisteanalyysiin, ovat erityisen herkkiä harmonisille.

Useimmiten muutokset ominaisuuksissa ovat vähäisiä. Useimmat reletyypit toimivat normaalisti 20 %:n särötasoon asti. Tehonmuuntajien osuuden lisääminen verkoissa voi kuitenkin muuttaa tilannetta tulevaisuudessa.

Yliaaltojen aiheuttamat ongelmat ovat erilaisia ​​normaali- ja hätätiloissa ja niitä käsitellään erikseen alla.

Yliaaltojen vaikutus hätätiloissa

Suojalaitteet reagoivat yleensä perustaajuuden jännitteeseen tai virtaan ja mahdolliset transienttiharmoniset joko suodatetaan pois tai ne eivät vaikuta laitteeseen. Jälkimmäinen on ominaista sähkömekaanisille releille, joita käytetään erityisesti ylivirtasuojauksessa. Näillä releillä on suuri inertia, mikä tekee niistä käytännössä herkkiä korkeammille harmonisille.

Merkittävämpää on yliaaltojen vaikutus suojaustehoon resistanssimittauksen perusteella. Etäisyyssuojaus, jossa resistanssi mitataan perustaajuudella, voi antaa merkittäviä virheitä korkeampien harmonisten oikosulkuvirrassa (erityisesti 3. kertaluvun) ollessa kyseessä. Korkea harmoninen pitoisuus havaitaan yleensä, kun oikosulkuvirta kulkee maan läpi (maavastus hallitsee silmukan kokonaisresistanssia). Jos harmonisia ei suodateta, virheellisen toiminnan todennäköisyys on erittäin korkea.

Metallisen oikosulun tapauksessa virtaa hallitsee perustaajuus. Muuntajan kyllästymisestä johtuen kuitenkin esiintyy toisiokäyrän vääristymiä, erityisesti kun ensiövirrassa on suuri DC-komponentti. Tässä tapauksessa myös suojauksen normaalin toiminnan varmistamisessa on ongelmia.

Vakiintuneissa käyttöolosuhteissa muuntajan yliherätykseen liittyvä epälineaarisuus aiheuttaa vain parittoman kertaluvun harmonisia. Kaikenlaisia ​​harmonisia voi esiintyä transienttitiloissa, suurimmat amplitudit ovat yleensä 2. ja 3.

Oikealla suunnittelulla suurin osa luetelluista ongelmista on kuitenkin helposti ratkaistavissa. Oikean laitteen valinta poistaa monet muuntajien mittaukseen liittyvät vaikeudet.

Harmoninen suodatus, erityisesti digitaalisissa suojauksissa, on tärkein etäisyyssuojauksessa. Digitaalisten suodatusmenetelmien alalla tehty työ on osoittanut, että vaikka tällaisen suodatuksen algoritmit ovat usein varsin monimutkaisia, halutun tuloksen saaminen ei aiheuta erityisiä vaikeuksia.

Yliaaltojen vaikutus suojajärjestelmiin sähköverkkojen normaaleissa toimintatiloissa. Suojalaitteiden alhainen herkkyys tilaparametreille normaaleissa olosuhteissa johtaa käytännössä siihen, että näissä tiloissa ei ole yliaaltoja koskevia ongelmia. Poikkeuksena on ongelma, joka liittyy voimakkaiden muuntajien sisällyttämiseen verkkoon, johon liittyy magnetointivirran aalto.

Huipun amplitudi riippuu muuntajan induktanssista, käämin resistanssista ja hetkestä, jolloin käynnistys kytketään päälle. Jäännösvuo hetkellä ennen päällekytkentää lisää tai pienentää hieman amplitudia riippuen vuon napaisuudesta suhteessa hetkellisen jännitteen alkuarvoon. Koska toisiopuolella ei ole virtaa magnetoinnin aikana, suuri ensiövirta voi saada differentiaalisuojan laukeamaan väärin.

Helpoin tapa välttää vääriä hälytyksiä on käyttää aikaviivettä, mutta se voi aiheuttaa vakavia vaurioita muuntajalle, jos onnettomuus tapahtuu sen ollessa päällä. Käytännössä suojauksen estämiseen käytetään toista, verkoille epätyypillistä kytkentävirrassa olevaa yliaaltoa, vaikka suojaus pysyy varsin herkkänä muuntajan sisäisille vioille päällekytkennän aikana.

Yliaaltojen vaikutus kuluttajalaitteisiin

Korkeampien harmonisten vaikutus televisioihin

Huippujännitettä lisäävät harmoniset yliaallot voivat aiheuttaa kuvan vääristymiä ja kirkkauden muutoksia.

Loistelamput ja elohopealamput. Näiden lamppujen liitäntälaitteet sisältävät joskus kondensaattoreita ja tietyissä olosuhteissa voi esiintyä resonanssia, mikä johtaa lampun rikkoutumiseen.

Korkeampien harmonisten vaikutus tietokoneisiin

Verkoissa, jotka käyttävät virtaa tietokoneisiin ja tietojenkäsittelyjärjestelmiin, on rajat sallituille vääristymistasoille. Joissakin tapauksissa ne ilmaistaan ​​prosentteina nimellisjännitteestä (tietokone IVM - 5%) tai huippujännitteen suhteena keskiarvoon (CDC asettaa sallitut rajansa arvoon 1,41 ± 0,1).

Korkeampien harmonisten vaikutus muunnoslaitteisiin

Venttiilien kytkemisen aikana syntyvät sinimuotoisen jännitteen kolot voivat vaikuttaa muiden vastaavien laitteiden tai laitteiden ajoitukseen, joita ohjataan nollajännitekäyrän aikana.

Korkeampien harmonisten vaikutus tyristoriohjattuihin nopeuslaitteisiin

Teoriassa harmoniset voivat vaikuttaa tällaisiin laitteisiin useilla tavoilla:

• siniaallon lovet aiheuttavat toimintahäiriön tyristorien sytytysvirheiden vuoksi;

• jännitteen harmoniset voivat aiheuttaa sytytyskatkoja;

• tuloksena oleva resonanssi erityyppisten laitteiden läsnä ollessa voi johtaa koneiden jännitteisiin ja tärinoihin.

Yllä kuvatut vaikutukset voivat kokea muut samaan verkkoon liittyvät käyttäjät. Jos käyttäjällä ei ole vaikeuksia verkkojensa tyristoriohjattujen laitteiden kanssa, on epätodennäköistä, että se vaikuttaa muihin käyttäjiin. Eri väylillä toimivat kuluttajat voivat teoriassa vaikuttaa toisiinsa, mutta sähköinen etäisyys pienentää tällaisen vuorovaikutuksen todennäköisyyttä.

Yliaaltojen vaikutus tehon ja energian mittauksiin

Mittauslaitteet on yleensä kalibroitu puhtaisiin sinimuotoisiin jännitteisiin ja ne lisäävät epävarmuutta korkeampien harmonisten läsnä ollessa. Yliaaltojen suuruus ja suunta ovat tärkeitä tekijöitä, koska virheen merkki määräytyy harmonisten suunnan mukaan.

Yliaaltojen aiheuttamat mittausvirheet riippuvat suuresti mittauslaitteiden tyypistä. Perinteiset induktiomittarit yliarvioivat lukemat yleensä muutamalla prosentilla (kukin 6 %), jos käyttäjällä on vääristymän lähde. Tällaisia ​​käyttäjiä rangaistaan ​​automaattisesti vääristymien aiheuttamisesta verkkoon, joten on heidän oman edunsa mukaista löytää asianmukaiset keinot näiden vääristymien estämiseksi.

Yliaaltojen vaikutuksesta huippukuormituksen mittaustarkkuuteen ei ole kvantitatiivista tietoa. Oletetaan, että harmonisten vaikutus huippukuormituksen mittauksen tarkkuuteen on sama kuin energiamittauksen tarkkuuteen.

Tarkka energian mittaus virta- ja jännitekäyrien muodosta riippumatta saadaan aikaan elektronisilla mittareilla, jotka ovat kalliimpia.

Harmoniset yliaallot vaikuttavat sekä loistehomittauksen tarkkuuteen, joka on selkeästi määritelty vain sinimuotoisten virtojen ja jännitteiden tapauksessa, että tehokertoimen mittauksen tarkkuuteen.

Yliaaltojen vaikutusta laboratorioiden instrumenttien tarkastuksen ja kalibroinnin tarkkuuteen mainitaan harvoin, vaikka tämäkin asian näkökohta on tärkeä.

Yliaaltojen vaikutus viestintäpiireihin

Tehopiirien harmoniset yliaallot aiheuttavat kohinaa viestintäpiireissä.Alhainen melutaso aiheuttaa epämukavuutta, kun se kasvaa, osa lähetetystä tiedosta katoaa, äärimmäisissä tapauksissa viestintä on täysin mahdotonta. Tältä osin sähkönsyöttö- ja viestintäjärjestelmien teknisten muutosten yhteydessä on tarpeen ottaa huomioon voimalinjojen vaikutus puhelinlinjoihin.

Yliaaltojen vaikutus puhelinlinjan kohinaan riippuu yliaaltojen järjestyksestä. Keskimäärin puhelimella - ihmiskorvalla on herkkyystoiminto, jonka enimmäisarvo on 1 kHz:n luokkaa. Arvioida eri harmonisten vaikutusta meluon c. puhelimessa käytetään kertoimia, jotka ovat tietyillä painoilla otettujen harmonisten summa.Kaksi kerrointa ovat yleisimpiä: psofometrinen painotus ja C-lähetys. Ensimmäisen tekijän on kehittänyt kansainvälinen puhelin- ja telegrafiikkajärjestelmien neuvoa-antava komitea (CCITT), ja sitä käytetään Euroopassa, toista – Bella Telephone Companyn ja Edison Electrotechnical Instituten – käytetään Yhdysvalloissa ja Kanadassa.

Kolmen vaiheen harmoniset virrat eivät täysin kompensoi toisiaan amplitudien ja vaihekulmien epätasaisuuden vuoksi ja vaikuttavat tietoliikenteeseen tuloksena olevalla nollasekvenssivirralla (samanlainen kuin maasulkuvirrat ja vetojärjestelmien maadoitusvirrat).

Vaikutus voi johtua myös itse vaiheissa olevista harmonisista virroista johtuen vaihejohtimien ja läheisten tietoliikennelinjojen välisten etäisyyksien eroista.

Tämäntyyppisiä vaikutuksia voidaan lieventää oikealla linjajälkien valinnalla, mutta väistämättömien linjan ylitysten tapauksessa tällaisia ​​vaikutuksia esiintyy.Se ilmenee erityisen voimakkaasti voimalinjan johtimien pystysuorassa järjestelyssä ja kun tietoliikennelinjan johtimet transponoidaan voimajohdon läheisyydessä.

Suurilla etäisyyksillä (yli 100 m) linjojen välillä pääasialliseksi vaikuttavaksi tekijäksi osoittautuu nollasekvenssivirta. Kun voimalinjan nimellisjännite laskee, vaikutus pienenee, mutta se osoittautuu havaittavaksi, koska käytetään yhteisiä tukia tai kaivoja pienjännitelinjojen ja tietoliikennelinjojen asentamiseen.