Påverkan av harmonier på elektriska system

Att förstå effekterna av harmonier på elektriska system är till stor hjälp för att hålla saker och ting att gå smidigt och säkert.Harmonics är förändringar i den elektriska vågen som kan orsaka olika problem som för mycket värme, utrustning som bryts ned och mindre effektivitet.Den här artikeln förklarar de olika typerna av harmonier, vad som orsakar dem och de problem de kan skapa i kraftsystem som används i branscher och företag.Vi kommer också att titta på sätt att fixa dessa problem, som att använda specialfilter, transformatorer som är utformade för att hantera harmonik och regelbundna kontroller av kraftkvalitet.Vårt mål är att ge en tydlig och enkel guide för att hantera harmonik i elektriska system effektivt.

Katalog

Bild 1: Harmonics

Förstå harmonik inom kraftteknik

Harmonik är strömmar eller spänningar vid högre frekvenser som är multiplar av basfrekvensen.De kan orsaka problem som förvrängda vågformer, extra uppvärmning och lägre effektivitet i elektrisk utrustning.Udda harmonier, som förekommer vid udda multiplar av den grundläggande frekvensen, ökar distorsionen och uppvärmningen.Även harmonik, som förekommer vid även multiplar av den grundläggande frekvensen, kan få transformatorer att överhettas.Triplen harmonik, som är en specifik typ av udda harmonik, kan överbelasta neutrala ledningar och också få transformatorer att överhettas.

Harmonics kan delas upp i tre typer: positiva, negativa och nollsekvenser.Positiv sekvens harmonik ger extra värme till systemet.Negativ sekvens harmonik minskar kraften hos motorer och ökar värmen.Nollsekvens Harmonics orsakar uppvärmning i de neutrala ledningarna.Total Harmonic Distortion (THD) är ett mått på effekterna av harmonier, med högre värden som visar mer distorsion.

I industriella inställningar skapar enheter som variabla frekvensenheter mycket snedvridning.För att minska dessa problem kan vi använda filter och specialtransformatorer som är utformade för att hantera höga nivåer av harmonier.Att regelbundet kontrollera kvaliteten på kraften hjälper till att hitta och fixa harmoniska problem och säkerställer att IEEE 519 standarder följs.Avancerade verktyg kan mäta upp till den 511: e harmoniken för att hantera dessa problem effektivt.

Typer av harmonier

Udda harmonik

Bild 2: Udda harmonics

Odda harmonier är harmonier som är udda multiplar av huvudfrekvensen, som den 3: e, 5: e och 7: e harmonik.Dessa harmonier kan orsaka stora problem i kraftsystem eftersom de kan skada elektrisk utrustning och få dem att fungera dåligt.När udda harmonik finns, ökar de motståndsförluster och virvelströmförluster i transformatorer.Motståndsförluster, även kallade I²R -förluster, inträffar eftersom de harmoniska strömmarna får ledarna att värma upp mer.Denna extra uppvärmning beror på den förlorade kraften som värme på grund av motståndet i ledarna.Eddy -strömförluster inträffar när inducerade strömmar flyter inom transformatorns kärna, vilket också genererar värme.Närvaron av harmonik gör dessa effekter värre eftersom transformatorkärnan står inför magnetfält med högre frekvens, som skapar fler virvelströmmar och mer värme.

Höga nivåer av udda harmonier kan påverka hur väl en transformator fungerar.För att minska risken för överhettning och möjliga fel måste transformatorer ofta härledas när det finns höga harmoniska nivåer.Att dricka en transformator innebär att använda den med en lägre kapacitet än dess nominella kapacitet för att minska uppvärmningen orsakad av harmonik.Detta gör att transformatorn fungerar säkert och gör att den håller längre.Deration innebär att man räknar ut hur mycket harmoniskt innehåll det finns och beräkna de extra förlusterna som orsakas av dessa harmonier.När dessa förluster är kända justeras transformatorns lastkapacitet för att förhindra att den överhettas och säkerställer att den fungerar pålitligt.

Enkelt uttryckt innebär att avdraga en transformator på grund av udda harmonik en noggrann titt på det harmoniska innehållet i lasten.Ingenjörer använder kraftkvalitetsmätare för att mäta det harmoniska innehållet och se hur det påverkar transformatorn.Uppgifterna från dessa mätningar används sedan för att ta reda på hur mycket du kan minska transformatorns belastning för att hålla dem i drift.

Till och med harmonier

Bild 3: till och med harmonik

Även harmonik är frekvenser som till och med är multiplar av huvudfrekvensen, som den 2: a (120 Hz), 4: e (240 Hz) och 6: e (360 Hz) harmonik när huvudfrekvensen är 60 Hz.I kraftsystem är till och med harmonier vanligtvis små eftersom de flesta olinjära laster mestadels ger udda harmonier.Närvaron av till och med harmonier kan emellertid visa specifika problem inom det elektriska systemet.

Till och med harmonier indikerar ofta en DC -förskjutning i systemet.En DC -offset inträffar när det finns en likströmskomponent blandad med den växlande strömvågformen (AC).Detta kan orsakas av halvvågsrektifiering, vilket inträffar på grund av en trasig likriktare.En likriktare är en enhet som ändrar AC till DC, och när den går sönder kan den producera en ofullständig vågform, vilket leder till en DC -offset.DC -offset som introducerats av till och med harmonier kan orsaka flera problem i elektriska system.En viktig effekt är transformatormättnad.När en transformator upplever en DC-offset kan dess kärna bli magnetiskt mättad under alternativa halvcykler i AC-vågformen.Denna mättnad leder till en överdriven ström av ström, vilket får transformatorn att överhettas och eventuellt bränna ut den primära lindningen.En DC -offset kan också orsaka mekaniska vibrationer och brus i transformatorer.Den magnetiska mättnaden hos kärnan resulterar i stark vibration, som kan vara både hög och fysiskt skadlig för transformatorstrukturen.Till och med en liten DC -offset, mer än 1% av den nominella strömmen, kan orsaka dessa allvarliga problem.

Även harmonik kan också användas som ett diagnostiskt verktyg.Deras närvaro i ett elektriskt system kan hjälpa till att identifiera problem relaterade till likriktare eller andra komponenter som kan introducera en DC -komponent i systemet.Genom att övervaka och analysera till och med harmonik kan ingenjörer upptäcka och hantera problem tidigt, förhindra potentiella fel och säkerställa en tillförlitlig drift av kraftfördelningssystemet.

Triplen harmonik

Bild 4: Triplen Harmonics

Triplen Harmonics är en speciell typ av udda multiplar av den tredje harmoniken.Dessa förekommer vid den 3: e, 9: e, 15: e och så vidare.De produceras unikt av enfasanordningar och kan orsaka betydande problem i elektriska system.

Ett stort problem orsakat av triplen harmonik är överbelastning av neutrala ledningar.I ett balanserat trefas-system bör strömmarna i den neutrala tråden avbryta varandra.Triplen harmonik från enfasanordningar avbryter emellertid inte i den neutrala tråden.Istället lägger de till och orsakar överdrivna strömmar.Detta kan leda till överhettning och potentiell skada på den neutrala tråden.

Triplen Harmonics kan också störa telefonlinjer.De högfrekventa delarna av dessa harmonier kan skapa brus i kommunikationslinjer som går parallellt med kraftkablar.Detta brus kan minska kvaliteten på telefonsignaler och störa kommunikationssystemen.

En annan viktig fråga med Triplen Harmonics är överhettning av transformatorer.Transformatorer är byggda för att hantera specifika ström- och spänningsnivåer.Triplen Harmonics ökar RMS (rotmedelvärde) strömmen i transformatorlindningarna, vilket orsakar extra uppvärmning.Om transformatorn inte är utformad för att hantera denna extra värme kan det leda till isoleringsfördelning och eventuellt fel.

För att minska effekterna av triplen harmonik kan specialtransformatorer som kallas K-rankade transformatorer användas.Dessa transformatorer är utformade för att hantera högre harmoniska strömmar utan överhettning.De har bättre kylsystem och är gjorda med material som tål den extra värmen som orsakas av harmonier.

Harmonisk sekvens

En harmonisk sekvens beskriver hur olika frekvenser av elektriska vågor interagerar med huvudvågen, vilket hjälper oss att förstå deras påverkan på kraftsystem.Det finns tre huvudtyper av harmoniska sekvenser: positiva, negativa och noll.

Positiv sekvens harmonik

Positiv sekvens harmonik inkluderar frekvenser som den första, 4: e och 7: e harmonin.Dessa harmonier rör sig i samma riktning som huvudvågen.De ökar strömmen i systemet och genererar extra värme i komponenterna.Denna extra värme kan skada isoleringen, minska systemets effektivitet och få komponenter att bryta ner förr än väntat.I motorer stör dessa harmonier magnetfältet, vilket gör att motorn går mindre effektivt och förkortar sin livslängd.För att hantera dessa problem är det bra att använda filter eller andra enheter för att övervaka och minska den positiva sekvensen harmonik.

Negativ sekvens harmonik

Negativ sekvens harmonik inkluderar frekvenser som 2: a, 5: e och 8: e harmonik.Dessa harmonier rör sig i motsatt riktning till huvudvågen.De minskar motorens kraft och skapar extra värme, vilket kan skada isoleringen, orsaka mekaniska vibrationer och förkorta livslängden för motorer och andra komponenter.Transformatorer kan också uppleva ökade förluster och överhettning på grund av dessa harmonier.Övervakning och installation av rätt filter kan hjälpa till att hantera den negativa sekvens harmonik och deras negativa effekter.

Nollsekvens harmonik

Nollsekvens Harmonics inkluderar frekvenser som den 3: e, 6: e och 9: e harmoniken.Dessa harmonier skapar inte ett roterande magnetfält utan ackumuleras istället i den neutrala tråden, vilket får den att överhettas och bli skadad.Detta är särskilt problematiskt i system med icke-linjära belastningar.Att använda specialtransformatorer och harmoniska filter kan hjälpa till att hantera extra värme och minska det harmoniska innehållet i systemet, vilket förhindrar överhettning och skador på den neutrala tråden.

Orsaker till elektriska harmonier

I industriella miljöer orsakar vissa typer av elektrisk utrustning ofta harmonisk distorsion.Detta problem är vanligt med enheter som variabla frekvensenheter (VFD) och inverterare.Dessa enheter ändrar alternerande ström (AC) till den aktuella strömmen (DC) och skapar sedan en variabel frekvens AC -utgång för att styra motorhastigheter exakt i olika applikationer.

Under denna omvandling drar dessa enheter ström på ett icke-linjärt, ojämnt sätt, istället för det släta, vågliknande sättet av regelbundna belastningar.Denna ojämna strömavdrag lägger till harmoniska komponenter till det elektriska systemet och orsakar spänningsförvrängning.Det främsta skälet till denna ojämna strömavdrag är de inre elektroniska delarna, som likriktare och växlingskretsar, som endast drar ström vid vissa tider under AC -cykeln.Till exempel ändrar en VFD som styr en industriell motor först den inkommande AC till DC och använder sedan en inverterare för att skapa en variabel frekvens AC -utgång för att justera motorhastigheten.Rättningsstadiet innebär att byta delar som drar ström i skurar snarare än kontinuerligt.Denna utbrott av nuvarande snedvrider vågformen och skapar harmonier.

Dessa harmonier kan orsaka flera problem i ett industriellt kraftsystem.De kan öka uppvärmningen i transformatorer och andra elektriska delar, vilket minskar deras effektivitet och livslängd.Harmonisk distorsion kan också orsaka känslig elektronisk utrustning till fel, öka energiförluster och potentiellt störa kommunikationssystemen.

För att minska dessa effekter utformar utrustningstillverkare sina produkter för att uppfylla ELECTROMAGNETISKA kompatibilitetsstandarder (EMC).Dessa standarder begränsar mängden harmonisk distorsion som deras enheter kan införa i kraftsystemet.EMC -standarder säkerställer att enskilda enheter inte orsakar överdriven snedvridning som kan påverka hela kraftsystemet.Även med EMC-kompatibel utrustning kan den kombinerade effekten av många enheter som körs samtidigt fortfarande orsaka betydande harmonisk distorsion.Detta gör det nödvändigt att aktivt övervaka och hantera harmonier i industriella miljöer.

Problem som är benägna att uppstå på högre harmoniska nivåer

Problem i motorer och generatorer

Harmonics kan orsaka stora problem hos motorer och generatorer.Den extra värmen som skapas av harmoniska strömmar kan bryta ner isoleringen och sätta stress på maskindelarna.Detta kan göra att dessa maskiner misslyckas förr, ha ett kortare liv och behöver fler reparationer.Harmoniska vibrationer kan också orsaka slitage på maskinerna, vilket gör problemet värre.

Lägre effektivitet

Harmonics gör de resistiva förlusterna (I²R -förluster) i ledningar och transformatorer värre.Dessa förluster skapar extra värme, vilket gör kraftsystemet mindre effektivt.Den extra värmen kan påskynda åldrandet av isoleringsmaterial, vilket leder till mer frekventa fel och högre energianvändning.

Oplanerade brytningsresor och blåsa säkringar

Höga harmoniska nivåer kan orsaka brytare att resa och säkringar blåser utan goda skäl.Detta händer eftersom harmonik kan orsaka för mycket värme och magnetisk störning i dessa säkerhetsanordningar, vilket gör att de fungerar felaktigt.Denna oönskade trippning kan avbryta verksamheten, orsaka oplanerad driftstopp och behöver mer underhåll.

Problem med elektronisk utrustning

Elektroniska enheter är mycket känsliga för harmonisk distorsion.Harmonics kan orsaka problem i enheter som datorer, kommunikationsutrustning och annan känslig elektronik.Störningen från harmoniska frekvenser kan krossa data, orsaka kommunikationsfel och minska prestanda och kräva extra filtrering och skydd.

Oväntade resonanser

Harmoniska frekvenser kan blandas med de naturliga frekvenserna i kraftsystemet och orsaka resonanser.Dessa resonanser kan göra harmoniska strömmar och spänningar starkare, vilket leder till överspänningar, överhettning och möjliga skador på utrustningen.Att hitta och fixa resonansförhållanden hjälper till att förhindra allvarliga fel i kraftsystem.

Lösningar för att mildra harmonik

Installera filter

Filter är en praktisk och ekonomisk lösning för att minska harmonik i kraftdistributionssystem.Harmoniska filter är utformade för att blockera eller minska specifika harmoniska frekvenser, vilket gör att basfrekvensen endast kan passera.Denna process hjälper till att rengöra den elektriska vågformen och mildra de negativa effekterna av harmonier.

För att implementera filter effektivt är det nödvändigt att genomföra harmoniska undersökningar.Dessa undersökningar involverar att använda kraftkvalitetsanalysatorer för att mäta nivåerna och typer av harmonier som finns i systemet.Genom att identifiera de specifika harmoniska frekvenserna och deras källor kan ingenjörer designa och installera filter skräddarsydda för att tillgodose systemets specifika behov.Det finns olika typer av filter tillgängliga, såsom passiva, aktiva och hybridfilter, var och en med dess specifika applikationer och fördelar.Passiva filter består av induktorer, kondensatorer och motstånd.De är inställda för att filtrera bort specifika harmoniska frekvenser.Passiva filter är kostnadseffektiva och enkla att implementera men kan vara skrymmande och mindre flexibla i dynamiska system.Aktiva filter använder kraftelektronik för att dynamiskt motverka harmonisk distorsion.De är mer mångsidiga och kan anpassa sig till förändrade harmoniska profiler i realtid.Aktiva filter är dyrare men ger överlägsen prestanda i variabla belastningsförhållanden.Hybridfilter kombinerar passiva och aktiva filterkomponenter för att optimera prestanda och kostnad.De erbjuder ett balanserat tillvägagångssätt och ger effektiv harmonisk mildring med måttliga investeringar.

Använda höga K-faktorstransformatorer

Bild 5: Hög K-Factor-transformator och dess nuvarande vågform

Höga K-faktortransformatorer är gjorda för att hantera den extra värmen som orsakas av harmoniska strömmar."K-Factor" är ett betyg som visar hur väl en transformator kan hantera dessa strömmar utan att bli för varm.Dessa transformatorer har bättre isolerings- och kylsystem för att hantera extra värme från harmonik.De kan bli av med den extra värmen, förhindra skador och göra transformatorns liv längre.Genom att hantera högre harmoniska nivåer sänker dessa transformatorer risken för överhettning och misslyckande, vilket gör kraftfördelningssystemet mer pålitligt.

Att använda höga K-faktorstransformatorer kräver noggrann planering.De kostar mer och är svårare att installera än vanliga transformatorer.Processen börjar med en detaljerad kontroll för att ta reda på den nödvändiga K-faktorbetyget för specifikt användning.Denna kontroll innebär att man tittar på det harmoniska innehållet i lasten och förstå hur det påverkar transformatorn.Ingenjörer använder verktyg för att mäta de harmoniska nivåerna och beräkna den extra värmen som orsakas av dessa harmonier.

När den högra K-Factor-betyg har fastställts är nästa steg att balansera de långsiktiga fördelarna mot de initiala kostnaderna.Höga K-Factor-transformatorer minskar underhållsbehovet och förbättrar tillförlitligheten, vilket kan kompensera för deras högre köp- och installationskostnader över tid.Att installera dessa transformatorer är emellertid komplex, så noggrann planering krävs för att minimera störningar.Detta inkluderar schemaläggning möjlig stillestånd för att byta ut eller installera transformatorn och överväga alla effekter på operationer.

Regelbundna kraftkvalitetsundersökningar

Regelbundna kraftkvalitetskontroller behövs för att hålla elektriska system friska och köra bra.Dessa kontroller involverar systematiskt mätning av elektriska egenskaper för att hitta och fixa potentiella problem tidigt.Genom att ständigt övervaka kraftkvaliteten ser vi till att elektrisk utrustning fungerar bra, varar längre och är mer pålitlig.Mätningar bör göras vid viktiga punkter i systemet, som där kraften kommer in och vid distributionspaneler.Regelbunden datainsamling hjälper spotmönster som kan visa utvecklingsproblem, som att öka nivåerna av elektriskt brus eller spänningsförändringar.Kraftkvalitetsmätare, som mäter spänning, ström, elektriskt brus och plötsliga förändringar, är de viktigaste verktygen som används i dessa kontroller.Avancerade meter registrerar data över tid och ger en fullständig bild av kraftkvalitetstrender.Att titta på dessa data hjälper till att hitta skillnader från normala förhållanden, vilket möjliggör snabba korrigeringar och minskar risken för att utrustning bryts ned.

Efterlevnad av IEEE 519 standarder

IEEE 519 -standarder fastställer regler för acceptabla spänningsnivåer och strömförvrängning i elektriska system.Dessa regler hjälper till att förhindra skador på utrustning och säkerställa systemtillförlitlighet.

Tabellen nedan visar IEEE 519-2014 standarder för total harmonisk distorsion (THD) i spänning och ström för olika spänningsnivåer:

Bild 6: Tabell som visar gränser för total harmonisk distorsion (THD) för spänning och ström vid olika spänningsnivåer

Kraftkvalitetsanalysatorer är verktyg som hjälper till att mäta harmonik upp till den 511: e harmoniken.Dessa analysatorer tillhandahåller detaljerade data som möjliggör exakt övervakning och hantering av kraftkvalitet.De hjälper till att identifiera specifika harmoniska frekvenser och deras storlekar, vilket möjliggör riktade lösningar.

Regelbunden övervakning av kraftkvalitet säkerställer att harmoniska nivåer förblir inom acceptabla gränser och hjälper till att upptäcka potentiella problem tidigt.Att hantera harmonik innebär effektivt att hitta och fixa källor för distorsion, till exempel att installera harmoniska filter och uppgradering av transformatorer.

Slutsats

Harmonik i elektriska system kan orsaka många problem, såsom överhettning, utrustningsfel och ineffektivitet.Genom att förstå de olika typerna av harmonik - odd, jämn och triplen - och hur de påverkar elektriska delar kan ingenjörer bättre förutsäga och fixa dessa problem.Att använda lösningar som harmoniska filter, specialtransformatorer som hanterar extra värme och regelbundna kontroller av kraftkvalitet hjälper till att hålla systemen pålitliga och effektiva.Efter IEEE 519 -standarder säkerställer att harmoniska nivåer förblir inom säkra gränser och skyddar både utrustning och drift.Att hantera harmonik gör inte bara elektriska system att hålla längre utan förbättrar också prestanda och minskar underhållskostnaderna, vilket gör det till en viktig del av modern elektroteknik.

Vanliga frågor [FAQ]

1. Vilka är farorna med harmonier?

Farorna med harmonik inkluderar överhettning av elektrisk utrustning, för tidig isoleringsfel, ökade förluster, felaktigt av känslig elektronik, olägenhet som snubblar av brytare och potentiella resonansförhållanden som kan orsaka allvarliga skador på komponenter.

2. Vilka är effekterna av harmonier på kraftkvalitet och förluster i kraftdistributionssystem?

Harmonics försämrar effektkvaliteten genom att snedvrida spänning och nuvarande vågformer, vilket leder till ökade förluster i transformatorer och ledare, minskad effektivitet, överhettning och störningar i känslig utrustning, vilket kan leda till operativa fel och ökade underhållskostnader.

3. Vad är en viktig orsak till harmonier i ett elektriskt system?

En viktig orsak till harmonik i ett elektriskt system är närvaron av olinjära belastningar såsom variabla frekvensdrivare, inverterare, likriktare och andra elektroniska anordningar som drar ström på ett icke-sinusformat sätt, och introducerar harmoniska strömmar i systemet.

4. Vad är effekten av harmonier på kraftfaktorn för ett distributionssystem?

Harmonics påverkar negativt effektfaktorn för ett distributionssystem genom att öka den uppenbara kraften, vilket gör att mer ström dras för samma mängd verklig kraft.Detta resulterar i lägre effektivitet och högre driftskostnader på grund av ökade förluster och minskad kapacitet för systemkomponenterna.

5. Vilka är harmonikerna i ett elektriskt kraftfördelningssystem?

Harmonik i ett elektriskt kraftfördelningssystem är strömmar eller spänningar vid frekvenser som är heltal multiplar av basfrekvensen (60 Hz i USA).De är resultatet av olinjära belastningar och orsakar snedvridning i vågformen, vilket leder till olika operativa och effektivitetsproblem inom systemet.