Pinge ja voolu kõrgemate harmooniliste mõju elektriseadmete tööle

Kõrgemad pinge ja voolu harmoonilised mõjutavad elektrisüsteemide ja sideliinide elemente.

Peamised kõrgemate harmooniliste mõjuvormid elektrisüsteemidele on järgmised:

• kõrgemate harmooniliste voolude ja pingete suurenemine paralleel- ja jadaresonantsi tõttu;

• elektrienergia tootmise, ülekande, kasutamise protsesside efektiivsuse vähendamine;

• elektriseadmete isolatsiooni vananemine ja sellest tulenev kasutusea vähenemine;

• seadmete vale töö.

Resonantside mõju süsteemidele

Resonantse elektrisüsteemides käsitletakse tavaliselt kondensaatorite, eriti võimsuskondensaatorite osas. Kui voolu harmoonilised ületavad kondensaatorite maksimaalset lubatud taset, ei halvenda viimased oma jõudlust, vaid mõne aja pärast ebaõnnestuvad.

Teine valdkond, kus resonants võib seadmeid kahjustada, on ülemhelikoormuse juhtimissüsteemid. Vältimaks signaali neeldumist võimsuskondensaatorite poolt, eraldatakse nende ahelad häälestatud jadafiltriga (filter-«notch»). Lokaalse resonantsi korral suurenevad voolu harmoonilised võimsuskondensaatori ahelas järsult, mis toob kaasa jadafiltri häälestatud kondensaatori kahjustamise.

Ühes paigaldises blokeerisid 530 Hz sagedusele häälestatud filtrid läbipääsuvooluga 100 A iga voolukondensaatori vooluringi, millel oli 15 sektsiooni 65 kvar. Kondensaatorid need filtrid ebaõnnestusid kahe päeva pärast. Põhjuseks oli harmoonilise sagedusega 350 Hz olemasolu, mille vahetus läheduses loodi häälestatud filtri ja võimsuskondensaatorite vahel resonantstingimused.

Harmooniliste mõju pöörlevatele masinatele

Pinge ja voolu harmoonilised põhjustavad täiendavaid kadusid staatori mähistes, rootori ahelates ning staatori ja rootori terases. Staatori ja rootori juhtides pöörisvooludest ja pinnaefektist tulenevad kaod on suuremad kui oomilise takistusega määratud.

Harmoonikutest põhjustatud lekkevoolud staatori ja rootori otsatsoonides toovad kaasa lisakadusid.

Kitseneva rootoriga asünkroonmootoris, mille staatoris ja rootoris on pulseeriv magnetvoog, põhjustavad kõrgemad harmoonilised terases lisakadusid. Nende kadude suurus sõltub pilude kaldenurgast ja magnetahela omadustest.

Kõrgemate harmooniliste kadude keskmist jaotust iseloomustavad järgmised andmed; staatori mähis 14%; rootorketid 41%; lõpptsoonid 19%; asümmeetriline laine 26%.

Välja arvatud asümmeetriliste lainete kaod, on nende jaotus sünkroonmasinates ligikaudu sama.

Tuleb märkida, et sünkroonmasina staatori külgnevad paaritu harmoonilised põhjustavad rootoris sama sagedusega harmoonilisi. Näiteks staatori 5. ja 7. harmoonilised põhjustavad rootoris 6. järku vooluharmoonikuid, mis pöörlevad erinevates suundades. Lineaarsete süsteemide puhul on keskmine kadude tihedus rootori pinnal võrdeline väärtusega, kuid erineva pöörlemissuuna tõttu on kadude tihedus mõnes punktis võrdeline väärtusega (I5 + I7) 2.

Lisakaod on üks negatiivsemaid nähtusi, mida pöörlevate masinate harmoonilised põhjustavad. Need põhjustavad masina üldise temperatuuri tõusu ja kohalikku ülekuumenemist, tõenäoliselt rootoris. Oravapuurmootorid võimaldavad suuremaid kadusid ja temperatuure kui keritud rootormootorid. Mõned juhised piiravad lubatud negatiivse järjestusega voolutaseme generaatoris 10% ja negatiivse järjestusega pinge taset asünkroonmootori sisendites 2%. Harmooniliste tolerantsi määrab sel juhul see, milliste negatiivsete järjestuste pingete ja voolude tasemed nad tekitavad.

Harmooniliste tekitatud pöördemomendid. Voolu harmoonilised staatoris tekitavad vastavad pöördemomendid: harmoonilised, mis moodustavad rootori pöörlemissuunas positiivse jada ja vastupidise jada.

Harmoonilised voolud masina staatoris põhjustavad liikumapaneva jõu, mis põhjustab võllile pöördemomentide ilmnemist harmoonilise magnetvälja pöörlemissuunas. Tavaliselt on need väga väikesed ja on ka osaliselt nihutatud vastupidise suuna tõttu. Need võivad aga põhjustada mootorivõlli vibratsiooni.

Harmooniliste mõju staatilistele seadmetele, elektriliinidele. Voolu harmoonilised liinides põhjustavad täiendavaid elektri- ja pingekadusid.

Kaabliliinides suurendavad pinge harmoonilised mõju dielektrikule võrdeliselt amplituudi maksimaalse väärtuse suurenemisega. See omakorda suurendab kaablirikete arvu ja remondikulusid.

EHV liinides võivad pinge harmoonilised põhjustada koroonakadude suurenemist samal põhjusel.

Kõrgemate harmooniliste mõju trafodele

Pingeharmoonikud põhjustavad trafode terases hüstereesikadude ja pöörisvoolukadude suurenemist, samuti mähiste kadusid. Samuti väheneb isolatsiooni kasutusiga.

Mähise kadude suurenemine on kõige olulisem alandava trafo puhul, kuna filtri olemasolu, mis on tavaliselt ühendatud vahelduvvoolu poolega, ei vähenda trafos voolu harmoonilisi. Seetõttu on vaja paigaldada suur jõutrafo. Samuti täheldatakse trafo paagi lokaalset ülekuumenemist.

Negatiivne aspekt harmooniliste mõjul suure võimsusega trafodele on kolmekordse nulljärjestuse voolu tsirkulatsioon deltaühendusega mähistes. See võib neile üle jõu käia.

Kõrgemate harmooniliste mõju kondensaatoripankadele

Täiendavad kaod elektrikondensaatorites põhjustavad nende ülekuumenemist. Üldiselt on kondensaatorid ette nähtud taluma teatud voolu ülekoormust. Suurbritannias toodetud kondensaatorid võimaldavad ülekoormust 15%, Euroopas ja Austraalias - 30%, USA-s - 80%, SRÜ riikides - 30%. Nende väärtuste ületamisel, mida täheldatakse kondensaatorite sisendites kõrgemate harmooniliste pinge suurenemise tingimustes, kuumenevad viimased üle ja ebaõnnestuvad.

Kõrgemate harmooniliste mõju elektrisüsteemi kaitseseadmetele

Harmoonikud võivad häirida kaitseseadmete tööd või kahjustada nende tööd. Rikkumise olemus sõltub seadme tööpõhimõttest. Harmooniliste suhtes on eriti tundlikud digitaalsed releed ja algoritmid, mis põhinevad diskretiseeritud andmeanalüüsil või null-ületamise analüüsil.

Enamasti on omaduste muutused väikesed. Enamik releetüüpe töötab normaalselt kuni 20% moonutustasemeni. Toitemuundurite osakaalu suurendamine võrkudes võib aga olukorda tulevikus muuta.

Harmoonikutest tulenevad probleemid on tava- ja avariirežiimide puhul erinevad ning neid käsitletakse allpool eraldi.

Harmooniliste mõju hädarežiimides

Kaitseseadmed reageerivad tavaliselt põhisageduse pingele või voolule ning kõik siirdeharmoonikud kas filtreeritakse välja või ei mõjuta seadet. Viimane on iseloomulik elektromehaanilistele releedele, mida kasutatakse eriti liigvoolukaitses. Nendel releedel on suur inerts, mis muudab need kõrgemate harmooniliste suhtes praktiliselt tundetuks.

Olulisem on harmooniliste mõju kaitsevõimele, mis põhineb takistuse mõõtmisel. Kauguskaitse, kus takistust mõõdetakse põhisagedusel, võib lühisvoolu kõrgemate harmooniliste olemasolul (eriti 3. järku) anda olulisi vigu. Kõrget harmoonilist sisaldust täheldatakse tavaliselt siis, kui lühisvool liigub läbi maapinna (maandustakistus domineerib ahela kogutakistusest). Kui harmoonilisi ei filtreerita, on vale toimimise tõenäosus väga suur.

Metallilise lühise korral domineerib voolus põhisagedus. Trafo küllastumise tõttu tekib aga sekundaarkõvera moonutus, eriti kui tegemist on suure alalisvoolukomponendiga primaarvoolus. Sel juhul on probleeme ka kaitse normaalse töö tagamisega.

Püsiseisundis töötingimustes põhjustab trafo üleergutusega seotud mittelineaarsus ainult paaritu järjekorra harmoonilisi. Siirderežiimides võivad esineda igasugused harmoonilised, kusjuures suurimad amplituudid on tavaliselt 2. ja 3.

Kuid õige disainiga on enamik loetletud probleemidest hõlpsasti lahendatavad. Õige varustuse valimine välistab paljud trafode mõõtmisega seotud raskused.

Harmooniline filtreerimine, eriti digitaalsetes kaitsetes, on kauguskaitse jaoks kõige olulisem. Digitaalsete filtreerimismeetodite valdkonnas tehtud töö on näidanud, et kuigi sellise filtreerimise algoritmid on sageli üsna keerulised, ei valmista soovitud tulemuse saamine erilisi raskusi.

Harmooniliste mõju kaitsesüsteemidele elektrivõrkude tavapärastel töörežiimidel. Kaitseseadmete madal tundlikkus režiimi parameetrite suhtes tavatingimustes toob kaasa nende režiimide harmooniliste probleemide praktilise puudumise. Erandiks on probleem, mis on seotud võimsate trafode kaasamisega võrku, millega kaasneb magnetiseerimisvoolu tõus.

Tipu amplituud sõltub trafo induktiivsusest, mähise takistusest ja sisselülitamise hetkest. Jääkvoog sisselülitamisele eelneval hetkel suurendab või vähendab veidi amplituudi, olenevalt voo polaarsusest hetkepinge algväärtuse suhtes. Kuna magnetiseerimise ajal sekundaarküljel voolu puudub, võib suur primaarvool põhjustada diferentsiaalkaitse vale väljalülitumise.

Lihtsaim viis valehäirete vältimiseks on kasutada viivitust, kuid see võib trafot tõsiselt kahjustada, kui selle sisselülitamise ajal juhtub õnnetus. Praktikas kasutatakse kaitse blokeerimiseks teist, võrkudele ebaloomulikku tõmbevoolus esinevat harmoonilist, kuigi kaitse jääb sisselülitamisel üsna tundlikuks trafo sisemiste rikete suhtes.

Harmooniliste mõju tarbijaseadmetele

Kõrgemate harmooniliste mõju televiisoritele

Harmoonikud, mis suurendavad tipppinget, võivad põhjustada pildi moonutusi ja heleduse muutumist.

Luminofoor- ja elavhõbedalambid. Nende lampide liiteseadised sisaldavad mõnikord kondensaatoreid ja teatud tingimustel võib tekkida resonants, mille tulemuseks on lambi rike.

Kõrgemate harmooniliste mõju arvutitele

Arvutite ja andmetöötlussüsteemide toitevõrkudes on moonutuste lubatud tasemed piiratud. Mõnel juhul väljendatakse neid protsendina nimipingest (arvuti IVM - 5%) või tipppinge ja keskmise väärtuse suhte kujul (CDC seab oma lubatud piirid 1,41 ± 0,1).

Kõrgemate harmooniliste mõju muundamisseadmetele

Klapi ümberlülitamisel tekkivad siinuspinge sälgud võivad mõjutada teiste sarnaste seadmete või seadmete ajastust, mida juhitakse nullpingekõvera ajal.

Kõrgemate harmooniliste mõju türistoriga juhitavatele kiirusseadmetele

Teoreetiliselt võivad harmoonilised selliseid seadmeid mõjutada mitmel viisil:

• siinuslaine sälgud põhjustavad türistorite süütehäirete tõttu rikke;

• pinge harmoonilised võivad põhjustada tõrkeid;

• tekkiv resonants erinevat tüüpi seadmete juuresolekul võib põhjustada masinate liigpingeid ja vibratsiooni.

Eespool kirjeldatud mõjusid võivad tunda teised samasse võrku ühendatud kasutajad. Kui kasutajal ei ole oma võrkudes türistoriga juhitavate seadmetega raskusi, on ebatõenäoline, et see mõjutab teisi kasutajaid. Erinevatest siinidest toidavad tarbijad võivad teoreetiliselt üksteist mõjutada, kuid elektriline vahemaa vähendab sellise koostoime tõenäosust.

Harmooniliste mõju võimsuse ja energia mõõtmisele

Mõõteseadmed on tavaliselt kalibreeritud puhastele siinuspingetele ja suurendavad määramatust kõrgemate harmooniliste olemasolul. Harmooniliste suurus ja suund on olulised tegurid, sest vea märgi määrab harmooniliste suund.

Harmoonikutest põhjustatud mõõtmisvead sõltuvad suuresti mõõteriistade tüübist. Tavalised induktsioonmõõturid ülehindavad näitu tavaliselt mõne protsendi võrra (igaüks 6%), kui kasutajal on moonutuse allikas. Selliseid kasutajaid karistatakse automaatselt võrku moonutuste tekitamise eest, seega on nende endi huvides luua sobivad vahendid nende moonutuste summutamiseks.

Puuduvad kvantitatiivsed andmed harmooniliste mõju kohta tippkoormuse mõõtmise täpsusele. Eeldatakse, et harmooniliste mõju tippkoormuse mõõtmise täpsusele on sama, mis energia mõõtmise täpsusele.

Täpse energia mõõtmise, sõltumata voolu- ja pingekõverate kujust, tagavad elektroonilised arvestid, mille maksumus on kõrgem.

Harmoonikud mõjutavad nii reaktiivvõimsuse mõõtmise täpsust, mis on selgelt määratletud ainult siinusvoolude ja pingete korral, kui ka võimsusteguri mõõtmise täpsust.

Harmooniliste mõju instrumentide kontrollimise ja kalibreerimise täpsusele laborites mainitakse harva, kuigi ka see aspekt on oluline.

Harmooniliste mõju sideahelatele

Toiteahelate harmoonilised tekitavad sideahelates müra.Madal müratase põhjustab mõningast ebamugavust, selle suurenedes läheb osa edastatavast teabest kaduma, äärmuslikel juhtudel muutub suhtlus täiesti võimatuks. Sellega seoses tuleb toite- ja sidesüsteemide tehnoloogiliste muudatustega arvestada elektriliinide mõjuga telefoniliinidele.

Harmooniliste mõju telefoniliini mürale sõltub harmooniliste järjestusest. Keskmiselt on telefonil - inimese kõrval tundlikkuse funktsioon, mille maksimaalne väärtus on sagedusel 1 kHz. Hinnata erinevate harmooniliste mõju mürale c. telefon kasutab koefitsiente, mis on teatud kaaludega võetud harmooniliste summa.Kõige tavalisemad on kaks koefitsienti: psofomeetriline kaalumine ja C-ülekanne. Esimese teguri töötas välja Rahvusvaheline Telefoni- ja Telegraafisüsteemide Konsultatiivkomitee (CCITT) ja seda kasutatakse Euroopas, teist – Bella Telephone Company ja Edisoni elektrotehnikainstituut – kasutatakse Ameerika Ühendriikides ja Kanadas.

Harmoonilised voolud kolmes faasis ei kompenseeri üksteist täielikult amplituudide ja faasinurkade ebavõrdsuse tõttu ning mõjutavad telekommunikatsiooni tekkiva nulljärjestuse vooluga (sarnaselt maandusvoolude ja veosüsteemide maandusvooludega).

Mõju võivad olla põhjustatud ka harmoonilistest vooludest faasides endis, mis on tingitud faasijuhtmete ja lähedalasuvate telekommunikatsiooniliinide vahekauguste erinevusest.

Seda tüüpi mõjusid saab leevendada liinijälgede õige valikuga, kuid vältimatute jooneületuste korral sellised mõjud esinevad.Eriti tugevalt avaldub see elektriliini juhtmete vertikaalse paigutuse korral ja sideliini juhtmete transponeerimisel elektriliini läheduses.

Liinide vahel suurtel vahemaadel (üle 100 m) osutub peamiseks mõjuteguriks nulljärjestusega vool. Kui elektriliini nimipinge väheneb, mõju väheneb, kuid see osutub märgatavaks tänu tavaliste tugede või kaevikute kasutamisele madalpingeliinide ja sideliinide paigaldamisel.