Меню

Токи высших гармоник в трансформаторе

Высшие гармоники в электросетях

Постоянный рост количества нелинейных потребителей в наших электрических сетях приводит к повышенному «загрязнению электросетей». Обратное воздействие на сеть является для энергетики такой же проблемой, как загрязнение воды и воздуха для экологии.

В идеальном случае на выходных клеммах генераторы выдается чисто синусоидальный ток. Синусоидальное напряжение рассматривается как идеальная форма переменного напряжения, любое отклонение от него считается сетевой помехой.

Высшие гармоники в электрических сетях

Рис.1 Обратные воздействия на сеть, вызванные преобразователями частоты.

Все больше потребителей получают из сети несинусоидальный ток. Быстрое преобразование Фурье (БПФ) этих «загрязненных» токовых волн показывает наличие широкого спектра колебаний с гармониками различного порядка, которые обычно называют высшими гармониками.

Анализ высших гармоник в сетях

Рис.2 Анализ высших гармоник (Быстрое преобразование Фурье)

Высшие гармоники наносят вред электрическим сетям, они опасны для подключенных потребителей так же, как загрязненная вода вредна для организма человека. Они приводят к перегрузкам, снижают срок службы и, при определенных условиях могут вызывать преждевременный выход из строя электрических и электронных потребителей.

Нагрузка высшими гармониками является основной причиной невидимых проблем с качеством напряжения, приводящих к огромным расходам на ремонт или покупку нового оборудования взамен поврежденного. Недопустимо высокое обратное воздействие на сеть и вызванное им низкое качество напряжения могут, таким образом, вызвать сбои производственного процесса вплоть до остановки производства.

Высшие гармоники – это токи или напряжения, частота которых превышает основное колебание 50/60 Гц и кратна этой частоте основного колебания. Высшие гармоники тока не вносят вклад в активную мощность, но оказывают только термическую нагрузку на сеть. Поскольку токи высших гармоник протекают в дополнение к «активным» синусоидальным колебаниям, они обеспечивают электрические потери в рамках электроустановки, что может привести к термической перегрузке. Дополнительные потери в потребителе электроэнергии приводят, кроме того к нагреву и перегреву, а также к сокращению срока службы оборудования.

Оценка нагрузки высшими гармониками, как правило, выполняется в точке подключения (или передачи в сеть электроснабжения общего пользования) соответствующей организации по энергоснабжению. Все чаще эти точки называют Point of Common Coupling (PCC). При определенных условиях может потребоваться определение и анализ нагрузки высшими гармониками со стороны определенного оборудования или групп оборудования для выявления внутренних проблем с качеством электрической сети и их причин, их вызывающих.

Рис.3 Поврежденные высшими гармониками конденсаторы

Для оценки нагрузки высшими гармониками используются следующие параметры:

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD)

Коэффициент суммарных гармонических искажений (THD) или общее гармоническое искажение позволяет квалифицировать размер долей, возникающих в результате нелинейного искажения электрического сигнала. Это отношение эффективного значения высших гармоник к эффективному значению первой гармоники. Значение THD используется в сетях низкого, среднего и высокого напряжения. Обычно для искажения тока используется коэффициент THDi , а для искажения напряжения – коэффициент THDu.

Коэффициент искажения для напряжения

  • M = порядковый номер высшей гармоники
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)
  • Основная гармоника fund соответствует n = 1

THDU

Коэффициент искажения для тока

  • M = порядковый номер высшей гармоники
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)
  • Основная гармоника fund соответствует n = 1

THDI

Общее искажение тока (TDD)

Особенно в Северной Америке термин TDD регулярно используется в связи с проблемами, вызванными высшими гармониками. Это величина, связанная с THDi, но в этом случае определяется отношение доли высших гармоник к доле основных колебаний номинального значения тока. Таким образом, TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (аналогично THDi) и возникающим на протяжении определенного периода эффективным значением тока при полной нагрузке. Обычно период равен 15 или 30 минутам.

TDD (I)

  • TDD определяет отношение между высшими гармониками тока (THDi) эффективным значением
  • тока при полной нагрузке.
  • IL = полный ток нагрузки
  • M = 40 (UMG 604, UMG 508, UMG 96RM)
  • M = 63 (UMG 605, UMG 511)

TDD

Анализ гармоник (тока и напряжения) могут проводить практически все анализаторы ПКЭ Janitza, за исключением UMG 96L.

Источник

Трансформаторы, как источники гармоник

date image2015-01-21
views image2129

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

До появления статических преобразователей основными источниками высших гармоник были электрические машины и трансформаторы.

Трансформаторы — наиболее распространенный элемент электрической сети. Причиной генерации ими высших гармоник в сеть является нелинейность кривой намагничивания их магнитопроводов и наличие петли гистерезиса. Нелинейность кривой намагничивания и наличие петли гистерезиса приводит к искажению синусоидальности намагничивающего тока трансформаторов (тока холостого хода) и как следствие к появлению высших гармоник в токе, потребляемом трансформатором из сети.

Ток холостого хода современных трансформаторов класса 110 кВ не превышает 1%, а класса 6(10) кВ — 2х-3х процентов. При таких малых токах можно пренебречь активными потерями в мангнитопроводе. В этом случае вместо петли гистерезиса можно использовать основную кривую намагничивания. Кривая намагничивающего тока при таком допущении симметрична относительно оси времени. При этом разложение тока холостого хода в ряд Фурье не содержит четных гармоник. Искажение кривой намагничивающего тока в этом случае вызывает только нечетные гармоники, включая кратные трем. Наиболее существенны 3-я, 5-я и 7-я гармоники [ ], особенно третья.

Гармоники, генерируемые синхронными и асинхронными электродвигателями.

Синхронные и асинхронные двигатели могут генерировать как гармоники тока, так и гармоники напряжения (ЭДС).

Гармоники тока, генерируемые электродвигателями, имеют ту же природу, что и гармоники тока трансформаторов и обусловлены нелинейностью кривой намагничивания материала магнитопроводов статора и ротора. При этом частотный спектр гармоник тока, генерируемых электродвигателями, как и в случае трансформаторов, содержит все нечетные гармоники, включая кратные трем. При этом наиболее существенными гармониками тока будут 3-я, 5-я и 7-я. По аналогии с трансформаторами при приближенных расчетах можно принимать содержание токов третьей, пятой и седьмой гармоник, соответственно, 40, 30 и 20% от тока холостого хода.

Источник



Влияние высших гармоник напряжения и тока на работу электрооборудования

Высшие гармоники напряжения и тока оказывают влияние на элементы систем электроснабжения и линии связи.

Основными формами воздействия высших гармоник на системы электроснабжения являются:

увеличение токов и напряжений высших гармоник вследствие параллельного и последовательного резонансов;

снижение эффективности процессов генерации, передачи, использования электроэнергии;

старение изоляции электрооборудования и сокращение вследствие этого срока его службы;

ложная работа оборудования.

Влияние резонансов на системы

Влияние резонансов на системыРезонансы в системах электроснабжения обычно рассматриваются применительно к конденсаторам, в частности к силовым конденсаторам. При превышении гармониками тока уровней, предельно допустимых для конденсаторов, последние не ухудшают свою работу, однако через некоторое время выходят из строя.

Другой областью, где резонансы могут приводить к выходу из строя элементов оборудования, являются системы управления нагрузкой с помощью тональных частот. Для того, чтобы предотвратить поглощение сигнала силовыми конденсаторами, их цепи разделяют настроенным последовательным фильтром (фильтр-«пробка»). В случае местного резонанса гармоники тока в цепи силового конденсатора резко возрастают, что приводит к отказу настроенного конденсатора последовательного фильтра.

Читайте также:  Через катушку индуктивности течет постоянный ток как изменится энергия магнитного поля

В одной из установок фильтры, настроенные на частоту 530 Гц с проходным током 100 А каждый, блокировали цепь силовой конденсаторной установки, имеющей 15 секций по 65 квар. Конденсаторы этих фильтров вышли из строя через два дня. Причиной оказалось наличие гармоники с частотой 350 Гц, в непосредственной близости к которой были обнаружены условия резонанса между настроенным фильтром и силовыми конденсаторами.

Влияние гармоник на вращающиеся машины

Влияние высших гармоник напряжения и тока на работу электрооборудования Гармоники напряжения и тока приводят к дополнительным потерям в обмотках статора, в цепях ротора, а также в стали статора и ротора. Потери в проводниках статора и ротора из-за вихревых токов и поверхностного эффекта при этом больше, чем определяемые омическим сопротивлением.

Токи утечки, вызываемые гармониками в торцевых зонах статора и ротора, приводят к дополнительным потерям.

В индукционном двигателе с ротором со скошенными пазами и пульсирующими магнитными потоками в статоре и роторе высшие гармоники вызывают дополнительные потери в стали. Величина этих потерь зависит от угла скоса пазов и характеристик магнитопровода.

Среднее распределение потерь от высших гармоник характеризуется следующими данными; обмотки статора 14 %; цепи ротора 41 %; торцевые зоны 19 %; асимметричные пульсации 26 %.

За исключением потерь на асимметричные пульсации их распределение в синхронных машинах приблизительно аналогично.

Следует отметить, что соседние нечетные гармоники в статоре синхронной машины вызывают в роторе гармонику одинаковой частоты. Например, 5- и 7-я гармоники в статоре вызывают в роторе гармоники тока 6-го порядка, вращающиеся в разные стороны. Для линейных систем средняя плотность потерь на поверхности ротора пропорциональна величине , однако из-за разного направления вращения плотность потерь в некоторых точках пропорциональна величине (I5 + I7)2.

Дополнительные потери — одно из самых отрицательных явлений, вызываемое гармониками во вращающихся машинах. Они приводят к повышению общей температуры машины и к местным перегревам, наиболее вероятным в роторе. Двигатели с ротором типа «беличья клетка» допускают более высокие потери и температуру, чем двигатели с фазным ротором. Некоторые руководства ограничивают допустимый уровень тока обратной последовательности в генераторе 10 %, а уровень напряжения обратной последовательности на вводах индукционных двигателей 2 %. Допустимость гармоник в этом случае определяют по тому, какие уровни напряжений и токов обратной последовательности они создают.

Моменты вращения, создаваемые гармониками. Гармоники тока в статоре вызывают соответствующие моменты вращения: гармоники, образующие прямую последовательность в направлении вращения ротора, а образующие обратную последовательность – в обратном направлении.

Токи гармоник в статоре машины вызывают движущую силу, приводящую к появлению на валу вращающих моментов в направлении вращения магнитного поля гармоники. Обычно они очень малы и к тому же частично компенсируются из-за противоположного направления. Несмотря на это, они могут привести к вибрации вала двигателя.

Влияние гармоник на статическое оборудование, линии электропередачи. Гармоники тока в линиях приводят к дополнительным потерям электроэнергии и напряжения.

В кабельных линиях гармоники напряжения увеличивают воздействие на диэлектрик пропорционально увеличению максимального значения амплитуды. Это, в свою очередь, увеличивает число повреждений кабеля и стоимость ремонтов.

В линиях сверхвысокого напряжения гармоники напряжения по той же причине могут вызывать увеличение потерь на корону.

Влияния высших гармоник на трансформаторы

Гармоники напряжения вызывают в трансформаторах увеличение потерь на гистерезис и потерь, связанных с вихревыми токами в стали, а так же потерь в обмотках. Сокращается также срок службы изоляции.

Увеличение потерь в обмотках наиболее важно в преобразовательном трансформаторе, так как наличие фильтра, присоединяемого обычно к стороне переменного тока, не снижает гармоники тока в трансформаторе. Поэтому требуется устанавливать большую мощность трансформатора. Наблюдаются также локальные перегревы бака трансформатора.

Отрицательный аспект воздействия гармоник на мощные трансформаторы состоит в циркуляции утроенного тока нулевой последовательности в обмотках, соединенных в треугольник. Это может привести к их перегрузке.

Влияние высших гармоник на батареи конденсаторов

Влияние высших гармоник на батареи конденсаторовДополнительные потери в электрических конденсаторах приводят к их перегреву. В общем случае конденсаторы проектируются так, чтобы допускать определенную токовую перегрузку. Конденсаторы, выпускаемые в Великобритании, допускают перегрузку 15%, в Европе и Австралии – 30%, в США – 80%, в СНГ – 30%. При превышении этих величин, наблюдающихся в условиях повышенных напряжении высших гармоник на вводах конденсаторов, последние перегреваются и выходят из строя.

Влияние высших гармоник на устройства защиты энергосистем

Гармоники могут нарушать работу устройств защиты или ухудшать их характеристики. Характер нарушения зависит от принципа работы устройства. Цифровые реле и алгоритмы, основанные на анализе выборки данных или точки пересечения нуля, особенно чувствительны к гармоникам.

Чаще всего изменения характеристик несущественны. Большинство типов реле нормально работает при коэффициенте искажения до 20%. Однако увеличение доли мощных преобразователей в сетях может в будущем изменить ситуацию.

Проблемы, возникающие из-за гармоник, различны для нормальных и аварийных режимов и ниже рассмотрены отдельно.

Влияние гармоник в аварийных режимах

Влияние гармоник в аварийных режимахУстройства защиты обычно реагируют на напряжение или ток основной частоты, а все гармоники в переходном режиме либо отфильтровываются, либо не воздействуют на устройство. Последнее характерно для электромеханических реле, особенно используемых в максимальной токовой защите. Эти реле имеют большую инерцию, что делает их практически не чувствительными к высшим гармоникам.

Более существенным оказывается влияние гармоник на работу защиты, строящейся на измерении сопротивлении. Дистанционная защита, в которой производится измерение сопротивлений на основной частоте, может давать значительные ошибки в случае наличия в токе короткого замыкания высших гармоник (особенно 3-го порядка). Большое содержание гармоник обычно наблюдается в случаях, когда ток короткого замыкания течет через землю (сопротивление земли доминирует в общем сопротивлении контура). Если гармоники не отфильтровываются, вероятность ложной работы весьма высока.

В случае металлического короткого замыкания в токе преобладает основная частота. Однако в связи с насыщением трансформатора возникает вторичное искажение кривой, особенно в случае большой апериодической составляющей в первичном токе. При этом также возникают проблемы обеспечения нормальной работы защиты.

В установившихся режимах работы нелинейность, связанная с перевозбуждением трансформатора, вызывает только гармоники нечетного порядка. В переходных режимах могут возникнуть любые гармоники, наибольшие амплитуды имеют обычно 2- и 3-я.

Однако при правильном проектировании большинство из перечисленных проблем легко разрешаются. Правильный выбор оборудования устраняет множество трудностей, связанных с измерительными трансформаторами.

Фильтрация гармоник, особенно в цифровых защитах, наиболее важна для дистанционных защит. Работы, выполненные в области цифровых способов фильтрации, показали, что хотя алгоритмы такой фильтрации часто достаточно сложны, получение нужного результата не представляет особых трудностей.

Читайте также:  Параллельное соединение источников тока это

Влияние гармоник на системы защиты в нормальных режимах работы электрических сетей. Низкая чувствительность устройств защиты к параметрам режима в нормальных условиях обусловливает практическое отсутствие проблем, связанных с гармониками в этих режимах. Исключение составляет проблема, связанная с включением в сеть мощных трансформаторов, сопровождающимся броском намагничивающего тока.

Амплитуда пика зависит от индуктивности трансформатора, сопротивления обмотки и момента времени, в который происходит включение. Остаточный поток в момент перед включением несколько увеличивает или уменьшает амплитуду в зависимости от полярности потока по отношению к начальному значению мгновенного напряжения. Так как ток на вторичной стороне в течение намагничивания отсутствует, большой первичный ток может вызвать ложное срабатывание дифференциальной защиты.

Воздействие гармоник на оборудование потребителейНаиболее простым способом исключения ложных срабатываний является использование задержки времени, однако это может привести к серьезному повреждению трансформатора, если авария произойдет во время его включения. На практике нехарактерную для сетей 2-ю гармонику, присутствующую в токе включения, используют для блокировки защиты, хотя зашита остается достаточно чувствительной к внутренним повреждениям трансформатора во время включения.

Воздействие гармоник на оборудование потребителей

Влияние высших гармоник на телевизоры

Гармоники, увеличивающие пик напряжения, могут вызвать искажения изображения и изменение яркости.

Люминесцентные и ртутные лампы. Балластные устройства этих ламп иногда содержат конденсаторы и при определенных условиях может возникнуть резонанс, приводящий к выходу ламп из строя.

Влияние высших гармоник на компьютеры

Существуют пределы на допустимые уровни искажений в сетях, питающих компьютеры и системы обработки данных. В некоторых случаях они выражаются в процентах от номинального напряжения (для компьютера IВМ — 5%) либо в виде отношения пика напряжения к действующему значению (СDС устанавливает допустимые его пределы значениями 1,41 ± 0,1).

Влияние высших гармоник на преобразовательное оборудование

Вырезы на синусоиде напряжения, возникающие во время коммутации вентилей, могут влиять на синхронизацию другого подобного оборудования или устройств, управление которыми осуществляется в момент перехода кривой напряжения нулевого значения.

Влияние высших гармоник на оборудование с тиристорно-регулируемой скоростью вращения

Теоретически гармоники могут влиять на такое оборудование несколькими способами:

вырезы на синусоиде напряжения вызывают неправильную работу из-за пропусков зажигания тиристоров;

гармоники напряжения могут вызвать зажигание не в требуемый момент;

возникающий резонанс при наличии разных типов оборудования может привести к перенапряжениям и качаниям машин.

Описанные выше воздействия могут ощущаться и другими потребителями, присоединенными к той же сети. Если потребитель не испытывает затруднений с тиристорно-управляемым оборудованием в своих сетях, он вряд ли окажет влияние на других потребителей. Потребители, питающиеся от разных шин, теоретически могут влиять друг на друга, однако электрическая удаленность снижает вероятность такого взаимодействия.

Влияние гармоник на измерение мощности и энергии

Влияние гармоник на измерение мощности и энергииИзмерительные устройства обычно калибруются при чисто синусоидальном напряжении и увеличивают погрешность при наличии высших гармоник. Величина и направление гармоник являются важными факторами, так как знак погрешности определяется направлением гармоник.

Погрешности измерения, вызываемые гармониками, сильно зависят от типа измерительной аппаратуры. Обычные индукционные счетчики, как правило, завышают показания на несколько процентов (по 6%) при наличии у потребителя источника искажения. Такие потребители оказываются автоматически наказанными за внесение искажений в сеть, поэтому в их собственных интересах установить соответствующие средства для подавления этих искажений.

Количественных данных о влиянии гармоник на точность измерения максимума нагрузки нет. Влияние гармоник на точность измерения максимума нагрузки предположительно такое же, как и на точность измерения энергии.

Точное измерение энергии независимо от формы кривых тока и напряжения обеспечивается электронными счетчиками, имеющими более высокую стоимость.

Гармоники оказывают воздействие и на точность измерения реактивной мощности, которая четко определена лишь для случая синусоидальных токов и напряжения, и на точность измерения коэффициента мощности.

Редко упоминается влияние гармоник на точность поверки и калибровки приборов в лабораториях, хотя эта сторона вопроса также важна.

Влияние гармоник на цепи связи

Гармоники в силовых цепях вызывают шумы в цепях связи. Малый уровень шума приводит к определенному дискомфорту, при его увеличении часть передаваемой информации теряется, в предельных случаях связь становится вообще невозможной. В связи с этим при любых технологических изменениях систем электроснабжения и систем связи необходимо рассматривать влияние линий электропередачи на линии телефонной связи.

Воздействие гармоник на шумы в телефонных линиях зависит от порядка гармоники. В среднем система телефонный аппарат — человеческое ухо имеет функцию чувствительности с максимальным значением на частоте порядка 1 кГц. Для оценки влияния различных гармоник на шумы в. телефоне используются коэффициенты, представляющие собой сумму гармоник, взятых с определенными весами. Наибольшее распространение получили два коэффициента: псофометрического взвешивания и С-передачи. Первый коэффициент разработан Международным консультативным комитетом по телефонным и телеграфным системам (МККТТ) и используется в Европе, второй — Телефонной компанией «Белла» и Эдисоновским электротехническим институтом — используется в США и Канаде.

Токи гармоник в трех фазах не полностью компенсируют друг друга из-за неравенства амплитуд и фазовых углов и воздействуют на телекоммуникации возникающим при этом током нулевой последовательности (аналогично токам замыкания на землю и токам в земле от тяговых систем).

Влияние может быть также вызвано самими токами гармоник в фазах вследствие различия расстояний от фазных проводов до расположенных поблизости линий телекоммуникации.

Эти типы влияния могут быть уменьшены правильным выбором трасс линий, однако при неизбежных пересечениях линий такое влияние возникает. Особенно сильно оно проявляется в случае вертикального расположения проводов линии электропередачи и при транспозиции проводов линии связи вблизи от линии электропередачи.

При больших расстояниях (более 100 м) между линиями ток нулевой последовательности оказывается основным влияющим фактором, При снижении номинального напряжения линии электропередачи влияние падает, но оно оказывается заметным из-за использования общих опор или траншей для прокладки силовых линий низкого напряжения и линий связи.

Источник

Почему гармоники разрушают трансформаторы

Трансформаторные технологии шагают вперед семимильными шагами. Вместе с тем как трансформаторы становятся более экономичными, более дешевыми, более технологичными в изготовлении и монтаже-на первый план выходит проблема совместимости трансформатора с современной сетью. С сетью ,которая переполнена различными электронными силовыми и импульсными устройствами. Устройствами непонятного качества и происхождения. Устройствами ,где непонятно как, реализована система фильтров. В итоге шаг в развитии вперед оборачивается двумя шагами назад.Поэтому необходимо понимание новых проблем, связанных с новыми высокотехнологичными нагрузками; и понимание того, как они могут повлиять на эксплуатацию трансформатора.

Оценка основных неисправностей и исследование гармоник дает практический опыт, позволяющий понять, почему гармоники разрушают трансформаторы. Новые технологии производства и эксплуатации трансформаторов включают в себя понимание новых проблем, связанных с новыми видами нагрузок; и понимание того, как эти виды нагрузок могут влиять на жизнь трансформатора.
Примеры новых нагрузок, которые очень широко используются в последнее время: приводы с регулируемой скоростью и /или электронные балласты; сборки оборудования для обработки данных в офисах, промышленных объектах и ​​учреждениях. При расчете и монтаже этого оборудования должны учитываться помехи,паразитные токи и гармоники , которые они «отправляют» в сеть.
Были проведены значительные исследования и издано много публикаций, касающиеся воздействия гармоник на трансформаторы. Хотя гармоники могут быть связаны с перегрузкой нейтральных проводников и вызывать ложные срабатывания автоматических выключателей, здесь мы сосредоточимся на воздействии гармоник на трансформаторы.

Читайте также:  Рисунок генератора переменного тока карандашом

Гармоники
Некоторые нагрузки вызывают непропорциональное изменение тока в зависимости от напряжения в течение каждого полупериода. Эти нагрузки классифицируются как нелинейные нагрузки, а ток и напряжение имеют несинусоидальную форму волны, содержащую искажения. В результате форма сигнала при частоте 50 Гц имеет множество дополнительных частот, которые на нее накладываются , создавая множество частот в пределах синусоидальной волны частотой 50 Гц. Несколько частот являются гармониками основной частоты.
Примерами нелинейных нагрузок являются источники бесперебойного питания (ИБП), приводы с регулируемой скоростью, зарядные устройства для аккумуляторов, электронные балласты, преобразователи частоты и источники питания с переключаемыми режимами (обычно используемые в компьютерах и другом оборудовании для обработки данных).

Когда нелинейные токи протекают через электрическую систему объекта и распределительные линии передачи, возникают дополнительные искажения напряжения из-за полного сопротивления, связанного с электрической сетью. Таким образом, когда электроэнергия генерируется, распределяется и используется, возникают искажения формы напряжения и тока.

источник бесперебойного питания

Оборудование, предназначенное для работы на основной частоте, которая составляет 50 Гц, подвержено неудовлетворительной работе и иногда выходит из строя при воздействии напряжений и токов, которые содержат существенные гармонические частотные элементы. Очень часто работа электрооборудования может показаться нормальной, но при определенной комбинации условий — воздействие гармоник усиливается, что приводит к плачевным результатам.
Как обсуждалось ранее, изменения в системе, которые приведут к потенциальному отказу из-за гармоник, могут включать в себя установку преобразователей частоты(тиристорных и на силовых транзисторах IGBT), электронных балластов, конденсаторов улучшения коэффициента мощности, дуговых печей, мощных электродвигателей.

Вихревые токи
Применение несинусоидальных напряжений возбуждения к трансформаторам увеличивает потери в железе в магнитопроводе трансформатора практически так же, как и в двигателе. Более серьезное влияние гармонических нагрузок на трансформаторы связано с увеличением потерь на вихревые токи в обмотках.

Вихревые токи — это циркулирующие токи в проводниках, вызванные колебательным действием магнитного поля рассеяния на проводники. Концентрация вихревых токов выше на концах обмоток трансформатора из-за эффекта вытеснения магнитных полей утечки на концах катушки. Потери на вихревые токи увеличиваются как квадрат тока в проводнике и квадрат его частоты. Увеличение потерь на вихревые токи трансформатора из-за гармоник оказывает существенное влияние на рабочую температуру трансформатора. Трансформаторы, используемые для питания нелинейных нагрузок, должны быть рассчитаны на основе процентного содержания гармонических составляющих в токе нагрузки и номинальных потерь на вихревые токи обмоток.
Результирующее увеличение вихревых токов увеличивает рабочую температуру стального сердечника, что, в свою очередь, ухудшает параметры изоляции между слоями сердечника. Это приводит к значительному увеличению потерь I²R выше проектных пределов трансформатора и перегреву изоляции обмоток. Результат этого всего — замыкание обмоток на железо сердечника.

Как указывалось выше, потери на вихревые токи увеличиваются как квадрат тока в проводнике и квадрат его частоты; следовательно, с более высокими и более высокими гармониками этот нагрев еще больше увеличивается.
Когда мы рассматриваем трансформатор, мы учитываем, что обмотка высокого и низкого напряжения намотана вокруг твердого железного сердечника; но если мы присмотримся внимательнее, мы увидим, что «твердое» железное ядро ​​состоит из пакета тонких стальных пластин, обычно из кремниевой стали, и эти тонкие пластины изолированы друг от друга изолирующим покрытием, которое наносится на обе стороны. Целью изоляции пластин (шихты) является ограничение их нагрева вихревыми токами при нормальной работе.
Даже не принимая во внимание усиленный нагрев на более высоких частотах гармоник, потери на нагрев, которые происходят в железе сердечника, из-за ухудшения изоляции приводят к преждевременному выходу трансформатора из строя.

Например, мы имеем значение вихревых токов 10 А . Изоляционный слой,в результате неправильной работы трансформатора, между ламелями сердечника поврежден и поврежден до такой степени, что все секции сердечника находятся в контакте друг с другом. В итоге, суммарный эффект нагрева увеличивается с 5 Вт до 50 Вт, или 900% — увеличение нагрева.
Этот усиленный нагрев, который не включает в себя дополнительный эффект повышенной частоты, связанной с гармониками, приведет к перегреву изоляции первичной и / или вторичной обмоток, что приведет к выходу из строя внутренней обмотки трансформатора.

Итоги
Многие конечные пользователи знакомы с защитой от скачков напряжения, поэтому они применяют защитные устройства от скачков напряжения и /или разрядники, но многие не в полной мере учитывают токи высоких гармоник новых или добавленных нагрузок.
Первым шагом при проектировании или изменении существующей системы распределения электроэнергии для подключения новых нагрузок, является моделирование электрической системы под гармоники этих нагрузок. Также настоятельно рекомендуется измерить фактические гармоники тока, которые существуют, и после подключения новых нагрузок снова измерить фактические гармоники тока.
Если вносятся изменения в существующую систему распределения электроэнергии, вы можете осторожно добавить новые нагрузки, а затем сразу же измерить гармоники, полученные в результате этих новых нагрузок. Мы надеемся, что трансформатор, питающий эти новые нагрузки, не выйдет из строя через несколько дней после подключения этих нагрузок.
Как только уровень гармоник определен, вы должны отсоединить их от трансформатора и определить ваши следующие шаги. Решение может быть разным.Например установить фильтрацию гармоник или соединить трансформаторы таким образом, чтобы было подавление гармоник, или заменить трансформатор, под гармоники.
Другим вариантом поддержки долгосрочной диагностики является установка постоянного измерителя гармоник. Если у вас отказ трансформатора, и вы не поменяли типы новых нагрузок, о которых говорилось выше, то анализ гармоник должен быть частью анализа первопричины. В качестве примера, стандарт IEEE 519-1992 утверждает, что общее гармоническое искажение формы волны напряжения, предоставляемой неким электрическим или электронным устройством, не может превышать 3% идеальной синусоидальной волны. Чтобы гарантировать, что гармоники не генерируются этим устройством, нужно произвести измерение на месте. Это место может быть например, точка где встречаются электропроводка коммунального предприятия-поставщика и объекта (обычно на счетчике). Если искажение напряжения превышает 3%, коммунальное предприятие должно обеспечить некоторую форму смягчения гармоник для устранения проблемы.

Источник