Influència dels harmònics superiors de tensió i corrent en el funcionament dels equips elèctrics

Els harmònics de tensió i corrent més alts afecten els elements dels sistemes elèctrics i les línies de comunicació.

Les principals formes d'influència dels harmònics superiors en els sistemes de potència són:

• augment dels corrents i tensions dels harmònics superiors a causa de les ressonàncies en paral·lel i en sèrie;

• reduir l'eficiència dels processos de producció, transmissió i ús de l'electricitat;

• envelliment de l'aïllament dels equips elèctrics i la consegüent reducció de la seva vida útil;

• fals funcionament de l'equip.

Influència de les ressonàncies en els sistemes

Les ressonàncies en els sistemes de potència es consideren generalment en termes de condensadors, especialment condensadors de potència. Quan els harmònics del corrent superen els nivells màxims admissibles per als condensadors, aquests últims no deterioren el seu rendiment, però fallen al cap d'un temps.

Una altra àrea on les ressonàncies poden causar danys a l'equip és en els sistemes de control de càrrega de tons. Per evitar que el senyal sigui absorbit pels condensadors de potència, els seus circuits estan separats per un filtre en sèrie ajustat (filtre-«osca»). En el cas de la ressonància local, els harmònics del corrent al circuit del condensador de potència augmenten bruscament, cosa que provoca danys al condensador sintonitzat del filtre en sèrie.

En una de les instal·lacions, filtres sintonitzats a una freqüència de 530 Hz amb un corrent de pas de 100 A bloquejaven cada circuit d'un condensador de potència que tenia 15 seccions de 65 kvar. Condensadors aquests filtres van fallar després de dos dies. El motiu va ser la presència d'un harmònic amb una freqüència de 350 Hz, a les proximitats del qual es van establir condicions de ressonància entre el filtre sintonitzat i els condensadors de potència.

Efecte dels harmònics en màquines rotatives

Els harmònics de tensió i corrent provoquen pèrdues addicionals en els bobinats de l'estator, en els circuits del rotor i en l'acer de l'estator i del rotor. Les pèrdues en els conductors de l'estator i del rotor a causa dels corrents de Foucault i l'efecte superficial són més grans que les determinades per la resistència ohmica.

Els corrents de fuga causats pels harmònics a les zones extremes de l'estator i el rotor provoquen pèrdues addicionals.

En un motor d'inducció de rotor cònic amb flux magnètic pulsant a l'estator i el rotor, els harmònics més alts provoquen pèrdues addicionals a l'acer. La magnitud d'aquestes pèrdues depèn de l'angle d'inclinació de les ranures i de les característiques del circuit magnètic.

La distribució mitjana de les pèrdues dels harmònics superiors es caracteritza per les dades següents; bobinatge de l'estator 14%; cadenes de rotor 41%; zones finals 19%; ona asimètrica 26%.

Llevat de les pèrdues d'ones asimètriques, la seva distribució en màquines síncrones és aproximadament la mateixa.

Cal tenir en compte que els harmònics senars adjacents a l'estator d'una màquina síncrona provoquen harmònics de la mateixa freqüència al rotor. Per exemple, els harmònics de 5è i 7è de l'estator provoquen harmònics de corrent de 6è ordre al rotor, girant en diferents direccions. Per als sistemes lineals, la densitat de pèrdua mitjana a la superfície del rotor és proporcional al valor, però a causa de la diferent direcció de gir, la densitat de pèrdua en alguns punts és proporcional al valor (I5 + I7) 2.

Les pèrdues addicionals són un dels fenòmens més negatius causats pels harmònics a les màquines rotatives. Provoquen un augment de la temperatura global de la màquina i un sobreescalfament local, molt probablement al rotor. Els motors de gàbia d'esquirol permeten pèrdues i temperatures més elevades que els motors de rotor bobinat. Algunes directrius limiten el nivell de corrent de seqüència negativa admissible al generador al 10% i el nivell de tensió de seqüència negativa a les entrades del motor d'inducció al 2%. La tolerància dels harmònics en aquest cas està determinada pels nivells de tensions i corrents de seqüència negativa que creen.

Els parells generats pels harmònics. Els harmònics del corrent a l'estator donen lloc als parells corresponents: harmònics que formen una seqüència positiva en el sentit de gir del rotor, i que formen una seqüència inversa en sentit contrari.

Els corrents harmònics a l'estator de la màquina provoquen una força motriu, que provoca l'aparició de parells a l'eix en el sentit de gir del camp magnètic harmònic. Solen ser molt petites i també estan parcialment compensades a causa del sentit contrari. Tanmateix, poden fer que l'eix del motor vibri.

Influència dels harmònics en equips estàtics, línies elèctriques. Els harmònics de corrent a les línies provoquen pèrdues addicionals d'electricitat i tensió.

A les línies de cable, els harmònics de tensió augmenten l'efecte sobre el dielèctric en proporció a l'augment del valor màxim de l'amplitud. Això al seu torn augmenta el nombre de fallades del cable i els costos de reparació.

A les línies EHV, els harmònics de tensió poden provocar un augment de les pèrdues de corona pel mateix motiu.

Influència dels harmònics superiors en els transformadors

Els harmònics de tensió provoquen un augment de les pèrdues per histèresi i les pèrdues per corrents de Foucault a l'acer dels transformadors, així com les pèrdues de bobinatge. La vida útil de l'aïllament també es redueix.

L'augment de les pèrdues de bobinat és més important en un transformador reductor perquè la presència d'un filtre, normalment connectat al costat de CA, no redueix els harmònics de corrent al transformador. Per tant, cal instal·lar un gran transformador de potència. També s'observa un sobreescalfament local del dipòsit del transformador.

Un aspecte negatiu de l'efecte dels harmònics en transformadors d'alta potència és la circulació de corrent de seqüència zero triple en bobinats connectats en triangle. Això els pot aclaparar.

Influència dels harmònics superiors en els bancs de condensadors

Les pèrdues addicionals en els condensadors elèctrics provoquen un sobreescalfament. En general, els condensadors estan dissenyats per suportar una determinada sobrecàrrega de corrent. Els condensadors produïts a Gran Bretanya permeten una sobrecàrrega del 15%, a Europa i Austràlia - 30%, als EUA - 80%, a la CEI - 30%. Quan es superen aquests valors, observats en condicions d'augment de la tensió d'harmònics superiors a les entrades dels condensadors, aquests últims es sobreescalfen i fallen.

Influència dels harmònics més alts en els dispositius de protecció del sistema elèctric

Els harmònics poden interferir amb el funcionament dels dispositius de protecció o perjudicar-ne el funcionament. La naturalesa de la violació depèn del principi de funcionament del dispositiu. Els relés digitals i els algorismes basats en l'anàlisi de dades discretitzades o l'anàlisi de pas per zero són especialment sensibles als harmònics.

Molt sovint, els canvis en les característiques són menors. La majoria dels tipus de relés funcionaran normalment fins a un nivell de distorsió del 20%. Tanmateix, augmentar la proporció de convertidors de potència a les xarxes pot canviar la situació en el futur.

Els problemes derivats dels harmònics són diferents per als modes normal i d'emergència i es discuteixen per separat a continuació.

Impacte dels harmònics en els modes d'emergència

Els dispositius de protecció solen respondre a la tensió o corrent de freqüència fonamental i els harmònics transitoris es filtren o no afecten el dispositiu. Aquest últim és característic dels relés electromecànics, especialment utilitzats en protecció contra sobreintensitat. Aquests relés tenen una alta inèrcia, la qual cosa els fa pràcticament insensibles als harmònics superiors.

Més important és la influència dels harmònics en el rendiment de la protecció basat en la mesura de la resistència. La protecció de distància, on la resistència es mesura a la freqüència fonamental, pot donar errors significatius en presència d'harmònics més alts en el corrent de curtcircuit (especialment del 3r ordre). Normalment s'observa un alt contingut harmònic quan el corrent de curtcircuit flueix a través del terra (la resistència de terra domina la resistència total del bucle). Si no es filtren els harmònics, la probabilitat de falses operacions és molt alta.

En el cas d'un curtcircuit metàl·lic, el corrent està dominat per la freqüència fonamental. Tanmateix, a causa de la saturació del transformador, es produeix una distorsió de la corba secundària, especialment en el cas d'un gran component de corrent continu en el corrent primari. En aquest cas, també hi ha problemes per garantir el funcionament normal de la protecció.

En condicions de funcionament en estat estacionari, la no linealitat associada a la sobreexcitació del transformador només provoca harmònics d'ordre estrany. Tot tipus d'harmònics es poden produir en modes transitoris, sent les amplituds més grans normalment la 2a i la 3a.

Tanmateix, amb un disseny adequat, la majoria dels problemes enumerats es resolen fàcilment. L'elecció de l'equip adequat elimina moltes de les dificultats associades a la mesura dels transformadors.

El filtratge d'harmònics, especialment en proteccions digitals, és el més important per a la protecció a distància. El treball realitzat en l'àmbit dels mètodes de filtratge digital ha demostrat que tot i que els algorismes d'aquest filtrat sovint són força complexos, l'obtenció del resultat desitjat no presenta dificultats especials.

La influència dels harmònics en els sistemes de protecció durant els modes de funcionament normals de les xarxes elèctriques. La baixa sensibilitat dels dispositius de protecció als paràmetres del mode en condicions normals condueix a l'absència pràctica de problemes associats als harmònics en aquests modes. Una excepció és el problema associat a la inclusió de transformadors potents a la xarxa, acompanyat d'un augment del corrent de magnetització.

L'amplitud del pic depèn de la inductància del transformador, de la resistència del bobinatge i del moment en què s'encén. El flux residual a l'instant abans de l'encesa augmenta o disminueix lleugerament l'amplitud, depenent de la polaritat del flux respecte al valor inicial de la tensió instantània. Atès que no hi ha corrent al costat secundari durant la magnetització, un corrent primari gran pot provocar que la protecció diferencial s'encengui falsament.

La manera més senzilla d'evitar falses alarmes és utilitzar un retard de temps, però això pot causar danys greus al transformador si es produeix un accident mentre està encès. A la pràctica, el segon harmònic present en el corrent d'entrada, poc característic de les xarxes, s'utilitza per bloquejar la protecció, encara que la protecció segueix sent bastant sensible a les fallades internes del transformador durant l'encesa.

Efecte dels harmònics en els equips de consum

La influència dels harmònics superiors als televisors

Els harmònics que augmenten la tensió màxima poden provocar distorsió de la imatge i canvis de brillantor.

Làmpades fluorescents i de mercuri. Els balasts d'aquestes làmpades de vegades contenen condensadors i, en determinades condicions, es pot produir una ressonància, donant lloc a una fallada de la làmpada.

Efecte dels harmònics superiors als ordinadors

Hi ha límits als nivells admissibles de distorsió a les xarxes que alimenten els ordinadors i els sistemes de processament de dades. En alguns casos, s'expressen com a percentatge de la tensió nominal (per a un ordinador IVM - 5%) o en forma de relació entre la tensió màxima i el valor mitjà (CDC estableix els seus límits permesos a 1,41 ± 0,1).

La influència dels harmònics més alts en l'equip de conversió

Les osques de la tensió sinusoïdal que es produeixen durant la commutació de la vàlvula poden afectar el temps d'altres equips o dispositius similars que es controlen durant la corba de tensió zero.

La influència dels harmònics més alts en els equips de velocitat controlats per tiristors

En teoria, els harmònics poden afectar aquests equips de diverses maneres:

• les osques de l'ona sinusoïdal provoquen un mal funcionament a causa de la fallada dels tiristors;

• els harmònics de tensió poden provocar falles d'encendiment;

• la ressonància resultant en presència de diversos tipus d'equips pot provocar sobretensions i vibracions de les màquines.

Els impactes descrits anteriorment poden ser notats per altres usuaris connectats a la mateixa xarxa. Si l'usuari no té dificultats amb equips controlats per tiristors a les seves xarxes, és poc probable que afecti altres usuaris. Els consumidors alimentats per diferents autobusos poden influir-se mútuament, però la distància elèctrica redueix la probabilitat d'aquesta interacció.

Efecte dels harmònics en les mesures de potència i energia

Els dispositius de mesura solen calibrar-se a tensions sinusoïdals pures i augmenten la incertesa en presència d'harmònics més alts. La magnitud i la direcció dels harmònics són factors importants perquè el signe de l'error ve determinat per la direcció dels harmònics.

Els errors de mesura causats pels harmònics depenen molt del tipus d'instruments de mesura. Els mesuradors d'inducció convencionals solen sobreestimar les lectures en un poc per cent (6% cadascun) si l'usuari té una font de distorsió. Aquests usuaris són penalitzats automàticament per introduir distorsions a la xarxa, per la qual cosa és del seu propi interès establir els mitjans adequats per suprimir aquestes distorsions.

No hi ha dades quantitatives sobre la influència dels harmònics en la precisió de la mesura de càrrega màxima. Se suposa que la influència dels harmònics en la precisió de la mesura de càrrega màxima és la mateixa que en la precisió de la mesura d'energia.

La mesura precisa de l'energia, independentment de la forma de les corbes de corrent i tensió, la proporcionen comptadors electrònics, que tenen un cost més elevat.

Els harmònics afecten tant la precisió de la mesura de la potència reactiva, que es defineix clarament només en el cas de corrents i tensions sinusoïdals, com la precisió de la mesura del factor de potència.

La influència dels harmònics en la precisió de la inspecció i el calibratge d'instruments en laboratoris s'esmenta poques vegades, tot i que aquest aspecte de la qüestió també és important.

La influència dels harmònics en els circuits de comunicació

Els harmònics dels circuits de potència provoquen soroll en els circuits de comunicació.Un nivell baix de soroll provoca certa incomoditat, a mesura que augmenta, es perd part de la informació transmesa, en casos extrems, la comunicació es fa completament impossible. En aquest sentit, amb qualsevol canvi tecnològic en els sistemes d'alimentació i comunicació, cal tenir en compte la influència de les línies elèctriques en les línies telefòniques.

L'efecte dels harmònics sobre el soroll de la línia telefònica depèn de l'ordre dels harmònics. De mitjana, el telèfon - l'oïda humana té una funció de sensibilitat amb un valor màxim a una freqüència de l'ordre d'1 kHz. Avaluar la influència de diversos harmònics sobre el soroll c. el telèfon utilitza coeficients, que són la suma dels harmònics agafats amb certs pesos.Dos coeficients són els més habituals: la ponderació psofomètrica i la transmissió C. El primer factor va ser desenvolupat pel Comitè Consultiu Internacional de Sistemes Telegràfics i Telegràfics (CCITT) i s'utilitza a Europa, el segon —per la Bella Telephone Company i l'Edison Electrotechnical Institute— s'utilitza als Estats Units i al Canadà.

Els corrents harmònics de les tres fases no es compensen totalment a causa de la desigualtat d'amplituds i angles de fase i afecten les telecomunicacions amb el corrent de seqüència zero resultant (similar als corrents de falla a terra i als corrents de terra dels sistemes de tracció).

La influència també pot ser causada per corrents harmònics a les fases mateixes a causa de la diferència de distàncies dels conductors de fase a les línies de telecomunicacions properes.

Aquest tipus d'influències es poden mitigar mitjançant la selecció adequada de traces de línia, però en el cas de creuaments de línies inevitables es produeixen aquestes influències.Es manifesta especialment amb força en el cas d'una disposició vertical dels cables de la línia elèctrica i quan els cables de la línia de comunicació es transposen a les proximitats de la línia elèctrica.

A grans distàncies (més de 100 m) entre les línies, el principal factor d'influència resulta ser el corrent de seqüència zero. Quan la tensió nominal de la línia elèctrica disminueix, la influència disminueix, però resulta que es nota per l'ús de suports comuns o rases per a la col·locació de línies elèctriques de baixa tensió i línies de comunicació.