Uwaga! Odkształcenia harmoniczne! Skutki, pomiary, analiza
»»Obciążenie przewodów przekracza parametry znamionowe! »»Zabezpieczenia nadprądowe wyzwalają się i nie wiesz dlaczego! »»Twój silnik przegrzewa się i wykrywasz nadmierne drgania! »»Dlaczego?
Czym są częstotliwości harmoniczne? Odkształcenie sygnału zasilania w sieci elektroenergetycznej od kształtu idealnej sinusoidy świadczy o pewnej zawartości harmonicznych w tym sygnale. Na rys. 1 przedstawione są trzy oscylogramy z sieci trójfazowej o wysokim poziomie zawartości harmonicznych. Oscylogramy wszystkich faz znacznie odbiegają kształtem od idealnych sinusoid. Teoria mówi, że każdy sygnał odkształcony można rozłożyć na zestaw harmonicznych będących całkowitą wielokrotnością częstotliwości podstawowej f1. Dla sieci elektroenergetycznej o f1 = 50 Hz harmoniczne to wszystkie sygnały składowe o częstotliwościach będących wielokrotnością 50 Hz, jak na przykład f2 = 100 Hz, f3 = 150 Hz itd.
Rys. 1. Wykres wygenerowany w programie Sonel Analiza. Trzy oscylogramy prądowe w sieci trójfazowej zarejestrowane analizatorem PQM-702
Cztery przykłady negatywnego wpływu harmonicznych 1. Zbyt wysoka temperatura przewodów Naskórkowość jest przyczyną nadmiernego grzania się przewodów przy dużej zawartości harmonicznych w sygnale prądowym. Dla częstotliwości źródła zasilania 50 Hz efekt naskórkowości jest niewielki, ale powyżej 250 Hz (5. harmoniczna) staje się już znaczący. W czteroprzewodowej sieci 3-fazowej trzecia harmoniczna prądu i jej wielokrotności nie zerują się. W takim przypadku w przewodzie neutralnym może popłynąć prąd, który wytworzy w nim wysokie straty cieplne i zwiększy temperaturę. Jeśli temperatura przekroczy limit wytrzymałości termicznej przewodu, zaistnieje ryzyko stopienia lub nawet zapłonu izolacji i łatwopalnych materiałów znajdujących się w pobliżu.
strona 1 / 3
sonel.pl
2. Niepożądane wyłączenia instalacji Zabezpieczenia w sieciach elektrycznych, takie jak wyłączniki nadprądowe z elementem bimetalowym, zaprojektowane są w ten sposób, aby zadziałały po przekroczeniu określonej temperatury progowej. Sygnały harmoniczne powodują nadmierne nagrzewanie się przewodników. Mogą zatem przyczynić się do niepoprawnej pracy tych zabezpieczeń, które zaprojektowano jedynie dla prądu o częstotliwości 50 Hz. Jeżeli w sygnale zasilającym jest duży udział częstotliwości harmonicznych, to przy przeciążeniach wyłączniki wyłączą się przedwcześnie. Biorąc pod uwagę wyłącznie kryterium wartości RMS prądu i czasu trwania stanu obciążenia, nie powinno to mieć miejsca. 3. Nadmierne grzanie się transformatora Wyższe harmoniczne zwiększają straty związane z grzaniem się transformatorów. Straty te występują m.in. w rdzeniu i uzwojeniach. Straty w rdzeniu wynikają z obecności prądów wirowych i są proporcjonalne do kwadratu częstotliwości. Natomiast straty w uzwojeniach wiążą się ze zwiększonymi stratami cieplnymi w przewodniku. Powyższe efekty powodują dodatkowy wzrost temperatury transformatora, mogący doprowadzić do jego przegrzania i zniszczenia. Pomiar temperatury można wykonać kamerą termowizyjną serii KT 4. Skrócona żywotność silników W silnikach odkształcone napięcie może spowodować nadmierne drgania oraz - analogicznie jak w transformatorach - zwiększone straty cieplne poprzez powstanie prądów wirowych. Dodatkowe straty cieplne i wibracje powstają również na skutek generacji w stojanie pola o częstotliwości sygnałów harmonicznych. Każda harmoniczna próbuje obrócić wirnik z inną prędkością i kierunku. Obrót silnika w kierunku nominalnym, przewidzianym przez producenta, powodują harmoniczne zgodne rzędu 1, 4, 7 itd. Z kolei obrót w kierunku przeciwnym powodują tzw. harmoniczne przeciwne rzędu 2, 5, 8 itd. Taką sytuację można przyrównać do jazdy samochodem, podczas której kierowca jednocześnie przyspiesza i hamuje. W związku z powyższym harmoniczne, których wartości amplitud przekroczą limit, przyczynią się do powstania niepożądanych wibracji, nadmiernego grzania i w efekcie skrócenia żywotności silnika.
Kilka prostych działań w celu wykonania diagnostyki i pomiaru harmonicznych 1. Podłącz dowolny analizator Sonel serii PQM zgodnie z zaleceniem producenta. 2. Ustaw tryb pomiaru amplitud harmonicznych i parametrów THD, TID oraz TDD. 3. W trakcie pomiaru sprawdź poziom parametrów THD, TID oraz TDD, a następnie udział każdej z harmonicznych w prądzie i napięciu. 4. Jeśli poziom danego parametru przekracza próg normy EN 50160, IEEE 519 lub innych norm, podejmij działanie.
strona 2 / 3
sonel.pl
Analiza wyników pomiaru harmonicznych 1. Odczytaj wartości zmierzone dla parametrów THD, TID oraz TDD i porównaj je z wartościami granicznymi. 2. Wyświetl zbiór wartości amplitud harmonicznych jako wykres słupkowy, w formie procentowej zawartości względem częstotliwości podstawowej (patrz rys. 2). 3. Porównaj wynik z wartościami granicznymi amplitud harmonicznych dla danych wymagań, np. normy EN 50160.
Rys. 2. Ekran analizatora Sonel PQM-707 w trakcie pomiaru harmonicznych. Spektrum przedstawia procentową zawartość sygnałów harmonicznych względem sygnału o częstotliwości podstawowej
strona 3 / 3
sonel.pl