Einfluss höherer Harmonischer von Spannung und Strom auf den Betrieb elektrischer Geräte

Die höheren Spannungs- und Stromoberschwingungen wirken sich auf die Elemente von Energiesystemen und Kommunikationsleitungen aus.

Die Haupteinflussformen höherer Harmonischer auf Energiesysteme sind:

• Anstieg der Ströme und Spannungen höherer Harmonischer aufgrund von Parallel- und Serienresonanzen;

• Verringerung der Effizienz der Produktion, Übertragung und Nutzung von Elektrizitätsprozessen;

• Alterung der Isolierung elektrischer Geräte und daraus resultierende Verkürzung ihrer Lebensdauer;

• Fehlbedienung des Geräts.

Einfluss von Resonanzen auf Systeme

Resonanzen in Energiesystemen werden üblicherweise im Hinblick auf Kondensatoren, insbesondere Leistungskondensatoren, betrachtet. Wenn die Oberschwingungen des Stroms die maximal zulässigen Werte für Kondensatoren überschreiten, verschlechtern diese ihre Leistung nicht, sondern fallen nach einiger Zeit aus.

Ein weiterer Bereich, in dem Resonanzen zu Geräteschäden führen können, sind Obertonlastkontrollsysteme. Um zu verhindern, dass das Signal von den Leistungskondensatoren absorbiert wird, sind deren Stromkreise durch einen abgestimmten Serienfilter (Filter-«Notch») getrennt. Bei lokaler Resonanz nehmen die Harmonischen des Stroms im Leistungskondensatorkreis stark zu, was zu einer Beschädigung des abgestimmten Kondensators des Serienfilters führt.

In einer der Anlagen blockierten Filter, die auf eine Frequenz von 530 Hz und einen Durchgangsstrom von 100 A abgestimmt waren, jeden Stromkreis eines Leistungskondensators, der 15 Abschnitte mit 65 kvar hatte. Kondensatoren Diese Filter versagten nach zwei Tagen. Der Grund war das Vorhandensein einer Harmonischen mit einer Frequenz von 350 Hz, in deren unmittelbarer Nähe sich Resonanzbedingungen zwischen dem abgestimmten Filter und den Leistungskondensatoren einstellten.

Wirkung von Harmonischen auf rotierende Maschinen

Spannungs- und Stromoberschwingungen führen zu zusätzlichen Verlusten in den Statorwicklungen, in den Rotorkreisen sowie im Stator- und Rotorstahl. Die Verluste in den Stator- und Rotorleitern durch Wirbelströme und Oberflächeneffekte sind größer als diejenigen, die durch den ohmschen Widerstand bestimmt werden.

Die durch Oberwellen verursachten Leckströme in den Endzonen von Stator und Rotor führen zu zusätzlichen Verlusten.

Bei einem Induktionsmotor mit konischem Rotor und pulsierendem Magnetfluss im Stator und Rotor verursachen die höheren Harmonischen zusätzliche Verluste im Stahl. Die Größe dieser Verluste hängt vom Neigungswinkel der Schlitze und den Eigenschaften des Magnetkreises ab.

Die durchschnittliche Verteilung der Verluste durch höhere Harmonische wird durch die folgenden Daten charakterisiert; Statorwicklung 14 %; Rotorketten 41 %; Endzonen 19 %; asymmetrische Welle 26 %.

Bis auf asymmetrische Wellenverluste ist deren Verteilung bei Synchronmaschinen annähernd gleich.

Es ist zu beachten, dass benachbarte ungerade Harmonische im Stator einer Synchronmaschine Harmonische gleicher Frequenz im Rotor verursachen. Beispielsweise verursachen die 5. und 7. Harmonische im Stator Stromharmonische 6. Ordnung im Rotor, die sich in unterschiedliche Richtungen drehen. Bei linearen Systemen ist die durchschnittliche Verlustdichte auf der Rotoroberfläche proportional zum Wert, aufgrund der unterschiedlichen Drehrichtung ist die Verlustdichte an einigen Stellen jedoch proportional zum Wert (I5 + I7) 2.

Zusätzliche Verluste gehören zu den negativsten Phänomenen, die durch Oberwellen in rotierenden Maschinen verursacht werden. Sie führen zu einem Anstieg der Gesamttemperatur der Maschine und zu einer lokalen Überhitzung, am wahrscheinlichsten im Rotor. Käfigläufermotoren ermöglichen höhere Verluste und Temperaturen als Motoren mit gewickeltem Rotor. Einige Richtlinien begrenzen den zulässigen Gegensystem-Strompegel im Generator auf 10 % und den Gegensystem-Spannungspegel an den Eingängen des Induktionsmotors auf 2 %. Die Toleranz der Oberschwingungen wird in diesem Fall durch die Höhe der Gegensystemspannungen und -ströme bestimmt, die sie erzeugen.

Die durch Harmonische erzeugten Drehmomente. Die Harmonischen des Stroms im Stator erzeugen die entsprechenden Drehmomente: Harmonische, die in der Drehrichtung des Rotors eine positive Sequenz bilden und in der entgegengesetzten Richtung eine umgekehrte Sequenz bilden.

Harmonische Ströme im Stator der Maschine verursachen eine Antriebskraft, die zum Auftreten von Drehmomenten an der Welle in Drehrichtung des harmonischen Magnetfelds führt. Sie sind meist sehr klein und aufgrund der Gegenrichtung teilweise auch versetzt. Sie können jedoch zu Vibrationen der Motorwelle führen.

Einfluss von Oberschwingungen auf statische Geräte und Stromleitungen. Stromoberschwingungen in den Leitungen führen zu zusätzlichen Strom- und Spannungsverlusten.

In Kabelleitungen verstärken Spannungsharmonische die Wirkung auf das Dielektrikum proportional zur Erhöhung des Maximalwerts der Amplitude. Dies wiederum erhöht die Zahl der Kabelausfälle und die Reparaturkosten.

In Höchstspannungsleitungen können Spannungsharmonische aus dem gleichen Grund zu einem Anstieg der Koronaverluste führen.

Einfluss höherer Harmonischer auf Transformatoren

Spannungsharmonische führen zu einem Anstieg der Hystereseverluste und Wirbelstromverluste im Stahl von Transformatoren sowie zu Wicklungsverlusten. Auch die Lebensdauer der Isolierung verringert sich.

Der Anstieg der Wicklungsverluste ist bei einem Abwärtstransformator am bedeutendsten, da das Vorhandensein eines Filters, der normalerweise an die Wechselstromseite angeschlossen ist, die Stromoberschwingungen im Transformator nicht reduziert. Daher ist die Installation eines großen Leistungstransformators erforderlich. Es wird auch eine lokale Überhitzung des Transformatorkessels beobachtet.

Ein negativer Aspekt der Auswirkung von Oberschwingungen auf Hochleistungstransformatoren ist die Zirkulation von dreifachem Nullsystemstrom in Dreieckswicklungen. Das kann sie überfordern.

Einfluss höherer Harmonischer auf Kondensatorbänke

Die zusätzlichen Verluste in den elektrischen Kondensatoren führen zu deren Überhitzung. Im Allgemeinen sind Kondensatoren darauf ausgelegt, einer bestimmten Stromüberlastung standzuhalten. In Großbritannien hergestellte Kondensatoren ermöglichen eine Überlastung von 15 %, in Europa und Australien – 30 %, in den USA – 80 %, in der GUS – 30 %. Wenn diese Werte überschritten werden, was bei erhöhter Spannung höherer Harmonischer an den Eingängen der Kondensatoren beobachtet wird, überhitzen diese und fallen aus.

Einfluss höherer Harmonischer auf Netzschutzgeräte

Oberschwingungen können die Funktion von Schutzeinrichtungen stören oder deren Funktion beeinträchtigen. Die Art des Verstoßes hängt vom Funktionsprinzip des Geräts ab. Digitale Relais und Algorithmen, die auf diskretisierter Datenanalyse oder Nulldurchgangsanalyse basieren, reagieren besonders empfindlich auf Oberschwingungen.

In den meisten Fällen handelt es sich um geringfügige Änderungen der Eigenschaften. Die meisten Relaistypen funktionieren bis zu einem Verzerrungsgrad von 20 % normal. Eine Erhöhung des Anteils von Stromrichtern in Netzen könnte die Situation jedoch in Zukunft ändern.

Die durch Oberschwingungen entstehenden Probleme unterscheiden sich im Normal- und im Notbetrieb und werden im Folgenden separat erläutert.

Einfluss von Oberschwingungen im Notbetrieb

Schutzgeräte reagieren in der Regel auf die Grundfrequenz der Spannung oder des Stroms und alle transienten Oberschwingungen werden entweder herausgefiltert oder haben keinen Einfluss auf das Gerät. Letzteres ist charakteristisch für elektromechanische Relais, die insbesondere im Überstromschutz eingesetzt werden. Diese Relais haben eine hohe Trägheit, wodurch sie gegenüber höheren Harmonischen praktisch unempfindlich sind.

Bedeutsamer ist der Einfluss von Oberschwingungen auf die Schutzleistung basierend auf Widerstandsmessungen. Distanzschutz, bei dem der Widerstand bei der Grundfrequenz gemessen wird, kann bei Vorhandensein höherer Harmonischer im Kurzschlussstrom (insbesondere 3. Ordnung) zu erheblichen Fehlern führen. Ein hoher Oberwellengehalt wird normalerweise beobachtet, wenn ein Kurzschlussstrom durch die Erde fließt (der Erdwiderstand dominiert den gesamten Schleifenwiderstand). Wenn die Oberwellen nicht gefiltert werden, ist die Wahrscheinlichkeit einer Fehlbedienung sehr hoch.

Bei einem metallischen Kurzschluss wird der Strom von der Grundfrequenz dominiert. Aufgrund der Sättigung des Transformators kommt es jedoch zu einer Sekundärkurvenverzerrung, insbesondere bei einem großen Gleichstromanteil im Primärstrom. In diesem Fall gibt es auch Probleme bei der Gewährleistung der normalen Funktion des Schutzes.

Unter stationären Betriebsbedingungen verursacht die mit der Übererregung des Transformators verbundene Nichtlinearität nur Harmonische ungerader Ordnung. In transienten Modi können alle Arten von Harmonischen auftreten, wobei die größten Amplituden normalerweise die 2. und 3. sind.

Mit dem richtigen Design lassen sich die meisten der aufgeführten Probleme jedoch leicht lösen. Durch die Auswahl der richtigen Ausrüstung werden viele der mit Messtransformatoren verbundenen Schwierigkeiten beseitigt.

Die harmonische Filterung, insbesondere bei digitalen Schutzmaßnahmen, ist für den Distanzschutz am wichtigsten. Die auf dem Gebiet der digitalen Filtermethoden durchgeführten Arbeiten haben gezeigt, dass die Algorithmen für eine solche Filterung zwar oft recht komplex sind, das Erreichen des gewünschten Ergebnisses jedoch keine besonderen Schwierigkeiten bereitet.

Der Einfluss von Oberschwingungen auf Schutzsysteme im Normalbetrieb elektrischer Netze. Die geringe Empfindlichkeit der Schutzgeräte gegenüber den Modusparametern unter normalen Bedingungen führt dazu, dass in diesen Modi praktisch keine Probleme im Zusammenhang mit Oberschwingungen auftreten. Eine Ausnahme bildet das Problem der Einbindung leistungsstarker Transformatoren in das Netz, begleitet von einem Anstieg des Magnetisierungsstroms.

Die Amplitude der Spitze hängt von der Induktivität des Transformators, dem Widerstand der Wicklung und dem Zeitpunkt des Einschaltens ab. Der Restfluss zum Zeitpunkt vor dem Einschalten erhöht oder verringert die Amplitude geringfügig, abhängig von der Polarität des Flusses relativ zum Anfangswert der Momentanspannung. Da während der Magnetisierung sekundärseitig kein Strom fließt, kann ein großer Primärstrom dazu führen, dass der Differentialschutz fälschlicherweise auslöst.

Der einfachste Weg, Fehlalarme zu vermeiden, ist die Verwendung einer Zeitverzögerung. Dies kann jedoch zu schweren Schäden am Transformator führen, wenn es während des Betriebs zu einem Unfall kommt. In der Praxis wird die im Einschaltstrom vorhandene zweite Harmonische, die für Netze untypisch ist, zum Blockieren des Schutzes genutzt, obwohl der Schutz beim Einschalten recht empfindlich gegenüber internen Fehlern des Transformators bleibt.

Auswirkung von Oberschwingungen auf Verbrauchergeräte

Der Einfluss höherer Harmonischer auf Fernsehgeräte

Oberwellen, die die Spitzenspannung erhöhen, können zu Bildverzerrungen und Helligkeitsänderungen führen.

Leuchtstoff- und Quecksilberlampen. Die Vorschaltgeräte dieser Lampen enthalten manchmal Kondensatoren und unter bestimmten Bedingungen kann es zu Resonanzen kommen, die zum Ausfall der Lampe führen können.

Wirkung höherer Harmonischer auf Computer

Es gibt Grenzen für die zulässigen Verzerrungsgrade in den Netzwerken, die Computer und Datenverarbeitungssysteme mit Strom versorgen. In einigen Fällen werden sie als Prozentsatz der Nennspannung (für einen Computer IVM – 5 %) oder in Form des Verhältnisses der Spitzenspannung zum Durchschnittswert ausgedrückt (CDC legt seine zulässigen Grenzwerte auf 1,41 ± 0,1 fest).

Der Einfluss höherer Harmonischer auf die Umwandlungsausrüstung

Einbrüche in der Sinusspannung, die beim Umschalten der Ventile auftreten, können das Timing anderer ähnlicher Geräte oder Geräte beeinflussen, die während der Nullspannungskurve gesteuert werden.

Der Einfluss höherer Harmonischer auf thyristorgesteuerte Drehzahlgeräte

Theoretisch können Oberwellen solche Geräte auf verschiedene Weise beeinflussen:

• die Kerben der Sinuswelle verursachen eine Fehlfunktion aufgrund von Fehlzündungen der Thyristoren;

• Spannungsharmonische können Fehlzündungen verursachen;

• Die daraus resultierende Resonanz beim Vorhandensein verschiedener Gerätetypen kann zu Überspannungen und Vibrationen von Maschinen führen.

Die oben beschriebenen Auswirkungen können auch für andere Benutzer spürbar sein, die mit demselben Netzwerk verbunden sind. Wenn der Benutzer keine Probleme mit thyristorgesteuerten Geräten in seinen Netzwerken hat, ist es unwahrscheinlich, dass andere Benutzer dadurch beeinträchtigt werden. Verbraucher, die von verschiedenen Bussen versorgt werden, können sich theoretisch gegenseitig beeinflussen, die elektrische Distanz verringert jedoch die Wahrscheinlichkeit einer solchen Interaktion.

Einfluss von Oberschwingungen auf Leistungs- und Energiemessungen

Messgeräte sind in der Regel auf reine Sinusspannungen kalibriert und erhöhen die Unsicherheit bei Vorhandensein höherer Harmonischer. Größe und Richtung der Harmonischen sind wichtige Faktoren, da das Vorzeichen des Fehlers durch die Richtung der Harmonischen bestimmt wird.

Durch Oberschwingungen verursachte Messfehler hängen stark von der Art der Messgeräte ab. Herkömmliche Induktionsmessgeräte überschätzen die Messwerte typischerweise um einige Prozent (jeweils 6 %), wenn der Benutzer eine Verzerrungsquelle hat. Solche Benutzer werden automatisch bestraft, wenn sie Störungen in das Netzwerk einbringen. Daher liegt es in ihrem eigenen Interesse, geeignete Mittel zur Unterdrückung dieser Störungen zu schaffen.

Es liegen keine quantitativen Daten zum Einfluss von Oberschwingungen auf die Genauigkeit der Spitzenlastmessung vor. Es wird davon ausgegangen, dass der Einfluss von Oberschwingungen auf die Genauigkeit der Spitzenlastmessung der gleiche ist wie auf die Genauigkeit der Energiemessung.

Eine genaue Messung der Energie, unabhängig von der Form der Strom- und Spannungskurven, ermöglichen elektronische Messgeräte, die höhere Kosten verursachen.

Oberschwingungen beeinflussen sowohl die Genauigkeit der Blindleistungsmessung, die nur bei sinusförmigen Strömen und Spannungen eindeutig definiert ist, als auch die Genauigkeit der Leistungsfaktormessung.

Der Einfluss von Oberschwingungen auf die Genauigkeit der Inspektion und Kalibrierung von Instrumenten in Laboratorien wird selten erwähnt, obwohl dieser Aspekt ebenfalls wichtig ist.

Der Einfluss von Harmonischen auf Kommunikationsschaltungen

Oberwellen in Stromkreisen verursachen Rauschen in Kommunikationskreisen.Ein geringer Geräuschpegel führt zu einem gewissen Unbehagen, da bei zunehmendem Lärm ein Teil der übertragenen Informationen verloren geht und im Extremfall die Kommunikation völlig unmöglich wird. In diesem Zusammenhang muss bei allen technologischen Veränderungen in den Stromversorgungs- und Kommunikationssystemen der Einfluss von Stromleitungen auf Telefonleitungen berücksichtigt werden.

Die Auswirkung von Oberwellen auf Telefonleitungsrauschen hängt von der Ordnung der Oberwellen ab. Im Durchschnitt verfügt das Telefon – das menschliche Ohr über eine Empfindlichkeitsfunktion mit einem Maximalwert bei einer Frequenz in der Größenordnung von 1 kHz. Bewertung des Einflusses verschiedener Harmonischer auf das Rauschen c. Das Telefon verwendet Koeffizienten, die die Summe der Harmonischen mit bestimmten Gewichtungen darstellen. Zwei Koeffizienten sind am häufigsten: psophometrische Gewichtung und C-Übertragung. Der erste Faktor wurde vom International Consultative Committee on Telephone and Telegraph Systems (CCITT) entwickelt und wird in Europa verwendet, der zweite – von der Bella Telephone Company und dem Edison Electrotechnical Institute – wird in den Vereinigten Staaten und Kanada verwendet.

Harmonische Ströme in den drei Phasen kompensieren sich aufgrund der Ungleichheit von Amplituden und Phasenwinkeln nicht vollständig und beeinträchtigen die Telekommunikation mit dem resultierenden Nullstrom (ähnlich wie Erdschlussströme und Erdströme aus Bahnanlagen).

Der Einfluss kann auch durch Oberschwingungsströme in den Phasen selbst aufgrund der unterschiedlichen Abstände der Phasenleiter zu nahegelegenen Telekommunikationsleitungen verursacht werden.

Solche Einflüsse können durch die richtige Auswahl der Leitungsspuren abgemildert werden, bei unvermeidbaren Leitungskreuzungen treten solche Einflüsse jedoch auf.Besonders ausgeprägt ist es bei vertikaler Anordnung der Adern der Stromleitung und wenn die Adern der Kommunikationsleitung in der Nähe der Stromleitung vertauscht sind.

Bei großen Abständen (mehr als 100 m) zwischen den Leitungen erweist sich der Nullstrom als Haupteinflussfaktor. Wenn die Nennspannung der Stromleitung abnimmt, nimmt der Einfluss ab, macht sich jedoch durch die Verwendung gemeinsamer Stützen oder Gräben für die Verlegung von Niederspannungsstromleitungen und Kommunikationsleitungen bemerkbar.