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.

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.

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.источник бесперебойного питания
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.

К списку статей

 

Всего комментариев: 0

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован.