Wpływ wyższych harmonicznych na transformatory

Wyższe harmoniczne – sinusoidalne składowe przemiennych prądów i napięć o częstotliwości oscylacji krotnej podstawowej częstotliwości systemu.
Dla polskiego systemu przesyłu i dystrybucji energii elektrycznej wartość podstawowej częstotliwości wynosi 50Hz, w takim przypadku harmoniczne będą prądy i napięcia oscylujące z częstotliwością 50·n (gdzie n=2,3…n). Głównym źródłem powstania wyższych harmonicznych są odbiory nieliniowe (odbiorniki z charakterystyką prądowo-napięciowa, które w graficznym przedstawieniu nie są linią prostą). Typowymi odbiornikami nieliniowymi są przemienniki częstotliwości (w tym falowniki oraz prostowniki), urządzenia wykorzystujące energie wyładowań (piece łukowe, agregaty do spawania łukiem, oświetleniowe lampy wyładowcze) oraz te w których występuje wytwarzanie pola elektromagnetycznego. Wbrew pozorom znaczącymi źródłami harmonicznych są budynki mieszkalne i biurowe ze względu na masowe użycie układów opartych na diodach. Dla przykładu na rysunku 1 przedstawiony jest wykres charakterystyki prądowej zasilacza komputerowego.

Rysunek 1 - Charakterystyka prądowa I=f(t) dla zasilacza komputera stacjonarnego.

Wyższe harmoniczne w przypadku systemu elektroenergetycznego, powstają w prądzie i napięciu, a podstawowym parametrem opisującym ogólną (o wszystkich występujących krotnościach) zawartość harmonicznych jest współczynnik zawartości harmonicznych THD (ang. Total Harmonic Distortion). W przypadku parametru THD występuje również podział na współczynniki zawartości harmonicznych w prądzie (THDi) oraz w napięciu (THDu).
Powstanie harmonicznych w systemie elektroenergetycznym jest zjawiskiem szkodliwym, a ich obecność znacznie wpływa na prace transformatorów dystrybucyjnych.
Po pierwsze, obecność wyższych harmonicznych zwiększa straty w transformatorze, ponieważ prądy wyższych harmonicznych przepływając w uzwojeniach transformatora indukują dodatkowe składowe przemiennego pola elektromagnetycznego o częstotliwości równej częstotliwości prądu, który go wywołał. Ponieważ straty w transformatorze przyjmują postać ciepła ich wzrost może skutkować przegrzaniem urządzenia.
Po drugie, wyższe harmoniczne zniekształcają sinusoidalny kształt prądu (napięcia) sumarycznego (rysunek 2) oraz zwiększają wartość skuteczną RMS prądu (napięcia). Transformatory posiadają parametr mocy znamionowej, do przesyłu której transformator jest przystosowany. Moc znamionowa jest mocą pozorną przestawiająca sobą iloczyn wartości skutecznych napięcia i prądu: S=UI. Dlatego w przypadku pojawienia się wyższych harmonicznych, moc przesyłana przez transformator odpowiednio się zwiększa, ograniczając tym samym „przepustowość” transformatora.

Rysunek 2 - Przykładowy wykres pokazujący wpływ składowej harmonicznej trzeciej na kształt przebiegu prądu (napięcia).

Sposoby na ograniczenie negatywnych skutków oddziaływania można podzielić na działania w dwóch podstawowych kierunkach:

1. Ograniczenie zawartości harmonicznych poprzez ograniczenie stosowania odbiorników nieliniowych lub instalację filtrów wyższych harmonicznych.
2. Przystosowanie transformatora do pracy w warunkach występowania wyższych harmonicznych, polegające na przystosowaniu do przesyłu większych wartości skutecznych prądów, napięć i mocy oraz równocześnie na przygotowanie transformatora do zwiększonych strat cieplnych.

Transformatory dystrybucyjne z oferty EG System w zależności od wymagań Klienta mogą być wyprodukowane uwzględniając zwiększony poziom THD. Jednocześnie większość klasycznych transformatorów są przystosowane do pracy w systemie z THD do 10%.

Literatura:

1. Nasrul, Firmansyah, Harmonics Impact a Rising Due to Loading and Solution ETAP Using the Distribution Substation Transformer 160 kVA at Education and Training Unit PT PLN, International Journal on Advanced Science, Engineering and Information Technology 2015.
2. Łysiak P., Harmoniczne w sieciach zasilających.