Oberschwingungsursachen und -auswirkungen

Oberschwingungen sind definiert als der Inhalt des Signals, dessen Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Systemfrequenz des Signals ist. Oberschwingungsstrom, der von einer nichtlinearen Last erzeugt wird, fließt von der Last in das Stromnetz. Diese Oberschwingungsströme beeinträchtigen die Leistung und Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems und können auch Sicherheitsprobleme verursachen. Oberschwingungen müssen klar lokalisiert, Quellen identifiziert und Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, um sie zu verhindern.

Die elektrische Last wird in zwei Kategorien eingeteilt

1. Lineare Last: Diese Last zieht Spannung und Strom in im Wesentlichen sinusförmiger Form, jedoch mit variierter Phasenverschiebung (Leistungsfaktor). Beispiel: Widerstände, Induktivitäten, Kondensatoren und deren Kombinationen werden als lineare Last klassifiziert. Lineare Lasten haben glatte, gerade und vorhersagbare Antwort.
2. Nichtlineare Last: Netzteile mit nichtlinearer Last ziehen Strom in abrupten Impulsen und nicht in glatten Sinuswellen. Es zeigt eine verzerrte oder sich plötzlich ändernde Reaktion an. Beispiel- moderne elektronische / elektrische Ausrüstungen, die aus Gleichrichtungs-, Lade- / Entlade- und Phasenregelkreisen bestehen.

Harmonische: Die Verzerrung in einer sinusförmigen Welle wird allgemein in Bezug auf verschiedene harmonische Komponenten definiert. Harmonische sind definiert als der Inhalt eines Signals, dessen Frequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Systemfrequenz der Grundschwingung ist. Typische Harmonische für ein 50 Hz-System (Grundfrequenz) sind die 5. (250 Hz), 7. (350 Hz), 9. (450 Hz).

Die Harmonischen einer periodischen Welle können durch eine Fourier-Reihe dargestellt werden:
f(wt) = AO + A1coswt + A2 cos2wt + B1sinwt + B2 sin2wt + —
f(wt) = Gegebene nicht sinusförmige periodische Wellenform mit Winkelgeschwindigkeit w = 2 Σ f
A0 = Const.
A1, A2, A3 —- Ein Koeffizient von Kosinustermen, n-te ist die Ordnung der Harmonischen.
B1, B2, B3, — Bn Koeffizient der Sinusterme, n-te ist die Ordnung der Harmonischen.

Auswirkungen von Oberschwingungen: Oberschwingungsströme, die von einer nichtlinearen Last erzeugt werden, fließen von der Last in das Stromnetz. Diese Oberschwingungsströme beeinträchtigen die Leistung und Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems und können auch Sicherheitsprobleme verursachen. Oberschwingungen müssen klar lokalisiert, Quellen identifiziert und Korrekturmaßnahmen ergriffen werden, um diese Probleme zu vermeiden. Klirrfaktor (Klirrfaktor) kann gemäß Standard IEE-519 als berechnet werden:

Wobei hn die einzelnen Harmonischen n-ter Ordnung sind.

Quelle der Oberschwingungen: (1) Transformatoren ohne Last und leichte Lasten (2) Gesättigte Reaktoren (3) Thyristergesteuerte Motorantriebe (4) Lichtbogenöfen (5) Lichtbogenschweißgeräte (6) Leitungsöfen (7) Gasentladungsbeleuchtung – Niederdruck- / Hochdrucknatriumdampflampen (8) Quecksilberhochdruckdampflampen (9) CFL / Leuchtstoffröhren (10) Energieeinsparungsgeräte z. B. Sanftstarter, elektronisches Vorschaltgerät und Lüfterregler (11) Gleichrichter (12) USV (13) Statischer VAR-Kompensator (14) HGÜ-Übertragungssystem (15) Solarstrom umwandlung.

Warum man sich um Oberschwingungen sorgen muss: Spannungsverzerrungen sind im Allgemeinen sehr schädlich, da sie den effektiven Spitzenwert und auch den Effektivstrom in einigen an das Netzwerk angeschlossenen Geräten erhöhen können. Bei einem Kondensator nimmt die Impedanz drastisch ab, da sie umgekehrt proportional zur Frequenz ist. Unter normalen Umständen ist die Spannungsverzerrung im primären elektrischen Verteilungsnetz minimal und kann in der Regel aus praktischer Sicht ignoriert werden. Andererseits ist eine Verzerrung der Stromwellenform insbesondere dann üblich, wenn elektronische Geräte an das Netzwerk angeschlossen sind oder wenn nichtlineare Lasten angeschlossen sind. Stromverzerrungen verursachen im Allgemeinen eine Überhitzung aufgrund erhöhter Verluste und wirken sich auf alle elektrischen Maschinen, Transformatoren usw. aus. Dies führt zu einer Leistungsreduzierung der Ausrüstung. Die Höhe der Leistungsreduzierung hängt davon ab, welche Oberschwingungen vorhanden sind und wie groß der individuelle Strom und Widerstand ist.

Positive Sequenz harmonische Komponente würde ein Magnetfeld erzeugen, die in der gleichen Richtung wie die Grund dreht. Eine negative Sequenzharmonische würde das rotierende Magnetfeld in umgekehrter Richtung erzeugen. Die Nullfolge-Harmonische würde das Magnetfeld in keine Richtung drehen.

Oberschwingungsgrenzen: Abhängig vom Systemnetzwerk haben verschiedene Länder unterschiedliche Grenzwerte für die Festlegung der Toleranzwerte für harmonische Verzerrungen festgelegt. Die allgemein angewendeten Grenzbereiche sind nachstehend angegeben.

Es ist notwendig, die Grenzen der Oberschwingungserzeugungspegel festzulegen und für die Benutzer verbindlich zu machen. In unserem Land wurden diesbezüglich jedoch noch keine Vorschriften erlassen. Die Regelung gilt nur für die Variation der Nennspannung, die ± 10% und ± 2% der Frequenz beträgt.

Oberschwingungsstrom

Theoretischer Wert des Oberschwingungsstroms = I/h
I = Grundwert des Stroms
h = Ordnung der Oberschwingungen

Elektrische Wellenform mit harmonischer Verzerrung…

Oberschwingungseffekte an verschiedenen Bauteilen

1. Transformatoren:Oberschwingungen in Transformatoren führen zu einer Erhöhung der Eisen- und Kupferverluste. Spannungsverzerrungen erhöhen die Verluste durch Hysterese und Wirbelströme und verursachen eine Überbeanspruchung des verwendeten Isolationsmaterials. Der primäre Effekt der Oberschwingungen der Stromleitung im Transformator ist somit die zusätzliche erzeugte Wärme. Weitere Probleme sind mögliche Resonanzen zwischen der Transformatorinduktivität und der Systemkapazität, thermische Ermüdung durch Temperaturwechsel und mögliche Kernvibrationen.
2. Motor und Generatoren:Oberschwingungsspannung und -strom führen bei rotierenden Maschinen durch zusätzliche Eisen- und Kupferverluste bei Oberschwingungsfrequenzen zu erhöhter Erwärmung. Dies senkt den Maschinenwirkungsgrad und beeinflusst das entwickelte Drehmoment. Der Fluss von Oberschwingungsströmen im Stator induziert einen Stromfluss im Rotor. Dies führt zu Rotorerwärmung und pulsierendem oder reduziertem Drehmoment. Die Rotorerwärmung verringert den Wirkungsgrad und die Lebensdauer der Maschine, während pulsierende oder reduzierte Drehmomente zu mechanischen Schwingungen führen, die zu Wellenermüdung und erhöhter Alterung mechanischer Teile führen.

iii. Thyristerantriebe: AC-Frequenzumrichter mit Thyristerwandler führen bei langsamer Drehzahl im Allgemeinen zu einem schlechten Leistungsfaktor.

1. Stromkabel:Normale Oberschwingungsströme führen zu einer Erwärmung der Kabel. Kabel, die unter Systemresonanzbedingungen beteiligt sind, können jedoch Spannungsbeanspruchung und Korona ausgesetzt sein, was zu einem Isolationsversagen führen kann.
2. Messgeräte: Im Allgemeinen erzeugen Oberwellen, die in Induktionsmessgeräten fließen, zusätzliche Kopplungspfade, wodurch die Geschwindigkeit der Scheibe erhöht wird und somit die Kosten offensichtlich steigen.
3. Schaltgeräte und Relais:Oberschwingungsstrom erhöht die Erwärmung und Verluste in Schaltanlagen dort, indem seine normale Stromkapazität verringert und die Lebensdauer aufgrund von Spannungsbeanspruchung verkürzt wird.

vii. Erdung system und computer leistung: In eine 3 phase und neutral system-wenn 3rd harmonischen und vielfache sind erwartet, die neutral leiter größe sollte die gleiche größe wie die phase leiter größe.
Das Auflegen des Computers, das Verlieren von Anweisungen, Daten oder Fehlverhalten kann ebenso auf eine schlechte Stromqualität zurückzuführen sein. Die Erdung von Computergeräten sollte unabhängig sein und an einem Punkt in der Netzerdung befestigt sein – vorzugsweise nur am Eingangspunkt. Die Mehrpunkterdung führt die Kopplung mit verschiedenen anderen Geräten ein.

viii. Kommunikationsnetz: Die induktive Kopplung zwischen den Oberschwingungen enthaltenden Wechselstromübertragungsleitungen und dem benachbarten Kommunikationsnetz verursacht einen hohen Geräuschpegel.

1. Kondensator:Kondensatoren zur Leistungsfaktorkorrektur sind in Industrieanlagen immer vorhanden und am stärksten betroffen, wenn Oberschwingungen vorhanden sind. Kondensatoren erzeugen keine Oberschwingungen, sondern stellen eine Schleife für die mögliche Resonanz bereit. Die kapazitive Reaktanz nimmt mit der Frequenz ab, während die induktive Reaktanz direkt mit der Frequenz zunimmt. Bei der Resonanzfrequenz eines induktiven Kapazitätskreises (LC) entspricht die induktive Reaktanz der kapazitiven Reaktanz. In einem tatsächlichen elektrischen System, das einen Leistungsfaktorkorrekturkondensator verwendet, können sowohl Serien- als auch Parrelelresonanz und eine Kombination der beiden auftreten. Im Falle einer Reihenschaltung reduziert sich die Gesamtimpedanz bei der Resonanzfrequenz nur auf die Widerstandskomponente des Systems. Wenn diese Komponente klein ist, ergeben sich bei der Resonanzfrequenz hohe Stromgrößen. Im Falle einer Parallelschaltung ist die Gesamtimpedanz bei der Resonanzfrequenz sehr hoch (nähert sich hypothetisch unendlich), wenn also selbst von einer kleinen Quelle bei der Resonanzfrequenz angeregt wird; Ein hoher Umlaufstrom fließt zwischen dem Parallelkondensator und der Induktivität. Die Spannung an der Parallelkombination könnte ziemlich hoch sein. Folglich, wenn der Resonanzpunkt einer oder beider dieser Art von Schaltungen zufällig nahe an einer der Frequenzen liegt, die von den harmonischen Quellen in dem System erzeugt werden, kann das Ergebnis der Fluss einer übermäßigen Menge an harmonischem Strom und / oder das Auftreten einer übermäßigen harmonischen Spannung sein. Diese Ereignisse können Probleme wie Kondensatorbankausfälle verursachen; übermäßiger Betrieb der Kondensatorsicherung und dielektrischer Ausfall isolierter Kabel. In den meisten Niederspannungsinstallationen können die folgenden Richtlinien befolgt werden:
   1. Wenn die KVA der harmonischen erzeugenden Lasten weniger als 10% des Transformators beträgt, kann der KVA-Nennkondensator ohne Rücksicht auf die Resonanz installiert werden.
   2. Wenn das KVA der harmonischen erzeugenden Last kleiner als 30% der KVA-Bewertung ist und der Kondensator KVAR kleiner als 20% der Transformator-KVA-Bewertung ist, kann Kondensator ohne Sorge um die Resonanz installiert sein.
   3. Wenn die KVA der harmonischen erzeugenden Last mehr als 30% des Transformators beträgt, sollten KVA-Nennkondensatoren als Filter verwendet werden.
   Die obigen Richtlinien gelten, wenn Transformatoren mit einer Impedanz von 5 bis 6% verwendet werden und die Systemimpedanz am Transformatorfuß weniger als 1% beträgt.

Filter für Oberschwingungen

Für einen gesunden Betrieb des Stromversorgungssystems dienen zwei Dinge als Richtlinien:

1. Der Verbraucher ist dafür verantwortlich, die Stromverzerrung innerhalb zulässiger / akzeptabler Werte zu halten.
   2. Die Elektrizitätskarte ist dafür verantwortlich, die Spannungsverzerrung innerhalb zulässiger / akzeptabler Werte zu halten.
   Es gibt verschiedene Arten von Filtern:
   – Single tuned Filter.
   – Hochpass (erste, 2. oder dritte Ordnung usw.)

Ein Kondensator mit einer Serienreaktanz kann so ausgelegt sein, dass er auf eine bestimmte Harmonische abgestimmt ist. Es bietet fast eine null impedanz parallel pfad und absorbiert eine bestimmte harmonische. Bei der Grundfrequenz hilft es auch bei der Leistungsfaktorkorrektur. Somit wird überall dort, wo Filter benötigt werden, ein Teil der P.F. Kondensatorbank in ein Filter oder Filter umgewandelt. Eine Filterbank erhöht die Kosten für die Kondensatorinstallation aufgrund zusätzlicher Leistungsschalter und Drosseln.

Unerwünschter Oberschwingungsstrom wird daran gehindert, in das Stromnetz zu fließen, indem eine hohe Reihenimpedanz verwendet wird, um sie zu blockieren oder über einen niederohmigen Shunt-Pfad zu leiten.

Serie filter sollte entwickelt werden, um tragen volllast strom und sollte isoliert werden, um volle nennspannung der system, während shunt filter sind weniger teuer und bieten reaktiven entschädigung in grundlegende frequenz. Daher ist es im Allgemeinen bevorzugt, Shuntfilter zu verwenden.