Influenza delle armoniche superiori di tensione e corrente sul funzionamento delle apparecchiature elettriche

Le armoniche di tensione e corrente più elevate influenzano gli elementi dei sistemi di alimentazione e delle linee di comunicazione.

Le principali forme di influenza delle armoniche superiori sui sistemi di potenza sono:

• aumento di correnti e tensioni di armoniche superiori dovuto a risonanze parallele e serie;

• ridurre l'efficienza dei processi di produzione, trasmissione, utilizzo dell'energia elettrica;

• invecchiamento dell'isolamento delle apparecchiature elettriche e conseguente riduzione della loro durata;

• falso funzionamento dell'apparecchiatura.

Influenza delle risonanze sui sistemi

Le risonanze nei sistemi di alimentazione sono generalmente considerate in termini di condensatori, in particolare condensatori di potenza. Quando le armoniche della corrente superano i livelli massimi consentiti per i condensatori, questi ultimi non deteriorano le loro prestazioni, ma si guastano dopo un po'.

Un'altra area in cui le risonanze possono causare danni alle apparecchiature è nei sistemi di controllo del carico armonico. Per evitare che il segnale venga assorbito dai condensatori di potenza, i loro circuiti sono separati da un filtro in serie accordato (filtro-«notch»). In caso di risonanza locale, le armoniche della corrente nel circuito del condensatore di potenza aumentano bruscamente, il che porta al danneggiamento del condensatore sintonizzato del filtro in serie.

In una delle installazioni, filtri sintonizzati su una frequenza di 530 Hz con una corrente passante di 100 A hanno bloccato ogni circuito di un condensatore di potenza che aveva 15 sezioni da 65 kvar. Condensatori questi filtri hanno fallito dopo due giorni. Il motivo era la presenza di un'armonica con una frequenza di 350 Hz, nelle immediate vicinanze della quale si stabilivano condizioni di risonanza tra il filtro accordato ei condensatori di potenza.

Effetto delle armoniche sulle macchine rotanti

Le armoniche di tensione e corrente portano a perdite aggiuntive negli avvolgimenti dello statore, nei circuiti del rotore e nell'acciaio dello statore e del rotore. Le perdite nei conduttori dello statore e del rotore dovute alle correnti parassite e all'effetto superficiale sono maggiori di quelle determinate dalla resistenza ohmica.

Le correnti di dispersione causate dalle armoniche nelle zone terminali dello statore e del rotore portano a ulteriori perdite.

In un motore a induzione a rotore conico con flusso magnetico pulsante nello statore e nel rotore, le armoniche superiori causano ulteriori perdite nell'acciaio. L'entità di queste perdite dipende dall'angolo di inclinazione delle fessure e dalle caratteristiche del circuito magnetico.

La distribuzione media delle perdite da armoniche superiori è caratterizzata dai seguenti dati; avvolgimento statorico 14%; catene del rotore 41%; end zone 19%; onda asimmetrica 26%.

Fatta eccezione per le perdite d'onda asimmetriche, la loro distribuzione nelle macchine sincrone è approssimativamente la stessa.

Va notato che le armoniche dispari adiacenti nello statore di una macchina sincrona causano armoniche della stessa frequenza nel rotore. Ad esempio, la 5a e la 7a armonica nello statore causano armoniche di corrente del 6o ordine nel rotore, che ruotano in direzioni diverse. Per i sistemi lineari, la densità di perdita media sulla superficie del rotore è proporzionale al valore, ma a causa del diverso senso di rotazione, la densità di perdita in alcuni punti è proporzionale al valore (I5 + I7) 2.

Le perdite aggiuntive sono uno dei fenomeni più negativi causati dalle armoniche nelle macchine rotanti. Portano ad un aumento della temperatura complessiva della macchina e al surriscaldamento locale, molto probabilmente nel rotore. I motori a gabbia di scoiattolo consentono perdite e temperature maggiori rispetto ai motori a rotore avvolto. Alcune linee guida limitano il livello di corrente di sequenza inversa consentito nel generatore al 10% e il livello di tensione di sequenza inversa agli ingressi del motore a induzione al 2%. La tolleranza delle armoniche in questo caso è determinata dai livelli di tensioni e correnti di sequenza negativa che creano.

Le coppie generate dalle armoniche. Le armoniche della corrente nello statore danno origine alle coppie corrispondenti: armoniche che formano una sequenza positiva nel senso di rotazione del rotore e formano una sequenza inversa nel senso opposto.

Le correnti armoniche nello statore della macchina provocano una forza motrice, che porta alla comparsa di coppie sull'albero nella direzione di rotazione del campo magnetico armonico. Di solito sono molto piccoli e sono anche parzialmente sfalsati a causa della direzione opposta. Tuttavia, possono far vibrare l'albero motore.

Influenza delle armoniche su apparecchiature statiche, linee elettriche. Le armoniche di corrente nelle linee portano a ulteriori perdite di elettricità e tensione.

Nelle linee in cavo le armoniche di tensione aumentano l'effetto sul dielettrico in proporzione all'aumento del valore massimo dell'ampiezza. Ciò a sua volta aumenta il numero di guasti ai cavi e i costi di riparazione.

Nelle linee EHV, le armoniche di tensione possono causare un aumento delle perdite corona per lo stesso motivo.

Influenza delle armoniche superiori sui trasformatori

Le armoniche di tensione provocano un aumento delle perdite per isteresi e delle perdite per correnti parassite nell'acciaio dei trasformatori, nonché delle perdite degli avvolgimenti. Anche la durata dell'isolamento è ridotta.

L'aumento delle perdite di avvolgimento è molto importante in un trasformatore step-down perché la presenza di un filtro, solitamente collegato al lato AC, non riduce le armoniche di corrente nel trasformatore. Pertanto, è necessario installare un grande trasformatore di potenza. Si osserva anche il surriscaldamento locale del serbatoio del trasformatore.

Un aspetto negativo dell'effetto delle armoniche sui trasformatori ad alta potenza è la circolazione della tripla corrente di sequenza zero negli avvolgimenti collegati a triangolo. Questo può sopraffarli.

Influenza delle armoniche superiori sui banchi di condensatori

Le perdite aggiuntive nei condensatori elettrici portano al loro surriscaldamento. In generale, i condensatori sono progettati per sopportare un certo sovraccarico di corrente. I condensatori prodotti in Gran Bretagna consentono un sovraccarico del 15%, in Europa e in Australia - 30%, negli Stati Uniti - 80%, nella CSI - 30%. Quando questi valori vengono superati, osservati in condizioni di aumento della tensione di armoniche superiori agli ingressi dei condensatori, questi ultimi si surriscaldano e si guastano.

Influenza delle armoniche superiori sui dispositivi di protezione del sistema di alimentazione

Le armoniche possono interferire con il funzionamento dei dispositivi di protezione o comprometterne il funzionamento. La natura della violazione dipende dal principio di funzionamento del dispositivo. I relè digitali e gli algoritmi basati sull'analisi dei dati discretizzati o sull'analisi zero-crossing sono particolarmente sensibili alle armoniche.

Molto spesso, i cambiamenti nelle caratteristiche sono minori. La maggior parte dei tipi di relè funzionerà normalmente fino a un livello di distorsione del 20%. Tuttavia, l'aumento della quota di convertitori di potenza nelle reti potrebbe cambiare la situazione in futuro.

I problemi derivanti dalle armoniche sono diversi per le modalità normale e di emergenza e sono discussi separatamente di seguito.

Impatto delle armoniche nelle modalità di emergenza

I dispositivi di protezione di solito rispondono alla tensione o alla corrente della frequenza fondamentale e qualsiasi armonica transitoria viene filtrata o non influisce sul dispositivo. Quest'ultimo è caratteristico dei relè elettromeccanici, particolarmente utilizzati nella protezione da sovracorrente. Questi relè hanno un'elevata inerzia, che li rende praticamente insensibili alle armoniche superiori.

Più significativa è l'influenza delle armoniche sulle prestazioni di protezione basate sulla misurazione della resistenza. La protezione a distanza, dove la resistenza è misurata alla frequenza fondamentale, può dare errori significativi in ​​presenza di armoniche superiori nella corrente di cortocircuito (soprattutto del 3° ordine). Di solito si osserva un contenuto armonico elevato quando la corrente di cortocircuito attraversa la terra (la resistenza di terra domina la resistenza totale del circuito). Se le armoniche non vengono filtrate, la probabilità di un falso funzionamento è molto alta.

Nel caso di un cortocircuito metallico, la corrente è dominata dalla frequenza fondamentale. Tuttavia, a causa della saturazione del trasformatore, si verifica una distorsione della curva secondaria, specialmente nel caso di una grande componente CC nella corrente primaria. In questo caso, sorgono anche problemi nel garantire il normale funzionamento della protezione.

In condizioni operative stazionarie, la non linearità associata alla sovraeccitazione del trasformatore provoca solo armoniche di ordine dispari. Tutti i tipi di armoniche possono verificarsi in modalità transitorie, con le ampiezze maggiori che di solito sono la 2a e la 3a.

Tuttavia, con una corretta progettazione, la maggior parte dei problemi elencati può essere facilmente risolta. La scelta dell'attrezzatura giusta elimina molte delle difficoltà associate alla misurazione dei trasformatori.

Il filtraggio delle armoniche, specialmente nelle protezioni digitali, è molto importante per la protezione a distanza. Il lavoro svolto nel campo dei metodi di filtraggio digitale ha dimostrato che, sebbene gli algoritmi per tale filtraggio siano spesso piuttosto complessi, ottenere il risultato desiderato non presenta particolari difficoltà.

L'influenza delle armoniche sui sistemi di protezione durante le normali modalità operative delle reti elettriche. La bassa sensibilità dei dispositivi di protezione ai parametri di modo in condizioni normali porta alla pratica assenza di problemi associati alle armoniche in questi modi. Un'eccezione è il problema associato all'inclusione di potenti trasformatori nella rete, accompagnato da un aumento della corrente magnetizzante.

L'ampiezza del picco dipende dall'induttanza del trasformatore, dalla resistenza dell'avvolgimento e dal momento in cui si accende l'accensione. Il flusso residuo all'istante prima dell'accensione aumenta o diminuisce leggermente l'ampiezza, a seconda della polarità del flusso rispetto al valore iniziale della tensione istantanea. Poiché non c'è corrente sul lato secondario durante la magnetizzazione, una grande corrente primaria può causare un falso intervento della protezione differenziale.

Il modo più semplice per evitare falsi allarmi è utilizzare un ritardo, ma questo può causare seri danni al trasformatore se si verifica un incidente mentre è acceso. In pratica la seconda armonica presente nella corrente di spunto, insolita per le reti, viene utilizzata per bloccare la protezione, anche se la protezione rimane abbastanza sensibile ai guasti interni del trasformatore durante l'accensione.

Effetto delle armoniche sulle apparecchiature di consumo

L'influenza delle armoniche superiori sui televisori

Le armoniche che aumentano la tensione di picco possono causare la distorsione dell'immagine e il cambiamento di luminosità.

Lampade fluorescenti e al mercurio. I reattori di queste lampade a volte contengono condensatori e in determinate condizioni possono verificarsi risonanze, con conseguente guasto della lampada.

Effetto delle armoniche superiori sui computer

Esistono limiti ai livelli di distorsione consentiti nelle reti che alimentano computer e sistemi di elaborazione dati. In alcuni casi, sono espressi come percentuale della tensione nominale (per un computer IVM — 5%) o sotto forma di rapporto tra la tensione di picco e il valore medio (CDC fissa i limiti consentiti a 1,41 ± 0,1).

L'influenza delle armoniche superiori sulla conversione delle apparecchiature

Le tacche nella tensione sinusoidale che si verificano durante la commutazione della valvola possono influenzare la temporizzazione di altre apparecchiature o dispositivi simili controllati durante la curva di tensione zero.

L'influenza delle armoniche superiori sulle apparecchiature a velocità controllata da tiristori

In teoria, le armoniche possono influenzare tali apparecchiature in diversi modi:

• le tacche della sinusoide provocano un malfunzionamento dovuto alla mancata accensione dei tiristori;

• le armoniche di tensione possono causare mancate accensioni;

• la risonanza risultante in presenza di vari tipi di apparecchiature può portare a sovratensioni e vibrazioni delle macchine.

Gli impatti sopra descritti possono essere avvertiti da altri utenti connessi alla stessa rete. Se l'utente non ha difficoltà con le apparecchiature controllate da tiristori nelle proprie reti, è improbabile che ciò influisca su altri utenti. I consumatori alimentati da autobus diversi possono teoricamente influenzarsi a vicenda, ma la distanza elettrica riduce la probabilità di tale interazione.

Effetto delle armoniche sulle misure di potenza ed energia

I dispositivi di misura sono solitamente calibrati su tensioni sinusoidali pure e aumentano l'incertezza in presenza di armoniche più elevate. L'ampiezza e la direzione delle armoniche sono fattori importanti perché il segno dell'errore è determinato dalla direzione delle armoniche.

Gli errori di misura causati dalle armoniche dipendono fortemente dal tipo di strumenti di misura. I misuratori a induzione convenzionali in genere sovrastimano le letture di una piccola percentuale (6% ciascuna) se l'utente ha una fonte di distorsione. Tali utenti sono automaticamente penalizzati per l'introduzione di distorsioni nella rete, quindi è nel loro interesse stabilire mezzi adeguati per sopprimere tali distorsioni.

Non ci sono dati quantitativi sull'influenza delle armoniche sulla precisione della misurazione del carico di picco. Si presume che l'influenza delle armoniche sulla precisione della misurazione del carico di picco sia la stessa che sulla precisione della misurazione dell'energia.

La misurazione accurata dell'energia, indipendentemente dalla forma delle curve di corrente e tensione, è fornita dai contatori elettronici, che hanno un costo maggiore.

Le armoniche influenzano sia l'accuratezza della misura della potenza reattiva, che è chiaramente definita solo nel caso di correnti e tensioni sinusoidali, sia l'accuratezza della misura del fattore di potenza.

L'influenza delle armoniche sull'accuratezza dell'ispezione e della calibrazione degli strumenti nei laboratori è raramente menzionata, sebbene anche questo aspetto della questione sia importante.

L'influenza delle armoniche sui circuiti di comunicazione

Le armoniche nei circuiti di potenza causano disturbi nei circuiti di comunicazione.Un basso livello di rumore porta a un certo disagio, poiché aumenta, parte delle informazioni trasmesse viene persa, in casi estremi la comunicazione diventa completamente impossibile. A questo proposito, con eventuali cambiamenti tecnologici nell'alimentazione e nei sistemi di comunicazione, è necessario tenere conto dell'influenza delle linee elettriche sulle linee telefoniche.

L'effetto delle armoniche sul rumore della linea telefonica dipende dall'ordine delle armoniche. In media, il telefono - l'orecchio umano ha una funzione di sensibilità con un valore massimo a una frequenza dell'ordine di 1 kHz. Valutare l'influenza delle varie armoniche sul rumore c. il telefono utilizza coefficienti, che sono la somma delle armoniche prese con determinati pesi.Due coefficienti sono i più comuni: ponderazione psofometrica e trasmissione C. Il primo fattore è stato sviluppato dall'International Consultative Committee on Telephone and Telegraph Systems (CCITT) ed è utilizzato in Europa, il secondo - dalla Bella Telephone Company e dall'Edison Electrotechnical Institute - è utilizzato negli Stati Uniti e in Canada.

Le correnti armoniche nelle tre fasi non si compensano completamente a causa della disuguaglianza di ampiezze e angoli di fase e influenzano le telecomunicazioni con la conseguente corrente di sequenza zero (simile alle correnti di guasto a terra e alle correnti di terra dei sistemi di trazione).

L'influenza può essere causata anche da correnti armoniche nelle fasi stesse a causa della differenza di distanza dei conduttori di fase dalle vicine linee di telecomunicazione.

Questi tipi di influenze possono essere mitigati da un'adeguata selezione delle tracce di linea, ma nel caso di inevitabili attraversamenti di linea si verificano tali influenze.Si manifesta particolarmente fortemente nel caso di una disposizione verticale dei fili della linea elettrica e quando i fili della linea di comunicazione sono trasposti in prossimità della linea elettrica.

A grandi distanze (più di 100 m) tra le linee, il principale fattore di influenza risulta essere la corrente a sequenza zero. Quando la tensione nominale della linea elettrica diminuisce, l'influenza diminuisce, ma risulta essere evidente a causa dell'uso di supporti o trincee comuni per la posa di linee elettriche a bassa tensione e linee di comunicazione.