전압 및 전류의 고조파가 전기 장비 작동에 미치는 영향

더 높은 전압 및 전류 고조파는 전력 시스템 및 통신 회선의 요소에 영향을 미칩니다.

고조파가 전력 시스템에 미치는 영향의 주요 형태는 다음과 같습니다.

• 병렬 및 직렬 공진으로 인한 더 높은 고조파의 전류 및 전압 증가;

• 생산, 전송, 전기 프로세스 사용의 효율성 감소;

• 전기 장비 절연체의 노후화 및 그로 인한 서비스 수명 감소;

• 장비의 잘못된 작동.

시스템에 대한 공진의 영향

전력 시스템의 공진은 일반적으로 커패시터, 특히 전력 커패시터 측면에서 고려됩니다. 전류의 고조파가 커패시터의 최대 허용 수준을 초과하면 후자는 성능을 저하시키지 않지만 잠시 후 실패합니다.

공진이 장비 손상을 유발할 수 있는 또 다른 영역은 배음 부하 제어 시스템입니다. 신호가 전원 커패시터에 의해 흡수되는 것을 방지하기 위해 해당 회로는 튜닝된 직렬 필터(필터-«노치»)로 분리됩니다. 국부 공진의 경우 전력 커패시터 회로의 전류 고조파가 급격히 증가하여 직렬 필터의 튜닝된 커패시터가 손상됩니다.

설치 중 하나에서 100A의 통과 전류로 530Hz의 주파수로 조정된 필터가 65kvar의 15개 섹션이 있는 전력 커패시터의 각 회로를 차단했습니다. 축전기 이 필터는 이틀 후에 실패했습니다. 그 이유는 동조 필터와 전원 커패시터 사이에 공진 조건이 설정된 바로 근처에 주파수가 350Hz인 고조파가 존재했기 때문입니다.

회전 기계에 대한 고조파의 영향

전압 및 전류 고조파는 고정자 권선, 회전자 회로, 고정자와 회전자 강철에서 추가 손실을 초래합니다. 맴돌이 전류와 표면 효과로 인한 고정자와 회전자 도체의 ​​손실은 옴 저항에 의해 결정되는 손실보다 큽니다.

고정자와 회전자의 종단 구역에서 고조파로 인해 발생하는 누설 전류는 추가 손실을 초래합니다.

고정자와 회전자에 맥동 자속이 있는 테이퍼형 회전자 유도 전동기에서 고조파가 높을수록 강철에서 추가 손실이 발생합니다. 이러한 손실의 크기는 슬롯의 경사각과 자기 회로의 특성에 따라 다릅니다.

고조파 손실의 평균 분포는 다음 데이터로 특징지어집니다. 고정자 권선 14%; 로터 체인 41%; 엔드 존 19%; 비대칭 웨이브 26%.

비대칭 파동 손실을 제외하고 동기식 기계에서의 분포는 거의 동일합니다.

동기 기계의 고정자에 있는 인접한 홀수 고조파는 회전자에서 동일한 주파수의 고조파를 유발한다는 점에 유의해야 합니다. 예를 들어, 고정자의 5차 및 7차 고조파는 회전자에서 서로 다른 방향으로 회전하는 6차 전류 고조파를 유발합니다. 선형 시스템의 경우 로터 표면의 평균 손실 밀도는 값에 비례하지만 회전 방향이 다르기 때문에 일부 지점의 손실 밀도는 값에 비례합니다 (I5 + I7) 2.

추가 손실은 회전 기계의 고조파로 인해 발생하는 가장 부정적인 현상 중 하나입니다. 이로 인해 기계의 전체 온도가 상승하고 국부 과열이 발생하며 대부분 로터에서 발생합니다. 농형 모터는 권선 회전자 모터보다 더 높은 손실과 온도를 허용합니다. 일부 지침에서는 발전기의 허용 가능한 역상분 전류 레벨을 10%로, 유도 전동기 입력의 역상분 전압 레벨을 2%로 제한합니다. 이 경우 고조파의 허용 오차는 생성되는 음의 시퀀스 전압 및 전류 수준에 따라 결정됩니다.

고조파에 의해 생성된 토크. 고정자 전류의 고조파는 해당 토크를 발생시킵니다. 고조파는 회전자의 회전 방향으로 양의 시퀀스를 형성하고 반대 방향으로 역 시퀀스를 형성합니다.

기계 고정자의 고조파 전류는 구동력을 발생시켜 고조파 자기장의 회전 방향으로 샤프트에 토크를 발생시킵니다. 그들은 일반적으로 매우 작고 반대 방향으로 인해 부분적으로 오프셋됩니다. 그러나 모터 샤프트가 진동할 수 있습니다.

정적 장비, 전력선에 대한 고조파의 영향. 라인의 전류 고조파는 전기 및 전압의 추가 손실을 초래합니다.

케이블 라인에서 전압 고조파는 진폭의 최대값 증가에 비례하여 유전체에 미치는 영향을 증가시킵니다. 이로 인해 케이블 고장 횟수와 수리 비용이 증가합니다.

EHV 라인에서 전압 고조파는 같은 이유로 코로나 손실을 증가시킬 수 있습니다.

변압기에 대한 고조파의 영향

전압 고조파는 권선 손실뿐만 아니라 변압기의 강철에서 히스테리시스 손실 및 와전류 손실을 증가시킵니다. 단열재의 수명도 단축됩니다.

권선 손실의 증가는 일반적으로 AC 측에 연결된 필터의 존재가 변압기의 전류 고조파를 감소시키지 않기 때문에 강압 변압기에서 가장 중요합니다. 따라서 대형 변압기를 설치해야 합니다. 변압기 탱크의 국부 과열도 관찰됩니다.

고전력 변압기에 대한 고조파 효과의 부정적인 측면은 델타 연결 권선에서 삼중 제로 시퀀스 전류의 순환입니다. 이것은 그들을 압도할 수 있습니다.

커패시터 뱅크에 대한 고조파의 영향

전기 커패시터의 추가 손실은 과열로 이어집니다. 일반적으로 커패시터는 특정 전류 과부하를 견디도록 설계됩니다. 영국에서 생산된 커패시터는 유럽과 호주에서 15%, 미국에서 30%, CIS에서 80%, CIS에서 30%의 과부하를 허용합니다. 이 값을 초과하면 커패시터 입력에서 더 높은 고조파의 전압이 증가한 조건에서 관찰되며 후자는 과열되어 실패합니다.

전력 시스템 보호 장치에 대한 고조파의 영향

고조파는 보호 장치의 작동을 방해하거나 작동을 손상시킬 수 있습니다. 위반의 성격은 장치 작동 원리에 따라 다릅니다. 이산 데이터 분석 또는 제로 크로싱 분석을 기반으로 하는 디지털 계전기 및 알고리즘은 특히 고조파에 민감합니다.

대부분의 경우 특성의 변화는 미미합니다. 대부분의 유형의 릴레이는 최대 20%의 왜곡 수준까지 정상적으로 작동합니다. 그러나 네트워크에서 전력 변환기의 점유율을 높이면 향후 상황이 바뀔 수 있습니다.

고조파로 인해 발생하는 문제는 일반 모드와 비상 모드에서 다르며 아래에서 별도로 설명합니다.

비상 모드에서 고조파의 영향

보호 장치는 일반적으로 기본 주파수 전압 또는 전류에 반응하며 과도 고조파는 필터링되거나 장치에 영향을 주지 않습니다. 후자는 특히 과전류 보호에 사용되는 전기 기계 계전기의 특징입니다. 이 계전기는 관성이 높기 때문에 더 높은 고조파에 실질적으로 둔감합니다.

더 중요한 것은 저항 측정에 기반한 보호 성능에 대한 고조파의 영향입니다. 저항이 기본 주파수에서 측정되는 거리 보호는 단락 전류(특히 3차)에서 더 높은 고조파가 존재하는 경우 심각한 오류를 유발할 수 있습니다. 높은 고조파 성분은 일반적으로 단락 전류가 접지를 통해 흐를 때 관찰됩니다(접지 저항이 전체 루프 저항을 지배함). 고조파가 필터링되지 않으면 오작동 가능성이 매우 높습니다.

금속 단락의 경우 전류는 기본 주파수에 의해 좌우됩니다. 그러나 트랜스포머의 포화로 인해 특히 1차 전류에 DC 성분이 큰 경우 2차 곡선 왜곡이 발생한다. 이 경우 보호 장치의 정상적인 작동을 보장하는 데에도 문제가 있습니다.

정상 상태 작동 조건에서 변압기 과여자와 관련된 비선형성은 홀수차 고조파만 유발합니다. 모든 종류의 고조파는 과도 모드에서 발생할 수 있으며 가장 큰 진폭은 일반적으로 2차 및 3차입니다.

그러나 적절한 디자인을 사용하면 나열된 대부분의 문제를 쉽게 해결할 수 있습니다. 올바른 장비를 선택하면 변압기 측정과 관련된 많은 어려움이 사라집니다.

특히 디지털 보호에서 고조파 필터링은 거리 보호에 가장 중요합니다. 디지털 필터링 방법 분야에서 수행된 작업은 그러한 필터링을 위한 알고리즘이 종종 매우 복잡하지만 원하는 결과를 얻는 것이 특별한 어려움을 나타내지 않는다는 것을 보여주었습니다.

전기 네트워크의 정상 작동 모드에서 보호 시스템에 대한 고조파의 영향. 정상 조건에서 모드 매개변수에 대한 보호 장치의 감도가 낮기 때문에 이러한 모드에서 고조파와 관련된 문제가 실질적으로 발생하지 않습니다. 예외는 자화 전류의 급증과 함께 네트워크에 강력한 변압기를 포함시키는 것과 관련된 문제입니다.

피크의 진폭은 변압기의 인덕턴스, 권선의 저항 및 전원이 켜지는 순간에 따라 달라집니다. 스위치를 켜기 전 순간의 잔류 자속은 순시 전압의 초기값에 대한 자속의 극성에 따라 진폭을 약간 증가시키거나 감소시킵니다. 자화 중에는 2차측에 전류가 없기 때문에 큰 1차 전류로 인해 차동 보호 장치가 잘못 트립될 수 있습니다.

오경보를 피하는 가장 쉬운 방법은 시간 지연을 사용하는 것이지만, 이는 켜져 있는 동안 사고가 발생하면 변압기에 심각한 손상을 줄 수 있습니다. 실제로 네트워크의 특징이 아닌 돌입 전류에 존재하는 두 번째 고조파는 보호를 차단하는 데 사용되지만 보호는 스위치를 켜는 동안 변압기의 내부 결함에 상당히 민감합니다.

소비자 장비에 대한 고조파의 영향

고조파가 텔레비전에 미치는 영향

피크 전압을 증가시키는 고조파는 이미지 왜곡 및 밝기 변화를 유발할 수 있습니다.

형광등 및 수은 램프. 이러한 램프의 안정기에는 때때로 커패시터가 포함되어 있으며 특정 조건에서 공진이 발생하여 램프 고장이 발생할 수 있습니다.

고조파가 컴퓨터에 미치는 영향

컴퓨터와 데이터 처리 시스템에 전원을 공급하는 네트워크에는 허용되는 왜곡 수준에 한계가 있습니다. 경우에 따라 공칭 전압의 백분율(컴퓨터 IVM의 경우 5%) 또는 평균값에 대한 피크 전압의 비율 형식으로 표시됩니다(CDC는 허용 한계를 1.41 ± 0.1로 설정함).

변환 장비에 대한 고조파의 영향

밸브 스위칭 중에 발생하는 정현파 전압의 노치는 제로 전압 곡선 동안 제어되는 다른 유사한 장비 또는 장치의 타이밍에 영향을 줄 수 있습니다.

사이리스터 제어 속도 장비에 대한 고조파의 영향

이론적으로 고조파는 여러 방식으로 이러한 장비에 영향을 미칠 수 있습니다.

• 사인파의 노치는 사이리스터의 오작동으로 인해 오작동을 일으킵니다.

• 전압 고조파는 실화를 일으킬 수 있습니다.

• 다양한 유형의 장비가 있을 때 발생하는 공진으로 인해 기계의 서지 및 진동이 발생할 수 있습니다.

위에서 설명한 영향은 동일한 네트워크에 연결된 다른 사용자가 느낄 수 있습니다. 사용자가 네트워크에서 사이리스터 제어 장비에 어려움이 없다면 다른 사용자에게 영향을 미치지 않을 것입니다. 서로 다른 버스에서 전원을 공급받는 소비자는 이론적으로 서로에게 영향을 미칠 수 있지만 전기적 거리는 그러한 상호 작용의 가능성을 줄입니다.

전력 및 에너지 측정에 대한 고조파의 영향

측정 장치는 일반적으로 순수한 정현파 전압으로 보정되며 더 높은 고조파가 있는 경우 불확실성이 증가합니다. 오차의 부호는 고조파의 방향에 따라 결정되기 때문에 고조파의 크기와 방향은 중요한 요소입니다.

고조파로 인한 측정 오류는 측정 장비의 유형에 크게 의존합니다. 기존의 유도 측정기는 일반적으로 사용자에게 왜곡의 원인이 있는 경우 판독값을 몇 퍼센트(각각 6%) 과대 평가합니다. 이러한 사용자는 네트워크에 왜곡을 도입한 것에 대해 자동으로 불이익을 받게 되므로 이러한 왜곡을 억제하는 적절한 수단을 확립하는 것이 그들 자신의 이익입니다.

피크 부하 측정의 정확도에 대한 고조파의 영향에 대한 정량적 데이터는 없습니다. 피크 부하 측정의 정확도에 대한 고조파의 영향은 에너지 측정의 정확도와 동일하다고 가정합니다.

전류 및 전압 곡선의 모양에 관계없이 정확한 에너지 측정은 비용이 더 많이 드는 전자 계량기에 의해 제공됩니다.

고조파는 정현파 전류 및 전압의 경우에만 명확하게 정의되는 무효 전력 측정의 정확도와 역률 측정의 정확도 모두에 영향을 미칩니다.

실험실에서 장비의 검사 및 교정 정확도에 대한 고조파의 영향은 거의 언급되지 않지만 문제의 이러한 측면도 중요합니다.

통신 회로에 대한 고조파의 영향

전원 회로의 고조파는 통신 회로에 노이즈를 발생시킵니다.낮은 수준의 소음은 증가함에 따라 약간의 불편 함을 유발하고 전송 된 정보의 일부가 손실되며 극단적 인 경우 통신이 완전히 불가능합니다. 이와 관련하여 전원 공급 및 통신 시스템의 기술 변화에 따라 전력선이 전화선에 미치는 영향을 고려할 필요가 있습니다.

전화선 잡음에 대한 고조파의 영향은 고조파의 차수에 따라 다릅니다. 평균적으로 전화 - 사람의 귀에는 1kHz 정도의 주파수에서 최대 값을 갖는 감도 기능이 있습니다. 잡음에 대한 다양한 고조파의 영향을 평가하기 위해 c. 휴대전화는 특정 가중치로 취한 고조파의 합인 계수를 사용합니다.두 가지 계수가 가장 일반적입니다: psophometric weighting 및 C-transmission. 첫 번째 요소는 CCITT(International Consultative Committee on Telephone and Telegraph Systems)에서 개발했으며 유럽에서 사용되고 두 번째 요소는 Bella Telephone Company와 Edison Electrotechnical Institute에서 미국과 캐나다에서 사용됩니다.

3상의 고조파 전류는 진폭과 위상각의 불평등으로 인해 서로를 완전히 보상하지 못하고 결과적인 제로 시퀀스 전류(견인 시스템의 접지 전류 및 접지 전류와 유사)로 통신에 영향을 미칩니다.

위상 도체에서 인근 통신 회선까지의 거리 차이로 인해 위상 자체의 고조파 전류로 인해 영향을 받을 수도 있습니다.

이러한 유형의 영향은 라인 추적을 적절하게 선택하여 완화할 수 있지만 피할 수 없는 라인 교차의 경우 이러한 영향이 발생합니다.특히 전력선의 배선이 수직으로 배열된 경우와 통신선의 배선이 전력선 부근에서 서로 뒤바뀔 때 강하게 나타난다.

라인 사이의 먼 거리(100m 이상)에서 주요 영향 요소는 제로 시퀀스 전류로 밝혀졌습니다. 전력선의 공칭 전압이 감소하면 영향이 감소하지만 저전압 전력선 및 통신선을 배치하기 위해 공통 지지대 또는 트렌치를 사용하기 때문에 눈에 띄게 나타납니다.