Pomiar harmonicznych w praktyce — analizator jakości sieci, THD-I/THD-V i derating transformatora wg K-faktora

Przewodnik o harmonicznych i granicznych wartościach THD omawia wymóg THD z Netcode Elektriciteit dla dużych odbiorców. Ten artykuł idzie o krok dalej: jak zniekształcenia harmoniczne są faktycznie mierzone w praktyce i co zrobić z tym pomiarem, gdy w grę wchodzi istniejący transformator?

THD-I kontra THD-V: dlaczego prąd jest zwykle punktem wyjścia

THD-V (THD napięcia) opisuje, jak bardzo zniekształcony jest przebieg napięcia w punkcie pomiarowym — jest to wynik łącznego obciążenia całej sieci powyżej tego punktu i nie wskazuje bezpośrednio, które odbiornik powoduje zniekształcenie. THD-I (THD prądu) opisuje zniekształcenie prądu pobieranego przez konkretny odbiornik — przemiennik częstotliwości, zasilacz LED lub zasilacz impulsowy generuje wysokie THD-I niezależnie od tego, jak czyste jest napięcie zasilające. Przy poszukiwaniu źródła zniekształceń harmonicznych w instalacji THD-I jest zatem zwykle bardziej użytecznym punktem wyjścia: wskazuje bezpośrednio na odbiornik zniekształcający przebieg prądu, podczas gdy THD-V mówi głównie o wynikowym efekcie na całą sieć.

Metoda pomiaru według IEC 61000-4-7

IEC 61000-4-7 określa metodę pomiaru harmonicznych i interharmonicznych:

• okno pomiarowe 200 ms (10 okresów przy 50 Hz), w ramach którego każda składowa harmoniczna jest wyznaczana metodą analizy Fouriera;
• harmoniczne aż do wysokiego rzędu (zazwyczaj do 40. lub 50.) są raportowane indywidualnie, obok zsumowanej wartości THD;
• analizator jakości sieci klasy A (zgodnie z IEC 61000-4-30) jest wymagany dla pomiarów kontraktowych lub rozstrzygających spory, gdzie dokładność i powtarzalność pomiarów między różnymi przyrządami musi być zagwarantowana; prostszy przyrząd klasy S wystarcza do orientacyjnego rozpoznania instalacji.

W praktyce cęgowy analizator jakości sieci (na przykład z serii Fluke 435 lub porównywalny) jest zaciskany na każdym przewodzie fazowym — a w układzie trójfazowym czteroprzewodowym również na przewodzie neutralnym — po czym przyrząd raportuje harmoniczne prądu i napięcia dla każdej fazy.

K-faktor: co mówi o istniejącym transformatorze

Zwykły transformator jest zaprojektowany dla czysto sinusoidalnego prądu obciążenia (K = 1). Odbiorniki pobierające prąd harmoniczny (przemienniki częstotliwości, zasilacze LED, zasilacze impulsowe) powodują dodatkowe straty cieplne w uzwojeniach transformatora — w szczególności straty wiroprądowe, które rosną nieproporcjonalnie wraz z rzędem harmonicznej. K-faktor waży każdą składową harmoniczną prądu proporcjonalnie do kwadratu jej rzędu, wyrażając tym samym, o ile większe straty wiroprądowe powoduje dany prąd obciążenia w transformatorze w porównaniu z czysto sinusoidalnym prądem o tej samej wartości skutecznej. Transformatory z oceną K (na przykład K-4, K-13, K-20) są specjalnie zaprojektowane, aby wytrzymać obciążenie o wyższym K-faktorze bez dodatkowego deratingu, zgodnie z IEEE C57.110.

Zastosowanie praktyczne: porównanie zmierzonego K-faktora z tabliczką znamionową

Dla istniejącego transformatora zasilającego rosnącą liczbę przemienników częstotliwości, oświetlenia LED lub innych odbiorników nieliniowych praktyczne pytanie nie dotyczy tylko tego, czy przekroczono znamionowe obciążenie w kVA, ale również tego, czy rzeczywisty K-faktor prądu obciążenia mieści się w granicach oceny K transformatora. Transformator, który z zapasem mieści się w swoim znamionowym obciążeniu kVA, może mimo to systematycznie przegrzewać się, jeśli zmierzony K-faktor obciążenia przekracza wartość znamionową transformatora — sytuacja, której zwykły pomiar prądu lub mocy nie ujawnia, ale pomiar harmonicznych z obliczeniem K-faktora tak.

Znaczenie praktyczne

Przy reklamacji dotyczącej transformatora, który nagrzewa się bardziej niż oczekiwano, mimo że nie przekroczono znamionowego obciążenia, lub przy rozbudowie instalacji o wiele przemienników częstotliwości lub oświetlenia LED, pomiar THD-I i K-faktora prądu obciążenia — oraz porównanie tej wartości z oceną K na tabliczce znamionowej transformatora — jest bardziej bezpośrednią diagnostyką niż samo odczytanie prądu w amperach.

Częste błędy

1. Mierzenie tylko THD napięcia (THD-V) w celu poszukiwania źródła zniekształceń — THD-V mówi o wynikowym efekcie na sieć, a nie o tym, który odbiornik powoduje zniekształcenie.
2. Użycie przyrządu klasy S do pomiaru, który ma służyć jako dowód w sporze kontraktowym — do tego wymagany jest analizator klasy A zgodnie z IEC 61000-4-30.
3. Brak porównania K-faktora z tabliczki znamionowej transformatora ze zmierzonym K-faktorem rzeczywistego obciążenia — transformator bez oceny K (K=1) zasilający obciążenie o wysokim K-faktorze może się przegrzewać mimo pozornie wystarczającego zapasu kVA.
4. Brak pomiaru przewodu neutralnego w układzie trójfazowym czteroprzewodowym ze znacznym obciążeniem trzecią harmoniczną — zob. przewodnik o przewodzie neutralnym przy obciążeniu trzecią harmoniczną dlaczego to konkretnie może być problemem.

Powiązane

• Harmoniczne i graniczne wartości THD dla dużych odbiorców
• Przewód neutralny przy obciążeniu trzecią harmoniczną
• Pomiar mocy i cosφ trójfazowym miernikiem cęgowym
• Korekcja współczynnika mocy (cosφ) przy znacznym obciążeniu silnikowym