Измерение гармоник на практике — анализатор качества сети, THD-I/THD-V и дерейтинг трансформатора по K-фактору

Руководство по гармоникам и предельным значениям THD рассматривает требование по THD из Netcode Elektriciteit для крупных потребителей. Данная статья идёт на шаг дальше: как гармонические искажения фактически измеряются на практике, и что делать с этим измерением, если задействован существующий трансформатор?

THD-I против THD-V: почему ток обычно является отправной точкой

THD-V (THD напряжения) описывает, насколько искажена форма напряжения в точке измерения — это результат совокупной нагрузки всей сети выше по потоку от этой точки и напрямую не указывает, какая именно нагрузка вызывает искажение. THD-I (THD тока) описывает искажение тока, потребляемого конкретной нагрузкой — частотный преобразователь, LED-драйвер или импульсный блок питания создаёт высокий THD-I независимо от того, насколько чистым является питающее напряжение. При поиске источника гармонических искажений в установке THD-I поэтому обычно является более полезной отправной точкой: он напрямую указывает на нагрузку, искажающую форму тока, тогда как THD-V в основном говорит о результирующем эффекте на всю сеть.

Метод измерения по IEC 61000-4-7

IEC 61000-4-7 устанавливает метод измерения гармоник и интергармоник:

• окно измерения 200 мс (10 периодов при 50 Гц), в пределах которого каждая гармоническая составляющая определяется методом анализа Фурье;
• гармоники до высокого порядка (как правило, до 40-й или 50-й) отображаются индивидуально, наряду с обобщённым значением THD;
• анализатор качества сети класса A (согласно IEC 61000-4-30) требуется для контрактных измерений или измерений при разрешении споров, где должна быть гарантирована точность и повторяемость измерений между разными приборами; более простой прибор класса S достаточен для ориентировочного обследования установки.

На практике токоизмерительный анализатор качества сети (например, серии Fluke 435 или аналогичный) подключается к каждому фазному проводнику — а в трёхфазной четырёхпроводной системе также и к нейтральному проводнику, — после чего прибор отображает гармоники тока и напряжения по каждой фазе.

K-фактор: что он говорит о существующем трансформаторе

Обычный трансформатор рассчитан на чисто синусоидальный ток нагрузки (K = 1). Нагрузки, потребляющие гармонический ток (частотные преобразователи, LED-драйверы, импульсные блоки питания), вызывают дополнительные тепловые потери в обмотках трансформатора — в частности, потери на вихревые токи, которые непропорционально сильно растут с порядком гармоники. K-фактор взвешивает каждую гармоническую составляющую тока пропорционально квадрату её порядка, тем самым показывая, насколько больше потерь на вихревые токи вызывает заданный ток нагрузки в трансформаторе по сравнению с чисто синусоидальным током того же действующего значения. Трансформаторы с рейтингом K (например, K-4, K-13, K-20) специально рассчитаны на то, чтобы выдерживать нагрузку с более высоким K-фактором без дополнительного дерейтинга, согласно IEEE C57.110.

Практическое применение: сравнение измеренного K-фактора с паспортным значением

Для существующего трансформатора, питающего растущее число частотных преобразователей, LED-освещения или других нелинейных нагрузок, практический вопрос заключается не только в том, превышена ли номинальная нагрузка в кВА, но и в том, остаётся ли фактический K-фактор тока нагрузки в пределах K-рейтинга трансформатора. Трансформатор, который с запасом укладывается в свою номинальную нагрузку в кВА, всё же может систематически перегреваться, если измеренный K-фактор нагрузки превышает паспортное значение трансформатора — ситуация, которую обычное измерение тока или мощности не выявляет, а измерение гармоник с расчётом K-фактора выявляет.

Практическая значимость

При жалобе на трансформатор, который нагревается сильнее ожидаемого без превышения номинальной нагрузки, или при расширении установки большим количеством частотных преобразователей или LED-освещения, измерение THD-I и K-фактора тока нагрузки — и сравнение этого значения с K-рейтингом на паспортной табличке трансформатора — является более прямой диагностикой, чем просто считывание тока в амперах.

Частые ошибки

1. Измерение только THD напряжения (THD-V) для поиска источника искажений — THD-V говорит о результирующем эффекте на сеть, а не о том, какая нагрузка вызывает искажение.
2. Использование прибора класса S для измерения, которое должно служить доказательством в контрактном споре — для этого требуется анализатор класса A согласно IEC 61000-4-30.
3. Отсутствие сравнения паспортного K-фактора трансформатора с измеренным K-фактором фактической нагрузки — трансформатор без рейтинга K (K=1), питающий нагрузку с высоким K-фактором, может перегреваться, несмотря на кажущийся достаточный запас по кВА.
4. Отсутствие измерения нейтрального проводника в трёхфазной четырёхпроводной системе со значительной нагрузкой третьей гармоники — см. руководство о нейтральном проводнике при нагрузке третьей гармоникой о том, почему это может быть отдельной проблемой.

Связанные материалы

• Гармоники и предельные значения THD для крупных потребителей
• Нейтральный проводник при нагрузке третьей гармоникой
• Измерение мощности и cosφ трёхфазными токоизмерительными клещами
• Коррекция коэффициента мощности (cosφ) при значительной двигательной нагрузке