Вимірювання гармонік на практиці — аналізатор якості мережі, THD-I/THD-V та дерейтинг трансформатора за K-фактором

Посібник про гармоніки та граничні значення THD розглядає вимогу щодо THD з Netcode Elektriciteit для великих споживачів. Ця стаття йде на крок далі: як гармонічні спотворення фактично вимірюються на практиці, і що робити з цим виміром, якщо задіяний наявний трансформатор?

THD-I проти THD-V: чому струм зазвичай є відправною точкою

THD-V (THD напруги) описує, наскільки спотворена форма напруги в точці вимірювання — це результат сукупного навантаження всієї мережі вище за течією від цієї точки і безпосередньо не вказує, яке саме навантаження спричиняє спотворення. THD-I (THD струму) описує спотворення струму, що споживається конкретним навантаженням — частотний перетворювач, LED-драйвер чи імпульсний блок живлення створює високий THD-I незалежно від того, наскільки чистою є напруга живлення. Під час пошуку джерела гармонічних спотворень в установці THD-I тому зазвичай є більш корисною відправною точкою: він безпосередньо вказує на навантаження, що спотворює форму струму, тоді як THD-V здебільшого говорить про результуючий ефект на всю мережу.

Метод вимірювання за IEC 61000-4-7

IEC 61000-4-7 встановлює метод вимірювання гармонік та інтергармонік:

• вікно вимірювання 200 мс (10 періодів при 50 Гц), у межах якого кожна гармонічна складова визначається методом аналізу Фур'є;
• гармоніки до високого порядку (як правило, до 40-ї чи 50-ї) відображаються індивідуально, поряд із узагальненим значенням THD;
• аналізатор якості мережі класу A (згідно з IEC 61000-4-30) потрібен для контрактних вимірювань чи вимірювань під час вирішення спорів, де має бути гарантована точність і повторюваність вимірювань між різними приладами; простіший прилад класу S достатній для орієнтовного обстеження установки.

На практиці струмовимірювальний аналізатор якості мережі (наприклад, серії Fluke 435 чи аналогічний) підключається до кожного фазного провідника — а в трифазній чотирипровідній системі також і до нейтрального провідника, — після чого прилад відображає гармоніки струму та напруги по кожній фазі.

K-фактор: що він говорить про наявний трансформатор

Звичайний трансформатор розрахований на суто синусоїдальний струм навантаження (K = 1). Навантаження, що споживають гармонічний струм (частотні перетворювачі, LED-драйвери, імпульсні блоки живлення), спричиняють додаткові теплові втрати в обмотках трансформатора — зокрема, втрати на вихрові струми, які непропорційно сильно зростають із порядком гармоніки. K-фактор зважує кожну гармонічну складову струму пропорційно квадрату її порядку, тим самим показуючи, наскільки більше втрат на вихрові струми спричиняє заданий струм навантаження в трансформаторі порівняно з суто синусоїдальним струмом того самого діючого значення. Трансформатори з рейтингом K (наприклад, K-4, K-13, K-20) спеціально розраховані на те, щоб витримувати навантаження з вищим K-фактором без додаткового дерейтингу, згідно з IEEE C57.110.

Практичне застосування: порівняння виміряного K-фактора з паспортним значенням

Для наявного трансформатора, що живить зростаючу кількість частотних перетворювачів, LED-освітлення чи інших нелінійних навантажень, практичне питання полягає не лише в тому, чи перевищено номінальне навантаження в кВА, а й у тому, чи залишається фактичний K-фактор струму навантаження в межах K-рейтингу трансформатора. Трансформатор, який із запасом укладається у своє номінальне навантаження в кВА, все ж може систематично перегріватися, якщо виміряний K-фактор навантаження перевищує паспортне значення трансформатора — ситуація, яку звичайне вимірювання струму чи потужності не виявляє, а вимірювання гармонік із розрахунком K-фактора виявляє.

Практична значущість

За скарги на трансформатор, що нагрівається сильніше, ніж очікувалося, без перевищення номінального навантаження, або за розширення установки великою кількістю частотних перетворювачів чи LED-освітлення, вимірювання THD-I та K-фактора струму навантаження — і порівняння цього значення з K-рейтингом на паспортній табличці трансформатора — є прямішою діагностикою, ніж просто зчитування струму в амперах.

Часті помилки

1. Вимірювання лише THD напруги (THD-V) для пошуку джерела спотворень — THD-V говорить про результуючий ефект на мережу, а не про те, яке навантаження спричиняє спотворення.
2. Використання приладу класу S для вимірювання, яке має слугувати доказом у контрактному спорі — для цього потрібен аналізатор класу A згідно з IEC 61000-4-30.
3. Відсутність порівняння паспортного K-фактора трансформатора з виміряним K-фактором фактичного навантаження — трансформатор без рейтингу K (K=1), що живить навантаження з високим K-фактором, може перегріватися, попри позірно достатній запас за кВА.
4. Відсутність вимірювання нейтрального провідника у трифазній чотирипровідній системі зі значним навантаженням третьої гармоніки — див. посібник про нейтральний провідник під час навантаження третьою гармонікою про те, чому це може бути окремою проблемою.

Пов'язане

• Гармоніки та граничні значення THD для великих споживачів
• Нейтральний провідник під час навантаження третьою гармонікою
• Вимірювання потужності та cosφ трифазними струмовимірювальними кліщами
• Корекція коефіцієнта потужності (cosφ) за значного двигунного навантаження