Wyższe harmoniczne

Skąd się biorą wyższe harmoniczne i dlaczego są problemem?

W nowoczesnych instalacjach elektrycznych coraz częściej pojawia się problem, który na pierwszy rzut oka trudno powiązać z kompensacją mocy biernej.

Instalacja działa, kompensator jest zamontowany, a mimo to pojawiają się dziwne sytuacje – niestabilna praca układu, przepalające się źródła światła czy problemy z elektroniką.

Bardzo często przyczyną są właśnie wyższe harmoniczne.

Co to są wyższe harmoniczne?

W idealnych warunkach napięcie i prąd w sieci mają kształt sinusoidy.

W praktyce, ze względu na obecność nowoczesnych odbiorników, ten przebieg ulega zniekształceniu.

Wyższe harmoniczne to dodatkowe składowe prądu i napięcia, które „nakładają się” na podstawowy przebieg i powodują jego deformację.

Mówiąc prościej – zamiast ładnej, czystej sinusoidy mamy „poszarpany” przebieg.

Skąd się biorą wyższe harmoniczne?

Głównym źródłem wyższych harmonicznych są urządzenia elektroniczne, takie jak:

• zasilacze impulsowe
• oświetlenie LED
• falowniki np. w instalacjach fotowoltaicznych
• falowniki służące do sterowania silnikami
• systemy UPS

Im więcej takich urządzeń w instalacji, tym większe zniekształcenia.

Co w praktyce powodują wyższe harmoniczne?

Problem z wyższymi harmonicznymi polega na tym, że wprowadzają one do instalacji dodatkowe zniekształcenia, które mają realny wpływ na jej działanie.

W praktyce objawia się to m.in.:

• nagrzewaniem się przewodów i urządzeń
• przepalaniem źródeł światła LED
• problemami z elektroniką
• niestabilną pracą układów

I to właśnie dlatego można powiedzieć, że wyższe harmoniczne to jedno z większych „dziadostw” w nowoczesnych instalacjach.

Największy wpływ na pracę instalacji mają harmoniczne nieparzyste, takie jak 3., 5. czy 7.

W praktyce:

• 3. harmoniczna może powodować przeciążenie przewodu neutralnego
• 5. i 7. harmoniczna wpływają na pracę silników – mogą powodować dodatkowe straty i przegrzewanie

W praktyce wyższe harmoniczne mogą wpływać na pracę urządzeń w różny sposób – od dodatkowych strat, aż po pogorszenie pracy silników i zwiększone nagrzewanie się instalacji.

Prąd w przewodzie neutralnym – dlaczego może być większy niż w fazach?

W instalacjach trójfazowych często zakłada się, że prąd w przewodzie neutralnym jest niewielki lub wręcz zerowy. W praktyce jednak sytuacja wygląda inaczej.

Prąd w przewodzie neutralnym może pojawiać się z dwóch powodów:

1. Asymetria obciążenia

Jeżeli obciążenie poszczególnych faz nie jest równe, np. L1 = 30 A, L2 = 20 A, L3 = 10 A, w przewodzie neutralnym pojawia się prąd wynikający z różnicy między fazami.
W takim przypadku jego wartość nie przekracza największego prądu fazowego, więc zazwyczaj nie stanowi problemu dla przewodu neutralnego.

2. Wyższe harmoniczne (szczególnie 3. harmoniczna)

W nowoczesnych instalacjach, gdzie pracują zasilacze impulsowe, oświetlenie LED czy urządzenia elektroniczne, pojawiają się wyższe harmoniczne prądu.

Szczególnie istotna jest 3. harmoniczna, ponieważ:

• sumuje się w przewodzie neutralnym (zamiast się znosić jak prądy podstawowe),
• może powodować, że prąd w przewodzie N jest większy niż największy prąd w którejkolwiek z faz.

Dla przykładu, jeżeli obciążenie poszczególnych faz wynosi np. L1 = 30 A, L2 = 20 A, L3 = 10 A, to przy wysokiej wartości 3. harmonicznej, prąd w przewodzie N może znacznie przekroczyć wartość 30 A.

W skrajnych przypadkach prowadzi to do:

• przegrzewania przewodu neutralnego,
• przeciążenia instalacji mimo pozornie „normalnych” prądów fazowych,
• problemów z jakością energii.

Dlatego przy analizie instalacji nie wystarczy spojrzeć tylko na prądy fazowe – konieczna jest również analiza harmonicznych i prądu w przewodzie neutralnym.

W praktyce oznacza to, że przewód neutralny może być najbardziej obciążonym przewodem w całej instalacji – mimo że na pierwszy rzut oka wygląda na „najmniej obciążony”. Wynika to z faktu, że harmoniczne będące wielokrotnością trzeciej (tzw. harmoniczne zerowe) sumują się w przewodzie neutralnym zamiast się znosić.

W wielu obiektach, w których wykonywałem pomiary, prąd w przewodzie neutralnym był wyższy niż w którejkolwiek z faz – mimo że instalacja na pierwszy rzut oka wyglądała poprawnie. Jeżeli podczas pomiarów prąd w przewodzie N jest większy niż w którejkolwiek z faz, to w zdecydowanej większości przypadków mamy do czynienia z wysoką zawartością 3. harmonicznej.

Wpływ na kompensację

Wyższe harmoniczne mają również bardzo duży wpływ na działanie układów kompensacji mocy biernej.

Klasyczne baterie kondensatorów nie są projektowane do pracy w warunkach dużych zniekształceń, co może prowadzić do:

• przeciążenia kondensatorów
• ich uszkodzeń
• a nawet pogorszenia sytuacji zamiast jej poprawy

W efekcie układ kompensacji nie działa prawidłowo, mimo że teoretycznie jest dobrze dobrany.

Można zaprojektować bardzo dobrą baterię kondensatorów, która będzie idealnie kompensowała energię bierną indukcyjną, jednak bez informacji o poziomie wyższych harmonicznych w sieci takie urządzenie może ulec szybkiemu zużyciu, a nawet uszkodzeniu.

Przy wysokim poziomie wyższych harmonicznych konieczne jest stosowanie odpowiednich dławików filtrujących, które zabezpieczają kondensatory i stabilizują pracę układu. Takie rozwiązanie jest jednak droższe i zajmuje więcej miejsca, dlatego coraz większą popularność zyskują kompensatory aktywne, które są mniej wrażliwe na obecność wyższych harmonicznych.

W instalacjach, w których poziom wyższych harmonicznych jest wysoki, często konieczne jest zastosowanie dodatkowych filtrów. Coraz częściej funkcję tą częściowo przejmują kompensatory aktywne z wbudowaną filtracją. Nie poprawiają one jakości energii w całej sieci zakładu, ale odciążają transformator i stabilizują jego pracę, co w praktyce pozwala lepiej wykorzystać jego moc.

Wyższe harmoniczne to jeden z najczęściej pomijanych problemów w nowoczesnych instalacjach. Mogą one wpływać zarówno na działanie urządzeń, jak i skuteczność kompensacji mocy biernej.

Dlatego ich obecność powinna być zawsze uwzględniana podczas analizy instalacji i doboru odpowiedniego rozwiązania.

Podsumowanie

Wyższe harmoniczne to problem, który bardzo często pozostaje niezauważony, a ma realny wpływ na działanie całej instalacji.

Mogą powodować:

• awarie urządzeń
• przeciążenie instalacji
• przegrzewanie się przewodu N
• oraz nieprawidłową pracę układów kompensacji

W praktyce oznacza to, że nawet dobrze dobrany układ kompensacji może nie działać poprawnie, jeśli nie uwzględni się jakości energii w sieci.

Dlatego analiza wyższych harmonicznych powinna być stałym elementem diagnostyki instalacji, a nie dodatkiem wykonywanym „przy okazji”. Są one często przyczyną problemów, których nie da się wyjaśnić na podstawie samych faktur.

W praktyce wyższe harmoniczne są jedną z częstszych przyczyn problemów, których nie da się wyjaśnić na podstawie samych faktur.