The rich contents site of the Society of Electrical and Electronics Engineers in Israel 2002

נזקי הרמוניות בשנאים

מנחם ברכהולץ

עומסים ממותגים, כגון ווסתי מהירות, תאורות חכמות, וספקי כוח ממותגים, גורמים לעיוותים בגל הזרם שמוביל לעיוותים בגל המתח, תופעה המוכרת כ"הרמוניות". מהפכת האלקטרוניקה התעשייתית הובילה את העולם המודרני למצב בו בכל מתקן חשמלי אפשר למצוא כמות משמעותית של הרמוניות המחייבת התייחסות הן בשלב התכנון והן בשלב התפעול של המתקן. המאמר מתמקד באחד מעקבי אכילס של הרמוניות – השנאי, ובעיקר בשאלת הנזקים שנגרמים לשנאי כתוצאה מהרמוניות, כיצד למדוד את ההשפעה ההרמוניות ופתרונות אפשריים למניעת ומזעור הנזקים לשנאי .

מה זה הרמוניות

"הרמוניות" גלים בתדרים שהם כפולה של מספר טבעי 1, 2, 3 .... בתדר הבסיס 50 הרץ (100 הרץ, 150 הרץ וכו'), התוצרים הם הרמוניות מתח וזרם שהם גלי מתח וזרם בהתאמה. עוצמה (אמפליטודה) יחסית או מוחלטת ופאזה הינם הפרמטרים לתיאור הרמוניות, כאשר ברוב המקרים מתייחסים לאמפליטודה בלבד.

תקנים שונים ממליצים או מחייבים על ספים מרביים של הרמוניות מסוימות. לדוגמה, ת"י 50160 מגדיר את הספים הבאים להרמוניות במתח (התקן אינו מגדיר ספים להרמוניות הזרם):

בנוסף, על מנת לפשט את ההתאמה לרמות התקן הוגדר סף המשכלל את ס"כ ההרמוניות, העיוות ההרמוני הכולל (THD) מתח (זרם). העיוות ההרמוני הכולל (THD) מחושב ע"י הנוסחה הבאה (X יכול להיות מתח או זרם):

פרמטר ה-THD מציג את מידת השונות שבין גל המתח/זרם המעוות ביחס לגל מתח/זרם אידיאלי לחילופין הרמוניה ראשונה. בעוד שערך המתח בהרמוניה ראשונה קבוע בקירוב (משתנה כ- ±10%), הרי שהשינויים בזרם הם תלויי זמן, עומס ושיא ביקוש . כתוצאה מכך, יכול להיות מצב בו הקטנת הזרם בהרמוניה ראשונה, בד"כ בשעות הלילה, יגרום לפרמטר THD לקבל ערכים גבויים ללא שינוי ברמת ב ההרמוניות. ע"מ למנוע את הבעיה משתמשים בפרמטר נוסף:  Total Demand Distortion=TDD

תקן IEEE 519-1992, טבלה 10.2 עיוות הרמוני מתח, טבלה 10.3 עיוות הרמוני זרם

 נזקים מהרמוניות

הרמוניות גורמות נזקים רבים לציוד המותקן ברשת החשמל. חלק מהנזקים משוייכים בטעות לסיבות שונות ואחרות, וחלק מהנזקים הם שילוב עם תופעות אחרות. בין שאר נזקי הרמוניות ניתן למצוא:

1. חימום יתר (תופעת הקרום)

2. הגדלת הפסדים

3. הפעלת הגנות

4. בעיות "לא מוסברות"

5. כוחות נגדיים הפועלים בתוך מנועים

6. הגדלת הסיכון לשריפות

לדוגמה, הפעלת הגנות עשויה להיגרם עקב תקלת אמת (פעולה רצויה), עקב זיהוי שגוי כתוצאה מהרמוניות (פעולה לא רצויה) או כשל בהפעלת ההגנות העלולה להסתיים בשריפת שנאי (ראה תמונה); בד"כ שילוב של עומס יתר והרמוניות, אך יכולה גם להיגרם מתקלה בשנאי.

כיצד להעריך את הנזקים בשנאים

הנזקים העלולים להיגרם בשנאי להרמוניות הינם שלושה ובעלי קשר הדוק זה לזה:

1. הגדלת הפסדים מוביל ל-

2. חימום יתר מוביל ל-

3. הגדלת הסיכון לשריפות

הפחתה של ההפסדים הנוספים תקטין את חימום ליפופי וגרעין השנאי (שמן במקרה של שנאי טבול) ותקטין את הסיכוי לגרימת נזק לבידוד השנאי ולשריפה של .
למעשה, ישנם שלושה פרמטרים עיקריים שמשפיעים על הפוטנציאל לנזקים הללו:

1. מאפייני השנאי

2. שיעור ההעמסה

3. הרמוניות

את מאפייני השנאי ניתן לקבוע בעת תיכנון/הקמת המתקן, בעוד ששיעור ההעמסה וההרמוניות דינמיים הרבה יותר.

מאפייני השנאי

הפרמטר שמעניין אותנו הוא הפסדי השנאי הנומינליים כפי שנקבעו ע"י היצרן. הפסדי השנאי כוללים שני מרכיבים, הפסדים קבועים בריקם (P0) כאלה שאינם אינם תלויים בהעמסת השנאי, והפסדי העומס (PL). הפסדי העומס כוללים שני מרכיבים, הפסדי נחושת (IČR) והפסדי הגרעין (Core) התלויים בהעמסת השנאי; ככל שהעומס יגדל כן ירבו הפסדי העומס.

דוגמא - שנאי חלוקה טבול בשמן בהספק נקוב של 1600kVA, מתח 22/04kV, תדר 50Hz ליפופי השנאי עשויים נחושת; הפסדים בריקם 1.7kW, הפסדים בעומס מלא 16.7kW (מקור - Data Sheet).

=

P0– הפסדים בריקם
PL– הפסדי העומס
a
– היחס S/Sn

הפסדי ריקם - קבועים ואינם קשורים להעמסת השנאי - 1.7kW x 8760h = 14,862kWh
הפסדי העומס - כתלות בהעמסת השנאי (העמסה 50%)  - 16.7kW x 8760h = 36,573kWh
סה"כ הפסדים - שנה אחת (8760 שעות) בערך 51,465kWh .

ההפסדים הנ"ל הינם ללא נוכחות הרמוניות, אולם כאמור כיום אין מתקן ללא הרמוניות ולכן יש לבדוק כיצד משפיעות ההרמוניות על ההפסדים בשנאי. ישנם מספר תקנים ומדריכים לבחינה של השפעת ההרמוניות על ההפסדים והמכנה המשותף שלהם הוא:

הפסדים קבועים (ריקם) אינם תלויים בזרם . לעומת זאת, הפסדי העומס תלויים בזרם האפקטיבי (RMS) ומגדילים את הפסדי הנחושת, ובנוסף ההרמוניות תורמות להגדלת ההפסדים הנוספים בליפופי השנאי והגרעין ביחס לריבוע התדר ומספר ההרמוניה. כלומר זרם בהרמוניה חמישית גורם להפסדים ונזקים גדולים יותר מאותו זרם בהרמוניה שלישית. עבור חלק מההפסדים מדובר בהגדלת ההפסדים ביחס ישר להרמוניה (כלומר זרם בהרמוניה חמישית מזיק פי 1.66 מזרם בהרמוניה שלישית) ועבור חלק מההפסדים מדובר ביחס ריבועי להרמוניה (כלומר זרם בהרמוניה חמישית מזיק פי 2.77=25/9 מזרם בהרמוניה שלישית).

ישנן שלוש שיטות להתייחסות להרמוניות בשנאים:

1. ברמת התיכנון: תקן IEEE 519-1992 להרמוניות ותקן UL1561/IEC 61378-1 מגדיר פרמטר k-Factor



W
here
h = harmonic number
Ih = the fraction of total RMS load current at harmonic number h

הגישה העומדת מאחורי השיטה היא שההשפעה המירבית של הרמוניות היא ביחס לריבוע ההרמוניה ולכן אם נתכנן למצב הגרוע ביותר, לא יהיו נזקים. ניתן לרכוש שנאים שמותאמים לרמת עיוות K שונה, כאשרK1 מציין רשת ללא הרמוניות, כגון K4, K9 וכו'.

2. ברמת תפעול מתקן : השיטה האירופאית תקן BS 7821 part 4 ו- HD 538.3.S1, מגדיר פרמטר Factor K שיעור הפחתת העמסת השנאי כפונקציה של ההרמוניות:



Where:
e = ratio of fundamental frequency eddy current loss, both at reference temperature
h =  harmonic number
I = RMS of the sinusoidal current including harmonics
Ih = magnitude of the hth harmonic
I1 = magnitude of the fundamental current
Q = an exponential constant that is dependent on the type of winding and frequency. Typical values are 1.7 for transformer with round or rectangular cross sections in both windings and 1.5 for those with foil low voltage windings
 

3. ברמת תכנון הפסדים: מקדם ההפסדים הנוספים.


Where:
KΔp = additional loss factor
KΔr = resistive factor
If = current at harmonic frequency f
Ir = rated current

מידע נוסף ראה מאמר:

Practical Method to Determine Additional Load Losses due to Harmonic Current in Transformers with Wire and Foil Windings. By Johan Driesen, Thierry Van Craenenbroeck, Bert Brouwers, Kay Hameyer, Ronnie Belmans.

פתרונות

בשלב התכנון יש לשקול שימוש בשנאי K, או לחילופין לבצע סינון הרמוניות ולהשתמש בשנאי רגיל. במידה ונעשה שימוש בשנאי רגיל, ניתן להקטין את העומס עליו או לסנן את ההרמוניות שלו. הקטנת העומס תקטין את הסיכוי לתקלה, אולם לא תקטין את ההפסדים המוגדלים הנובעים מההרמוניות.
שני פתרונות הסינון הנפוצים הם פילטר פסיבי ייעודי להרמוניות (להבדיל ממערכת קבלים המוכוונת להרמוניות אשר אינה פתרון לסינון) ופילטר אקטיבי. יתרונו של הפילטר הפאסיבי בפשטות, ללא תפעול והפסדים נמוכים ואילו היתרון של הפילטר האקטיבי שהוא מקבילי למערכת ומאפשר גם סינון חלקי.

סיכום

הרמוניות מזיקות לשנאים, מגדילות את ההפסדים ועלולות לגרום לשריפתם. תכנון נכון ע"י בחירת שנאים מתאימים ו/או פתרונות סינון משפרים את אמינות המערכת ומקטינים את ההפסדים. במתקנים קיימים יש לבצע מדידה רציפה של מצב ההרמוניות וההעמסה של השנאים ועל סמך התוצאות להחליט על שיעור ההעמסה והסינון הדרושים.

Copyright © 2012-2015 The Society of Electrical and Electronics Engineers in Israel 2002 3 Hayetzira St.,
Ramat-Gan 52521, Israel Secretariat: orit@seeei.org.il Tel:+972-3-6134116 Fax:+972-3-6134117 
 Webmaster 
Last modified: 20/04/15