Influência de harmônicos maiores de tensão e corrente no funcionamento de equipamentos elétricos

Os harmônicos de tensão e corrente mais altos afetam os elementos dos sistemas de energia e linhas de comunicação.

As principais formas de influência dos harmônicos superiores nos sistemas de potência são:

• aumento de correntes e tensões de harmônicos mais altos devido a ressonâncias paralelas e séries;

• reduzindo a eficiência dos processos de produção, transmissão e uso de eletricidade;

• envelhecimento da isolação de equipamentos elétricos e conseqüente redução de sua vida útil;

• falso funcionamento do equipamento.

Influência de ressonâncias em sistemas

As ressonâncias em sistemas de potência são geralmente consideradas em termos de capacitores, particularmente capacitores de potência. Quando os harmônicos da corrente excedem os níveis máximos permitidos para capacitores, estes últimos não deterioram seu desempenho, mas falham após um tempo.

Outra área em que as ressonâncias podem causar danos ao equipamento é nos sistemas de controle de carga harmônica. Para evitar que o sinal seja absorvido pelos capacitores de potência, seus circuitos são separados por um filtro série sintonizado (filtro-«notch»). No caso de ressonância local, os harmônicos da corrente no circuito do capacitor de potência aumentam acentuadamente, o que leva a danos no capacitor sintonizado do filtro série.

Em uma das instalações, filtros sintonizados na frequência de 530 Hz com corrente de passagem de 100 A bloquearam cada circuito de um capacitor de potência que possuía 15 seções de 65 kvar. Capacitores esses filtros falharam após dois dias. O motivo foi a presença de um harmônico com frequência de 350 Hz, nas imediações das quais foram estabelecidas condições de ressonância entre o filtro sintonizado e os capacitores de potência.

Efeito de harmônicos em máquinas rotativas

Os harmônicos de tensão e corrente levam a perdas adicionais nos enrolamentos do estator, nos circuitos do rotor e no aço do estator e do rotor. As perdas nos condutores do estator e do rotor devido a correntes parasitas e efeito de superfície são maiores do que aquelas determinadas pela resistência ôhmica.

As correntes de fuga causadas por harmônicos nas zonas finais do estator e do rotor levam a perdas adicionais.

Em um motor de indução de rotor cônico com fluxo magnético pulsante no estator e no rotor, os harmônicos mais altos causam perdas adicionais no aço. A magnitude dessas perdas depende do ângulo de inclinação das ranhuras e das características do circuito magnético.

A distribuição média de perdas de harmônicos superiores é caracterizada pelos seguintes dados; enrolamento do estator 14%; correntes de rotor 41%; zonas finais 19%; onda assimétrica 26%.

Exceto pelas perdas de onda assimétricas, sua distribuição em máquinas síncronas é aproximadamente a mesma.

Deve-se notar que harmônicos ímpares adjacentes no estator de uma máquina síncrona causam harmônicos de mesma frequência no rotor. Por exemplo, 5º e 7º harmônicos no estator causam harmônicos de corrente de 6ª ordem no rotor, girando em diferentes direções. Para sistemas lineares, a densidade de perda média na superfície do rotor é proporcional ao valor, mas devido ao diferente sentido de rotação, a densidade de perda em alguns pontos é proporcional ao valor (I5 + I7) 2.

As perdas adicionais são um dos fenômenos mais negativos causados ​​pelos harmônicos em máquinas rotativas. Eles levam a um aumento na temperatura geral da máquina e ao superaquecimento local, provavelmente no rotor. Os motores de gaiola de esquilo permitem maiores perdas e temperaturas do que os motores de rotor bobinado. Algumas diretrizes limitam o nível de corrente de sequência negativa permitido no gerador a 10% e o nível de tensão de sequência negativa nas entradas do motor de indução a 2%. A tolerância de harmônicos neste caso é determinada por quais níveis de tensões e correntes de sequência negativa eles criam.

Os torques gerados por harmônicos. Os harmônicos da corrente no estator dão origem aos torques correspondentes: harmônicos formando uma sequência positiva no sentido de rotação do rotor e formando uma sequência reversa no sentido oposto.

As correntes harmônicas no estator da máquina causam uma força motriz, o que leva ao aparecimento de torques no eixo na direção de rotação do campo magnético harmônico. Eles geralmente são muito pequenos e também são parcialmente deslocados devido à direção oposta. No entanto, eles podem fazer com que o eixo do motor vibre.

Influência de harmônicos em equipamentos estáticos, linhas de energia. Harmônicos de corrente nas linhas levam a perdas adicionais de eletricidade e tensão.

Nas linhas de cabos, os harmônicos de tensão aumentam o efeito no dielétrico proporcionalmente ao aumento do valor máximo da amplitude. Isso, por sua vez, aumenta o número de falhas de cabo e os custos de reparo.

Em linhas EHV, os harmônicos de tensão podem causar um aumento nas perdas corona pelo mesmo motivo.

Influência de harmônicos mais altos em transformadores

Harmônicos de tensão causam um aumento nas perdas por histerese e perdas por correntes parasitas no aço em transformadores, bem como perdas no enrolamento. A vida útil do isolamento também é reduzida.

O aumento das perdas no enrolamento é mais importante em um transformador abaixador porque a presença de um filtro, geralmente conectado ao lado CA, não reduz os harmônicos de corrente no transformador. Portanto, é necessário instalar um grande transformador de potência. O superaquecimento local do tanque do transformador também é observado.

Um aspecto negativo do efeito de harmônicos em transformadores de alta potência é a circulação de corrente tripla de seqüência zero em enrolamentos conectados em delta. Isso pode sobrecarregá-los.

Influência de harmônicos mais altos em bancos de capacitores

As perdas adicionais nos capacitores elétricos levam ao superaquecimento deles. Em geral, os capacitores são projetados para suportar uma certa sobrecarga de corrente. Os capacitores produzidos na Grã-Bretanha permitem uma sobrecarga de 15%, na Europa e Austrália - 30%, nos EUA - 80%, na CEI - 30%. Quando esses valores são excedidos, observados em condições de aumento de tensão de harmônicos mais altos nas entradas dos capacitores, estes superaquecem e falham.

Influência de harmônicos mais altos nos dispositivos de proteção do sistema de energia

As harmônicas podem interferir na operação de dispositivos de proteção ou prejudicar sua operação. A natureza da violação depende do princípio de operação do dispositivo. Relés digitais e algoritmos baseados em análise de dados discretizados ou análise de cruzamento zero são particularmente sensíveis a harmônicos.

Na maioria das vezes, as mudanças nas características são pequenas. A maioria dos tipos de relés funcionará normalmente até um nível de distorção de 20%. No entanto, aumentar a participação de conversores de energia nas redes pode mudar a situação no futuro.

Os problemas decorrentes de harmônicos são diferentes para os modos normal e de emergência e são discutidos separadamente abaixo.

Impacto de harmônicos em modos de emergência

Os dispositivos de proteção geralmente respondem à tensão ou corrente de frequência fundamental e quaisquer harmônicos transitórios são filtrados ou não afetam o dispositivo. Este último é característico dos relés eletromecânicos, especialmente utilizados na proteção de sobrecorrente. Esses relés possuem alta inércia, o que os torna praticamente insensíveis a harmônicos mais altos.

Mais significativa é a influência dos harmônicos no desempenho da proteção com base na medição da resistência. A proteção de distância, onde a resistência é medida na frequência fundamental, pode dar erros significativos na presença de harmônicos mais altos na corrente de curto-circuito (especialmente de 3ª ordem). Alto conteúdo harmônico é geralmente observado quando a corrente de curto-circuito flui através do solo (a resistência do solo domina a resistência total do loop). Se os harmônicos não forem filtrados, a probabilidade de operação falsa é muito alta.

No caso de um curto-circuito metálico, a corrente é dominada pela frequência fundamental. No entanto, devido à saturação do transformador, ocorre distorção da curva secundária, especialmente no caso de uma grande componente CC na corrente primária. Nesse caso, também há problemas para garantir o funcionamento normal da proteção.

Em condições operacionais de regime permanente, a não linearidade associada à sobreexcitação do transformador causa apenas harmônicos de ordem ímpar. Todos os tipos de harmônicos podem ocorrer em modos transitórios, com as maiores amplitudes geralmente sendo a 2ª e a 3ª.

No entanto, com um design adequado, a maioria dos problemas listados é facilmente resolvida. A escolha do equipamento certo elimina muitas das dificuldades associadas à medição de transformadores.

A filtragem harmônica, especialmente em proteções digitais, é mais importante para proteção à distância. Os trabalhos realizados no campo dos métodos de filtragem digital mostraram que, embora os algoritmos para tal filtragem sejam frequentemente bastante complexos, a obtenção do resultado desejado não apresenta dificuldades particulares.

A influência dos harmônicos nos sistemas de proteção durante os modos normais de operação das redes elétricas. A baixa sensibilidade dos dispositivos de proteção aos parâmetros do modo em condições normais leva à ausência prática de problemas associados a harmônicos nesses modos. Uma exceção é o problema associado à inclusão de transformadores potentes na rede, acompanhados de um aumento na corrente de magnetização.

A amplitude do pico depende da indutância do transformador, da resistência do enrolamento e do momento em que o acionador é ligado. O fluxo residual no instante antes de ligar aumenta ou diminui ligeiramente a amplitude, dependendo da polaridade do fluxo em relação ao valor inicial da tensão instantânea. Uma vez que não há corrente no lado secundário durante a magnetização, uma grande corrente primária pode fazer com que a proteção diferencial dispare falsamente.

A maneira mais fácil de evitar alarmes falsos é usar um atraso de tempo, mas isso pode causar sérios danos ao transformador se ocorrer um acidente enquanto ele estiver ligado. Na prática, o segundo harmônico presente na corrente de inrush, atípico das redes, é utilizado para bloquear a proteção, embora a proteção permaneça bastante sensível a faltas internas do transformador durante a ligação.

Efeito de harmônicos em equipamentos de consumo

A influência dos harmônicos mais altos nas televisões

Harmônicos que aumentam a tensão de pico podem causar distorção de imagem e alteração no brilho.

Lâmpadas fluorescentes e de mercúrio. Os reatores dessas lâmpadas às vezes contêm capacitores e, sob certas condições, pode ocorrer ressonância, resultando em falha da lâmpada.

Efeito de harmônicos mais altos em computadores

Existem limites para os níveis permitidos de distorção nas redes que alimentam computadores e sistemas de processamento de dados. Em alguns casos, eles são expressos como uma porcentagem da tensão nominal (para um computador IVM - 5%) ou na forma da relação entre a tensão de pico e o valor médio (o CDC define seus limites permitidos em 1,41 ± 0,1).

A influência de harmônicos mais altos no equipamento de conversão

Os entalhes na tensão senoidal que ocorrem durante a comutação da válvula podem afetar o tempo de outros equipamentos ou dispositivos similares que são controlados durante a curva de tensão zero.

A influência de harmônicos mais altos em equipamentos de velocidade controlada por tiristor

Em teoria, os harmônicos podem afetar esses equipamentos de várias maneiras:

• os entalhes da onda senoidal causam mau funcionamento devido ao disparo incorreto dos tiristores;

• harmônicos de tensão podem causar falhas de ignição;

• a ressonância resultante na presença de vários tipos de equipamentos pode levar a surtos e vibrações de máquinas.

Os impactos descritos acima podem ser sentidos por outros usuários conectados à mesma rede. Se o usuário não tiver dificuldades com equipamentos controlados por tiristores em suas redes, é improvável que isso afete outros usuários. Consumidores movidos por diferentes ônibus podem, teoricamente, influenciar uns aos outros, mas a distância elétrica reduz a probabilidade dessa interação.

Efeito dos harmônicos nas medições de potência e energia

Os dispositivos de medição são geralmente calibrados para tensões senoidais puras e aumentam a incerteza na presença de harmônicos mais altos. A magnitude e a direção dos harmônicos são fatores importantes porque o sinal do erro é determinado pela direção dos harmônicos.

Erros de medição causados ​​por harmônicos são altamente dependentes do tipo de instrumento de medição. Os medidores de indução convencionais normalmente superestimam as leituras em alguns por cento (6% cada) se o usuário tiver uma fonte de distorção. Esses usuários são automaticamente penalizados por introduzir distorções na rede, portanto, é de seu próprio interesse estabelecer meios apropriados para suprimir essas distorções.

Não há dados quantitativos sobre a influência dos harmônicos na precisão da medição da carga de pico. Assume-se que a influência dos harmônicos na precisão da medição de carga de pico é a mesma que na precisão da medição de energia.

A medição precisa da energia, independentemente do formato das curvas de corrente e tensão, é fornecida por medidores eletrônicos, que possuem um custo mais elevado.

Os harmônicos afetam tanto a precisão da medição de potência reativa, que é claramente definida apenas no caso de correntes e tensões senoidais, quanto a precisão da medição do fator de potência.

A influência dos harmônicos na precisão da inspeção e calibração de instrumentos em laboratórios raramente é mencionada, embora esse aspecto do assunto também seja importante.

A influência dos harmônicos nos circuitos de comunicação

Harmônicos em circuitos de energia causam ruído em circuitos de comunicação.Um baixo nível de ruído leva a algum desconforto, à medida que aumenta, parte da informação transmitida é perdida, em casos extremos, a comunicação torna-se completamente impossível. Nesse sentido, com qualquer mudança tecnológica nos sistemas de alimentação e comunicação, é necessário levar em consideração a influência das linhas de energia nas linhas telefônicas.

O efeito dos harmônicos no ruído da linha telefônica depende da ordem dos harmônicos. Em média, o telefone - o ouvido humano possui uma função de sensibilidade com valor máximo em uma frequência da ordem de 1 kHz. Avaliar a influência de vários harmônicos no ruído c. o telefone usa coeficientes, que são a soma dos harmônicos obtidos com certos pesos. Dois coeficientes são os mais comuns: ponderação psofométrica e transmissão C. O primeiro fator foi desenvolvido pelo International Consultative Committee on Telephone and Telegraph Systems (CCITT) e é usado na Europa, o segundo — pela Bella Telephone Company e pelo Edison Electrotechnical Institute — é usado nos Estados Unidos e Canadá.

As correntes harmônicas nas três fases não se compensam totalmente devido à desigualdade de amplitudes e ângulos de fase e afetam as telecomunicações com a corrente de sequência zero resultante (semelhante às correntes de falta à terra e correntes à terra dos sistemas de tração).

A influência também pode ser causada por correntes harmônicas nas próprias fases devido à diferença de distâncias dos condutores de fase às linhas de telecomunicações próximas.

Esses tipos de influências podem ser mitigados pela seleção adequada de traçados de linha, mas no caso de cruzamentos inevitáveis ​​de linha, tais influências ocorrem.É especialmente manifestado fortemente no caso de um arranjo vertical dos fios da linha de energia e quando os fios da linha de comunicação são transpostos nas proximidades da linha de energia.

Em grandes distâncias (mais de 100 m) entre as linhas, o principal fator de influência acaba sendo a corrente de seqüência zero. Quando a tensão nominal da linha de alimentação diminui, a influência diminui, mas torna-se perceptível devido ao uso de suportes ou valas comuns para a colocação de linhas de baixa tensão e linhas de comunicação.