Harmonischer Zu- und Abfluss: Bestimmung der Richtung des harmonischen Stroms mithilfe der Phasenwinkelanalyse

01 Warum die harmonische Richtung wichtig ist

Die Messung der Größe der harmonischen Spannungs- und Stromverzerrung an einem Punkt im Netzwerk gibt Aufschluss darüber, wie schlecht die harmonische Situation ist. Es sagt Ihnen nicht, woher die Harmonischen kommen. In einem echten Vertriebsnetz, Mehrere Lasten und mehrere Oberwellenquellen koexistieren auf demselben Bus. Wenn ein harmonisches Compliance-Problem festgestellt wird, Die erste technische Frage ist: Erzeugt diese Installation Oberwellen, die in das Netzwerk abfließen?, oder empfängt es Oberwellen, die vom Netzwerk einströmen?? Die Antwort bestimmt, wer für die Schadensbegrenzung verantwortlich ist.

Diese Unterscheidung – harmonischer Zufluss vs. Abfluss – ist die Grundlage für die Zuweisung der Oberschwingungsverantwortung in den japanischen Verteilungsnetzrichtlinien und wird in anderen Regulierungsrahmen zunehmend relevant, da Oberschwingungsgrenzwerte verschärft werden und mehrere nichtlineare Lasten gemeinsame Busse nutzen. Die Richtungsbestimmung erfordert mehr als eine THD-Messung – sie erfordert eine Analyse der Phasenbeziehung zwischen Oberschwingungsspannung und Oberschwingungsstrom am Messpunkt.[1]

02 Zwei Methoden zur Beurteilung von Zu- und Abfluss

Verfahren 1 — Harmonische Leistungspolarität

Die erste Methode nutzt das Vorzeichen der harmonischen Wirkleistung (P_h) bei jeder harmonischen Ordnung. Die harmonische Leistung ist das Produkt der harmonischen Spannung, Oberschwingungsströme, und der Kosinus des Phasenwinkels zwischen ihnen. Eine positive harmonische Leistung zeigt an, dass die Anlage diese harmonische Energie verbraucht – den Zufluss. Eine negative harmonische Kraft zeigt an, dass sie diese harmonische Ausströmung erzeugt.[1]

Diese Methode ist theoretisch sauber, weist jedoch eine praktische Einschränkung auf: Die harmonischen Leistungspegel nehmen mit zunehmender harmonischer Ordnung schnell ab. Die Leistung der 11. Harmonischen ist typischerweise ein kleiner Bruchteil der Leistung der 5. Harmonischen. Bei höheren Bestellungen, Das harmonische Leistungssignal nähert sich dem Grundrauschen des Messgeräts, wodurch die Polaritätsbestimmung unzuverlässig wird. Diese Methode eignet sich gut für die dominanten Harmonischen niedriger Ordnung (3rd, 5th, 7th) wird aber ab dem 11. unzuverlässig, 13th, und darüber.[1]

Verfahren 2 — Harmonische Spannungs-Strom-Phasendifferenz (ich)

Die zweite Methode verwendet die Phasenwinkeldifferenz zwischen der harmonischen Spannung und dem harmonischen Strom bei jeder harmonischen Ordnung – bezeichnet als θ. Dies ist ein robusterer Ansatz, da er auf der Phasenwinkelmessung und nicht auf der Leistungsgröße basiert, und Phasenwinkel können auch bei kleinen harmonischen Beträgen genau bestimmt werden.[1]

Für 3-Phasen-3-Leiter-Installationen mit der 2-Meter-Messmethode (3P3W2M), Die empfohlene Metrik ist der Summenphasenwinkel θ_Summe — die harmonische Spannungs-Strom-Phasendifferenz, berechnet aus der Summe der gemessenen Größen über beide Messkanäle. Dieser Summenansatz liefert einen stabileren und repräsentativeren Wert als Einzelphasenmessungen für 3-Phasen-Systeme.

03 Messaufbau

Die 3P3W2M-Konfiguration verwendet zwei Stromsensoren und zwei Spannungsmessungen, um das 3-Phasen-3-Leiter-System vollständig zu charakterisieren. Die “Summe” Der Phasenwinkelansatz ist spezifisch für diese Konfiguration – er kombiniert die Messungen beider Kanäle, um einen einzigen θ zu erzeugen_Summe Wert pro harmonischer Ordnung, der repräsentativ für die gesamte harmonische Strömungsrichtung der drei Phasen ist.[1]

04 Analysebeispiele: Vier harmonische Ordnungen, Vier verschiedene Verhaltensweisen

Die folgenden Beispiele stammen aus Messungen an a 6.6 kV-Stromkreises. Die Zeitdiagramme zeigen die harmonische Spannungs-Strom-Phasendifferenz (ich_Summe) im Laufe der Zeit für jede harmonische Ordnung. Die Zufluss-/Abflussgrenze liegt bei ±90°.[1]

Grundlegend (1st harmonisch) und 5. Harmonische – Zufluss

Abb.. 1. Zeitdiagramm von θ_Summe für das Grundlegende (braun) und 5. Harmonische (grün). Beide bleiben während des gesamten Messzeitraums innerhalb der Einströmzone von −90° bis +90°, Dies bestätigt, dass die Anlage sowohl die Grundschwingung als auch die 5. Harmonische verbraucht. Quelle: HIOKI E.E. Gesellschaft.[1]

Die Grundwelle befindet sich im Zufluss – dies wird erwartet, da die Installation tatsächlich Strom aus dem Netzwerk verbraucht. Auch die 5. Harmonische ist überwiegend Zufluss, Dies zeigt an, dass sich die dominante Quelle der 5. Harmonischen an einer anderen Stelle im Netzwerk befindet und von dieser Installation empfangen wird. Diese Anlage ist Opfer der Verschmutzung durch die 5. Harmonische, keine Quelle dafür.

33. Harmonische – Abfluss

Abb.. 2. Zeitdiagramm von θ_Summe für die 3. Harmonische (rot). Der Phasenwinkel liegt durchgängig außerhalb der ±90°-Einströmzone, im Bereich von –180° bis –90° oder +90° bis +180° – was den Abfluss der 3. Harmonischen bestätigt. Diese Anlage erzeugt einen Strom der 3. Harmonischen, der in das Netzwerk fließt. Quelle: HIOKI E.E. Gesellschaft.[1]

Die 3. Harmonische ist Ausfluss – diese Installation ist eine Quelle der 3. Harmonischen. Beachten Sie, dass die 3. Harmonische charakteristisch für einphasige nichtlineare Lasten ist (Schaltnetzteile, fluoreszierende Beleuchtung) anstelle von 3-Phasen-6-Puls-Antrieben. Seine Präsenz als Ausflussharmonische auf a 6.6 Der kV-Stromkreis lässt auf eine einphasige Belastung auf der Sekundärseite der von diesem Stromkreis gespeisten Verteiltransformatoren schließen.

7te Harmonische – Abfluss

Abb.. 3. Zeitdiagramm von θ_Summe für die 7. Harmonische (blau). Abfluss bestätigt – der Phasenwinkel bleibt außerhalb der Zuflusszone von ±90°. Die 180°-Umschlingung ist als vertikale Übergänge in der Spur sichtbar. Quelle: HIOKI E.E. Gesellschaft.[1]

Auch die 7. Harmonische ist Ausfluss. Zusammen mit dem Abfluss der 3. Harmonischen, Dies deutet darauf hin, dass die Installation erhebliche nichtlineare Lasten enthält, die Oberschwingungsströme erzeugen 6.6 kV-Netz. Der zuvor beobachtete Zufluss der 5. Harmonischen weist darauf hin, dass die 5. Harmonische auf diesem Bus von woanders kommt – die Erzeugung der 5. Harmonischen in der lokalen Installation wird von einer externen Quelle der 5. Harmonischen maskiert oder dominiert.

Urteilsbeispiele 1 und 2 — Anwenden des θ_Durchschn Anzeige

Abb.. 4. Urteilsbeispiel 1 - ich_Durchschn harmonisches Zeitdiagramm in HIOKI PQA HiVIEW Pro. Die Anzeige des gemittelten Phasenwinkels bietet eine klarere Grundlage für die Bestimmung des Zuflusses/Abflusses als der rohe θ_Summe Punkt-für-Punkt-Werte. Quelle: HIOKI E.E. Gesellschaft.[1]

Abb.. 5. Urteilsbeispiel 2 - ich_Durchschn harmonisches Zeitdiagramm. Ein zweites Szenario, das die Anwendung der Zufluss-/Abfluss-Beurteilungsmethode unter Verwendung der gemittelten Phasenwinkelanzeige demonstriert. Quelle: HIOKI E.E. Gesellschaft.[1]

Abb.. 6. HIOKI PQA HiVIEW Pro Anzeige der harmonischen Analyse – tabellarische Ansicht der Ergebnisse der harmonischen Spannungs-Strom-Phasendifferenz nach harmonischer Ordnung. Quelle: HIOKI E.E. Gesellschaft.[1]

Abb.. 7. HIOKI PQA HiVIEW Pro zusammenfassende Anzeige der Ergebnisse der Beurteilung des harmonischen Zuflusses/Abflusses über alle überwachten harmonischen Ordnungen hinweg. Quelle: HIOKI E.E. Gesellschaft.[1]

Abb.. 8. HIOKI PQA HiVIEW Pro harmonisches Zeitdiagramm mit Zufluss-/Abflusszonenanzeigen – die ±90°-Grenzen sind markiert, Ermöglicht die direkte visuelle Bestimmung der harmonischen Richtung aus θ_Durchschn verfolgen. Quelle: HIOKI E.E. Gesellschaft.[1]

05 Japanischer Regulierungsrahmen: Grenzwerte für harmonische Abflussströme

Japan verfügt über einen der am weitesten entwickelten nationalen Rahmen für die harmonische Verantwortungsverteilung auf der Verteilungsebene. Das Ministerium für Wirtschaft und Industrie hat im September seine Richtlinie für Gegenmaßnahmen zur Abschreckung von Oberwellen herausgegeben 1994 — Festlegung von Grenzwerten, die speziell für den harmonischen Abflussstrom von nachfrageseitigen Kunden gelten, die Hochspannungs- oder Höchstspannungsversorgung beziehen.[2]

Grenzwerte für Spannungsverzerrungen

• 6.6 kV-System: Gesamte harmonische Spannungsverzerrung ≤ 5%
• Extra-Hochvolt-System: Gesamte harmonische Spannungsverzerrung ≤ 3%

Grenzwerte für harmonische Abflussströme

Die japanische Richtlinie drückt Oberschwingungsstromgrenzwerte in Milliampere pro Kilowatt vertraglich vereinbarter Leistung aus – eine Normalisierung, die Grenzwerte unabhängig von der Kundengröße und direkt proportional zum Stromvertrag des Kunden macht. Obere Grenzwerte werden pro harmonischer Ordnung angegeben, mit niedrigeren Grenzen für Harmonische höherer Ordnung. Die Normalisierung pro kW bedeutet, dass ein größerer Kunde proportional mehr Oberschwingungsströme zulässt – aber auch jede Oberschwingungsordnung unabhängig einhalten muss.[2]

Dieser richtungsbasierte Regulierungsrahmen – die Begrenzung des Abflusses statt des gesamten harmonischen Stroms – ist der Hauptunterschied zum Point-of-Common-Coupling-Ansatz von IEEE 519. IEEE 519 begrenzt den harmonischen Strom, den ein Kunde in das PCC einspeist, was praktisch eine Abflussgrenze darstellt. Die japanische Richtlinie macht das Abflusskonzept explizit und wendet es auf der Ebene der einzelnen harmonischen Ordnung mit Pro-kW-Normalisierung an. Die in diesem Artikel beschriebene Messmethode – θ_Summe Phasenwinkelanalyse – ist das Werkzeug, das diese abflussbasierte Regelung überprüfbar macht.

06 PQ-Perspektive: Richtung als Diagnoseinstrument

6.1 Wenn die Richtungsanalyse die Diagnose ändert

Die wichtigste Schlussfolgerung aus der Analyse der harmonischen Richtung ist, dass eine hohe THD-Messung am Serviceeingang eines Kunden nicht automatisch bedeutet, dass der Kunde dafür verantwortlich ist. Wenn es sich um einen Oberschwingungsstrom handelt, der aus dem Netz kommt, ist der Kunde ein Opfer und die Quelle befindet sich an einer anderen Stelle der Einspeisung. In dieser Situation vom Kunden die Installation von Oberschwingungsfiltern zu verlangen, verschwendet Geld und verbessert möglicherweise überhaupt nicht die Netzoberschwingungssituation.

Umgekehrt, Ein Kunde mit mäßigen THD-Werten an seinem Serviceeingang kann dennoch eine erhebliche Quelle für Oberwellenabflüsse sein, wenn seine vertraglich vereinbarte Leistung groß ist – der japanische Grenzwert pro kW könnte überschritten werden, selbst wenn der absolute THD akzeptabel erscheint. Die Richtungsanalyse bei jeder harmonischen Ordnung ist die einzige Möglichkeit, die Verantwortung korrekt zu charakterisieren.

6.2 Praktische Anwendung bei einer harmonischen Untersuchung

Eine praktische harmonische Untersuchungssequenz unter Verwendung dieser Methodik:

1. Messen Sie harmonische Spannung und Strom am interessierenden Punkt – bestätigen Sie, dass die harmonischen Amplituden signifikant genug sind, um eine Richtungsanalyse zu rechtfertigen
2. Wenden Sie das θ an_Summe Kriterium für jede interessierende harmonische Ordnung
3. Identifizieren Sie, welche harmonischen Ordnungen einfließen (Netzwerkquelle) und die Abfluss sind (lokale Quelle)
4. Für Abflussharmonische: Identifizieren Sie die verantwortlichen lokalen nichtlinearen Lasten und bewerten Sie Minderungsoptionen
5. Für Einströmharmonische: Untersuchen Sie das Netzwerk nach der verantwortlichen Quelle – anderen Kunden am selben Feeder, Netzwerkresonanzbedingungen, Versorgungsausrüstung

6.3 Verbindung zur IPQDF-Artikelserie

Die technischen Artikel dieser Serie (Artikel 1–3) etablierte die harmonischen Signaturen von 6-Puls-Antrieben und deren Interaktion mit Netzwerkkomponenten. Die Fallstudien zeigten, was passiert, wenn Oberschwingungen nicht gemindert werden. Diese technische Referenz vervollständigt eine andere Dimension des Bildes: die Messmethode, die erforderlich ist, um festzustellen, ob eine bestimmte Anlage eine Quelle oder ein Empfänger von Oberwellen ist – die Voraussetzung für die Zuweisung der Verantwortung und die Auswahl der richtigen Minderungsstrategie.

Das Ich_Summe Die hier beschriebene Phasenwinkelmethode ist in ihrer Implementierung gerätespezifisch (HIOKI PQA HiVIEW Pro in diesem Beispiel) Aber das zugrunde liegende Prinzip – dass die Richtung des Oberschwingungsstroms durch die Phasenbeziehung zwischen Oberschwingungsspannung und Oberschwingungsstrom bestimmt wird – ist universell. Jeder Netzqualitätsanalysator, der harmonische Phasenwinkel meldet, kann diese Analyse unterstützen, mit angemessener Interpretation der von diesem Instrument verwendeten Messkonventionen.

Referenzen

1. [1] HIOKI E.E. Gesellschaft, “Zufluss und Abfluss von Oberschwingungen,” in Ratgeber für Power Quality Measurement, HIOKI E.E. Gesellschaft, Nagano, Japan. Verfügbar: hioki.com
2. [2] Wirtschaftsministerium, Handel und Industrie (SETZEN), Japan, “Richtlinie für Gegenmaßnahmen zur Abschreckung von Oberschwingungen auf der Nachfrageseite, die Hochspannung oder Höchstspannung empfängt,” Offizieller Bericht, September 30, 1994.