Интернатионал Јоурнал оф Енгинееринг енергетику 2011; 1(1): 12-18 ДОИ: 10.5923/ј.ијее.20110101.03
Идентификација нездравих електроенергетских система са не-Цхаратеристиц хармоника
Ксиаодонг Лијанг1,*, И. Луи2
1Едмонтон Производ Центар, Сцхлумбергер, 10431 35Аве., Едмонтон, Алберта, Т6Ј 2Х1, Канада 2Истраживање и ЕМС, Сцхлумбергер, 42 Руе Саинт Доминикуе, Париз, 75007, Француска
1. Увод
Због широкој примени нелинеарних оптерећења, хармоници загађење је један од главних проблема за електроенергетским системима. Иако је учињен велики напредак на хармонијске ублажавање стране произвођача уређаја нелинеарним, индустрија објекти и комунална предузећа, озбиљни проблеми хармонијске и даље може бити присутан у електричним системима, посебно када се деси болесних стања или услед комуналних предузећа или крајњих корисника у индустријским објектима.
Променљиве фреквенције дискови (ВФДс) су најраспрострањенији у индустријским објектима. Карактеристични хармоници дефинисане ИЕЕЕ Стд. 519-1992 су на основу различитих система конфигурацијама ВФДс[1]. Осим неких посебних оптерећења као што су пећима[1] и железнички вучни системи који производе чак хармоника и других не-карактеристичне хармонике у систем, већина индустријских објеката са ВФДс само имају карактеристичне хармонике и неку малу количину не-карактеристичних хармоника који су обично под чак и триплен хармоника границама које предложе ИЕЕЕ Стд. 519-1992. Дакле, када су присутни у електроенергетском систему велика количина не-карактеристичних хармоника, то обично указује на то да је систем нездраво и да решавање проблема је потребно да утврди узроке проблема.
Не-карактеристични хармоници истрагом у[2-9]. Што је објашњено у[2] да нису карактеристични хармоници проузроковани су неуравнотеженог напона величине или фазе не-симетрије. Амплитуда не-карактеристичних хармоника повећава са повећањем напоном нон-симетрије.
Два предмета су испитивани у овом раду за две индустријске објекте који показују велики садржај не-карактеристичних хармоника. Први случај је за рударске електроенергетског система са два исправљача оцењених на 12мВ сваком и са скупом хармоника филтера инсталиран. Обимна истрага је спроведена за овај систем заснован на оба мерења и компјутерска симулација резултата. Други случај је за дистрибутивни систем поља нафте са вишеструким ВФДс. Питање за овог система је да се садашњи таласни облици на улазу ВФДс озбиљно искривљено.
2. Карактеристике и Нонцхарацтеристиц хармоници исправљача
ИЕЕЕ Стд. 519-1992[1] предлаже хармоника струје добијене на мосту исправљача за идеалним условима. "Идеал" се заснива на претпоставци да ДЦ струја нема таласање и ДЦ струја је прешао из једне фазе у другу тренутку напон на долазном фазе прелази напон на одлазећег фази[1]. Хармоника актуелне компоненте за идеалном стању су изведени по следећим једначинама[1]:
где,
х : хармоника редослед
к и м : сваки позитиван цео број
к : пулс број исправљач кола
Јах: амплитуда хармоника струје реда х
Ја1 : амплитуда фундаменталне струје
За 6-пулсног исправљача или променљиве фреквенције диск (ВФД), карактеристичне хармоника струје су 5, 7, 11, итд. За ВФДс користе фазе множења технику као што су 12-импулса и 18-пулс олакшавајућа инпут хармоници, неки хармонијске струје може се отказати у односу на 6-пулсна дискова. Као држава у ИЕЕЕ Стд 519-1992, ако сам шест-пулс исправљачке секције [1]:
- Имају исти преносни однос
- Хаве трансформаторе са идентичним импеданси
- Се фаза померена тачно 60 / м степени једни од других
- Се контролишу на потпуно исти делаи угла, и
- Поделите ДЦ струја оптерећења једнако
Табела 1. Напона хармонична дисторзија ограничења заснована на ИЕЕЕ Стд. 519-1992
| Напон Хармониц Дистортион Границе | ||
|---|---|---|
| Аутобус Напон на ПЦЦ | Индивидуални Напон Дистортион, % | Укупно Напон дисторзија, % |
| 69 кВ и испод | 3.0 | 5.0 |
| 69.001 кВ кроз 161 кВ | 1.5 | 2.5 |
| 161.001 кВ и изнад | 1.0 | 1.5 |
| НАПОМЕНА: Високонапонски системи могу имати до 2.0% ТХД где је узрок ХВДЦ терминала који ће ублажити до тренутка када је изабран за корисника | ||
Табела 2. Хармоницне дисторзије ограничења заснована на ИЕЕЕ Стд. 519-1992
| Хармоницне дисторзије Лимити за опште дистрибуције система (120 В Кроз 69 000 У) | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| Максимална хармонична дисторзија Тренутно у процентима ИЛ | ||||||
| Индивидуални хармонијског реда (Квота хармоници) | ||||||
| ИСЦ / ИЛ | <11 | 11<х<17 | 17<х<23 | 23<х<35 | 35<х | ТДД |
| <20* | 4.0 | 2.0 | 1.5 | 0.6 | 0.3 | 5.0 |
| 20<50 | 7.0 | 3.5 | 2.5 | 1.0 | 0.5 | 8.0 |
| 50<100 | 10.0 | 4.5 | 4.0 | 1.5 | 0.7 | 12.0 |
| 100< 1000 | 12.0 | 5.5 | 5.0 | 2.0 | 1.0 | 15.0 |
| >1000 | 15.0 | 7.0 | 6.0 | 2.5 | 1.4 | 20.0 |
| Чак су ограничени на хармоници 25% од непарних хармоника граница изнад. | ||||||
| Тренутни поремећаји који доводе у дц оффсет, на пример, пола-таласа конвертори, нису дозвољени | ||||||
| *Сва енергије опрема је ограничена на овим вредностима текућег изобличења, без обзира на стварне ИСЦ / ИЛ | ||||||
| Где Исц = максималну струју кратког споја на ПЦЦ. ИЛ = максимална струја оптерећења потражња (фундаментална компонента фреквенција) у ПЦЦ | ||||||
Тада само хармоника присутан на улазу диск ће бити реда КК ± 1 као што је приказано у једначини (1). На пример, карактеристични хармоници за 12-импулсних ВФД система са два исправљача фазе померене за 30 ° су 11,13, 23, 25ог,За ... 18-импулсних ВФД система са три исправљачких фази помера по 20 степени најниже карактеристика хармоника је 17ог. За 24-импулсних ВФД система са четири исправљача фази померати поменуо у[1] да не постоје два исправљача секције су идентичне у свим овим аспектима. Дакле, нису карактеристични хармоници ће увек бити присутан у тој мери да су наведени услови нису испуњени у пракси.
ИЕЕЕ Стд. 519-1992 предлаже препоручене границе хармонијске дисторзије (Табеле 1 и 2), који су широко прихваћени од стране различитим индустријама. Она је наведен у Табели 2 да се чак и хармоници ограничене на 25% од непарних хармоника ограничења у табели[1].
У 6-пулсног исправљача или променљиве фреквенције диск (ВФД), карактеристичне хармоника струје су 5, 7, 11, итд. За ВФДс користе фазе множења технику као што су 12-пулс
3. Случај 1: Чак хармоници
Чак хармоници су обично присутни у веома малим количинама, а не брига за електроенергетских система под нормалним радним условима. Међутим, велика количина чак хармоника могао бити генерисан у неким болесним стањима као што су опрема квара. Ситуација може бити појачан ако систем садржи хармоничних филтера да би узбуђују још хармоничну резонанцу.
Студија случаја 1 обраћа озбиљан проблем чак хармоника догодило у великом рударском објекту која се састоји од два велика 6-пулсна исправљача рејтингом на 12мВ сваком. Конфигурација система је приказан на слици. 1.
Слика 1. Конфигурација система за случај 1.
У исправљачи су повезани са 10 кВ заједнички аутобус са сликама. 2 и 3 показују озбиљно искривљене тренутне ваветво групе хармоничних филтера инсталираних. Прва група има облике. Хармоника садржај приказан у бројкама 4 и 5 5и 7сингле подешен хармонијске филтере. Друга група садржи велику количину чак и 3хармониц струја. У има 11 и 13 један-тунед хармонијски филтери и 17 како би се траг извор ових хармоника, Мерења висок центаршут хармоника филтера. Два исправљачи су повезани на улазима два исправљача су узети. Садашњи заједнички аутобус кроз два 7МВА трансформатора са 30 ° таласних облика за два исправљача су приказани на Сликама. 6 и фазна угао. Таква конфигурација гради квази 7. Одговарајући хармоницне спектри приказани су 12-пулс исправљача систем. За случај да су два исправљачи у Сликама 8 и 9. има тачно исту оптерећење током операције, хармоничан 18% отказивање 5анд 7 хармонијске струје ће бити тхеБЕСТ. Када учитавање два исправљача нису једнаки, на пример, 65% фактор оптерећења за један исправљач и 80% учитати Хармониц струје у % фундаменталне фактор за другог исправљача, већина 5,7, 17, и 19хар ОНИЦ струје су и даље отказани и само мала количина ових хармоника су оставили у систему.
Large even harmonic currents were detected at key loca tions of the system in March 2004. Large 3рд harmonic cur rents were also found. Such high even harmonics cause serious concerns and an investigation was performed to find out the root cause of the problem.
Even harmonics were first detected at the circuit breaker CB3 on the secondary of the 25MVA main service transformer. The measured current waveform at CB3 is shown in Figure. 2. For further verification, another measurement was taken at the circuit breaker CB6, feeding the 10KV common bus, “Rectifier Main Bus”. The measured current waveform t CB6 is shown in Figure. 3. The corresponding harmonic current spectrums at CB3 and CB6 are shown in Figures. 4 и 5, односно.
Слика 2. Current waveform at CB3 on the secondary of the 25MVA main transformer 1 (CT ratio is 3000:1).
Слика 3. Current waveform at CB6, main feeder for two rectifiers (CT ratio is 2000:5).
Figures. 2 и 3 show seriously distorted current wave-forms. Хармоника садржај приказан у бројкама 4 и 5 contains large amount of even and 3rd harmonic currents. In order to trace the source of these harmonics, measurements at the inputs of the two rectifiers were taken. The current waveforms for the two rectifiers are shown in Figures. 6 и 7. The corresponding current harmonic spectrums are shown in Figures 8 и 9.
Слика 4. Harmonic current spectrum measured at CB3.
Слика 5. Harmonic current spectrum measured at CB6.
Слика 6. Current waveform at CB7 at the input of Rectifier 1 (CT ratio is 600:5).
Слика 7. Current waveform at CB8 at the input of Rectifier 2 (CT ratio is 600:5). 
Слика 8. Harmonic current spectrum measured at CB7 at Rectifier 1.
Слика 9. Harmonic current spectrum measured at CB8 at Rectifier 2.
Due to large amount of the 2, 3and 4harmonic currents as shown in Figures. 8 и 9, the current waveforms at the two rectifiers in Figures. 6 и 7 do not show the typical current waveform shape of 6-pulse rectifiers. For the comparison purposes dominant harmonic currents at key measurement points are summarized in Table 3. Dominant harmonic currents measured at the two rectifiers in April 2002 are also included in the same table.
Табела 3. Measured harmonic current spectrums in March 2004 and April 2002 at Key location of the facility.
| Harmonic order | Harmonic current in percent of the fundamental, % | ||||
|---|---|---|---|---|---|
| Март 2004 | Април 2002 | ||||
| ЦБ 7 Rectifier 1 | CB8 – Rectifier 2 | CB3 – Secondary main TX | CB6 – Feeder to Rectifiers | Rectifier 1 или 2 | |
| 2 | 16.8 | 34.3 | 7.0 | 12.2 | 6 |
| 3 | 4.8 | 17.2 | 6.9 | 11.7 | 1.8 |
| 4 | 8.1 | 6.9 | 15.4 | 26.9 | 2.3 |
| 5 | 24.8 | 17.1 | 2.1 | 1.8 | 29.1 |
| 6 | 4.1 | 6.0 | 5.3 | 10.9 | 1.0 |
| 7 | 9.1 | 8.7 | 1.0 | 2.1 | 2.3 |
| 8 | 1.8 | 3.7 | 1.5 | 2.5 | 1.4 |
| 9 | 1.8 | 0.9 | 0.5 | 1.2 | 0.5 |
| 10 | 1.4 | 3.4 | 0.3 | 0.4 | 1.1 |
| 11 | 6.5 | 2.8 | 0.1 | 0.5 | 4.9 |
| 12 | 0.8 | 1.1 | 0.1 | 0.2 | 0.1 |
Табела 3 indicates that 16.8% и 34.3% 2nd harmonic currents in percent of the fundamental were generated by Rectifiers 1 и 2 in March 2004, односно. The 4ог harmonic currents are the second largest even harmonics present in the amount of 8.1% и 6.9% of the fundamental for Rectifiers 1 и 2. The two rectifiers also generated large 3рд harmonic currents in the amount of 4.8% и 17.2% од фундаменталног. The 3рд harmonic currents will be discussed separately in the next section for Case 1.
Characteristic and non-characteristic harmonic currents were flowing upstream of the rectifiers. They first went through CB6, the main feeder of the two rectifiers, thendistributed to other parts of the distribution system. Some characteristic harmonics such as the 5th harmonic currents met at the common bus, “Rectifier main bus”, and most of them were cancelled due to the phase shifting of the two transformers. As shown in Table 3, the 5ог harmonic current is 24.8% at Rectifier 1 и 17.1% at Rectifier 2, most of the 5ог harmonic currents are cancelled at the Rectifier main bus, and the 5ог harmonic current remains only 1.8% at CB6.
As per the non-characteristic harmonics, the 2нд harmonic current is reduced to 12.2% of the fundamental at CB6 from originally 16.8% и 34.3%, which is reduced. Међутим, the 4ог harmonic current increases to 26.9% of the fundamental from originally 8.1% и 6.9%. Слично, the amplified 4ог хармоника струја, 15.4% од фундаменталног, is also found at CB3. The cause of the amplification of the 4ог harmonic current at the upstream electrical circuit is investigated by performing the harmonic and resonance study.
A resonance analysis indicates that due to the connection of the two groups of harmonic filters, the peak impedance points created are located at the 4ог harmonic frequency (240Hz for the 60Hz system). Since the rectifiers generated a significant amount of even harmonic currents, serious resonance and amplification took place and resulted in large 4ог harmonic currents flowing in the system. The system frequency response characteristics at the 10 kV “Rectifier Main Bus” are shown in Figure. 10. The frequency response characteristic curve at 10 kV “Main Bus” connected to the secondary of 25MVA transformer is very similar to Figure 10.
Слика 10 indicates due to the connection of the 5ог, 7ог, 11ог, и 13ог single-tuned harmonic filters a few that the peak impedance points located at 240Hz, 360Хз, 480Hz and 720Hz are created. For a 60Hz system, these frequencies correspond to the 4ог, 6ог, 8ог и 12ог секундарне фреквенције. Peak impedance points are also known as resonance points. The 4ог и 6ог harmonic currents in Table 3 are significantly increased at CB6, this is the result of the harmonic resonance.The 8ог и 12ог harmonic currents in Table 3 do not show obvious amplification at CB6 because the inductance of the two 7MVA transformers at the rectifiers branches block part of these higher order even harmonic currents going through to the upstream system.
The harmonic current spectrum taken at one of the recti-fiers in April 2002 shows the harmonic content of the recti-fiers under normal operating conditions (Табела 3). It is found that non-characteristic harmonics including the 2nd, 3рд, 4ог, 6th etc were very small at that time.
The analysis indicates that the two rectifiers generate large amount of non -characteristics harmonics. Thenon-characteristic harmonic currents in the 4th, 6th harmonic frequencies are amplified due to parallel resonance in the system. That is the reason that a 26.9% 4ог harmonic current was detected a t the 10 kV “Rectifier Main Bus”, CB6. It is very likely that a malfunction on the rectifiers caused the non-characteristic harmonics problem.
Subsequent troubleshooting of the rectifiers verifies that a malfunction on the rectifiers caused this problem. The malfunction was corrected, the large amount of non-characteristic harmonic currents disappeared from the system.
Слика 10. Frequency response characteristic at 10KV “Rectifier Main Bus”.
4. Случај 1: Third Harmonics
Large amounts of 3рд harmonics were also found in Case 1 during the malfunction of the rectifiers in March 2004 (Табела 3). The worst case was at Rectifier 2 са 17.2% од 3рд хармоника струја. The 3рд harmonic current also appeared in the upstream circuit at CB 6 and CB 3.
Референце[8,9] provide the explanation that under the conditions of utility voltage unbalance, triplen harmonics such as the 3rd and 9th harmonic current can appear at the converters or rectifiers. Two examples are given in[9] with different line voltage unbalance conditions using a 460V 30kVA VFD. The 3рд harmonic currents in percent of the fundamental are 19.2% и 83.7% corresponding to 0.3% и 3.75% line voltage unbalance, односно. For the case that there is no obvious line voltage unbalance, the 3рд harmonic current is 2.1% for the same drive[9].
Based on the same principle, the 3рд harmonic currents shown at the rectifiers in the mining facility in March 2004 were also caused by line voltage unbalance. The three phase-to-phase voltages at CB 8 for Rectifier 2 were measured for 6 hours with one measurement point every minute on March 17 2004. The line voltage unbalance is calculated for each measurement point. The voltage unbalance calculation method is based on an equation provided in[4]. According to[4] the voltage unbalance in percent is defined by the National Electrical Manufacturers Association (NEMA)
in Standards Publication no. MG 1-1993 као што следи:
Note that the line voltages are used in this NEMA standard as opposed to the phase voltages. When phase voltages are used, the phase angle unbalance is not reflected in the % Unbalance and therefore phase voltages are seldom used to calculate voltage unbalance[4].
The calculated line voltage unbalance during the 6 hour trending measurement is shown in Figure. 11. Слика. 11 indicates that the voltage unbalance at Rectifier 2 for the measurement period ranges between 0.4% и 0.7% with most of the values falling between 0.5% и 0.6%. The calculated line voltage unbalance values explain why the 3рд harmonic current was as high as 17.2% at Rectifier 2.
Слика 11. Calculated line voltage unbalance at CB8, Rectifier 2 based on measured three-phase line-to-line voltages for Case 1.
5. Случај 2: Триплен хармоници
Случај 2 addresses a triplen harmonic issue in an oil field distribution system with multiple variable frequency drives (ВФД) in operation. The current waveforms at the inputs of the VFDs are seriously distorted. A root cause analysis was required to find a solution to this problem.
As the first step for troubleshooting, measurements were taken at the input of each VFD. The measured current waveform for one of the VFDs is shown in Figure. 12. Other VFDs have similar current waveforms at their inputs. It is found that the two humps are not in the same magnitude for each half cycle in the current waveform.
Слика 12. Measured current waveform at the input of VFD 1.
The corresponding harmonic current spectrum for the measured current waveform is shown in Figure. 13. This current harmonic spectrum contains 23% 3рд harmonic current and 13% 9ог harmonic current in percent of the fundamental. С друге стране, even harmonics are small and all within 1.5%. Дакле, current waveforms distortions are caused by triplen harmonics only.
Слика 13. Harmonic current spectrum at the input of VFD 1.
Similar to Section 4, the line voltage unbalance for the 480V low voltage system is calculated by using measured three phase-to-phase voltages for VFD1. The measurement trending period is more than 5 дани. The calculated line voltage unbalance during the measurement period is shown in Figure. 14. This figure shows that the line voltage unbalance values range between 0.2% и 0.9% with most of the values falling between 0.3% и 0.6%. With such line voltage unbalance from the utility power supply triplen harmonics are generated at the inputs of VFDs and thus further lead to serious current waveform distortions at the drive inputs.
Дакле, it can be concluded that the root cause of Case 2 is the voltage unbalance from the utility power supply.
Слика 14. Calculated line voltage unbalance at the input of VFD1 based on measured three-phase line-to-line voltages for Case 2.
6. Закључци
Non-characteristic harmonics including even and triplen harmonics are investigated in this paper. Two case studies are conducted.
Случај 1 deals with even harmonics generation caused by equipment malfunction of an industrial facility. Even harmonics, particularly the 4th and 6th harmonic currents are significantly amplified by resonance due to the presence of the 5th and 7th single-tuned passive harmonic filters in the system. Случај 1 also shows that the root cause for a high 3рд хармоника струја (све до 17% at one rectifier), is caused by a supply line voltage unbalance.
Harmonic current in % of fundamental
Случај 2 presents a serious current waveform distortion issue in an oil field distribution system with multiple VFDs. Triplen harmonic currents are found at the input of the VFDs, but even harmonic currents appear to be normal. All drives in the system show similar situations. The calculated line voltage unbalance at the input of one VFD ranges between 0.2% и 0.9% based on measured three phase-to-phase voltages. It is concluded that the root cause of Case 2 is line voltage unbalance from the utility power supply.
Based on investigations in this study, when significant amount of non-characteristic harmonics appear in industrial facilities, it indicates that something can be seriously wrong in the system. A detailed root cause analysis and troubleshooting should be conducted to identify the root cause of the problem and to resolve it before equipment gets damaged or personnel gets injured.
REFERENCES
[1] ИЕЕЕ Стд 519-1992, “IEEE Recommended Practices and Requirements for Harmonic Control in Electrical Power Systems”, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Инц, ИСБН 1-55937-239-7, САД [2] Vaclav Kus, Zdenek Peroutka, Pavel Drabek, “Non-Characteristic Harmonics and Interharmonics of Power Electronics Converter”, 18ог International Conference and Exhibition on Electricity Distribution (ЦИРЕД), 2005, PP. 1-5 [3] М. Х. Ј. Лопта, С. Cundeva, С. К. Ro nnberg, М. Wahlberg,0.6 Kai Yang, Liangzhong Yao, “A Wind Park Emitting Characteristic and Non-Characteristic Harmonics”, 14ог International Power Electronics and Motion Control Conference (EPE/PEMC), 2010, PP. S14-22 -S14-26
[13] David E. Rice, “Adjustable Speed Drive and Power Rectifier Harmonics -Their Effect on Power Systems”, IEEE Transactions on Industry applications, Лет. 1A-22, No.1, January/February 1986, ПП. 161-177