Harmonické znečištění

Stále větší problémy způsobené harmonickým znečištěním.

Harmonické znečištění: „tichý zabiják“ v elektrických instalacích

Ve větší či menší míře jsou harmonická napětí, často označovaná jako harmonické znečištění, přítomna téměř v každé elektrické instalaci. Čím vyšší je úroveň harmonického znečištění, tím větší je potenciální riziko pro zařízení. V instalacích s velkým počtem výkonové elektroniky (nelineární zátěže) je riziko problémů způsobených harmonickým znečištěním obzvláště vysoké. Harmonické také vytvářejí extra jalový výkon  nebo výkon zkreslení. V důsledku přítomnosti harmonických může spínací zařízení (například frekvenční měniče) někdy spotřebovat více než 50% jalového výkonu.

Rizika harmonického znečištění:

  • Porucha zařízení;
  • Neočekávané odpojení bezpečnostních zařízení;
  • Generátory se nespouštějí, když je to potřeba;
  • Samovznícení kabelů a rozvaděčů;
  • Zbytečné ztráty energie a kapacity;
  • Snížená životnost zařízení;
  • Zbytečné náklady na servis a údržbu;

Příčiny harmonického znečištění

Harmonické znečištění je způsobeno harmonickými proudy nelineárních zátěží. Tato nelineární zatížení jsou elektrická zařízení, která nevykazují „lineární“ chování; napětí a proud nejsou synchronní. Tato zařízení převádějí čisté sinusové střídavé napětí na stejnosměrný proud. Výsledný střídavý proud již není čistě sinusový.
Výkonová elektronika nebo zařízení, ve kterých je výkonová elektronika přítomna, jsou typická nelineární zatížení. V průmyslových a komerčních zařízeních se tento typ zařízení používá ve stále větší míře. Ve výsledku se harmonické znečištění v těchto zařízeních exponenciálně zvyšuje.

Příklady nelineárních zatížení

  • Frekvenční měniče / frekvenční měniče (pro střídavé a stejnosměrné motory);
  • Průmyslová zařízení (svařovací zařízení, elektrické obloukové pece, indukční pece, vybíječe baterií);
  • Zdroje nepřerušitelného napájení (UPS);
  • IT vybavení (servery, počítače, tiskárny);
  • Blesk s elektrickým zatížením (TL-blesk, LED blesk);
  • Většina zařízení, která používají polovodiče (tranzistory a / nebo diody, polovodičová relé);

Důsledky harmonického znečištění

Důsledky harmonického znečištění zařízení jsou od závad zařízení po úplně vyhořelé rozvaděče. V závislosti na stupni harmonického znečištění a citlivosti připojeného zařízení se mohou negativní účinky harmonického znečištění projevit rychleji.

Negativní účinky harmonického znečištění:

  • Zvýšený odpor kabelů, což má za následek více tepla v kabelech => riziko požáru a „kožní efekt“
  • Vysoké nulové proudy, které mohou způsobit nepředvídané problémy => rizika selhání
  • Neočekávané vypnutí bezpečnostních zařízení => bezpečnostní riziko
  • Dodatečný jalový výkon (jalový výkon vyvolaný harmonickými – odkaz na jalový výkon) v instalaci => ztráta energie a kapacity
  • Spínací zařízení - například frekvenční měniče - mohou spotřebovat více než 50% jalového výkonu => ztráta energie a kapacity
  • Nežádoucí proudy skrz kabely => chyby
  • Přetížení motorů a transformátorů => zvýšený hluk a negativní směr rotačního pole
  • Zkrácená životnost zařízení kvůli zvýšeným provozním teplotám => zbytečné náklady

Co jsou to harmonické? 

Harmonická je frekvence, která je násobkem její základní frekvence. Základ evropské napěťové sítě je 50 Hz. Se základním kmitočtem 50 Hz zahrnují násobky výlučně frekvence 100 Hz, 150 Hz, 200 Hz atd. Tyto „vícenásobné“ frekvence se nazývají harmonické. Pokud je základní frekvence 50 Hz, 3. harmonická je 150 Hz, 5. harmonická je 250 Hz a 7. harmonická je 350 Hz.

Celkové harmonické zkreslení neboli THD napětí a proudu se vyjadřuje od 2. harmonické do 50. harmonické. Přesněji řečeno, THDu popisuje celkovou harmonickou v napětí a THDi popisuje celkovou harmonickou v proudu.

Tři skupiny harmonických

Harmonické lze rozdělit do tří skupin, známých také jako směry otáčení. Za předpokladu základní frekvence 50 Hz, jejíž fázor se otáčí ve směru hodinových ručiček, má každá z těchto skupin jiný účinek.

Nulová složka – sčítá se v neutrálu (homopolární)

Negativní složka (fázor se otáčí proti směru hodinových ručiček)

Pozitivní složka (fázor se otáčí ve směru hodinových ručiček)

3. harmonická 5. harmonická 7. harmonická
9. harmonická 11. harmonická 13. harmonická
15. harmonická 17. harmonická 19. harmonická
Atd... Atd... Atd...
Vede ke zvýšení proudů neutrálem, které mohou mít za následek zahřátí vinutí, zapálení kabelů a součástí. Vede k nadbytečnám ztrátám například v motorech a transformátorech, jakož i ve tepelným ztrátám v elektrických rozvodech.

Vede ke ztrátám například v motorech a transformátorech, jakož i ve tepelným ztrátám v elektrických rozvodech.

 

Každé zařízení má své vlastní charakteristické harmonické. Například frekvenční měniče často produkují 5. a 7. harmonickou a LED blesk často produkuje 3. harmonické. V oblasti kvality energie měříme harmonické znečištění až do 500. harmonické. K tomu používáme analyzátory kvality energie Elspec. Pro vysokofrekvenční měření ve spektru EMC pak osciloskopy a analyzátory pohonů Fluke MDA 550.

Normy týkající se maximálního harmonického znečištění

Maximální harmonické znečištění (napětí) - ve veřejných i neveřejných sítích - je definováno v různých normách týkajících se kvality elektřiny.

ČSN EN50160 

  • Standard pro kvalitu napětí pro dodavatele energie / provozovatele sítí.
  • Popisuje maximální harmonické znečištění.

ČSN EN50160

  • Specifikuje požadavky na kvalitu sítě, kterou dodavatel energie dodává v sítích nízkého, středního a vysokého napětí.
  • Tato norma popisuje nejdůležitější vlastnosti, které musí kvalita sítě splňovat v „bodě připojení“ - v místě přenosu od provozovatele sítě ke koncovému uživateli.
  • Tato norma nepopisuje průměrnou situaci, kterou koncový uživatel obvykle zažívá a nic neříká o potřebné kvalitě uvnitř závodu nebo provozu odběratele.

ČSN-EN-IEC61000

  • Tento standard pro imunitu, který obsahuje několik pod standardů je standardem elektromagnetické kompatibility (EMC) a definuje citlivost a emise elektrických zařízení a systémů.

Četné normy řady ČSN EN61000 byly vytvořeny speciálně pro použití na všechny druhy elektrických instalací, od základních domácích instalací až po velké průmyslové instalace.
ČSN EN61000 popisuje několik standardů pro různé typy zařízení. Patří mezi ně standardy pro průmyslové frekvenční měniče i standardy pro měřicí zařízení určené k dosažení stanovené úrovně kvality měření.
Zatímco ČSN EN61000 lze aplikovat pouze způsobem specifickým pro dané zařízení, v kombinaci s výsledky analýz ji lze použít k mapování určitých rizik v konkrétních situacích  sítích v průmyslu.

Norma popisuje nejen odolnost a maximální emise v aspektech kvality elektrické energie, ale i odolnost a emise jednotlivých zařízení v souvislostech s EMC.
Obrázek čarového spektra harmonických.

Pokud hledáte specialistu z oboru energetiky, který Vám poradí, jak efektivně naložit s Harmonickým znečištění. Pak nás neváhejte formulářem níže kontaktovat a to i v případě, kdy potřebujete doplňujícíc informace.

Vrátit se na rozcestník

Dotaz na další podrobnosti

Položky označené hvězdičkou (*) jsou povinné.

*Vaše údaje zpracováváme na základě oprávněného zájmu, dle našich zásad o ochraně osobních údajů.

Kontaktuje nás

Petr Nedorost
Telefon: +420 739 475 699 - pracoviště Praha

Ing. Jaroslav Smetana
Telefon: +420 241 762 724