این هارمونیک، که فرکانس آن سه برابر فرکانس اصلی شبکه است (۱۵۰ هرتز در ایران)، یک متهم ویژه در بسیاری از مشکلات مربوط به کیفیت توان است و قربانی اصلی آن، تجهیز گران‌قیمت و حیاتی یعنی ترانسفورماتور است.
اما چرا هارمونیک سوم اینقدر متفاوت و خطرناک است؟ و مهم‌تر از آن، چگونه می‌توان با اثرات ویرانگر آن مقابله کرد؟ در این تحلیل فوق تخصصی از نوآوران برق پارسیان، به بررسی علمی این پدیده و راهکارهای مهندسی برای حذف یا کاهش اثرات آن می‌پردازیم.
چرا هارمونیک سوم یک متهم ویژه است؟ پدیده مولفه صفر
در یک سیستم سه فاز متعادل، اکثر هارمونیک‌ها (مانند پنجم، هفتم، یازدهم و…) دارای یک ویژگی مثبت هستند: بردارهای جریان آن‌ها در سه فاز به گونه‌ای است که در نقطه خنثی یا سیم نول، یکدیگر را خنثی می‌کنند. اما هارمونیک سوم و مضارب آن (نهم، پانزدهم و…) از این قاعده پیروی نمی‌کنند. به این هارمونیک‌ها، هارمونیک‌های مولفه صفر (Zero-Sequence Harmonics) گفته می‌شود.
ویژگی اصلی این هارمونیک‌ها این است که جریان‌های هارمونیک سوم در سه فاز، هم‌جهت و هم‌فاز هستند. این به آن معناست که در سیم نول، این جریان‌ها نه تنها یکدیگر را خنثی نمی‌کنند، بلکه با یکدیگر جمع می‌شوند. نتیجه این پدیده می‌تواند بسیار خطرناک باشد: جریانی که در سیم نول عبور می‌کند، می‌تواند تا سه برابر جریان هارمونیک سوم هر فاز باشد. این جریان اضافی، که اغلب در محاسبات اولیه نادیده گرفته می‌شود، عامل اصلی بسیاری از مشکلات در ترانسفورماتورها و سیستم‌های توزیع است. منبع اصلی این هارمونیک، بارهای تکفاز غیرخطی مانند کامپیوترها و سیستم‌های روشنایی مدرن در ساختمان‌های اداری و تجاری است.
اثرات ویرانگر هارمونیک سوم بر ترانسفورماتورها
افزایش شدید تلفات و گرمای بیش از حد
جریان هارمونیک سوم باعث افزایش شدید تلفات مسی در سیم‌پیچ‌ها می‌شود. اما خطر بزرگ‌تر، افزایش تلفات ناشی از جریان‌های گردابی (Eddy Current) در هسته، بدنه و دیگر قطعات فلزی ترانسفورماتور است. این تلفات با مربع فرکانس نسبت مستقیم دارند، یعنی تلفات ناشی از هارمونیک سوم (۱۵۰ هرتز) ۹ برابر تلفات در فرکانس اصلی است. این حرارت اضافی باعث می‌شود که یک ترانسفورماتور، حتی زمانی که زیر بار نامی خود کار می‌کند، بیش از حد داغ شده و عمر مفید عایق آن به شدت کاهش یابد.
داغ شدن و آسیب به سیم نول
همانطور که گفته شد، جمع جبری جریان‌های هارمونیک سوم در سیم نول، می‌تواند باعث عبور جریان بسیار بالایی از این سیم شده و منجر به داغ شدن، ذوب شدن عایق و حتی آتش‌سوزی در ترمینال نول ترانسفورماتور شود.
اعوجاج در ولتاژ خروجی
عبور جریان هارمونیک سوم از امپدانس ترانسفورماتور، باعث ایجاد یک ولتاژ با همان فرکانس می‌شود که با ولتاژ اصلی سینوسی جمع شده و شکل موج خروجی را دچار اعوجاج می‌کند. این پدیده که به آن تخت شدن سر موج (Flat-topping) نیز گفته می‌شود، می‌تواند عملکرد تجهیزات حساس الکترونیکی را مختل کند.
راهکارهای مهندسی برای مقابله و حذف هارمونیک سوم
برای مقابله با این پدیده مخرب، چندین راه حل مهندسی وجود دارد:
استفاده از ترانسفورماتور با اتصال مثلث (Delta Winding)
این کارآمدترین، رایج‌ترین و بهترین راه حل برای به دام انداختن هارمونیک سوم است. در یک اتصال مثلث، یک مسیر بسته برای جریان‌های مولفه صفر فراهم می‌شود. این به آن معناست که جریان‌های هارمونیک سوم، به جای جاری شدن به سمت شبکه، درون خود سیم‌پیچ مثلث به گردش درآمده و در همان‌جا تلف می‌شوند. به همین دلیل است که در اکثر سیستم‌های توزیع، سمت ثانویه ترانسفورماتورها که به بارهای غیرخطی نزدیک‌تر است، به صورت مثلث متصل می‌شود.
استفاده از ترانسفورماتور با درجه K (K-Rated Transformer)
این ترانسفورماتورها، هارمونیک‌ها را حذف نمی‌کنند، بلکه به صورت ویژه‌ای برای تحمل کردن آن‌ها طراحی شده‌اند. آن‌ها دارای هسته بزرگ‌تر، سیم‌پیچ‌های با طراحی خاص و سیم نول با سایز دو برابر هستند تا بتوانند حرارت اضافی ناشی از هارمونیک‌ها را بدون آسیب دیدن، دفع کنند.
نصب فیلترهای هارمونیک
اگر امکان تعویض ترانسفورماتور وجود نداشته باشد، می‌توان از فیلتر برای حذف جریان‌های هارمونیکی استفاده کرد.
- فیلتر پسیو (Passive Filter): مجموعه‌ای از سلف‌ها (راکتور) و خازن‌هاست که برای فرکانس ۱۵۰ هرتز تنظیم شده و مانند یک جاروبرقی، جریان هارمونیک سوم را به سمت خود کشیده و به زمین تخلیه می‌کند.
- فیلتر اکتیو (Active Filter): یک تجهیز الکترونیک قدرت پیشرفته است که جریان هارمونیکی را اندازه‌گیری کرده و یک جریان ضد هارمونیک دقیقا با همان اندازه و فاز مخالف تولید و به شبکه تزریق می‌کند. این دو جریان یکدیگر را خنثی کرده و شکل موج را به حالت سینوسی خالص نزدیک می‌کنند.
سخن پایانی
هارمونیک سوم یک چالش جدی در طراحی و نگهداری سیستم‌های توزیع برق مدرن است. شناخت این پدیده و اثرات مخرب آن بر روی ترانسفورماتورها، اولین قدم برای جلوگیری از خسارات سنگین و افزایش قابلیت اطمینان شبکه است. انتخاب صحیح نوع اتصال ترانسفورماتور در مرحله طراحی، بهترین و اقتصادی‌ترین راهکار است، اما برای سیستم‌های موجود نیز راه حل‌های مؤثری مانند فیلترهای هارمونیک وجود دارد.
شناسایی و حذف هارمونیک‌ها، کلید افزایش عمر ترانسفورماتورها و تضمین کیفیت توان در تاسیسات شماست. تیم مهندسی نوآوران برق پارسیان با ارائه خدمات آنالیز شبکه و طراحی فیلترهای تخصصی، به شما در پاک‌سازی شبکه برق خود کمک می‌کند.
بدون دیدگاه