Harmoniske strømme øger tabene i en transformer, fordi tabene i viklingerne stiger kraftigt med frekvensen. Hvirvelstrømstabene stiger cirka med kvadratet på den harmoniske orden, så 5. harmoniske giver op til 25 gange så store hvirvelstrømstab pr. ampere som 50 Hz. Resultatet er transformer overophedning, hurtigere ældning af isoleringen og kortere levetid, selv om strømmen ser normal ud.
Transformeren er ofte den dyreste enkeltkomponent i en elinstallation, og den er svær at udskifte hurtigt. Alligevel bliver den sjældent overvåget, før noget går galt. En transformer, der kører varmere end normalt i årevis, ældes stille og roligt, indtil isoleringen svigter.
Harmoniske strømme er en af de mest oversete årsager. De kan få en transformer til at blive overophedet, selv om belastningen ligger et godt stykke under mærkeeffekten. Det skyldes, at transformeren er dimensioneret og testet til rene 50 Hz-strømme.
I denne artikel får du forklaret, hvordan harmoniske påvirker transformere, hvordan du opdager problemet, og hvad du kan gøre ved det. Læs også vores guide til harmoniske strømme.
Hvorfor giver harmoniske ekstra tab i transformeren?
Harmoniske giver ekstra tab, fordi en transformers tab ikke kun afhænger af strømmens størrelse, men også af dens frekvens. Ved 50 Hz er en stor del af tabene almindelige modstandstab i viklingerne. Ved højere frekvenser stiger især hvirvelstrømstabene i viklingerne og andre spredningstab i metaldelene.
Tabene i en transformer under belastning kan deles op sådan:
| Type tab | Hvordan harmoniske påvirker det |
|---|---|
| Modstandstab i viklingerne (I²R) | Stiger, fordi den samlede RMS-strøm bliver større |
| Hvirvelstrømstab i viklingerne | Stiger omtrent med kvadratet på frekvensen (h²) |
| Andre spredningstab i tank, kerne og beslag | Stiger med frekvensen, men mindre end hvirvelstrømstabene |
| Tomgangstab i kernen | Påvirkes kun lidt af harmoniske strømme |
Det er hvirvelstrømstabene, der gør forskellen. En forskningsartikel fra Technical University of Košice beskriver, at de er proportionale med kvadratet på strømmen og omtrent med kvadratet på frekvensen. Det er også grundlaget for beregningsmetoden i IEEE C57.110, som bruges til at vurdere transformere med harmoniske belastninger.
Et eksempel fra virkeligheden
I samme artikel har forskerne beregnet tabene i en tørtransformer på 1,25 MVA ud fra målte harmoniske i lavspændingssiden. Ved mærkebelastning gav de harmoniske:
- Hvirvelstrømstab ca. 4 gange så store som ved rene 50 Hz-strømme (fra ca. 1.040 W til ca. 4.260 W).
- Samlede tab ca. 35 % højere (fra ca. 11.670 W til ca. 15.750 W).
De ekstra 4 kW bliver til varme i transformeren. Forfatterne konkluderer, at man risikerer forkert dimensionering eller overbelastning af transformeren, hvis man ser bort fra de harmoniske.
3. harmoniske og trekantsviklingen
Mange fordelingstransformere er koblet Dyn, altså med trekant på mellemspændingssiden og stjerne på lavspændingssiden. Her har 3. harmoniske en særlig effekt.
Den 3. harmoniske og de andre triplen-harmoniske fra enfasede belastninger er i fase i de tre faser. På lavspændingssiden løber de i nullederen og i transformerens stjernepunkt. På mellemspændingssiden kan de ikke løbe ud i nettet. I stedet cirkulerer de i trekantsviklingen.
Det har to konsekvenser:
- Nettet foran transformeren ser færre 3. harmoniske, fordi de bliver fanget i trekantsviklingen.
- Transformeren får ekstra varme, fordi de cirkulerende strømme giver tab i viklingerne.
En transformer, der forsyner en kontorbygning eller et datacenter med mange enfasede belastninger, kan derfor blive varm, selv om strømmen på mellemspændingssiden ser fornuftig ud. Læs mere om 3. harmoniske og nullederen.
Hvad betyder overophedning for transformerens levetid?
Varme er den vigtigste faktor for en transformers levetid. Isoleringen i viklingerne, typisk papir og olie eller støbeharpiks, ældes hurtigere, jo varmere den er. Det varmeste punkt i viklingen, det såkaldte hot spot, er afgørende.
Som tommelfingerregel fordobles ældningen af papirisolering for hver ca. 6 grader, temperaturen stiger over det niveau, transformeren er designet til. Det er en tommelfingerregel fra belastningsvejledningen IEC 60076-7. Selv nogle få graders ekstra opvarmning kan derfor koste mange års levetid, hvis den står på i lang tid.
Andre følger af harmoniske i transformeren kan være:
- Mere brum og vibrationer, fordi de harmoniske giver magnetiske kræfter ved højere frekvenser.
- Overophedning af skinner og forbindelser på lavspændingssiden.
- Overbelastning af nullederen og stjernepunktet ved mange 3. harmoniske.
- Højere energitab, som du betaler for på elregningen.
Tegn på, at harmoniske belaster din transformer
Hold øje med disse tegn:
- Transformeren er varmere end forventet i forhold til belastningen, fx ved termografi eller temperaturmåling.
- Temperaturalarmen udløses, selv om belastningen ligger under mærkeeffekten.
- Transformeren brummer mere end normalt.
- Varme forbindelser på lavspændingssiden og i nullederen.
- Mange ikke-lineære belastninger som frekvensomformere, UPS, IT-udstyr, LED og ladestandere.
- Høj THDi målt på transformerens lavspændingsside.
Har du en tørtransformer i et lukket rum, er det særligt vigtigt at holde øje med temperaturen. Ventilationen er ofte dimensioneret efter tabene ved rene 50 Hz-strømme. Se vores overblik over kilder til harmoniske.
Sådan beskytter du transformeren mod harmoniske
Du beskytter transformeren ved at reducere de harmoniske, ved at sænke belastningen eller ved at vælge en transformer, der er bygget til harmoniske belastninger. I eksisterende anlæg er et harmonisk filter som regel den mest effektive løsning.
| Løsning | Hvad den gør | Hvornår den passer |
|---|---|---|
| Harmonisk filter | Fjerner de harmoniske, før de når transformeren | Eksisterende anlæg med mange harmoniske |
| Nedjustering af belastningen | Transformeren belastes mindre end mærkeeffekten | Hurtig løsning, men udnytter transformeren dårligere |
| Transformer bygget til harmoniske (K-faktor) | Tåler de ekstra tab uden overophedning | Nyanlæg eller udskiftning ved mange ikke-lineære belastninger |
| Bedre køling | Fjerner den ekstra varme | Supplement, ikke en løsning på årsagen |
Harmonisk filter
Et harmonisk filter fjerner de harmoniske strømme, så transformeren kun skal levere en næsten ren 50 Hz-strøm. Det reducerer tabene, sænker temperaturen og frigør kapacitet i transformeren. Et aktivt filter passer til anlæg med mange forskellige kilder og skiftende belastning. Et passivt filter passer til store faste belastninger som frekvensomformere. Læs mere om forskellen på aktivt og passivt filter. Se vores harmoniske filtre.
Nedjustering efter IEEE C57.110
IEEE C57.110 beskriver, hvordan du beregner, hvor meget en transformer skal nedjusteres, når den forsyner harmoniske belastninger. Beregningen bygger på de målte harmoniske strømme og transformerens tab. Det kræver altså en måling at vide, hvor meget transformeren reelt kan belastes.
K-faktor-transformere
Ved nyanlæg kan du vælge en transformer, der er bygget til harmoniske belastninger. De angives ofte med en K-faktor, der fortæller, hvor store harmoniske tab transformeren er dimensioneret til. Det er en god løsning, når du på forhånd ved, at belastningen bliver meget ikke-lineær, fx i et datacenter.
Sådan finder du ud af, om din transformer er belastet af harmoniske
Start med en måling af de harmoniske strømme på transformerens lavspændingsside over mindst en uge. Kombinér den med en temperaturmåling eller termografi. Så kan du se, hvor store de harmoniske er, og om de falder sammen med høje temperaturer.
En god vurdering omfatter:
- THDi og de enkelte harmoniske ordener på alle tre faser.
- Strømmen i nullederen ved mange enfasede belastninger.
- Belastningen i procent af mærkeeffekten over døgnet.
- Transformerens temperatur sammenholdt med belastning og harmoniske.
- Transformerens data, fx type, mærkeeffekt og tab, så nedjusteringen kan beregnes.
Læs mere om måling af harmoniske. En elkvalitetsanalyse giver dig dataene. Vil du følge transformeren løbende, kan en fast elkvalitetsmåler give besked, før temperaturen bliver kritisk. Læs også om overvågning af elkvalitet.
Få hjælp til harmoniske og transformere
Hos Eluminate måler vi de harmoniske på din transformer, vurderer belastningen og anbefaler den løsning, der passer. Ofte kan et harmonisk filter både sænke temperaturen og frigøre kapacitet, så du kan udsætte en dyr udskiftning af transformeren. Vi leverer aktive, passive og hybride filtre og dokumenterer effekten med en ny måling.
Se vores harmoniske filtre eller book en elkvalitetsanalyse.
Ofte stillede spørgsmål om harmoniske og transformere
Skrevet af
Anders Dahl Johnsen
Partner, CCO & Lead Consultant
Anders har mange års erfaring med elkvalitet, harmoniske filtre og måling i industri og energi, og hjælper virksomheder med at finde og løse problemer i elnettet.
anddj@eluminate.dk