آلودگی هارمونیكی

علت اصلی مشكلات كه نوعی آلودگی الكترومغناطیسی است, رشد وسایل الكترونیكی در سیستم قدرت است رایانه ها و تلویزیونهای رنگی و سیستمهای مجهز به لامپهای خلاء حتی لامپهای فلورسنت استاندارد, موتورهای كنترل شده باالمانهای الكترونیك قدرت و شارژ كننده های باطری از جمله این وسایل هستند

در سالهای اخیر حوادث تازه‌ای باعث بروز اشكال در سیستمهای قدرت شده كه حتی از دید دستگاههای اندازه‌گیری پنهان مانده و یا سیستمهای حفاظت را غافلگیر كرده است. به عنوان نمونه در ژانویه ۱۹۹۲ یك سیستم رایانه‌ای جدید در یك شركت بیمه در پاریس نصب شد، اما مدت كمی بعد از وصل سیستم به برق، كلید اصلی عمل كرد و برق كل سیستم را قطع كرد. پس از صرف زمان و پول زیادی معلوم شد كه این اتفاق به خاطر اضافه بار بیش از حد سیم نول سیستم بوده است.

با اینكه بار سیستم یك بار سه فاز متقارن بوده اما جریان عبوری از سیم نول به مقدار شگفت‌آور ۶۵ درصد جریان سیم فاز می‌رسید. درحالی كه مقدار جریان مجاز رله محافظ سیم نول، ۵۰ درصد مقدار جریان مجاز رله محافظ سیم فاز بود (در سیستم سه فاز متقارن، جریان سیم نول باید صفر باشد و بنابراین مقدار ۶۵ درصد جریان فاز برای سیم نول یك اتفاق غیرمنتظره بود كه سیستم را غافلگیر كرد). در یك مورد دیگر یك ترانسفورماتور KVA۳۰۰ خراب شد، درحالی كه دستگاههای اندازه‌گیری نوع متوسط سنج هیچ گونه اضافه باری را نشان ندادند، اما موقعی كه ترانسفورماتور جایگزین شده نیز خیلی زود بعد از نصب خراب شد، با كمك دستگاههای اندازه‌گیری موثرسنج واقعی معلوم شد كه به خاطر جریانهای هارمونیكی، ترانسفورماتور دچار اضافه‌بار قابل ملاحظه‌ای بوده است.

تمام این مشكلات ریشه در یك عامل دارد و آن اعوجاج (خرابی) بیش از معمول جریان یا ولتاژ تحویلی به مصرف‌كننده است. این اعوجاج چندین اثر مخرب دارد، از جمله افزایش گرمای اجزای سیستم توزیع، نوسانات مكانیكی ژنراتورها و موتورها، خرابی عایقها یا خازنها به خاطر پدیده تشدید الكتریكی و گذشته از افزایش نویز صوتی، باعث خراب شدن عملكرد سیستم‌های مخابراتی PLC و رفتار غیرقابل پیش بینی سیستمهای حفاظت نصب شده، می‌شود.

علت اصلی این مشكلات كه نوعی آلودگی الكترومغناطیسی است، رشد وسایل الكترونیكی در سیستم قدرت است رایانه‌ها و تلویزیونهای رنگی و سیستمهای مجهز به لامپهای خلاء حتی لامپهای فلورسنت استاندارد، موتورهای كنترل شده باالمانهای الكترونیك قدرت و شارژ‌كننده‌های باطری از جمله این وسایل هستند.

عامل اعوجاج هارمونیكی بارهای غیرخطی مانند یكسوكننده‌هاست. هارمونیكهای پنهان (مولفه‌های جریانی كه به فركانس اصلی وابستگی هارمونیكی ندارند) توسط بارهای فعال آسنكرون نظیر سیكلوكانورترها یا بارهایی كه در هر سیكل تغییر دارند، مانند كوره‌های قوس، تولید می‌شود. تداخل الكترومغناطیسی (EMI) نویز فركانس بالاست و به خاطر لبه‌های سریع در شكل موجهای مبدلهای قدرت سوئیچینگ تولید می‌شود. بریدگیهای ولتاژ كه به خاطر اتصال كوتاههای لحظه‌ای ولتاژ خط در خلال دوره كموتاسیون اتفاق می‌افتد. پدیده چشمك‌زدن كه به خاطر تغییرات پیوسته یا دوره‌ای ولتاژ (كه ناشی از تغییرات بار است) اتفاق می‌افتد و باعث تغییر نور لامپ و آزار چشم می‌شود.

● بررسی رشد و تغییر در سیستمهای الكترونیك قدرت

افراد خبره در الكترونیك قدرت تخمین می‌زنند كه حدود ۵۰ تا ۶۰ درصد برق در كشورهای صنعتی از طریق سیستمهای الكترونیك قدرت مصرف می‌شود و این میزان درحال افزایش است. بنابراین اثر آلودگی هارمونیكی بارهای غیرخطی در سیستمهای قدرت جدی است. به عنوان نمونه در كشور سوئیس میزان هارمونیك در سیستم توزیع (V۴۰۰/V۲۳۰) بین سالهای ۱۹۷۹ تا ۱۹۹۱ از ۶/۳ درصد به ۷/۴ درصد افزایش پیدا كرده است.

برای جلوگیری از رشد آلودگی الكترومغناطیسی، نهادهای مختلف نظیر IEC و IEEE استانداردهای مختلفی وضع كردند تا حد مجازی برای هارمونیكها در سیستم قدرت مشخص شود. در همین زمان سازندگان و استفاده‌كنندگان تجهیزات الكترونیك قدرت نیز روشهایی برای حل این مشكل بكار برده‌اند.

با تغییر نوع بارها و استفاده بیشتر از یك بار خاص، درصد هارمونیكهای مختلف نیز ممكن است در سالهای مختلف دچار تغییر شود و بنابراین باید روشهای حذف هارمونیك نیز مناسب با این تغییرات باشد. به عنوان نمونه تغییرات هارمونیكی در سیستم توزیع كشور سوئیس را در سالهای ۱۹۷۹ تا ۱۹۹۱ نشان می‌دهد. در این سالها هارمونیكهای سوم و هفتم افزایش یافته‌اند و هارمونیك نهم نیز ظاهر شده است. این تغییر درصد هارمونیكها به خاطر این است كه استفاده از یكسوكننده تكفاز (كه مولد هارمونیكهای ۷،۹،۱۱ و … است) رشد زیادی داشته، در حالی كه یكسوكننده‌های سه‌فاز كه قبلاً سهم بیشتری در بارهای غیرخطی داشتند هارمونیك نهم تولید نمی‌كردند. نتیجه یك تحقیق در شش ساختمان اداری یك مجتمع بزرگ دانشگاهی در آمریكا نیز نشان می‌دهد كه این تغییر بافت بارهای غیرخطی و رشد یكسوكننده‌های تكفاز (كه مولد هارمونیك مضرب سه است) باعث ۱۳۳ درصد افزایش در جریان نول شده است.

● قوانین و راههای محدود كردن هارمونیكها

هارمونیكهای خط و فلیكر دو مورد آلودگی فركانس پایین هستند كه بیش از سایر هارمونیكها مورد توجه گروههای استاندارد قرار گرفته‌اند.

IEC در سال ۱۹۸۲ یك استاندارد سه قسمتی با شماره IEC۵۵۵ منتشر كرد كه بخش اول: تعاریف، بخش دوم هارمونیكها و بخش سوم تغییرات ولتاژ بود این استاندارد و به خصوص بخش هارمونیكهای آن، پس از چندین بار تغییر بالاخره در اواسط دهه ۹۰ قسمتی از خانواده IEC۱۰۰۰ از سری استانداردهای EMC شد. در آمریكا نیز استاندارد ANSI/IEEE ۵۱۹-۱۹۹۲ محدودیتهایی برای هارمونیكهای جریان و ولتاژ قائل شد. این استاندارد روزآمد استاندارد قبلی IEEE ۵۱۹-۱۹۸۱ بود كه تنها برای هارمونیكهای ولتاژ محدودیت قائل شده بود.

برگردان و تلخیص: مهندس یدا… ذاكری- مهندس عباس جانی‌قربان

---