Transcript Effect of Power System Harmonic on Equipments 8 July 2557

Effect of Power System
Harmonic on Equipments
Utility
Customers
Manufacturers
Consultants
Research Organizations
PQ Standard Organizations
Engineers Facility Designers
Research Division, PEA
Harmonic Sources
SMPS
12k+1
Electronic
Spot Welding
6k+1
DC & AC Drive
Transformer
Symmetrical Component
Vb2
VC1
1200
1200
120
Vb1
0
0
120
0
0
120
120 0
120 1200
1200
Va1
VC2
Va 0 Vb
0
Vc0
Va 2
Symmetrical Component
a  1.01200
 0.5  j 0.866
VC
120
0
120
0
 VA  1 1
 V  = 1 a 2
 B 
 VC  1 a
VA
1.000
1   Va 0 



a   Va1 
a 2   Va 2 
VA = Va 0 + Va1 + Va 2
1200
2
VB = Va 0 + a Va1 + aVa 2
VB
a  1.0  120
 0.5  j 0.866
2
0
VC = Va 0 + aVa1 + a 2Va 2
Symmetrical Component
a  1.01200
 0.5  j 0.866
VB = Va 0 + a 2Va1 + aVa 2
VC
120
0
120
0
1200
VB
a  1.0  120
 0.5  j 0.866
2
VA = Va 0 + Va1 + Va 2
0
VA
2
1.00
0
VC = Va 0 + aVa1 + a Va 2
VAB = VA - VB = 1- a 2  Va1 + 1- a  Va 2
VBC = VB - VC =  a 2 - a  Va1 +  a- a 2  Va 2
VCA = VC - VA =  a  1 Va1 +  a 2  1 Va 2
System Connection & Harmonic
Source
Harmonic
Source
50 Hz
Order Sym.
1
+
2
-
3
0
Negative Sequence (-)
4
+
3n - 1
5
-
6
0
7
+
Positive Sequence (+)
3n + 1
Zero Sequence (0)
3n
H
System Connection & Harmonic
ลำดับที่
1
2
ควำมถี่
50
100 150 200 250
Sym.
+
3
-
4
0
5
+
Ih _ 0
Zero Sequence
6
-
7
8
300 350
0
+
9
10
400 450
-
0
11
500 550
+
Ih _ 0
Zero Sequence
-
Zero Sequence
X T  Zero
Zero Sequence
X T  Zero
Zero Sequence
X T  Zero
Zero Sequence
X T  Zero
Zero Sequence
X T  Zero
Power Quality
Monitoring
Fluke
Model41B
Unipower
Model 902
Meridian
Hioki
Dranetz
Model 658
Harmonic Power Flow
50 Hz
V5th  0.10450 

0
0
0
0

45

180


1
35

90

I th  0.251800 
5

V7th  0.10400 

0
0
0
0

4
0

30

70

90

I th  0.25  300 
7

Ex. Harmonic Power Flow
50 Hz
V11st = 0.12300 

0
0
0
0

30

80
=
110
>
9
0

I st = 0.5 -800 
11

V17th  0.21400 

0
0
0

40

50

90
0
I th  0.32  50 
17

V23rd = 0.21600 

0
0
0

60
60
=
0

I rd = 0.32600 
23

Harmonic Power Flow
V3th  0.10450 

0
I th  0.25180 
3

P3th  450  1800  1350  900
Harmonic Power Flow
5
th
Harmonic Series Resonance
(Low Impedance)
Impedance (Z)
XC
Zh = R- j
+ jhX L
h
jhX L
R
R
XC
j
h
h
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Harmonic Order
Harmonic Series Resonance
(Low Impedance)
jh(2 fL)
Vh
R
jhX L
Ih
-j
-j
XC
h


jhXL
VL = Ih jhXL = 
X
 R+ jhX L - j C

h
1
h  2 fC 
XC
Zh = R- j
+ jhX L
h
Ih =


 Vh


Vh
XC
R+ jhXL - j
h
XC

-j

h
VC = 
X
 R+ jhX L - j C

h


 Vh


Harmonic Series Resonance
Order
VSystem  VRated
VSystem  VRated
2
VCr
XC =
6
MVAR×10
XC
1
h=

X L 2 f LC
VCr 100×MVATr
h=
VS % Z×MVAR
2
V
%Z
S
XL =
×
100 MVATr ×106
Finding Harmonic Series
Resonance Order
1 MVA
Z = 6.5 %
XC
1
h=

X L 2 f LC
VS = VCr
100× MVATr
h=
% Z× MVAR
kVAR 100 200 300 400 500 600
h
12.4 8.8 7.2 6.2 5.5 5.0
Harmonic Parallel
Resonance (High Impedance)
Impedance (Z)
 XC 
R
+
jhX

L - j

h


Zh =
XC
R+ jhXL - j
h
jhX L
R
R
XC
j
h
h
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
Harmonic Order
Harmonic Parallel
Resonance (High Impedance)
Ih
jhX L
IS
IC
R
jX C
h


 R+ jhX L

IC = 
Ih

XC
 R- j
+ jhX L 

h

 XC 
 R+ jhXL   - j 
h 

Zh =
XC
R+ jhXL - j
h
Vh = Ih Zh
XC


-j


h
IS = 
Ih

XC
 R- j
+ jhX L 

h

Harmonic Parallel
Resonance (High Impedance)
VSystem  VRated
VSystem  VRated
2
VCr
XC =
MVAR×106
XC
1
h=

X L 2 f LC
VCr
h=
VS
MVASC
MVAR
2
VS
XL =
MVASC ×106
Harmonic Parallel
Resonance (High Impedance)
MVASC-HV
MVA Tr
%Z
MVASC-LV
MVASC-LV
MVA Tr
=
MVA Tr
%Z
+
100 MVASC-HV
Harmonic Parallel
Resonance (High Impedance)
100 MVASC-HV
1
MVA
=
SC-LV
1 MVA
MVASC-LV
Z = 6.5 %
MVASC-LV
VS  VCr
6.5
1
+
100 100
= 13.3MVA
VCr
h=
VS
MVASC
MVAR
kVAR 100 200 300 400 500
h
11.5 8.2 6.7 5.8 5.2
Effect on Miniature Circuit
Breaker
Thermal Trip
(Overload)
5วินำที
1วินำที
MCB
Magnetic Trip (Short Circuit)
Effect on Fuse
1,000
Effect on Fuse
Time (seconds)
100
Maximum
Clearing Time
Fuse
0.4 Sec
10
< 0.4 Sec
1
Minimum
Melting Time
0.10
Relay
0.01
100
1,000
10,000
100,000
Rated Current (%)
Effect on Capacitor
Components of Capacitor
IPE Element
I. Dry-type - no pollution or leakage risk
II. Sequential Protection System
IPE
•
Self-Healing Capacitor Elements
•
Internally Protection Elements
Can
•
Nonflammable Dry Vermiculite
Filter
Resin
filling
III. Discharge Resistors
IV. Terminal Studs
V. Thermal equalizer
VI. Steel enclosure
VII. Light weight easy to install
Wires
Non selfhealing
windings
Capacitor
winding
Winding
core
Sprayed
contact
layer
Fuse
Sprayed
contact
layer
Components of Capacitor

Electrode : a microscopically thin
layer of conducting material,
Polypropylene Dielectric
aluminum or zinc 0.01 microns
Aluminum Foil Electrode

Dielectric : Polypropylene range from
5 to 10 microns
Effect on Capacitor
Dielectric = Voltage
Stress
Thickness
Harmonic and Capacitor
Selection
Sn : ขนำดของหม้ อแปลง
(kVA)
Gh : ขนำดของโหลดทีส่ ร้ ำง
ฮำร์ มอนิกส์ (kVA)
Harmonic and Capacitor
Selection
400V
470/525V
525V
Reactor
Effect on Relay
I Input
0.92
 0.46
2
I50
= I50 +
h
0.922  0.462  1.03
f
h
I50Hz
I50Hz/h
IRMS
50Hz
120
180
300
420
540
1
2
3
5
7
9
1.00A
0.92A
0.99A
1.02A
1.02A
1.00A
0.46
0.33
0.20
0.145
0.11
1.00
1.03
1.04
1.04
1.03
1.01
Effect on Relay
Peak Sensing
VRMS
Under
protected
True RMS
Sensing
VRMS
1
  Vdt
T
VPEAK

2
Peak Sensing
Over
protected
Sampling
Effect on Ground Relay
L1
3.L1
L2
3.L2
L3
3.L3
N
Effect on Meter
kWh  VI cos   hour
Effect on Conductors
Skin Effect
x
I

Y
l
R
A
Heat  I Rt
2
Effect on Conductors
Proximity Effect
กระแสไหลใน
ทิศทางเดียวกัน
กระแสไหลในทิศ
ทางตรงข้ามกัน
l
R
A
2
I Rt
Increase in AC resistance(%)
Effect on Conductors
300
250
200
150
500 mm2
240 mm2
100
50
185 mm2
70 mm2
0
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19
Harmonic Order
Effect on Conductors
Copper Losses (Load Losses)
Effect on Transformer
Load Losses  PLL  = Copper Losses  I 2 R  + Eddy Current Losses  PEC 
Copper Losses
Eddy Current
Losses
Skin Effect
Proximity Effect
2
 Ih  2
PEC = PEC-R    h
1  I1 
n
PEC-R คือ ค่าความสูญเสียจากกระแสไหลวนในขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้ า
เมื่อจ่ายโหลดแบบ Linear ที่พกิ ดั กระแส (50 Hz)
Effect on Transformer
Transformer Derating (K Factor)
K Factor =
2 2
(I
 hh )
I
PEC-R
IRMS-Derated
2
h
1+ PEC-R
= I =
1+ (K Factor × PEC-R )
2
h
PEC-R คือ ค่าความสูญเสียจากกระแสไหลวนในขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้ า
เมื่อจ่ายโหลดแบบ Linear ที่พกิ ดั กระแส (50 Hz)
Effect on Transformer
Transformer Derating (K Factor)
K Factor =
2 2
(
f
 hh)
PEC-R
IRMS-Derated
f
2
h
1+ PEC-R
= I =
1+ (K Factor × PEC-R )
2
h
PEC-R คือ ค่าความสูญเสียจากกระแสไหลวนในขดลวดของหม้อแปลงไฟฟ้ า
เมื่อจ่ายโหลดแบบ Linear ที่พกิ ดั กระแส (50 Hz)
Effect on Transformer
Transformer Derating (K Factor)
Transformer 25 MVA at 22 kV
I Rated
25 106

 656.0798 A
3
3  22 10
Fundamental
770 A
at 50 Hz
3 rd
10 A
7 th
110 A
5 th
154 A
11 th
70 A
Effect on Transformer
Transformer Derating (K Factor)
I h ( p.u ) 
h h2
Ih
Ih
I Rated
I h  p.u.
fh 
I1 ( p.u.)
770
I h (p.u .) =
= 1.17364
656.0798
0.01524
fh =
= 0.01299
1.17364
Ih  p.u. Ih2  p.u. Ih2  p.u. h2
fh
fh2
fh2h2
1 1 770 1.17364 1.37743 1.37743 1.00000 1.00000 1.00000
3 9 10 0.01524 0.00023 0.00209 0.01299 0.00017 0.00152
5 25 154 0.23473 0.05510 1.37743 0.20000 0.04000 1.00000
7 49 110 0.16766 0.02811 1.37743 0.14286 0.02041 1.00000
11 121 70 0.10669 0.01138 1.37743 0.09091 0.00826 1.00000
 1.69796 1.47225 5.51179 1.44675 1.06884 4.00152
Effect on Transformer
Transformer Derating (K Factor)
K Factor =
K Factor =
2 2
(I
 hh )
2
I
h
2 2
(
f
 hh)
2
f
 h
PEC-R  0.15
IRMS-Derated
5.51179

 3.74379
1.47225
4.00152

 3.74379
1.06884
IRMS-Derated
1+ PEC-R
=
1+ (K Factor × PEC-R )
1+ 0.15
=
 0.858 P.U.
1+ (3.74379×0.15)
= 0.858× 656.0798 = 562.916 A
Effect on Transformer
Transformer Derating (K Factor)
IRMS-Derated
1+ 0.15
=
 0.858 p.u.
1+ (3.74379×0.15)
= 0.858× 656.0798 = 562.916 A
IRMS =
2
I
 h = 1.47225 = 1.21336 p.u.
= 1.21336× 656.0798 = 796.061 A
1+ PEC-R
 I  1+ (K × P )
Factor
EC-R
2
h
Transformer can
be
damaged
operate
without
damage
Effect on Transformer
Transformer Derating (K Factor)
Transformer 25 MVA at 22 kV
I Rated
25 106

 656.0798 A
3
3  22 10
IRMS =
2
I
 h = 1.47225 = 1.21336 p.u.
= 1.21336× 656.0798 = 796.061 A
796.061
= 927.81 A
0.858
Transformer Size  3 ×  927.81× 22 ×103  = 35.354 MVA
Effect on Motor
1st , 4th ,7th
2nd ,5th ,8th
Effect on Motor
Effect on Motor
 อุณหภูมิเพิ่มสูงเกิน
Class ที่ระบุ 10 C มี
ผลทำให้ อำยุกำรใช้ งำน
ของมอเตอร์ลดลง
มำกกว่ำ 50% ของที่
มำตรฐำนกำหนด
แผนกวิจยั คุณภำพไฟฟ้ำอุตสำหกรรม กองวิจยั
ฝ่ ำยวิจยั และพัฒนำระบบไฟฟ้ำ
www.pea.co.th
กำรไฟฟ้ำส่ วนภูมิภำค
Email: [email protected]
Tel.02-5905576 Fax.02-5905810
With Hysteresis Losses
, B
P
Q
00
60 0
1200
1800
3600
B or 
B,V
Knee - Point
Ankle -Point
H,I
Harmonic Solution
Passive Filter
Harmonic Solution
Active Filter
Other loads
Filter
Load
generating
harmonics
หลักกำรทำงำนของ Active Filter
1. 3
1. 3
1. 3
0
360
0
0
360
360
- 1. 3
- 1. 3
- 1. 3
Load current with
harmonics
40
+
=
Compensating
current
Pure fundamental
40
40
20
20
20
0
0
0
- 20
- 20
1
5
7
11
13
17
19
1
- 20
1
5
7
11
13
17
19
5
7
11
13
17
19
ประเภทของ Passive Filter
เปลีย่ นค่ ำควำมถี่รีโซแนนซ์ โดยติดตั้ง
Inductor ขนำด 5%หรือ 7% ของ
ขนำด คำปำซิเตอร์ เพือ่ ไม่ ให้ เกิด
กำรรีโซแนนซ์ ในระบบทีม่ ีฮำร์ มอ
นิกส์ ลำดับที่ 5, 7, 11
เปลีย่ นค่ ำ Impedance ของวงจรให้
เป็ น Low Impedance เพือ่ ให้ ระบบ
ไฟฟ้ำมีลกั ษณะเหมือนกำรลัดวงจร
ซึ่งจะทำให้ กระแสฮำร์ มอนิกส์ ไหลเข้ ำ
ตัว Filter