Гармоники — это токи или напряжения более высоких частот, кратных основной частоте. Они могут вызывать такие проблемы, как искажение формы волны, дополнительный нагрев и снижение эффективности электрооборудования. Нечетные гармоники, возникающие при нечетных кратностях основной частоты, усиливают искажения и нагрев. Четные гармоники, возникающие при четных кратностях основной частоты, могут привести к перегреву трансформаторов. Тройные гармоники, которые являются особым типом нечетных гармоник, могут перегружать нейтральные провода, а также приводить к перегреву трансформаторов [1–6].
В промышленных условиях такие устройства, как частотно-регулируемые приводы, создают множество искажений. Чтобы уменьшить эти проблемы, используются фильтрокомпенсирующие устройства и специальные трансформаторы, предназначенные для работы с высоким уровнем гармоник [7,8]. Регулярная проверка качества электроэнергии помогает находить и устранять проблемы с гармониками и обеспечивает соответствие стандартам ГОСТ 32144–2013 [9].
Нечетные гармоники — это гармоники, которые являются нечетными кратными основной частоты, например, 3‑я, 5‑я и 7‑я гармоники. Эти гармоники могут вызывать серьезные проблемы в энергосистемах, поскольку они могут повредить электрическое оборудование и ухудшить его работу [10]. Присутствие нечетных гармоник увеличивает потери на сопротивление и вихревые токи в трансформаторах. Потери на сопротивление, также называемые потерями I²R, возникают из‑за того, что гармонические токи нагревают проводники сильнее. Этот дополнительный нагрев происходит из‑за потерь энергии в виде тепла из‑за сопротивления проводников. Потери на вихревые токи возникают, когда в сердечнике трансформатора протекают индуцированные токи, которые также выделяют тепло. Наличие гармоник усугубляет эти эффекты, поскольку сердечник трансформатора подвергается воздействию магнитных полей более высокой частоты, которые создают больше вихревых токов и выделяют больше тепла.
Высокий уровень нечетных гармоник может существенно повлиять на эффективность работы трансформатора. Чтобы снизить риск перегрева и возможного выхода из строя, трансформаторы часто приходится использовать с пониженной мощностью при высоком уровне гармоник. Использование трансформатора с пониженной мощностью означает, что он работает с меньшей нагрузкой, чем номинальная, чтобы уменьшить нагрев, вызванный гармониками [11]. Это обеспечивает безопасную работу трансформатора и продлевает срок его службы. Понижение мощности предполагает определение уровня гармоник и расчет дополнительных потерь, вызванных этими гармониками. Как только эти потери будут известны, мощность трансформатора будет скорректирована, чтобы предотвратить его перегрев и обеспечить надежную работу.