Power Quality, Part 2

Power quality, part II The effects of steady state disturbances on loads:  The degree to which harmonic currents and voltage notching (distortion) can be tolerated is function of  the susceptibility of the type of load and other components of the power distribution system to such  disturbances.  •Motors and generators: the major effect of line disturbances on these machines is increased heating  due to copper and iron losses at the harmonic frequencies. In some severe cases, pulsating or reduced  torques may occur. The sum effect of the harmonics is a reduction in the efficiency and life of the  machine. Generator regulating controls can also be affected by harmonic currents and voltage notching.  It may result in hunting and instability and may make paralleling of generators very difficult.  •Transformers: voltage harmonics cause higher transformer voltage & insulation stress. Higher voltage  will cause overexcitation and consequently high harmonics contents in the line currents due to the  higher excitation current. Transformer heating, increased copper & iron losses and reduced life are the  results of high harmonic contents in the transformer phases (lines). If the system is 4­wire, overheating  of the neutral due to the flow of the zero sequence harmonic current is a possibility.  •Power Cables: medium voltage cables involved in system resonance (because of the inductance of lines  or equipment and distributed or lumped capacitance) that is caused by harmonics current may be  subjected to voltage stress and partial discharge that may lead to insulation failure.  The flow of harmonics currents in a conductor will cause additional heating due to skin and proximity  effects, both of which are function of frequency or order of harmonic, size and spacing of cable. In 4­ wire systems, additive harmonics in the neutral conductor can result in a neutral current exceeding the  phase currents. This may lead to overheating of the neutral conductor that may affect its insulation and  its surroundings. In 3­wire systems, the third , ninth, etc harmonics are not present.  •Capacitors: Capacitors with the inductance of the system can cause resonance at a frequency other  then the fundamental. This may impose a higher than rated voltage on the capacitor and may cause  excessive currents to blow capacitor fuses. The life of the capacitor may be shorten because of the  overheating due to current harmonics or the over stressing due to the voltage distortion. As a rule of  thumb, the life of a capacitor will be halved for every 10 deg C temp. rise above normal or for 10%  above rated voltage.  •Switchgear and motor control centres: excessive harmonics can increase heating and losses in  switchgear/MCCs, reducing current carrying capability (continuous) of fuses and shortening the life of  the insulating components.  •Protective relaying: for electromechanical relays additional torque components are produced and may  alter the time delay characteristics of the relay. This may lead to incorrect tripping of the relay. For solid  state, non RMS sensing, nuisance tripping or mal operation can result if the sensed current is rich in  harmonics.  •Metering and instrumentation: these induction disk meters are affected by harmonic currents and  voltages. The conditions can worsen if resonance results in high harmonic voltage. The induction disk  devices see only fundamental current, harmonics can cause phase unbalances which can lead to mal 

operation. Positive or negative errors are possible depending on the harmonics involved and the design  of the meter. Using the RMS sensing meters and relays will alleviate the aforementioned problems that  are encountered with peak sensing and induction disk meters & relays.  •Electronic Equipment: power electronic equipment is susceptible to misoperation caused mostly by  voltage notching. The voltage notch can distort the voltage wave form near zero crossing point, making  it difficult to synchronize the firing pulses for phase controlled devices. Computers, electronic  instruments and control devices may incur erratic operation and sometimes malfunction should the  harmonic factor exceeds 5% and 3% for a single harmonic.  •Circuit breakers: the presence of harmonics, function of the type of the interrupting media and the arc  quenching process, may cause the breaker to fail to interrupt the currents flowing through it. Under  resonance conditions, the voltage appearing across the open circuit breaker may cause the failure of the  breaker due to stressing the insulators & insulating medium.  •Communications: when a long communication line (telephone line) is run in close proximity to a  power line feeding solid state devices and non­linear loads, harmonic interference can occur. The effect  is interference with the transmission of information. In some cases, harmonics can emulate a signal and  cause sparious system responses.  •Other devices: ballasts for fluorescent or mercury lighting may have capacitors which together with the  inductance of the ballast and the circuit have a resonant value. If this value corresponds to one of the  generated harmonics, excessive heating and consequently failure of the fixture will occurs. Clock or  paging systems can be adversely affected when one of the harmonic frequencies falls on or near the  carrier frequency. Voltage notching can also cause misoperation of clock systems.  Remedies and mitigation techniques to reduce harmonics related problems:  Before getting into the available options to minimize the adverse effects of harmonics, series and  parallel resonance will be covered, briefly. Inductive reactance increases directly with frequency (2πfL)  and capacitive reactance decreases directly with frequency (1/2πfc). At the resonant frequency, of any  inductive/capacitive (LC) circuit, inductive reactance (Xl) equals capacitive reactance (Xc). For the  series resonance circuit, the total impedance at the resonant frequency reduces to the resistance  component only. High current magnitudes at the exciting frequency will flow. For the parallel  resonance circuit, the total impedance is very high at the resonant frequency. High voltage magnitudes  will appear across the load and high circulating current will flow in the capacitance­inductance loop,  although the source current will be small in comparison.  The available techniques to alleviate the harmonics problems:  •Shunt filters: a number of shunt filters tuned to specific harmonic frequencies (5, 7, 11) can effectively  reduce the harmonics currents in a power system. Each filter consists of a series L­C circuit tuned to  resonate at a specific frequency and is located relatively near the harmonic source. It will provide a low  impedance path and will shunt most of the harmonics current to ground thus preventing it from getting  into the power system. In some cases these traps can overheat if they trap harmonics from other sources  than those intended for.  •Series filters: these filters consist of a parallel L­C circuit tuned to resonate at a specific frequency and 

are located at the equipment being affected.  •Zero sequence filter: it is a specially designed zig­zag reactor which provides a low impedance path for  all zero­sequence currents. This filter provides low impedance path for currents in phase and high  impedance to currents not in phase (in case of 3 phase systems to currents, 120 deg apart).  •Phase multiplication: it involves phase shifting transformer to distribute power to harmonics generating  devices, mainly rectifiers and converters. By properly shifting the phase relationship to various six  pulse converter loads, the new effect in the power system is to create 12 or 24 pulse circuit. The result  would be less harmonics generated & transmitted through the power system. As mentioned under  rectifiers, above, the harmonics remaining in the power system will be np +/­1.  •Harmonic Injection: harmonics currents can be eliminated by inducing harmonic fluxes in the core of  a transformer with 180 deg. phase shift from the harmonic fluxes induced by current flowing in the  transformer secondary. These devices are designed to constantly monitor the load current, inject a  current equal and opposite to the distorted component (thus cancelling it).  •Power system design: the effects of voltage distortion and harmonics currents can be minimized on  other system loads by properly locating and isolating harmonics­producing equipment as much as  reasonable. The power wiring to a converter can be isolated from the control wiring or other load  conductors to minimize the inductive and capacitive coupling between the different wiring systems.  Voltage distortion can be minimized if the adjustable frequency drive or the harmonic producing  devices load, as a percentage of total transformer load, is kept to a minimum, also if the distribution  transformer short circuit level to the actual load current ratio is increased. Major resonant conditions  can be minimized by locating relatively smaller banks of power factor correction capacitors throughout  a power system. These can be switched as needed versus using a single large bank of capacitors.  •Reactors or isolation transformers: the effect of reactors or isolation transformers is to slightly change  the shape of the current wave, thus lowering not eliminating the amplitude of the harmonics currents.  The reactor is placed between the harmonics generating device and the point of common coupling. The  distortion to the power system at the point of common coupling may be reduced.  •Reducing System impedance: as voltage drop in a power distribution system is function of each  harmonic current through the impedance, voltage distortion can be reduced by either lowering the  current or the impedance. Keeping the conductor lengths as short as practically possible, using low  impendence transformers (this method has other advantages and disadvantages), using delta primary  (this method has its disadvantages) winding in the distribution/rectifier transformer will eliminate the  zero sequence currents path outside the delta, these are just a few ways to reduce the impedance in a  power system.  Transient disturbances:  Transient power problems originate outside buildings from ground faults, lightning, public utility  switching. They also originate inside buildings from inductive loads and switching. Photocopiers, air  conditioners, compressors, motors,light switches and fluorescent lighting circuits are all common  sources of power line transient disturbances. Any collapsing magnetic field or any sparking in a switch  will create transient waves which will appear at various locations with different modes and the  consequences will vary. Part III will cover this topic.