Interpretacja i pomiar wybranych parametrów jakości energii w sieciach rozdzielczych.pdf

MATERIAŁY KONFERENCYJNE MITEL'06

Interpretacja i pomiar wybranych parametrów jakości energii

w sieciach rozdzielczych

Przemysław Janik

Dbałość o wysoką jakość energii elektrycznej jest

warunkowana przez wiele czynników [1]. Z ekonomicznego

punktu widzenia energia jest produktem na wolnym rynku,

którego jakość należy stale monitorować i kontrolować.

Jest to istotne nie tylko dla odbiorców, ale i dla dbających

o swój wizerunek spółek dystrybucyjnych.

W przypadku zakłócenia procesu technologicznego u odbiorcy

i wynikłych strat, często nie jest łatwo udzielić jednoznacznej odpo-

wiedzi na pytanie, kto – odbiorca czy dostawca – jest odpowiedzial-

ny za złą jakość energii, prowadzącą do zakłócenia produkcji, oraz

w jakim stopniu i kiedy zostały przekroczone dopuszczalne granice

parametrów jakościowych [2]. W takich przypadkach niezbędne są

pomiary oraz odpowiednia ich interpretacja [3]. Na tej podstawie

można zaproponować środki zaradcze, będące kompromisem mię-

dzy stopniem poprawy jakości energii a poniesionymi kosztami in-

westycji.

Prawo energetyczne [4] oraz akty wykonawcze do ustawy, zawar-

te w rozporządzeniu ministra gospodarki [5], określają m.in. szcze-

gółowe warunki standardów jakościowych obsługi odbiorców. Już

na etapie wniosku o określenie warunków przyłączenia wniosko-

dawca ma prawo domagać się indywidualnych standardów jako-

ściowych parametrów energii elektrycznej, dotyczących niesymetrii

napięć, ciągłości zasilania czy dopuszczalnej wartości wyższych

harmonicznych. Standardy jakościowe energii, dotyczące m.in. czę-

stotliwości, odchyleń napięcia i współczynnika odkształcenia (har-

moniczne), zostały przejęte do umów sprzedaży energii wielu za-

kładów energetycznych [6].

Z technicznego punktu widzenia znacznie wzrasta ilość i moc od-

biorów czułych na zakłócenia jakości energii elektrycznej [1].

Za przykład może posłużyć zasilanie sterowanych procesorowo li-

nii technologicznych i komputerów, które wymaga uwzględniania

dodatkowych kryteriów, ujętych w tzw. krzywej CBEMA [7].

Wzrasta również liczba odbiorników energoelektronicznych nieli-

niowych, które są odpowiedzialne za powstawanie zakłóceń [8].

To samo urządzenie może wprowadzać zakłócenia do sieci elek-

troenergetycznej i jednocześnie być narażone na zakłócenia. Przy-

kładem są obwody oświetleniowe. Nieliniowe źródła światła są

przyczyną wyższych harmonicznych, a jednoczenie wahania napię-

cia zasilającego prowadzą do zjawiska migotania światła [9].

Prowadzenie monitoringu jakości energii elektrycznej pozwala na

właściwą ocenę sytuacji, wskazanie przyczyn zakłóceń oraz po-

wzięcie środków zaradczych, takich jak rekonfiguracja sieci, zmia-

na grubości przewodów, kompensacja mocy biernej, montaż filtrów

pasywnych i aktywnych [8].

Główne parametry jakości napięcia

Najważniejsze wskaźniki oceny jakości energii są wymienione

w normie [10]. Najgorsza jakość energii jest wynikiem braku zasi-

lania – ważna jest długość i częstotliwość wyłączeń. Obok wyłą-

czeń można wymienić inne istotne parametry:

– długość i częstotliwość wyłączeń,

– zapady napięcia,

– przepięcia (długo- i krótkotrwałe),

– wahania napięcia, prowadzące do migotania światła,

– drgania oscylacyjne,

– wyższe harmoniczne w prądzie i napięciu,

– niesymetria faz,

– odchyłki częstotliwości.

Szczegółowe wymagania, dotyczące m.in. krótkich i długich

przerw w zasilaniu, przepięć, zapadów, częstotliwości, są jedno-

znacznie określone i zdefiniowane w normach [10, 12, 13], a omó-

wione w [11]. Należy podkreślić, że ciągle toczy się dyskusja o do-

puszczalnych wartościach wskaźników jakości energii, a także

o sposobie ich określania [3].

Migotanie światła, będące efektem wahań napięcia, jest opisane

w zagadnieniach dotyczących pomiaru i dopuszczalnych poziomów

w normach [10, 14]. Ze względu na charakter zjawiska i koniecz-

ność uwzględnienia percepcji ludzkiego oka trudny jest sam pomiar

i interpretacja jego wyników [15]. Normy europejskie różnią się od

amerykańskich, a w literaturze można spotkać dyskusję dotyczącą

słuszności konkretnego podejścia [16].

Odbiorniki nieliniowe (przekształtniki elektroenergetyczne, wyła-

dowcze źródła światła) pobierają prąd o przebiegu okresowym, nie-

sinusoidalnym. Funkcja okresowa może być wyrażona jako suma

przebiegów sinusoidalnych, tworzących szereg Fouriera.

W normie [10] wprowadza się pojęcie współczynnika odkształce-

nia napięcia THD (total harmonic distortion), opisanego wzorem

= ∑

(1)

THD

wyrażającym stosunek harmonicznych do wartości skutecznej na-

pięcia.

Wyższe harmoniczne w obwodach oświetleniowych

Nieliniowe źródła światła (lampy wyładowcze, świetlówki kom-

paktowe) pobierają prąd niesinusoidalny. Składowe, będące wielo-

krotnością trzeciej harmonicznej prądu, sumują się w przewodzie ze-

rowym. W przypadku obwodów z przetwornikami energoelektrycz-

nymi trzecia harmoniczna może mieć wartość zbliżoną do składowej

podstawowej. Prąd w przewodzie powrotnym będzie w ekstremal-

nym przypadku do trzech razy większy niż w przewodzie fazowym.

Dr inż. Przemysław Janik – Instytut Podstaw Elektrotechniki

i Elektrotechnologii Politechniki Wrocławskiej

Rok LXXIV 2006 nr 3

MATERIAŁY KONFERENCYJNE MITEL'06

Obecność wyższych harmonicznych w prądzie powoduje dodat-

kowe nagrzewanie się przewodów i jest niebezpieczna dla izolacji.

Obecność wyższych harmonicznych w napięciu zwiększa prąd po-

bierany przez kondensatory, ponieważ impedancja kondensatora

maleje wraz ze wzrostem częstotliwości.

Trzecia harmoniczna prądu sumuje się w przewodzie zerowym.

Po stronie pierwotnej płynie ona w obwodzie zamkniętym, powo-

dując dodatkowe straty cieplne i nasycanie się transformatora.

Strumień magnetyczny od trzeciej harmonicznej prądu zamyka się

poza rdzeniem, co powoduje powstawanie prądów wirowych w po-

zostałych elementach transformatora. Zjawisko to uwidacznia się

czasem jako wyraźne pogorszenie jakości farby, którą transforma-

tor jest pomalowany (spękania, bąble). Dodatkowe straty energii

powoduje nagrzewanie transformatora i przyspiesza proces starze-

nia się izolacji.

Przedstawiony na rysunku 1 przebieg prądu jest rezultatem niesy-

metrii i nieliniowości trójfazowego obwodu oświetleniowego. Na

uwagę zasługuje poziom trzeciej harmonicznej (rys. 2), wyższy od

składowej podstawowej. Moc harmonicznych jest wyższa od mocy

składowej podstawowej, co należałoby uwzględnić przy projekto-

waniu obwodu.

Migotanie jako efekt wahań napięcia

Migotanie światła (ang. flicker) definiowane jest jako wrażenie

niestabilności postrzegania wzrokowego spowodowane przez bo-

dziec świetlny, którego luminacja lub rozkład spektralny zmieniają

się w czasie.

Migotanie światła jest spowodowane wahaniem napięcia sieci

i ma wiele przyczyn. Najczęściej występuje w urządzeniach pobie-

rających duże i zmienne prądy (napędy dużych mocy, pompy, piece

łukowe, zgrzewarki, odbiorniki nieliniowe). Także elektrownie wia-

trowe mogą stać się przyczyną występowania migotania napięcia.

Rys. 3.

Długookresowy wskaźnik

migotania światła wg [10]

zmierzony w stacji nN

zasilającej

odbiorców indywidualnych

i obwody

oświetlenia ulicznego

Rys. 1. Przebieg prądu w przewodzie powrotnym w obwodzie oświetlenia ulicznego

Rys. 4. Amplitudy napięć (wartości minimalne) w stacji nN

zasilającej odbiorców indywidualnych i obwody oświetlenia ulicznego

Na rysunku 3 przedstawiono wykres zmienności wartości długo-

terminowego wskaźnika migotania światła Plt dla stacji miejskiej

zasilającej odbiorców indywidualnych i obwody oświetlenia ulicz-

nego. Przez znaczną część okresu pomiarowego przekroczony był

dopuszczony przez normę [10] poziom 1. Wysoki poziom migota-

nia związany jest bezpośrednio z wahaniami napięcia zasilającego.

Na rysunku 4 przedstawiono wartości minimalne amplitudy na-

pięć fazowych, zarejestrowane dla okna pomiarowego 10-minuto-

wego. Przedział zmian zamykał się w granicach od –332 do –321.

Przepięcia ponad ±√

Rys. 2. Analiza spektralna prądu w przewodzie powrotnym

Rok LXXIV 2006 nr 3

¯ 2 U n mogą być szkodliwe, nawet jeśli 10-minu-

towe wartości skuteczne są z przedziału 231–241, dopuszczalnego

wg [10].

Zarejestrowane wartości współczynnika THD oscylowały wokół

poziomu 5%, określonego przez [10] za progowy (celowość stoso-

wania filtru [3]). W wielu przypadkach – dla sieci o niskiej mocy

zwarciowej i wielu odbiorach nieliniowych – można spodziewać się

zjawisk zakłóceniowych występujących równocześnie.

MATERIAŁY KONFERENCYJNE MITEL'06

Podsumowanie

Uwolnienie rynku energii, wzrost czułości odbiorników przy jed-

noczesnym zwiększeniu mocy urządzeń nieliniowych prowadzi do

coraz powszechniejszego zainteresowania zagadnieniami jakości

energii. Parametry określające jakość powinny być ustalane na dro-

dze pomiarów. Okresowe kontrole pozwalają na zastosowanie

przez dostawcę bądź odbiorcę środków zaradczych: zmiany konfi-

guracji sieci, struktury odbiorów, stosowania pasywnych i aktyw-

nych filtrów.

energią elektryczną, świadczenia usług przesyłowych, ruchu sieciowego i eksploatacji

sieci oraz standardów jakościowych obsługi odbiorców. Dz.U. 2000 nr 85, poz. 957

[6] Umowa sprzedaży energii elektrycznej, Typ A http://www.zeksa.koszalin.pl/obslu-

ga/umowa/typa.doc

[7] Arrillaga J., Watson N.R.: Power system quality assessment. John Wiley&Sons,

New York 2000

[8] Błajszczak G.: Zapewnienie właściwej jakości energii elektrycznej – nowy typ usług

systemowych. Elektroenergetyka 2000 nr 8

[9] Morcos M.M., Gomez J.C.: Flicker sources and mitigation. IEEE Power Engine-

ering Review 2002 nr 11

[10] PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdziel-

czych, październik 1998

[11] Szprengiel Z.: Jakość energii elektrycznej w świetle norm i przepisów prawnych.

Wiadomości Elektrotechniczne 1999 nr 1

[12] PN-EN 61000-3-2 Dopuszczalne poziomy emisji harmonicznych prądu (fazowy

prąd zasilający odbiornika ≤16 A)

[13] PN-EN 61000-4-7 Metody badań i pomiarów. Ogólny przewodnik dotyczący po-

miarów harmonicznych i interharmonicznych oraz stosowanych do tego celu przy-

rządów pomiarowych dla sieci zasilających i przyłączonych do nich urządzeń

[14] PN-EN 60868 Miernik migotania światła. Opis działania i cechy konstrukcyjne

[15] Bień A. et al.: Voltage fluctuation measurement – experiment in the industrial invi-

ronment. Electrical Power Quality and Utilization 2001 nr 2

[16] Halpin S.M. et al.: Voltage and lamp flicker issues: Should the IEEE adopt the IEC

approach? IEEE Transactions on Power Delivery 2003 nr 3

LITERATURA

[1] Bollen M.H.J.: Understanding power quality problems voltage sags and interrup-

tions. IEEE Press, New York 2000

[2] Dugan R.C., McGranaghan M.F., Beaty H.W.: Electrical power system quality.

McGraw-Hill, New York 1996

[3] Pawlęga A.: Problemy oceny jakości energii elektrycznej w miejscach jej dostarcze-

nia do odbiorców. Przegląd Elektrotechniczny 2003 nr 11

[4] Ustawa Prawo energetyczne z dnia 10 kwietnia 1997 r. Dz.U. 1997 nr 54, poz. 348

[5] Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 25 września 2000 r. w sprawie szczegó-

łowych warunków przyłączenia podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu

Rok LXXIV 2006 nr 3

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: