Analiza obciążeń i zużycia energii elektrycznej podczas imprezy masowej
Rys. 1. Przebieg zmian wartości średnich prądów w poszczególnych fazach zarejestrowanych w polu zasilającym aparaturę nagłaśniającą
G. Hołdyński
Impreza masowa w formie np. koncertu stanowi bardzo skomplikowane i jednocześnie bardzo ciekawe zagadnienie od strony organizacyjnej i logistycznej, a także z punktu widzenia zasilania w energię elektryczną. Ważną kwestią w tym przypadku jest informacja dotycząca zapotrzebowania mocy, która umożliwia odpowiedni dobór układu zasilania (miejsce przyłączenia do sieci elektroenergetycznej, przekrój przewodów, prąd znamionowy zabezpieczeń) oraz ewentualnych rozliczeń za energię elektryczną. Obecnie brak jest w literaturze kompleksowych opracowań i zaleceń dotyczących tych zagadnień. Zdarza się, że na potrzeby takich imprez wykonywana jest jedynie prowizoryczna instalacja, ponieważ osoby odpowiedzialne za przygotowanie układu zasilania nie zdają sobie sprawy z charakteru oraz wielkości obciążeń.
Zobacz także
dr inż. Witold Jabłoński, dr inż. Lech Danielski Nowe zasady doboru i montażu wyposażenia elektrycznego instalacji elektrycznych niskiego napięcia
Dwudziestego dziewiątego kwietnia 2011 r. opublikowano w języku polskim tekst normy HD 60364-5-51 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Postanowienia ogólne,...
Dwudziestego dziewiątego kwietnia 2011 r. opublikowano w języku polskim tekst normy HD 60364-5-51 Instalacje elektryczne niskiego napięcia. Dobór i montaż wyposażenia elektrycznego. Postanowienia ogólne, której w katalogu PKN nadano numer PN-HD 60364-5-51:2011. W artykule zostały przedstawione najważniejsze postanowienia zawarte w tekście tej nowej normy.
Farnell Projekty w trudnych warunkach przemysłowych
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe...
Zastosowanie skomplikowanych urządzeń elektronicznych i czujników do ulepszania i rozszerzania procesów produkcji, obróbki skrawaniem i procesów produkcyjnych w zastosowaniach przemysłowych jest możliwe tylko wtedy, gdy wszystkie komponenty przetrwają w trudnym środowisku. Systemy muszą wytrzymywać gorące, wilgotne i trudne warunki oraz niszczące pola elektryczne i magnetyczne. Specyficzne warunki środowiskowe, w których produkt jest używany, wpływają na jego specyfikacje. Takie specyfikacje należy...
mgr inż. Marcin Orzechowski Wpływ temperatury na bezpieczeństwo eksploatacji rozdzielnic niskiego napięcia (część 2.)
Kontynuując cykl poświęcony rozdzielnicom niskiego napięcia (a dokładnie połączeniom wewnętrznym w rozdzielnicach niskich napięć [9], [10], [11], [12] oraz [13]), tym razem autor zajął się zagadnieniem...
Kontynuując cykl poświęcony rozdzielnicom niskiego napięcia (a dokładnie połączeniom wewnętrznym w rozdzielnicach niskich napięć [9], [10], [11], [12] oraz [13]), tym razem autor zajął się zagadnieniem temperatury wewnątrz rozdzielnicy nn. W kolejnej części artykułu przedstawiamy praktyczne przykłady, które wyjaśnią problem wpływu temperatury na pracę wyposażenia rozdzielnicy oraz przyłączonych przewodów i kabli.
StreszczenieArtykuł przedstawia wyniki badań pomiarowych podstawowych wielkości elektrycznych (prądów mocy czynnych i biernych) zarejestrowanych w układzie elektroenergetycznym niskiego napięcia, zasilającym urządzenia elektryczne wykorzystywane podczas wybranej imprezy masowej. Przedstawiona została również analiza wyników badań pod kątem oceny wartości obciążeń dla poszczególnych grup odbiorników, zużycia energii elektrycznej oraz kosztów związanych przyłączeniem do sieci użytkowaniem energii.AbstractAnalysis of loads and electricalenergy consumption during mass events The article presents the results of measuring the basic electrical values (current,active an reactive power) registered in the low-voltage system power, feeding of electrical equipment used in selected mass event. Also presented the analys is of the measurement results in order to evaluate of load for different groups of consumers, energy consumption and costs of grid connection and energy use. |
Charakterystyka badanego obiektu oraz procedura badań
Obiektem badań były urządzenia i infrastruktura wykorzystywane podczas koncertów organizowanych w ramach Dni Kultury Studenckiej „Juwenalia” na terenie kampusu Politechniki Białostockiej. Do głównych urządzeń wykorzystywanych podczas tych koncertów zaliczyć można sprzęt nagłośnieniowy, oświetlenie sceny i terenu oraz dodatkowo punkty gastronomiczne. Teren imprezy zasilany był dwoma obwodami (kablami niskiego napięcia), przyłączonymi do dwóch pól liniowych rozdzielnicy niskiego napięcia stacji transformatorowej 15/0,4 kV umiejscowionej w jednym z budynków Politechniki Białostockiej. Jednym z kabli zasilana była aparatura nagłaśniająca, natomiast drugim oświetlenie sceny i terenu oraz punkty gastronomiczne.
Badania pomiarowe prowadzone były w formie rejestracji ciągłej w dniach od 19 do 22 maja 2011 r. W tym czasie organizowane były trzy koncerty: 19, 20 i 21 maja w godz. 17:00 – 2:00. Poza tym w ciągu dnia (przed godz. 17) odbywały się próby do koncertów oraz imprezy towarzyszące. Przez większą część dnia działały punkty gastronomiczne.
Do badań wykorzystywane były dwa analizatory jakości energii. W polu liniowym zasilającym aparaturę nagłaśniającą zainstalowano analizator typu CIRCUTOR AR-5, natomiast w polu zasilającym oświetlenie i punkty gastronomiczne zainstalowano analizator typu SONEL PQM 701. W przypadku analizatora CIRCUTOR AR-5 (nagłośnienie) rejestrację prowadzono z 5-minutowym uśrednianiem wyników, natomiast w przypadku analizatora SONEL PQM 701 (oświetlenie i gastronomia) z 1-minutowym uśrednianiem wyników. Dla obydwu analizatorów w każdym okresie uśredniania rejestrowane były wartości średnie, maksymalne i minimalne wszystkich mierzonych wielkości elektrycznych.
Analiza przebiegów obciążeń
W ramach przeprowadzonych badań zarejestrowano przebiegi zmienności podstawowych wielkości elektrycznych, takich jak: napięcia, prądy, moce czynne i bierne, współczynniki mocy oraz wskaźniki odkształcenia prądów i napięć. Przebiegi zarejestrowane w polu zasilającym aparaturę nagłaśniającą przedstawiono na rysunkach 1–4, natomiast przebiegi zarejestrowane w polu zasilającym oświetlenie i punkty gastronomiczne – na rysunkach 4–8. Dla obu przypadków zaprezentowano przebiegi średnich i maksymalnych wartości prądów oraz mocy czynnych i biernych.
Z analizy przebiegów zmian wartości maksymalnych prądów fazowych przedstawionych na rysunkach 2 i 6 wynika, że największa wartość chwilowa prądu płynącego w linii zasilającej aparaturę nagłaśniającą (rys. 2.) wynosiła 80,2 A, natomiast największa wartość chwilowa prądu płynącego w linii zasilającej oświetlenie i punkty gastronomiczne (rys. 6.) wynosiła 346 A. Największe wartości średnie (uśrednione w okresach 5- lub 1-minutowych) w poszczególnych kablach zasilających wynosiły odpowiednio 61,8 A (nagłośnienie – rysunek 1.) oraz 252,8 A (oświetlenie i gastronomia – rysunek 5.).
Łatwo zauważyć, że obciążenie obwodu zasilającego oświetlenie jest dużo większe niż aparatury nagłaśniającej, głównie ze względu na wykorzystanie do oświetlenia sceny energochłonnych lamp żarowych i metalohalogenkowych (PAR).
Dodatkowo, dla kabla zasilającego aparaturę nagłaśniającą, zaobserwowano znaczącą asymetrię obciążenia poszczególnych faz (rys. 1. i 2.). W czasie największej asymetrii prąd płynący w najbardziej obciążonej fazie wynosił 56,1 A, natomiast prąd w najmniej obciążonej fazie wynosił 23,7 A (ponaddwukrotna różnica – 2,37).
Maksymalne zarejestrowane wartości chwilowe mocy czynnych wynosiły 42,8 kW dla linii zasilającej aparaturę nagłaśniającą (rys. 4.) oraz 178,4 kW dla linii zasilającej oświetlenie i punkty gastronomiczne (rys. 8.). Największe wartości średnie (uśrednione w okresach 5- lub 1-minutowych) w poszczególnych kablach zasilających wynosiły odpowiednio 29,8 kW (nagłośnienie – rysunek 3.) oraz 130,3 kW (oświetlenie i gastronomia – rysunek 7.). W analizowanym przypadku maksymalne sumaryczne obciążenie chwilowe wynosiło 208,1 kW, natomiast największe obciążenie średnie (uśrednianie w okresie 5-minutowym) wynosiło 154,2 kW.
Warto również zwrócić uwagę na dużą dynamikę zmian obciążenia w czasie (rys. 4. i 8.), która jest szczególnie widoczna dla obwodu zasilającego odbiorniki oświetleniowe (rys. 8.). Wynika to z charakteru pracy przyłączonych urządzeń (migające lampy oświetlenia sceny oraz dynamiczna muzyka). Potwierdzają to również duże różnice wartości maksymalnych i minimalnych zarejestrowane w poszczególnych okresach uśredniania. Przeciętna wartość tych różnic podczas trwania koncertów (w godz. 17:00 – 2:00) dla linii zasilającej aparaturę nagłaśniającą wynosiła 71%, a dla linii zasilającej oświetlenie i punkty gastronomiczne 48% obliczonych (dla tych okresów uśredniania) wartości średnich.
Analiza zużycia energii
Wartości dziennego oraz sumarycznego zużycia energii czynnej i biernej oraz współczynnika mocy (tg j) w poszczególnych obwodach przedstawiono w tabeli 1. W tabelach 2 i 3 pokazano koszty energii elektrycznej (czynnej i biernej) obliczone według stawek taryfowych PGE Dystrybucja oraz PGE Obrót z roku 2011 [1, 3] oraz aktualnych (2013) [2, 4] dla odbiorców tymczasowych (taryfa R). Wszystkie wartości opłat przedstawiono w kwotach brutto, zawierających podatek VAT (23%).
Dodatkowo przy szacowaniu kosztów zasilania, należy uwzględnić także opłaty za przyłączenie do sieci elektroenergetycznej, które dla odbiorców tymczasowych (grupa VI), niewymagających budowy przyłącza (jak w analizowanym przypadku) wynosiły 7,44 zł/kW w roku 2011 oraz 7,65 zł/kW w roku 2013. Moc szczytowa 15‑minutowa, niezbędna do określenia mocy przyłączeniowej, wynosi w analizowanym przypadku 137,9 kW. Wobec tego opłaty przyłączeniowe wyniosłyby odpowiednio 1261,92 zł (2011 r.) i 1297,57 zł (2013 r.).
Dużo większe opłaty występowałby w przypadku konieczności budowy przyłącza na potrzeby zasilania odbiorcy, dla którego stawki opłaty przyłączeniowej wynoszą 133,51 zł/kW (2011 r.) i 137,25 zł/kW (2013 r.). Wówczas opłaty przyłączeniowe wyniosłyby odpowiednio 22 645,56 zł (2011 r.) i 23 279,93 zł (2013 r.).
Z analizy zużycia energii wynika, że pomimo występowania poboru energii biernej indukcyjnej (tab. 1.) nie występują opłaty za tę energię (tab. 2. i 3.), ponieważ nie przekracza ona wartości wymaganej (tg f = 0,4) przez dostawcę energii [1, 2]. Występują natomiast opłaty za energię bierną pojemnościową (oddaną), ale tylko w obwodzie zasilającym aparaturę nagłośnieniową.
Łączne koszty zasilania (energia elektryczna i opłata przyłączeniowa) analizowanej imprezy wyniosłyby 4328,60 zł w roku 2011 oraz 5349,55 zł w roku 2013.
Potwierdzenie znalazły tu także zaobserwowane wcześniej różnice obciążeń poszczególnych obwodów. Zużycie energii oraz idące za tym opłaty były dla obwodu zasilającego oświetlenie i punkty gastronomiczne ponad czterokrotnie (4,65) wyższe niż dla obwodu zasilającego aparaturę nagłaśniającą.
Wnioski
Analizując powyższe rozważania można wyciągnąć następujące wnioski:
- obciążenia układów elektroenergetycznych zasilających duże imprezy masowe mogą dochodzić nawet do kilkuset kilowatów (w analizowanym przypadku 208,1 kW), w związku z tym należy przywiązywać dużą uwagę do wyboru miejsca przyłączenia do sieci oraz doboru przekroju przewodów zasilających, oraz zabezpieczeń,
- najbardziej energochłonnymi urządzeniami wykorzystywanymi podczas koncertów plenerowych są reflektory do oświetlania sceny o mocach jednostkowych do kilku kilowatów i to one głównie warunkują zapotrzebowanie mocy. W analizowanym przypadku urządzenia do oświetlenia sceny zużywały od 40 do 100 kW, co stanowi od 60 do 80 % całkowitego zapotrzebowania mocy, w przypadku koncertów przeprowadzanych bez użycia oświetlenia, zapotrzebowanie mocy będzie dużo mniejsze, w granicach od kilku do kilkudziesięciu kilowatów, przy planowaniu zasilania należy zwrócić uwagę na równomierne przyłączanie odbiorników jednofazowych do poszczególnych faz układu trójfazowego.
Sprawa ta jest niezwykle ważna, ponieważ dobór elementów układu zasilającego (przewody zabezpieczenia) przeprowadza się najczęściej w sposób uproszczony do sumarycznej mocy urządzeń przy założeniu symetrycznego obciążenia wszystkich faz. Niespełnienie tego warunku może doprowadzić na przykład do uszkodzenia jednego z przewodów fazowych (na skutek przeciążenia) lub zadziałania zabezpieczenia i w konsekwencji zaniku napięcia. Niesymetryczne obciążenie może doprowadzić także do nadmiernego spadku napięcia w jednej z faz, które może powodować nieprawidłową pracę niektórych urządzeń, przy kalkulacji kosztów imprezy należy uwzględnić opłaty za przyłączenie do sieci oraz za energię elektryczną, ponieważ w niektórych przypadkach może to być nawet kilka tysięcy złotych.
***
Artykuł zrealizowano w ramach pracy statutowej S/WE/2/2013.
Literatura
- Taryfa dla usług dystrybucji energii elektrycznej. PGE Dystrybucja S.A., Lublin 2011 r.
- Taryfa dla usług dystrybucji energii elektrycznej. PGE Dystrybucja S.A., Lublin 2013 r.
- Taryfa dla energii elektrycznej dla klientów z grup taryfowych A, B, C i R. PGE Obrót S.A., Rzeszów 2011 r.
- Taryfa dla energii elektrycznej dla klientów z grup taryfowych A, B, C i R. PGE Obrót S.A., Rzeszów 2013 r.