Parametry opisujące jakość energii elektrycznej
Rys. 1. Dopuszczalne wartości poszczególnych harmonicznych napięcia występujących w sieciach niskiego i średniego napięcia oraz współczynnika odkształcenia napięcia THDU
Rys. G. Hołdyński, Z. Skibko
Podstawowym zadaniem układów elektroenergetycznych jest dostawa energii elektrycznej odpowiedniej jakości. Jednym z podstawowych kryteriów jakościowych jest utrzymanie wartości i częstotliwości napięcia na odpowiednim poziomie. W artykule przedstawione zostały podstawowe parametry opisujące jakość energii elektrycznej. Podano również przyczyny i skutki występowania najczęściej spotykanych zakłóceń oraz wymagania stawiane parametrom jakościowym energii elektrycznej.
Zobacz także
BayWa r.e. Solar Systems Maraton szkoleniowy – uzyskaj certyfikat instalatora!
Mamy przyjemność ogłosić, że już 1 czerwca 2022 firma BayWa r.e. Solar Systems organizuje maraton szkoleniowy dla instalatorów PV, czyli cały dzień wypełniony ciekawymi oraz przydatnymi panelami spotkań.
Mamy przyjemność ogłosić, że już 1 czerwca 2022 firma BayWa r.e. Solar Systems organizuje maraton szkoleniowy dla instalatorów PV, czyli cały dzień wypełniony ciekawymi oraz przydatnymi panelami spotkań.
unidex.pl Wymienniki ciepła – nowoczesne urządzenia pod indywidualne potrzeby i konkretne wymagania instalacyjne
Praktycznie w każdej przemysłowej instalacji chłodzącej znajdują się freonowe lub/i amoniakalne wymienniki ciepła. Dzięki tym urządzeniom możliwe jest efektywne schładzanie albo zamrażanie produktów. Zasada...
Praktycznie w każdej przemysłowej instalacji chłodzącej znajdują się freonowe lub/i amoniakalne wymienniki ciepła. Dzięki tym urządzeniom możliwe jest efektywne schładzanie albo zamrażanie produktów. Zasada działania wymiennik ciepła jest stosunkowo prosta. We współczesnych, zaawansowanych technologicznie aplikacjach przemysłowych stosuje się wymienniki ciepła o zróżnicowanej konstrukcji, a sama budowa wymiennika ciepła jest uzależniona głównie od sposobu przepływu ciepła.
Adus Sp. z o.o. Puszki podłogowe typu ZGP do specjalnego przeznaczenia w nowoczesnych instalacjach elektrycznych
Powszechnie stosowane puszki podłogowe wyposażone w zestawy gniazd elektrycznych gwarantują dostawę energii elektrycznej do wskazanych miejsc. Estetyka takich puszek jest uzależniona od sposobu ich montażu...
Powszechnie stosowane puszki podłogowe wyposażone w zestawy gniazd elektrycznych gwarantują dostawę energii elektrycznej do wskazanych miejsc. Estetyka takich puszek jest uzależniona od sposobu ich montażu i rodzaju podłoża. Zupełnie innym zagadnieniem, które bardzo mocno wpływa na dobór rodzaju obudowy puszek jest ich sposób i miejsce użytkowania.
StreszczenieW artykule przedstawiono podstawowe parametry opisujące jakość energii elektrycznej, takie jak: częstotliwość, odchylenia, wahania, asymetria oraz harmoniczne napięcia. Podano również przyczyny i skutki występowania najczęściej spotykanych zakłóceń, oraz wymagania stawiane parametrom jakościowym energii.AbstractParameters of the electric energy qualityThe article presents the basic parameters of the electric energy quality, so as: frequency, deviations, fluctuations, asymmetry and harmonic of voltage. The article additionally contains the causes and effects causes and effects of most often appearing disturbances, and requirements for parameters of the energy quality. |
Jakość energii elektrycznej definiuje się jako zbiór parametrów opisujących właściwości procesu dostarczania energii do użytkownika w normalnych warunkach pracy, charakteryzujących napięcie zasilające oraz określających ciągłość zasilania odbiorcy. Na jakość energii elektrycznej mają wpływ zarówno dostawcy, jak i odbiorcy energii elektrycznej. Dostawcy z racji eksploatowanych sieci elektroenergetycznych o odpowiedniej przepustowości obciążenia i sztywności napięcia zasilającego odpowiadają głównie za napięcie zasilające. Odbiorcy z kolei odpowiadają za jakość prądu, wpływając na jego przebieg poprzez eksploatowane odbiorniki elektryczne, które mogą pogarszać jakość energii elektrycznej [1].
Wśród parametrów opisujących jakość energii elektrycznej znajdują się wielkości podlegające procesom normalizacji. Należą do nich [1]:
- częstotliwość sieci zasilającej,
- odchylenia napięcia (wolne zmiany napięcia),
- wahania napięcia (szybkie zmiany napięcia),
- wskaźnik migotania światła,
- asymetria napięcia,
- harmoniczne napięcia.
Unormowania prawne dotyczące jakości napięcia zasilającego obejmują parametry napięcia w złączach elektroenergetycznych odbiorców zasilanych z publicznych sieci elektroenergetycznych jedynie w normalnych warunkach pracy. Według PN-EN 50160:2010 [2] za normalne warunki pracy uważa się „Warunki pracy sieci elektroenergetycznej, w której zapotrzebowanie jest pokryte przez moc wytwarzaną, wykonywane są operacje łączeniowe, a uszkodzenia są eliminowane przez automatyczny system automatyki zabezpieczeniowej, przy równoczesnym braku nadzwyczajnych warunków”.
Postanowienia norm i przepisów nie dotyczą nietypowych warunków pracy, do których można zaliczyć [2]:
- pracę sieci w tymczasowych układach zasilania,
- niezgodność instalacji lub urządzeń odbiorcy z odpowiednimi normami lub wymaganiami technicznymi dotyczącymi przyłączenia odbiorców,
- wyjątkowe sytuacje pozostające poza kontrolą dostawcy,
a w szczególności:
- wyjątkowe warunki atmosferyczne i inne klęski żywiołowe,
- zakłócenia spowodowane przez osoby trzecie,
- działania władz publicznych,
- akcje protestatcyjne,
- siły wyższe,
- niedobór mocy wynikający ze zdarzeń zewnętrznych.
W Polsce unormowania prawne dotyczące jakości napięcia zasilającego określone głównie w:
- Rozporządzeniu Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego [3],
- PN-EN 50160:2010 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych [2],
- Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej (zatwierdzona decyzją Prezesa URE nr DRR-4321-29(5)/2013/MKo4 z dnia 10 września 2013 r.) [4].
Częstotliwość napięcia zasilającego
Częstotliwość napięcia zasilającego definiuje się jako liczbę powtórzeń w przebiegu czasowym składowej podstawowej napięcia zasilającego zmierzoną w określonym przedziale czasu.
Odchylenie częstotliwości opisuje się jako różnicę pomiędzy daną wartością a wartością znamionową częstotliwości, wykazywaną podczas normalnej pracy systemu elektroenergetycznego, w przedziale czasu wynoszącym co najmniej kilka sekund. Wahanie częstotliwości opisywane jest podczas trwania stanu zakłócenia w systemie elektroenergetycznym i definiuje się jako zbiór różnic pomiędzy danymi wartościami a wartością znamionową częstotliwości, wykazywanych w przedziałach czasu rzędu milisekund.
Przyczynami odchyleń oraz wahań częstotliwości w systemie elektroenergetycznym są trwałe albo przejściowe niezbilansowania mocy czynnej wytwarzanej i zapotrzebowanej przez system. Zmiany bilansu mocy czynnej mogą być spowodowane zbyt małą mocą wytwarzaną przez jednostki wytwórcze pracujące w systemie w porównaniu z mocą zapotrzebowaną lub za małym zapotrzebowaniem mocy względem mocy wytwarzanej. W przypadku wzrostu wartości mocy obciążenia lub zmniejszenia się wartości mocy wytwarzanej, następuje spadek wartości częstotliwości, a w przeciwnym wypadku – jej wzrost. Zmiany częstotliwości mają negatywny wpływ na wydajność maszyn wirujących (spadek częstotliwości) oraz na trwałość i straty występujące w odbiornikach energii elektrycznej (wzrost częstotliwości) [5].
Zmianom wartości częstotliwości przeciwdziała się głównie poprzez regulację pierwotną (regulacja prędkości obrotowej generatorów w blokach wytwórczych) i wtórną (niwelowanie odchyłki częstotliwości powstałej w systemie po wystąpieniu zakłócenia bilansu mocy czynnej, której nie likwiduje regulacja pierwotna) oraz poprzez układy samoczynnego, częstotliwościowego odciążenia (SCO) [5].
Wymagania dotyczące wartości częstotliwości napięcia zasilającego zostały przedstawione w tabeli 1.
Zmiany wartości napięcia zasilającego
Zmianę wartości napięcia zasilającego definiuje się jako zwiększenie lub zmniejszenie wartości napięcia, spowodowane zazwyczaj zmianą obciążenia sieci elektroenergetycznej. Rozróżnia się dwa rodzaje zmian wartości napięcia: wolne zmiany zwane odchyleniem napięcia oraz zmiany szybkie nazywane wahaniami napięcia.
Odchylenie napięcia definiuje się jako różnicę wartości napięcia rzeczywistego i znamionowego sieci wyrażoną w procentach napięcia znamionowego. Podstawowymi przyczynami odchyleń napięcia w sieciach elektroenergetycznych są zmiany obciążenia sieci w czasie, powodujące zmiany spadków napięć występujących na impedancjach poszczególnych elementów układów elektroenergetycznych oraz zmiany rozpływu mocy biernej w sieci. W tabeli 2. przedstawiono wymagania normatywne stawiane odchyleniom napięcia.
Do wskaźników charakteryzujących wahania napięcia w sieciach elektroenergetycznych należą [5, 6]:
- amplituda wahań napięcia wyrażona jako stosunek wartości zmiany napięcia do napięcia znamionowego,
- częstotliwość amplitud wahań napięcia lub w przypadku wahań okresowych – częstotliwość wahań napięcia;
- wskaźnik krótkookresowego migotania światła Pst (wskaźnik określający uciążliwość migotania światła w krótkim czasie, rzędu kilku minut). Pst = 1 jest umownym progiem dokuczliwości migotania światła;
- wskaźnik długookresowego migotania światła Plt (wskaźnik określający uciążliwość migotania światła w długim czasie, rzędu kilku godzin). Wartość współczynnika określa się na podstawie kolejno następujących po sobie wartości współczynników krótkookresowego migotania światła Pst, według zależności:
gdzie:
Psti (i = 1, 2, 3, ... 12) – kolejne wartości wskaźników krótkookresowego migotania światła Pst.
Wahania napięcia wynikają przede wszystkim z występowania w sieciach elektroenergetycznych niespokojnych odbiorników energii elektrycznej, tzn. odbiorników, które pobierają zmienny, co do wartości skutecznej, prąd elektryczny, do których należy zaliczyć przede wszystkim piece łukowe, spawarki, młoty i piły elektryczne, dźwigi i maszyny wyciągowe. Wahania napięcia są także powodowane przez rozruchy silników asynchronicznych, procesy łączeniowe baterii kondensatorów, bojlery, urządzenia klimatyzacyjne oraz przez wszystkie urządzenia o zmiennym obciążeniu, których moc znamionowa jest znaczna w odniesieniu do mocy zwarciowej w punkcie ich przyłączenia do sieci zasilającej.
Wahania napięcia zasilającego źródła światła powodują przede wszystkim zmianę (w funkcji czasu) prądu oraz mocy pobieranej przez źródła światła, jak również wahania strumienia świetlnego przez nie emitowanego. Wskutek wahań napięcia w silnikach indukcyjnych występują dodatkowe straty mocy czynnej i biernej oraz zmienia się jego poślizg, na który wpływ ma zarówno pole wirujące o częstotliwości sieciowej, jak i pole o częstotliwości równej częstotliwości zmian napięcia. W silnikach synchronicznych wahania napięcia powodują przede wszystkim dodatkowe straty mocy, prowadzące do kołysań wirnika (wynikających ze zmiany wartości skutecznej napięcia oraz jego przesunięcia względem prądu) oraz wywołują dodatkowe momenty obrotowe. Wahania napięcia mogą powodować również zakłócenia w pracy styczników i przekaźników elektrycznych, powodując zbędne wyłączenia odbiorników zasilanych poprzez te urządzenia.
Wahania napięcia są odbierane przez ludzi poprzez narząd wzroku jako tzw. zjawisko migotania światła, powodujące nie tylko ograniczenie zdolności widzenia, ale również zmęczenie i pogorszenie samopoczucia. Wrażliwość ludzi na migotanie światła w znacznym stopniu zależy od cech psychofizycznych danego człowieka oraz stanu zdrowia, jak również amplitudy zmian napięcia (strumienia świetlnego źródła światła), częstotliwości wahań (ze względu na bezwładność oka ludzkiego, migotanie światła jest postrzegane przy zmianie strumienia świetlnego o częstotliwości od 0,5 do 35 Hz) oraz czasu trwania zaburzenia (bardziej odczuwalne są zmiany w postaci krótkiego impulsu świetlnego, po którym następuje dłuższa przerwa).
Do podstawowych sposobów ograniczania wahań napięcia należą [5, 6]:
- zasilanie wrażliwych na wahania napięcia odbiorników z innych transformatorów niż odbiory niespokojne;
- zwiększenie mocy jednostkowych transformatorów zasilających odbiory niespokojne;
- zasilanie odbiorów niespokojnych z węzłów sieci elektroenergetycznej charakteryzujących się dużą mocą zwarciową;
- połączenie równoległe transformatorów zasilających odbiorniki niespokojne;
- zasilanie odbiorników z transformatorów trójuzwojeniowych i autotransformatorów;
- zastosowanie transformatorów z uzwojeniami dzielonymi do zasilania odbiorników niespokojnych i spokojnych;
- zastosowanie dynamicznych stabilizatorów napięcia: kompensatorów statycznych (dławików z obwodem sterującym prądu stałego lub dławików samonasycających się) lub kompensatorów wirujących (maszyn synchronicznych).
Dopuszczalne poziomy wahań wartości napięcia zasilającego oraz wskaźnika długookresowego migotania światła przedstawiono odpowiednio w tabelach 3. i 4. Wartość wskaźnika krótkookresowego migotania światła nie jest obecnie normowana.
Asymetria napięć
Asymetrią napięć nazywa się stan, w którym spełniony jest przynajmniej jeden z warunków:
- wartości napięć fazowych nie są sobie równe,
- kąty między kolejnymi napięciami fazowymi nie są sobie równe.
Do odbiorników powodujących asymetrię napięć w sieci elektroenergetycznej należą:
- zespoły odbiorników jednofazowych przyłączonych do linii trójfazowej (np. piece indukcyjne, spawarki transformatorowe),
- odbiorniki trójfazowe o asymetrycznym obciążeniu chwilowym, jak np. piece łukowe w okresie topienia wsadu,
- liczne, nierównomiernie rozmieszczone odbiorniki jednofazowe włączone między przewody fazowe i neutralny, występujące np. u odbiorców komunalnych zasilanych z sieci niskiego napięcia.
W przypadku wystąpienia asymetrii napięć zasilających silniki indukcyjne, wirujące pole magnetyczne przybiera kształt eliptyczny zamiast kołowego. W związku z tym maszyna nie może wytworzyć pełnego momentu obrotowego oraz występuje szybsze zużycie łożysk maszyny (w wyniku działania nierównomiernych momentów obrotowych). Dodatkowym efektem występowania asymetrii obciążenia jest zwiększenie strat mocy i energii w liniach niskiego napięcia oraz w transformatorach zasilających te linie. Skutki asymetrii obciążenia można zmniejszyć poprzez [5]:
- równomierny rozkład odbiorów jednofazowych na poszczególne fazy,
- zwiększenie przekroju przewodu neutralnego,
- instalację urządzeń do symetryzacji obciążenia,
- dokonanie przeplecenia przewodów fazowych.
Dopuszczalne wartości współczynników asymetrii przeciwnej napięcia w układach elektroenergetycznych niskiego i średniego napięcia przedstawiono w tabeli 5. Obecnie w przepisach krajowych nie ma żadnych wymagań określających dopuszczalne wartości współczynników asymetrii zerowej.
Odkształcenie przebiegu napięcia – wyższe harmoniczne
Harmoniczną napięcia definiuje się jako napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej całkowitej krotności podstawowej częstotliwości napięcia zasilającego.
Jednym z najczęściej stosowanych w praktyce wskaźników odkształcenia napięcia jest całkowity współczynnik odkształcenia (Total Harmonic Distortion Factor – THD), który określa procentowy stosunek wartości skutecznej wyższych harmonicznych do wartości skutecznej harmonicznej podstawowej:
gdzie:
Uh – wartość skuteczna napięcia dla h-tej harmonicznej,
U1 – wartość skuteczna napięcia dla pierwszej harmonicznej,
h – rząd harmonicznej.
Na odkształcenie napięcia mają wpływ przede wszystkim odbiorniki nieliniowe, wśród których najczęściej spotyka się urządzenia zawierające układy energoelektroniczne. Odbiorniki takie są coraz powszechniej stosowane i ich procentowy udział w ogólnym zużyciu energii stale rośnie.
Występowanie wyższych harmonicznych w układach elektroenergetycznych wywołuje skutki związane z przepływem wyższych harmonicznych prądów przez elementy układów elektroenergetycznych oraz skutki powodowane zasilaniem urządzeń napięciem odkształconym od przebiegu sinusoidalnego. Wyższe harmoniczne prądów przepływając przez elementy układów elektroenergetycznych wywołują w nich dodatkowe straty mocy (w przypadku linii dodatkowe straty mocy spowodowane są wzrostem wartości skutecznej prądu oraz rezystancji przewodów wywołanym głównie efektem naskórkowości oraz efektem zbliżenia, a także przepływem prądu w przewodzie neutralnym) [7].
Według aktualnie obowiązujących przepisów [1, 2, 3] wartość współczynnika odkształcenia napięcia THDU w sieciach o napięciu znamionowym poniżej 110 kV nie może przekraczać 8%. Wartości dopuszczalne poszczególnych harmonicznych napięcia występujących w sieciach niskiego napięcia przedstawiono na rysunku 1.
***
Artykuł zrealizowano w ramach pracy statutowej S/WE/2/2013.
Literatura
- Hanzelka Z., Jakość energii elektrycznej część 1 - wczoraj, dziś, jutro. Portal internetowy firmy Twelve Electric - www.twelvee.com.pl.
- PN-EN 50160:2008 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
- Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 4 maja 2007 r. w sprawie szczegółowych warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego (Dz. U. z 2007 r., Nr 93, poz. 623)
- Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej (zatwierdzona decyzją Prezesa URE nr DRR-4321-29(5)/2013/MKo4 z dnia 10 września 2013r)
- Kowalski Z.: Jakoś energii elektryczne. Wydawnictwo Politechniki Łódzkiej, Łódź 2007.
- Hołdyński G., Skibko Z., Wahania napięcia w urządzeniach elektroenergetycznych Wiadomości Elektrotechniczne Nr 4, Kwiecień 2009 r.
- Hołdyński G., Skibko Z. Zakłócenia wprowadzane do układów elektroenergetycznych przez odbiorniki nieliniowe Wiadomości Elektrotechniczne Nr 4, kwiecień 2009.
