Jakość energii elektrycznej w mikrosieciach

Zespół prądotwórczy jako obiekt o ograniczonej mocy (w stosunku do sieci sztywnej) podlega zjawiskom silnego oddziaływania odbiorników, szczególnie tych, które odkształcają prąd pobierany z generatora. W konsekwencji obniża się jakość energii elektrycznej w tego rodzaju mikrosieciach, co ma bezpośredni wpływ na jakość pracy zasilanych odbiorników.

W niniejszym artykule omówiono problem oddziaływania zespołów prądotwórczych na zasilacze UPS w szczególnym przypadku, jakim jest szeregowe włączanie dodatkowej rezystancji w przewodzie neutralnym, pochodzącej od dodatkowego stycznika załączanego dla stanu „praca wyspowa” zespołu prądotwórczego. Przedstawiono wyniki pomiarów eksperymentalnych, wykonanych w różnych punktach obiektu i w różnych stanach jego pracy oraz wyjaśniono przyczyny awarii, do której doszło na skutek błędów projektowych i montażowych.

Jakość energii elektrycznej w świetle dokumentów normalizacyjnych

Jakość energii elektrycznej w systemach zasilania gwarantowanego zależy od wielu czynników i jest kluczowa dla poprawnej pracy obiektu, w którym występują zasilacze UPS i zespoły prądotwórcze. Parametry jakości energii elektrycznej ujęte są w normie obecnie obowiązującej PN-EN 50160:2010E Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych [1], natomiast metody pomiaru tych parametrów określone są w normie PN-EN 61000-4-30:2008 Testing and measurement techniques – power quality measurement methods [2].

Parametry określone w normie PN-EN 50160:2010E dotyczą wymagań, jakie powinno spełniać zasilanie w publicznych sieciach energetycznych oraz w obiektach zasilanych ze źródeł awaryjnych w układzie wyspowym. Poniżej wyszczególniono kilka parametrów, które są najistotniejsze z punktu widzenia jakości energii elektrycznej dla obiektu o wysokich wymaganiach co do ciągłości i jakości zasilania.

Punkt 4.2.1. normy PN-EN 50160:2010E określa dopuszczalne odchylenie częstotliwości dla systemów zasilanych z sieci energetycznej oraz w układzie zasilania wyspowego (np. z zespołu prądotwórczego niezsynchronizowanego z siecią) przy założeniu, że wartość znamionowa częstotliwości wynosi 50 Hz. Wartość średnia częstotliwości mierzonej przez 10 sekund dla obiektów zasilanych z sieci energetycznej powinna być zawarta w przedziale:

• 50 Hz  ±1% (tzn. od 49,5 Hz do 50,5 Hz) przez 99,5% roku,
• 50 Hz  +4%/–6% (tzn. od 47 Hz do 52 Hz) przez 100% roku.

Wartość średnia częstotliwości mierzonej przez 10 sekund dla obiektów w układzie zasilania wyspowego powinna być zawarta w przedziale:

• 50 Hz  ±2% (tzn. od 49 Hz do 51 Hz) przez 99,5% tygodnia,
• 50 Hz  ±15% (tzn. od 42,5 Hz do 47,5 Hz) przez 100% tygodnia [1].

Punkt 4.2 normy PN-EN 50160:2010E określa zmiany napięcia zasilającego z podziałem na dopuszczalne zmiany napięcia i metody sprawdzania jego odchyleń w punkcie 4.2.2 oraz nagłe zmiany napięcia i jego odchylenia w punkcie 4.2.3:

• w p. 4.2.2.1 określone są wymagania dla napięcia zasilającego, którego zmiany w normalnych warunkach zasilania nie powinny przekraczać U_n±10% (dla obiektów odległych lub niepołączonych z systemem energetycznym dopuszcza się zmiany napięcia +10% i –15% od wartości znamionowej U_n, o czym dany użytkownik powinien być poinformowany),
• w p. 4.2.2.2 określono metodę sprawdzania odchyleń wartości napięcia zasilającego. W każdym tygodniu 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych napięcia zasilającego powinno mieścić się w przedziale odchyleń U_n±10%, ale we wszystkich okresach pomiarowych odchylenia napięcia powinny mieścić się w granicach +10% i –15% U_n. [1]

Punkt 4.2.3 normy PN-EN 50160:2010E określa nagłe zmiany napięcia, scharakteryzowane:

• wskaźnikiem migotania światła (p. 4.2.3.2) – przez 95% czasu każdego tygodnia, wskaźnik długookresowego migotania światła P_lt spowodowanego wahaniami napięcia zasilającego nie powinien być większy od 0,8),
• asymetrią napięcia (p. 4.2.4) – w ciągu każdego tygodnia 95% ze zbioru 10-minutowych średnich wartości skutecznych wartości składowej symetrycznej kolejności przeciwnej napięcia zasilającego powinny mieścić się w przedziale od 0% do 2% wartości składowej kolejności zgodnej),
• zawartością wyższych harmonicznych napięcia – dopuszczalne wartości poszczególnych harmonicznych określa tabela nr 1 w p. 4.2.5. Ponadto występuje zapis określający dopuszczalną sumaryczną zawartość harmonicznych THDu, do 40. włącznie, w napięciu zasilającym nieprzekraczającą wartości 8%). [1]

Przedstawione powyżej fragmenty normy PN-EN 50160:2010E mają służyć porównaniu wyników pomiarów do określonych tą normą parametrów jakości energii elektrycznej w celu określenia, czy pomierzone wartości napięcia i częstotliwości spełniają wymagania tej normy.

Charakterystyka badanego obiektu

System zasilania gwarantowanego badanego obiektu oparty jest na dwóch zasilaczach UPS o mocy 200 kVA o konstrukcji modułowej oraz systemie pracy równoległej dwóch zespołów prądotwórczych o mocy 500 kVA każdy, pracujących na sumowanie mocy w układzie 2+0 (bez redundancji). Schemat strukturalny zasilania gwarantowanego obiektu przedstawia rysunek 1. Zasilacze UPS pracujące równolegle zasilają systemy komputerowe, których pobór mocy w normalnym stanie pracy obiektu kształtował się na poziomie od 100 do 160 kW. Czas podtrzymania zasilaczy UPS wynosił około 10 minut i był wystarczający na uruchomienie zespołów prądotwórczych w przypadku zaniku napięcia sieci. Oba zespoły startowały jednocześnie i po synchronizacji były przyłączane przez wyłączniki Q7 i Q8 na szyny główne rozdzielni. Obciążenie całego obiektu dochodziło w szczycie do 500 kW (w szczególnych przypadkach 700 kW). Zespoły prądotwórcze posiadały funkcję pracy synchronicznej z siecią, dzięki czemu użytkownik, w przypadku wysokiego poboru energii elektrycznej, mia możliwość załączania generatorów do pracy synchronicznej z siecią sztywną i „zdejmowania” części obciążenia z transformatora ze względu na podpisaną z zakładem energetycznym umową na dostawę energii. Na obiekcie pojawiały się problemy z zasilaniem w stanach zaniku napięcia sieci i pracy wyspowej zespołów prądotwórczych. Pojawiał się efekt migotania światła, uszkadzały się niektóre odbiorniki, zasilacze, itp. Badany obiekt był wielokrotnie sprawdzany przez różne firmy i mimo pozytywnych wyników testów sprawnościowych dotyczących zarówno zespołów prądotwórczych jak i zasilaczy UPS doszło w końcu do awarii typu katastroficznego, której skutkiem był zanik napięcia w newralgicznym systemie komputerowym oraz uszkodzenie wszystkich zasilaczy UPS 3´160 kVA (pierwotnie zainstalowanych). Przypadek ten jest szczególnie interesujący, ponieważ standardowe pomiary nie wskazywały na dysfunkcję któregokolwiek z urządzeń zasilających. Ze względu na ograniczoną możliwość testowania obiektu w czasie przeprowadzonych prób eksperymentalnych zredukowano pobór mocy systemu komputerowego do 60 kW, co stanowiło około 40% normalnego obciążenia systemu UPS w czasie normalnej pracy obiektu.

Wyniki badań eksperymentalnych – odchylenia napięcia i częstotliwości

Napięcie pomierzone w rozdzielni ma różne wartości odchyleń dla stanu zasilania obiektu z transformatorów oraz dla stanu zasilania obiektu z zespołów prądotwórczych.

Występuje też trzeci stan pracy, jakim jest praca synchroniczna zespołów prądotwórczych z siecią. Zmiany wartości skutecznej napięcia w fazie L1 w czasie testowania obiektu dla różnych stanów pracy przedstawiono na rysunku 2. Wyniki dla faz L2 i L3 są zbliżone.

Zarówno dla stanu zasilania obiektu z sieci, jak i z generatorów pracujących „na wyspę” parametry napięcia i częstotliwości mieszczą się w zakresie tolerancji określonej normą PN-EN 50160:2010E. Nawet zmiana wartości napięcia widoczna na rysunku 2. w powiększeniu (punkt „a”), ilustrująca moment skokowego obciążenia zespołów prądotwórczych, mieści się w granicach tolerancji określonych w p. 4.2.2.1, gdzie norma przewiduje zmianę wartości napięcia nawet do –15% w przypadku systemów zasilania niepołączonych z systemem energetycznym, a takim jest praca wyspowa zespołów prądotwórczych.

Zmiana wartości napięcia do 203 V w stosunku do wartości znamionowej napięcia 230 V stanowi ok. 12% U_n. Jest to jednak trend wynikający z pomiaru uśrednionego za 10 okresów. W tym czasie najmniejsza pomierzona wartość napięcia za 1/2 okresu wynosi U_rms(1/2) = 193,6 V [2], co stanowi zmianę 15,8%, a więc minimalnie przekracza dopuszczalne odchylenie napięcia wg normy PN‑EN 50160:2010E, punkt 4.2.2.1. Częstotliwość ze względów oczywistych jest stabilna dla stanu zasilania obiektu z sieci. Pomiary częstotliwości w trakcie zasilania obiektu przez sieć sztywną wykazały minimalne odchylenia i zostały uznane za zmiany marginalne. Natomiast znaczące zmiany częstotliwości zaobserwowano w czasie pracy wyspowej zespołów prądotwórczych, co prezentuje rysunek 3.

Odkształcenia krzywych przebiegu napięcia

Harmoniczne napięcia w czasie trwania próby pomierzono na szynach rozdzielni RGnn, a przebiegi zaprezentowano na rysunku 4. Do oceny poziomu odkształceń napięcia przyjęto współczynniki THDS, TIHDS, TWD, gdzie: THDS – współczynnik odkształcenia harmonicznymi obliczany na podstawie podgrup harmonicznych do 50. rzędu włącznie, TIHDS – współczynnik odkształcenia interharmonicznymi obliczany na podstawie podgrup interharmonicznych do 49. rzędu włącznie, TWD – współczynnik całkowitego odkształcenia obliczany w paśmie do 10 kHz (stosunek wartości skutecznej pozostałości, po wyeliminowaniu składowej podstawowej, do wartości skutecznej składowej podstawowej wyrażony w procentach) [4].

Na rysunku 5. przedstawiono przebieg zmian współczynnika THD prądu w fazie L1, L2, L3.

Zmniejszenie współczynnika THD prądów po godz. 21:45 było związane z przywróceniem normalnego stanu obciążenia systemu UPS, tj. ok. 160 kW. Wśród harmonicznych nieparzystych główną składową stanowiła trzecia harmoniczna, której procentowy udział kształtował się na poziomie 30%, co świadczy o występowaniu dużej ilości nieliniowych odbiorników jednofazowych. W tym czasie napięcie na wyjściu UPS-a mimo dużego odkształcenia prądu jest stabilne, co przedstawia rysunek 6.

Współczynnik odkształcenia napięcia na wyjściu UPS-a na skutek odkształconego prądu mieścił się w zakresie nieprzekraczającym wartości określonych w punkcie 4.2.3 normy PN-EN 50160:2010E i wynosił THD < 1,3%.

Z zaprezentowanych powyżej przebiegów i wyników wykonanych pomiarów nie wynika, aby parametry jakości energii elektrycznej przekraczały dopuszczalne przedziały określone normą PN-EN 50160:2010E. Można sformułować wniosek, że parametry jakości energii elektrycznej są dobre, tzn. w granicach tolerancji, a stan pewności zasilania obiektu można określić na bardzo wysoki. Wszystkie urządzenia pracowały właściwie, a symulowane zaniki napięcia w obiekcie kończyły się podtrzymaniem zasilania przez zasilacze UPS i zadziałaniem automatyki zespołów prądotwórczych. Niestety w prezentowanym obiekcie dochodziło do stanów, w których występowały zaniki napięcia i awarie wynikające z oddziaływania zespołów prądotwórczych na zasilacze UPS.

Analiza napięć i prądów na wyjściu systemu dwóch UPS-ów w pracy równoległej

Pomiary wykonane w dniu testowania obiektu po dogłębnej analizie wykazały niepokojące zjawiska, które były przyczyną uszkodzenia poprzednio pracujących zasilaczy UPS 3´160 kVA. Dopiero rejestracja przebiegów napięcia i prądu w czasie rzeczywistym wykazała występowanie zjawiska niebezpiecznego dla obiektu. Na rysunku 7. przedstawiono oscylogramy zsynchronizowane w czasie dla napięcia i prądu na wyjściu UPS-a.

W przewodzie neutralnym występuje prąd o wartości skutecznej około 75 A niezmienny w czasie wykonywania prób. Jednak w przebiegach chwilowych pojawia się wielokrotnie składowa stała zazwyczaj o biegunowości ujemnej, zanikająca w okresie około 2 sekund. Powoduje to pojawienie się wartości chwilowych prądu do – 300 A. Dodatkowo prąd w przewodzie zerowym ma częstotliwość 3f w związku z sumowaniem algebraicznym głównie 3. harmonicznej i jej wielokrotności. W prądach fazowych od L1 do L3 na wyjściu UPS-a również pojawia się składowa stała w tym samym czasie co w przewodzie neutralnym.

Stała czasowa zanikania składowej stałej w przewodach fazowych jest znacznie krótsza niż w przewodzie neutralnym i wynosi ok. 0,5 sekundy. Przedstawiony na rysunku 7. charakterystyczny przypadek występowania składowej stałej w przewodzie neutralnym został zarejestrowany wielokrotnie w czasie trwania prób i był związany ze zmianą obciążenia w badanym obiekcie dla warunku zasilania obiektu przez zespoły prądotwórcze (praca wyspowa). Występowanie składowej stałej prądu w przewodzie neutralnym oraz w napięciu zasilającym na wyjściu UPS-a w okresie pomiarowym przedstawiono na rysunku 8.

W trakcie oględzin instalacji elektrycznej stwierdzono obecność styczników w przewodzie neutralnym generatorów, które załączały się podczas zasilania obiektu przez zespoły prądotwórcze w trybie pracy wyspowej, po zaniku napięcia sieci. Na rysunku 1. zaznaczono je jako aparaty K1 i K2. Ideą zastosowania styczników w miejscu wskazanym na rysunku 1., równolegle z wyłącznikami 3-polowymi zespołów prądotwórczych, było ograniczenie wpływu składowej stałej oraz prądów wyrównawczych na pracę synchroniczną zespołów z siecią. Niestety prąd znamionowy zastosowanego stycznika miał wartość 160 A w stosunku do 721 A prądu znamionowego generatora. Stycznik został podłączony 3 przewodami o przekroju 50 mm² (podczas gdy przewód neutralny z generatora został wyprowadzony przekrojem 2´240 mm²), co powodowało dodatkowe spadki napięć i oznaczało de facto włączenie w szereg dodatkowej rezystancji przewodu neutralnego w obwodzie zasilania obiektu w trybie zasilania z zespołów prądotwórczych. Na rysunku 9. przedstawiono zarejestrowany spadek napięcia na styczniku i przewodach doprowadzających 3´50 mm² należących do zespołu nr 2, w stosunku do przewodu PE. Bardzo zbliżony przebieg i wartości spadków napięcia uzyskano dla zespołu prądotwórczego nr 1.

W ciągu 10 minut spadek napięcia, mierzony na styczniku wraz z przewodami o zmniejszonym przekroju, zwiększył się z 2,82 V do 3,04 V przy ustalonej wartości prądu w przewodzie neutralnym. Tendencja wzrostowa była związana z nagrzewaniem się styków stycznika, mimo że warunki chłodzenia w czasie prób były bardzo dobre, ponieważ pokrywy rozdzielnicy zespołów, w której znajdowały się styczniki obu zespołów, były odsłonięte, podczas gdy w normalnym stanie pracy są zasłonięte. Prądy w przewodzie neutralnym w czasie prób (na poziomie 60 A) były stosunkowo niewielkie, ale i tak zaobserwowano spadki napięcia w stanach nieustalonych o wartości skutecznej około 10 V, co widoczne jest w postaci dwóch pików na rysunku 9. Każda zmiana obciążenia powodowała stany nieustalone, podczas których pojawia się składowa stała prądu zarówno w przewodzie neutralnym, jak i przewodach fazowych. Na skutek zmiany potencjału przewodu neutralnego w miejscu podłączenia zasilaczy UPS względem potencjału PE pojawia się składowa stała prądu w przewodzie neutralnym i w przewodach fazowych. Prąd stały w przewodzie neutralnym obiektu pochodzi z baterii UPS-a, której środek połączony jest z przewodem neutralnym obiektu, co widoczne jest na schemacie strukturalnym (rys. 1.). Baterię stanowią bezobsługowe akumulatory AGM o pojemności 65 Ah połączone w dwóch łańcuchach (po 32 sztuki w każdym) z wyprowadzonym środkiem podłączonym do przewodu neutralnego obiektu. W efekcie opisanych zjawisk doszło do uszkodzenia 3 zasilaczy UPS, o mocy 160 kVA każdy. Zasilacze UPS pracowały wtedy równolegle i były zasilane przez zespoły prądotwórcze, pracujące na wyspę. W trakcie analizy zdarzeń i w wyniku przeprowadzonych pomiarów okazało się, że istotnym elementem powodującym nasilanie się zjawiska wnikania składowej stałej prądu do przewodu neutralnego była różnica w sumarycznej rezystancji wewnętrznej baterii akumulatorów gałęzi dodatniej względem ujemnej. Jeżeli na skutek wahań napięcia w sieci zasilanej z zespołów prądotwórczych zasilacz przełączy się w tryb pracy bateryjnej, to płynący prąd w obwodzie baterii wywoła różny spadek napięcia na sumarycznej rezystancji wewnętrznej baterii w gałęzi + i – względem środka baterii, do którego podłączony jest przewód neutralny.

Na rysunku 10. przedstawiono schemat zastępczy baterii akumulatorów w obwodzie zasilania falownika UPS.

Reasumując można stwierdzić, że w omawianej sytuacji punkt gwiazdowy generatora nie jest uziemiony bezpośrednio przy generatorze, a ok. 100 m dalej w RGnn. Niestety między punkt gwiazdowy generatora a punkt PEN w RGnn włączona jest szeregowo impedancja obwodu stycznika i krótkich przewodów o przekroju znacząco mniejszym od przekroju przewodu roboczego (zamiast 2´240 mm² stycznik podłączony jest przewodami 3´50 mm²). W stanach nieustalonych podczas załączenia różnej mocy odbiorów w systemie obiektu zasilanego z zespołów prądotwórczych dochodzi do zmiany potencjału przewodu neutralnego względem PE, co skutkuje pojawianiem składowej stałej w przewodzie neutralnym oraz w przewodach fazowych. To z kolei powoduje zmianę wartości skutecznych napięć fazowych falownika UPS względem przewodu neutralnego, czego skutkiem była awaria zasilaczy UPS 3´160 kVA, a konkretnie uszkodzenie tranzystorów IGBT falownika UPS, jak również części odbiorów pracujących w systemie zasilania obiektu. [3].

Podsumowanie

• Zastosowanie styczników w przewodzie neutralnym jako niezależnego aparatu łączeniowego niesie ze sobą duże zagrożenie dla bezpiecznej pracy obiektu, wynikające z możliwości nierównoczesnego załączenia stycznika oraz wyłącznika generatora. Zgodnie z normą PN-HD 60364-4 pkt. 431.3: Rozłączanie i powtórne łączenie przewodu neutralnego w układach wielofazowych” [6] stwierdza się, że: „Jeżeli rozłączenie przewodu neutralnego jest wymagane, to rozłączenie to i ponowne połączenie powinno być takie aby przewód neutralny nie był rozłączony przed przewodami liniowymi i aby był połączony w tym samym czasie lub wcześniej niż przewody liniowe.” Stosowanie dwóch niezależnych aparatów do łączenia przewodów fazowych oraz przewodu neutralnego niesie ryzyko łączenia przewodu neutralnego w czasie rzeczywistym innym niż styki główne wyłącznika 3-polowego, co kłóci się z zapisem przytoczonej normy. Co więcej, awaria stycznika lub układu sterującego pracą stycznika spowoduje zmianę układu zasilania z TNS na IT, co zmienia w sposób oczywisty bezpieczeństwo zasilania obiektu, projektowanego jako TNS.
• Dobór stycznika o prądzie znamionowym mniejszym niż prąd znamionowy zespołu prądotwórczego, jak również zastosowanie do podłączenia stycznika przewodów, których przekrój jest znacząco mniejszy od przewodów roboczych, powoduje dodatkowe spadki napięć w przewodzie neutralnym mających szczególne znaczenie w zmiennych warunkach obciążenia obiektu. Jest to ewidentny błąd projektowy.
• Podczas badań stwierdzono pojawianie się niekorzystnych zjawisk związanych ze składową stałą prądu w przewodzie neutralnym dla warunku zasilania obiektu z zespołów prądotwórczych. Zjawisko występowania składowej stałej o wartości ponad 100 A z czasem zanikania od kilku do kilkunastu sekund zagraża bezpieczeństwu obiektu od strony ciągłości zasilania i pojawianiu się chwilowych wartości napięć, mogących zakłócać pracę odbiorów. „Wnikanie” składowej stałej do obwodów przemienno-prądowych stwarza duże zagrożenie dla poprawnej pracy odbiorów, może być powodem chwilowych zmian wartości napięcia zasilającego, a w konsekwencji przyczyną uszkodzeń odbiorów i zasilaczy UPS, co miało miejsce w analizowanym obiekcie.
• Beztransformatorowa technologia UPS wymaga ciągłości przewodu neutralnego w każdym stanie pracy. Producenci beztransformatorowych zasilaczy UPS warunkują prawidłowe działanie UPS koniecznością ciągłości przewodu neutralnego w każdym stanie pracy UPS-a. Wybór beztransformatorowych zasilaczy UPS do zasilania serwerowni w przypadku możliwości pojawienia się dodatkowej znaczącej impedancji w przewodzie neutralnym lub jego przerwanie zagraża bezpiecznej pracy serwerowni. Konieczne jest zapewnienie ciągłości przewodu neutralnego o impedancji identycznej jak dla przewodów fazowych. [3].

Literatura

1. Norma: PN-EN 50160:2010E „Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach elektroenergetycznych”.
2. Norma: PN-EN 61000-4-30:2008 „Testing and measurement techniques – power quality measurement methods”.
3. Ekspertyza parametrów jakości energii elektrycznej (obiekt zastrzeżony), dr inż. Marek Olesz, mgr inż. Jacek Katarzyński, 2014.
4. Raport z pomiarów jakości napięcia zasilającego wykonanych w dniu 3.01.2014 r. na szynach rozdzielnicy RGnn (obiekt zastrzeżony), dr hab. inż. Tomasz Tarasiuk, mgr inż. Andrzej Piłat.
5. Audyt pewności zasilania serwerowi i systemów informatycznych budynku (obiekt zastrzeżony), dr inż. Marek Olesz, mgr inż. Jacek Katarzyński, 2014.
6. Norma: PN-HD 60364-4 „Ochrona dla zapewnienia bezpieczeństwa, ochrona przed prądem przetężeniowym” – rok wprowadzenie 2012.

***

Artykuł pierwotnie opublikowany w Zeszytach naukowych Akademii Morskiej w Gdyni.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!