Dr inż

JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ I JEJ WPŁYW NA PRACĘ
URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH
Katarzyna Strzałka-Gołuszka – doktorantka WEAIiE AGH
Jan Strzałka – O/Krakowski SEP
1. WSTĘP
Energia elektryczna jest produktem, który podobnie jak każdy inny musi spełniać
określone wymagania w zakresie niezawodności zasilania i jakości.
Zasilanie odbiorników energii elektrycznej powinno przebiegać w sposób ciągły, gdyż
awarie i niespodziewane wyłączenia zasilania mogą powodować występowanie znacznych
szkód i strat materialnych oraz powstawanie niebezpieczeństwa dla ludzi i dla urządzeń.
Energia elektryczna ulega degradacji pod wpływem zaburzeń elektromagnetycznych, a
więc zjawisk, które sprawiają, że wartości wybranych liczbowych wskaźników – cech
jakości energii – różnią się od znamionowych, odnoszących się do stanów ustalonych z
przebiegami sinusoidalnie zmiennymi, występującymi w symetrycznych układach
trójfazowych.
Zgodnie z rankingiem zaakceptowanym przez międzynarodowe grono ekspertów,
obrazującym znaczenie zaburzeń elektromagnetycznych mierzone wielkością technicznych
i gospodarczych skutków, najważniejszymi z pośród nich dla odbiorców przemysłowych są
w kolejności: zapady napięcia, długie i krótkie przerwy w zasilaniu, wartość napięcia,
harmoniczne, przepięcia, asymetria, wahania napięcia i częstotliwość. W odniesieniu do
odbiorców komunalnych kolejność ta jest następująca: wartość napięcia, wahania napięcia,
przerwy w zasilaniu, zapady napięcia, przepięcia, harmoniczne, asymetria i częstotliwość.
Prawidłowe działanie urządzeń elektrycznych wymaga, aby wartość napięcia
zasilającego zawierała się w określonym przedziale wokół wartości znamionowej. Znaczna
część odbiorników obecnie użytkowanych, szczególnie elektronicznych i komputerowych,
wymaga wysokiej jakości energii. Z kolei te same odbiorniki są często przyczyną
odkształceń napięcia zasilającego w instalacji, gdyż z powodu nieliniowości swoich
charakterystyk pobierają niesinusoidalny prąd przy sinusoidalnym napięciu zasilającym.
W ostatnich latach problematyka jakości energii elektrycznej nabiera coraz większego
znaczenia, a przyczyną tego jest rosnąca liczba odbiorników wymagających zasilania
energią elektryczną o odpowiednich parametrach.
W artykule niniejszym przedstawiono parametry jakościowe energii elektrycznej oraz
wpływ pogorszenia tych parametrów na pracę urządzeń elektrycznych. W następnym
numerze Biuletynu omówione zostaną praktyczne sposoby poprawy jakości energii
elektrycznej w instalacjach elektrycznych.
2. Parametry jakościowe energii elektrycznej i ich charakterystyka
Zgodnie z normą PN-EN 50160:2002 [6] oraz Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z
04.05.2007r. [9], do parametrów energii elektrycznej określających jej jakość należą:
- częstotliwość sieciowa,
- wartość napięcia zasilającego,
- zmiany napięcia zasilającego,
- szybkie zmiany napięcia zasilającego,
- zapady napięcia zasilającego,
- przerwy w zasilaniu,
- dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej,
- przepięcia przejściowe o krótkim czasie trwania,
1
- asymetria napięcia zasilającego,
- uciążliwość migotania światła,
- harmoniczne napięcia,
- interharmoniczne napięcia.
Poniżej przedstawiono krótką charakterystykę ważniejszych z wymienionych wyżej
parametrów:
1. Częstotliwość napięcia zasilającego – Liczba powtórzeń w przebiegu czasowym
składowej podstawowej napięcia zasilającego zmierzona w określonym przedziale
czasu.
2. Zmiana wartości napięcia – Zwiększenie lub zmniejszenie się wartości napięcia
spowodowane zazwyczaj zmianą całkowitego obciążenia sieci rozdzielczej lub jej
części.
3. Szybka zmiana napięcia – Pojedyncza, szybka zmiana wartości skutecznej napięcia
pomiędzy dwoma kolejnymi jego poziomami, które utrzymują się przez skończony,
lecz nieokreślony przedział czasu.
4. Wahania napięcia – Seria zmian napięcia lub cykliczna zmiana obwiedni napięcia.
5. Migotanie światła – Wrażenie niestabilności postrzegania wzrokowego
spowodowane przez bodziec świetlny, którego luminacja lub rozkład spektralny
zmienia się w czasie.
6. Uciążliwość migotania światła – Poziom dyskomfortu spowodowanego migotaniem
światła (z ang. flicker), wyznaczony metodą pomiarową i określony za pomocą
następujących wielkości:
 wskaźnika krótkookresowego migotania światła (Pst), mierzonego przez
dziesięć minut,
 wskaźnika długookresowego migotania światła (PIt), obliczonego w
sekwencji 12 kolejnych wartości Pst występujących w okresie dwóch godzin
zgodnie z następującą zależnością
Psti3
(1)
i 1 12
gdzie: PIt – wskaźnik długookresowego migotania światła,
Pst – wskaźnik krótkookresowego migotania światła.
7. Zapad napięcia zasilającego – Nagłe zmniejszenie się napięcia zasilającego do
wartości zawartej w przedziale od 90% do 10% napięcia deklarowanego Uc, po
którym, w krótkim czasie, następuje wzrost napięcia do poprzedniej wartości.
Umownie czas trwania zapadu napięcia wynosi od 10 ms do 1 minuty. Głębokość
zapadu napięcia definiowana jest jako różnica między minimalną wartością skuteczną
napięcia w czasie trwania zapadu a napięcie deklarowanym. Zmiany napięcia
zasilającego, które nie powodują obniżenia jego wartości poniżej 90% napięcia
deklarowanego Uc nie są traktowane jako zapady.
8. Przerwa w zasilaniu – Stan, w którym napięcie w złączu sieci elektroenergetycznej
jest mniejsze niż 1% napięcia deklarowanego Uc. Przerwy w zasilaniu mogą być
sklasyfikowane jako:
 planowe - gdy odbiorcy są wcześniej poinformowani, mające na celu
wykonanie zaplanowanych prac w sieciach rozdzielczych,
 przypadkowe - spowodowane np. trwałymi lub przemijającymi zwarciami,
związanymi głównie ze zdarzeniami zewnętrznymi, uszkodzeniami urządzeń
lub zakłóceniami w ich pracy.
Przypadkowa przerwa jest klasyfikowana jako:
12
PIt  3 
2
1. długa przerwa (dłuższa niż trzy minuty), spowodowana trwałym zwarciem,
2. krótka przerwa (do trzech minut), spowodowana zwarciem przemijającym.
9. Przepięcie dorywcze o częstotliwości sieciowej - Przepięcie w określonym miejscu,
o stosunkowo długim czasie trwania.
10. Przepięcie przejściowe – Krótkotrwałe przepięcie oscylacyjne lub nie oscylacyjne,
zwykle silnie tłumione, trwające kilka milisekund lub krócej.
11. Harmoniczna napięcia – Napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej całkowitej
krotności podstawowej częstotliwości napięcia zasilającego.
Harmoniczne napięcia można określić:
1. indywidualnie, przez ich względną amplitudę (Uh) odniesioną do napięcia
składowej podstawowej U1, gdzie h jest rzędem harmonicznej.
2. łącznie przez całkowity współczynnik odkształcenia THD (z ang. total
harmonic distorsion), obliczany zgodnie z następującym wyrażeniem:
THDU 
40
 (U h ) 2
h2
(2)
gdzie: THDU – współczynnik odkształcenia napięcia,
Uh – napięcie h-rzędu harmonicznej
12. Interharmoniczna napięcia - Napięcie sinusoidalne o częstotliwości zawartej
pomiędzy harmonicznymi tj. częstotliwości nie będącej całkowitą krotnością
częstotliwości składowej podstawowej.
13. Niesymetria napięcia – W sieciach trójfazowych stan, w którym wartości skuteczne
napięć fazowych lub kąty fazowe między kolejnymi fazami nie są równe.
Na rysunku 1 przedstawiono klasyfikację zjawisk wpływających na wartość skuteczną
napięcia.
Rys.1. Zjawiska wpływające na wartość skuteczną napięcia (UN – napięcie znamionowe)
Na poziom i zmienność napięcia w sieci ma wpływ wiele czynników występujących
zarówno w procesie wytwarzania, przesyłu, jak i rozdziału energii elektrycznej. Jednak
najistotniejszą przyczyną jest zmienność obciążenia.
3
Podstawową przyczyną wahań napięcia jest zmienność w czasie, głównie mocy
biernej odbiorników. Należą do nich między innymi: piece łukowe, regulowane napędy
elektryczne (np. walcownicze, maszyn wyciągowych), spawarki elektryczne, bojlery, piły
i młoty elektryczne, pompy i kompresory, windy, dźwigi itp., a więc ogólnie urządzenia o
zmiennym obciążeniu, których moc jest znaczna w porównaniu z mocą zwarciową w
punkcie ich przyłączenia. Przykład wahań napięcia o sinusoidalnej funkcji modulującej
pokazano na rys. 2.
Rys. 2. Przykład wahań napięcia o sinusoidalnej funkcji modulującej
Na rys. 3. pokazano przebieg zmian poboru mocy biernej oraz spowodowane tym wahania
napięcia na szynach elektrostalowni.
Rys. 3. Zmiany mocy biernej (a) i wahania napięcia (b) na szynach elektrostalowni.
Za główne przyczyny zapadów napięcia i krótkich przerw w zasilaniu należy uznać
zwarcia w systemie zasilającym lub w instalacjach odbiorców, procesy łączenia
odbiorników dużej mocy (w szczególności rozruchy silników elektrycznych), zmiany
konfiguracji sieci i pracę odbiorników o zmiennym obciążeniu (szczególnie biernym).
W instalacjach przemysłowych istotne znaczenie odgrywa odkształcenie przebiegów
czasowych prądów i napięć, czyli wyższe harmoniczne.
4
Wśród występujących w sieci przemysłowej źródeł harmonicznych można wyróżnić
trzy grupy urządzeń:
a) urządzenia z rdzeniami magnetycznymi, np. transformatory, silniki,
generatory itp.,
b) urządzenia łukowe, np. piece łukowe, wyładowcze źródła światła,
urządzenia spawalnicze itp.,
c) urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne.
Rysunek 4 przedstawia typowy przebieg prądu komputera PC wraz z jego widmem
harmonicznym. Widać wyraźnie, że 3 i 5 harmoniczna mają wartości porównywalne z
wartością składowej podstawowej.
Rys. 4. Prąd: (a) energooszczędnej lampy typu COMPACT oraz jego widmo
(THDI=80-130% - balast elektroniczny); (b) lampy fluoroscencyjnej (THDI=20-30%)
Składowa prądu zasilającego odbiornik nieliniowy wywołuje na impedancji zastępczej
sieci zasilającej spadek napięcia. Powoduje on odkształcenie napięcia w punkcie wspólnego
przyłączenia (PWP).
Na rys. 5 pokazano przykładowy, odkształcony przebieg prądu magnesującego transformatora
oraz jego widmo harmoniczne.
Rys. 5. Przykładowy, odkształcony przebieg prądu magnesującego transformatora oraz
jego widmo harmoniczne ( Uwej = 115%UN)
Wymagania w zakresie poszczególnych parametrów jakościowych energii
elektrycznej określa norma PN-EN 50160:2002 [7] oraz Rozporządzenie MG z 04.05.2007r.
[9].
Rozporządzenie [9] wprowadzone z mocy Prawa Energetycznego uzależnia niektóre
parametry jakościowe od tzw. „grupy przyłączeniowej”, a więc od wysokości napięcia
5
znamionowego, do którego przyłączone są urządzenia odbiorcy i od mocy przyłączeniowej
odbiorcy w odniesieniu do podmiotów przyłączonych do sieci o napięciu nie wyższym niż 1
kV.
Wymagania normy [7], dotyczące definiowania i dopuszczalnych zmian większości
wskaźników jakości napięcia zasilającego zostały przedstawione w sposób graficzny na rys.
6.
Rysunek 6. Graficzna ilustracja większości parametrów służących do oceny jakości napięcia
zasilającego [8].
3. Wpływ pogorszenia parametrów jakościowych na pracę urządzeń elektrycznych i skutki
złej jakości energii elektrycznej
3.1. Wstęp
Urządzenia elektryczne osiągają optymalną wydajność, gdy są zasilane napięciem
znamionowym lub nieznacznie różniącym się od niego, przy równoczesnym zachowaniu
pozostałych parametrów jakościowych w granicznych (dopuszczalnych) zakresach.
Nadmierne odchylenia parametrów jakościowych napięcia zasilającego od wartości
znamionowych powodują przerwy w pracy odbiorników, spowodowane zadziałaniem
odpowiednich zabezpieczeń lub zniszczeniem odbiornika, jeśli brak takowych zabezpieczeń.
Parametry określające jakość energii to m.in.:
- wartość skuteczna napięcia (poziom napięcia),
- odchylenia i wahania napięcia od wartości znamionowej,
- kształt krzywej napięcia,
- symetria napięć w sieci trójfazowej,
- częstotliwość prądu przemiennego.
Poniżej przedstawiono ważniejsze skutki pogorszenia parametrów energii na pracę urządzeń
elektrycznych oraz skutki złej jakości energii elektrycznej.
6
3.2. Wpływ wartości napięcia na pracę odbiorników
Duży wpływ na prawidłową pracę odbiorników energii elektrycznej ma wartość
napięcia, które występuje długotrwale na zaciskach odbiornika. Wartość ta zależy od napięcia
źródła zasilania ale także w znacznym stopniu od innych odbiorników zasilanych z tej samej
sieci. Zmiana napięcia postępuje wraz ze zmianą liczby odbiorników, jak i zmianą obciążenia
(zmiana pobieranego prądu z sieci) pracujących odbiorników. Zmiany te powodują zmianę
spadków napięć na poszczególnych elementach sieci i w konsekwencji zmianę napięcia na
zaciskach zasilających, pomimo, że napięcie źródła zasilania jest stałe. Ponieważ nie można
przewidzieć zmian obciążenia sieci (włączanie i wyłączanie a także zmiana obciążenia
odbiorników) niemożliwe staje się utrzymanie stałej wartości napięcia zasilającego w każdym
punkcie sieci.
W zależności od szybkości zmian napięcia wprowadza się pojęcie odchyleń i wahań napięcia,
przy czym odchyleniami są zmiany stosunkowo wolne (poniżej 0,02·UN na sekundę), a
wahaniami – szybkie zmiany napięcia powodowane pracą odbiorników niespokojnych,
charakteryzujących się dużą zmiennością poboru mocy biernej.
Odchyleniem napięcia nazywa się różnicę między napięciem na zaciskach odbiornika
(U) a napięciem znamionowym (UN) odniesioną do napięcia znamionowego.
U - UN
 100%
(3)
UN
W przypadku, gdy napięcie U>UN mówimy o odchyleniu dodatnim, w przeciwnym
wypadku ma miejsce odchylenie ujemne.
Urządzenia odbiorcze występujące w przemyśle są w różnym stopniu wrażliwe na
zmiany napięcia zasilającego.
Przykładem odbiorników szczególnie wrażliwych są odbiorniki oświetleniowe, a wśród nich
żarówki, dla których strumień świetlny zmienia się z napięciem zgodnie z zależnością:
U 
 U
U   N 
U N
a trwałość zgodnie ze wzorem:



3, 6
(4)
14
 U 

TU  TN 
(5)
U N 
gdzie  N (TN) – strumień świetlny (trwałość) przy napięciu znamionowym UN.
W przypadku wyładowczych źródeł światła odchylenia napięcia odgrywają mniejszą rolę,
przykładowo ich strumień świetlny ulega zmienia zgodnie z zależnością:
1,8
 U 

U   N 
(6)
U
N


Przy znacznym ujemnym odchyleniu napięcia może stać się niemożliwy zapłon takich lamp i
nastąpić przerwa w procesie wyładowczym i zaprzestanie świecenia, co w przypadku na
przykład lamp rtęciowych wiąże się z kilkuminutową przerwą w świeceniu.
Źródła światła są również bardzo czułe na wahania napięcia, w przypadku których
występuje zmiana strumienia świetlnego, powszechnie znana jako zjawisko migotania światła
(ang. flicker), dotyczące w szczególności żarowych źródeł światła.
7
Migotanie światła wywołane wahaniami napięcia negatywnie wpływa na organizm
człowieka zakłócając proces widzenia. Może powodować złe samopoczucie, uczucie
zmęczenia, trudności z koncentracją, pogorszenie wydajności i jakości pracy. W istotny
sposób utrudnia czytanie i oglądanie telewizji. W skrajnych przypadkach może stać się
przyczyną wypadków przy pracy.
Następną grupą urządzeń wrażliwych na zmiany wartości napięcia zasilającego są
maszyny elektryczne.
Praca silników w dużym stopniu zależy od wartości napięcia zasilającego ponieważ wraz z
jego zmianą zmianie ulegają parametry silników.
Przykładowo dla silników asynchronicznych zmiana (odchylenie) napięcia zasilającego
powoduje zmianę momentu zgodnie z zależnością:
 U 

M  M N 
U N 
gdzie: M – moment silnika,
MN – moment znamionowy,
U – napięcie zasilające,
UN – napięcie znamionowe.
2
(7)
Jak można zauważyć, zgodnie z zależnością (7) zmiana momentu w silniku asynchronicznym
zależy od kwadratu napięcia dla określonego poślizgu (rys. 7).
Rys. 7. Wpływ zmiany napięcia zasilającego na przebieg momentu silnika asynchronicznego.
Negatywne skutki w pracy silników elektrycznych nasilają się przy znacznych
odchyleniach napięcia zasilającego (powyżej 10%), zwłaszcza ujemnych. Objawia się to
przetężeniem i nadmiernym przyrostem temperatury. Mogą również wystąpić trudności
podczas ich rozruchu. Graniczna wartość napięcia przy rozruchu ciężkim to 0,85UN.
8
W tabeli 1. zestawiono wielkość (zakres) zmian parametrów silnika indukcyjnego
obciążonego mocą znamionową przy zmianie napięcia  10% UN.
Tabela 1. Wpływ odchyleń napięcia od wartości znamionowej na niektóre parametry silników
indukcyjnych obciążonych mocą znamionową.
Wielkość
Moment rozruchowy maksymalny oraz rozruchowy
Prędkość obrotowa
Sprawność
Współczynnik mocy
Prąd stojana
Przyrost temperatury uzwojenia stojana
Zmiana wartości przy
odchyleniu napięcia o:
-10%
+10%
-19%
+21%
-1,5%
+1%
-2%
+(0,5÷1)%
+0,01%
-0,03%
+11%
-7%
+(6÷7)%
-(3÷4)%
Szybkie zmiany napięcia (wahania) są mniej zauważalne w silnikach, aniżeli migotanie
światła w odbiornikach oświetleniowych (żarówkach). Jednak także i w maszynach
elektrycznych powodują niepożądane skutki w postaci:
 zmiany momentów silników napędowych, co przy stałym obciążeniu (stały moment
hamujący), powoduje niestabilną pracę całego układu napędowego, gdyż każde wahanie
powoduje spowolnienie lub przyspieszenie prędkości kątowej wirnika silnika co
powoduje drgania,
 dłuższa praca silnika przy częstych wahaniach i o znacznej amplitudzie powoduje
szybsze zużycie się samego silnika, jak i maszyn z nim sprzężonych.
Kolejną grupą urządzeń przemysłowych wrażliwych na odchylenia napięcia są
urządzenia elektrotermiczne, których moce znamionowe zawierają się w przedziale od
ułamków kilowata do dziesiątków megawatów.
Niezależnie od sposobu przetwarzania energii, moc grzejna tych urządzeń zależy od
kwadratu napięcia zasilającego. Dlatego też długotrwałe ujemne odchylenie napięcia
zmniejsza wydajność urządzenia, co powoduje wydłużenie procesu nagrzewania wsadu, w
skrajnych przypadkach może być przyczyną przerwania procesu grzejnego (np. piec łukowy).
Natomiast długotrwałe dodatnie odchylenie napięcia powoduje nadmierne wydzielanie się
ciepła, które może być kompensowane częstym użyciem urządzeń regulacyjnych (np.
termostatów). Jednak jeśli brak takich urządzeń regulacyjnych nadmierne dodatnie odchylenia
napięcia spowoduje nadmierne nagrzewanie się komory, a także i wsadu do zbyt wysokiej
temperatury. Powoduje to szybsze zużycie elementów grzejnych, izolacji cieplnej a w
konsekwencji całego urządzenia.
Odchylenia dodatnie napięcia zasilającego do 5% nie powodują negatywnych skutków dla
urządzeń grzejnych.
Urządzenia grzejne w zdecydowanej większości są odporne na wahania napięcia.
Wyjątkiem w tym zakresie są urządzenia grzejne wykorzystujące najnowsze technologie (np.
plazmowe, laserowe itp.). Jednak urządzenia grzejne same mogą być przyczyną
występowania wahań napięcia np. piece łukowe czy indukcyjne.
Kondensatory należą do grupy urządzeń szczególnie czułych na odchylenia napięcia.
Ponieważ kondensatory głównie służą do kompensacji mocy biernej i poprawy
współczynnika mocy cos φ, dlatego ważne jest, aby ich moc bierna była jak najbardziej
stabilna.
9
Moc kondensatorów również zależy od kwadratu napięcia zasilającego:
U2
(8)
Q
2   C
gdzie: U – napięcie zasilające,
f – częstotliwość,
C – pojemność kondensatora (baterii kondensatorów).
Ujemne odchylenie napięcia nie powoduje negatywnych skutków dla samego kondensatora
(baterii kondensatorów), ale powoduje to zmniejszenie mocy biernej generowanej przez niego
do sieci. W konsekwencji spowoduje to pogorszenie warunków napięciowych (nadmierne
spadki napięcia) w sieci.
Z kolei dodatnie odchylenie napięcia powoduje zwiększenie mocy biernej
generowanej do sieci ale jednocześnie zwiększenie strat mocy czynnej. Negatywnym
skutkiem dodatniego odchylenia napięcia jest podwyższona temperatura pracy
kondensatorów, co powoduje przyspieszone starzenie kondensatorów.
Przekształtniki prądu i napięcia są bardzo wrażliwe na wahania napięcia, ponieważ
zmiana napięcia zasilającego w przekształtnikach sterowanych fazowych z układem
stabilizacji parametrów po stronie prądu stałego najczęściej powoduje zmniejszenie
współczynnika mocy i generację harmonicznych nie charakterystycznych i
interharmonicznych.
W przypadku napędu podczas hamowania zmiana napięcia może prowadzić do przerzutu
falownikowego.
3.3. Wpływ zapadów i krótkich przerw w zasilaniu na pracę odbiorników elektrycznych
Dla odbiorców coraz ważniejsza jest nie tylko ciągłość zasilania w skali roku, lecz
coraz częściej w skali sekund, a nawet milisekund. Dlatego też zapady napięcia i krótkie
przerwy w zasilaniu są obecnie kłopotliwymi zaburzeniami elektromagnetycznymi.
Rysunek 8 ilustruje przykładowy zapad napięcia a także, charakterystyczne wielkości
opisujące go w sposób ilościowy.
Rys. 8. Przykładowy zapad napięcia i krótka przerwa w zasilaniu ( UN – napięcie
znamionowe)
10
Jak podano wyżej zapadem napięcia określa się nagłe zmniejszenie napięcia do
wartości zawartej pomiędzy 90% a 10% napięcia znamionowego (deklarowanego), po
którym, po krótkim okresie czasu następuje powrót do wartości znamionowej (deklarowanej).
Najczęściej przyjmuje się, że czas trwania anomalii wynosi od 10 ms do 1 min.
Dla układów napięć wielofazowych zapad napięcia występuje, jeśli pojawi się on w
przynajmniej jednej z faz, a kończy wraz z ustąpieniem zakłócenia w ostatniej fazie.
Jeśli napięcie osiągnie minimalną wartość określającą zapad napięcia (mniej niż 10%
UN) wówczas jest to traktowane jako krótka przerwa w zasilaniu.
Głównymi przyczynami powstawania zapadów napięcia i krótkich przerw w zasilaniu
są:
- zwarcia w sieci lub u samych odbiorców;
- procesy załączania odbiorników dużej mocy;
- zmiany konfiguracji sieci;
- praca odbiorników o zmiennym obciążeniu (szczególnie biernym).
Zwarcia w sieci – najczęściej są to zwarcia jednofazowe, rzadziej dwu – i trójfazowe.
Zakłócenia te mogą występować zarówno w sieci przesyłowej, rozdzielczej, jak i w
instalacjach odbiorcy. Powodują one przetężenia prądowe, skutkiem których są spadki napięć
na impedancjach systemu i w konsekwencji zapady napięcia.
Zwarcia możemy podzielić na:
 zewnętrzne – są to zwarcia niezależne od pracy systemu zasilającego tj. wyładowania
atmosferyczne (przyczyna 50% do 80% zwarć w liniach), mgła, śnieg itp.
 wewnętrzne – mające swe źródło w systemie zasilającym np. uszkodzenia izolacji kabli,
transformatorów, łączników, zwarcia powodowane błędnymi decyzjami ludzi itp.
Właściwie zaprojektowane układy zabezpieczeń ograniczają liczbę odbiorców, którzy
doświadczają negatywnych skutków zwarć. Dla odbiorców „poniżej” miejsca zakłócenia
skutkiem jest krótka lub długa przerwa w zasilaniu. Natomiast dla odbiorców przyłączonych
„powyżej” miejsca zwarcia lub do linii równoległych jest to zapad napięcia zasilającego
amplitudzie zależnej od „elektrycznej” odległości od miejsca zwarcia.
Kolejnym powodem powstawania zapadów napięcia jest załączanie odbiorników dużej
mocy (głównie rozruch silników).
Na skutek dużej wartości prądu łączeniowego (rozruchowego) maleje napięcie w linii
zasilającej i w konsekwencji występuje spadek napięcia na impedancji systemu.
Wartość prądu rozruchowego i związany z tym spadek napięcia jest największy w chwili
rozruchu i wraz z wzrostem prędkości obrotowej wirnika maleje. A więc zapad napięcia w
tym przypadku ma charakter przewidywalny i stąd względnie łatwe jest zaprojektowanie
układu napędowego, który nie będzie wywoływał tego rodzaju anomalii.
Stosowane są różne sposoby złagodzenia prądu rozruchu:
- przełącznik gwiazda/trójkąt,
- rozruch rezystancyjny i reaktancyjny,
- rozruch poprzez autotransformator,
- zastosowanie układu „soft start”.
Silniki mogą też powodować zapady poprzez zmianę obciążenia (np. windy).
Skutki zapadów napięcia są zależne zwłaszcza od amplitudy, jak i czasu trwania zjawiska.
Każda grupa odbiorników reaguje w inny sposób na ten rodzaj zaburzenia. Skutki zaburzenia
dotyczą w pierwszej kolejności takich odbiorników, jak: aparatura łączeniowa – styczniki i
przekaźniki, regulowane napędy, sprzęt informatyczny i lampy wyładowcze. Poniżej
11
przedstawione zostaną najważniejsze skutki zapadów napięcia dla poszczególnych grup
urządzeń:
 Aparatura łączeniowa – styczniki i przekaźniki
Podczas zaburzenia elektromagnetycznego, jakim jest zapad napięcia istnieje
prawdopodobieństwo, że stycznik czy przekaźnik rozłączy w sposób niekontrolowany
urządzenie sterowane np. napęd elektryczny.
W stycznikach występuje zjawisko histerezy i zmiany obwodu magnetycznego
związane z ruchem zwory powoduje to, że ich zachowanie się podczas zapadu napięcia jest
pewnym stopniu zjawiskiem losowym.
Styki ruchome stycznika są utrzymywane w odpowiedniej pozycji poprzez siłę
elektromagnetyczną, która zależy od kwadratu prądu przepływającego przez cewkę. Prąd ten
osiąga dwukrotnie wartość zero podczas każdego okresu napięcia. Jednak dzięki
bezwładności części ruchomych stycznika może on pracować stabilnie w tych przedziałach
wartości prądu (wartości zero). Tak więc wystąpienie nieprawidłowości w jego działaniu
wymaga równoczesnego wystąpienia kilku niekorzystnych czynników wśród których należy
wymienić, oprócz amplitudy zapadu napięcia oraz czasu jego trwania, ważny jest też punkt
przebiegu czasowego napięcia, w którym rozpoczyna się zapad oraz punkt, w którym napięcie
wraca do pierwotnej wartości.
Styczniki dużej mocy mają najczęściej wystarczająco dużo „zmagazynowanej” energii
w cewce, aby zapobiec przedwczesnym wyłączeniom. Natomiast przekaźniki są bardziej
podatne na zburzenie (zapad), ponieważ zgromadzona w nich energia jest mniejsza, a także
mają mniejszą bezwładność.
Do rozruchu silników SN stosowane są przeważnie układy rozruchowe ze stycznikami
z cewkami prądu stałego. Zasilane są one z sieci prądu przemiennego przez prostowniki. Mają
one większą odporność na zapady niż styczniki prądu przemiennego.
 Regulowane napędy
Napędy regulowane są bardzo kłopotliwe podczas zapadów napięcia lub krótkich przerw
w zasilaniu. Z uwagi na duże moce jednostkowe, sposoby redukcji skutków zapadów są
kosztowne i trudne technicznie. Natomiast skutki zapadów są odczuwalne bezzwłocznie po
wystąpieniu zaburzenia, w przeciwieństwie od innych zaburzeń np. harmonicznych czy
asymetrii.
Najbardziej rozpowszechnione napędy prądu stałego i przemiennego z uwagi na różnice
w topologii części energoelektronicznych i układów sterowania, różnie reagują na zapady
napięcia.
Możemy wyróżnić trzy przyczyny, które powodują, że napędy są wrażliwe na zapady:
Pierwszą przyczyną jest zasilanie układu sterowania napędu. Ponieważ jeśli zasilacze
(układu) nie mogą zapewnić odpowiedniego poziomu napięcia, wówczas napęd musi być
wyłączony z uwagi na groźbę utraty kontroli nad jego pracą. Dlatego też w pierwszej
kolejności powinno się zapewnić odpowiedni poziom napięcia dla układu pomiarowosterującego.
Drugą przyczyną
- jest groźba wystąpienia stanu awaryjnego w części „siłowej”
(energoelektronicznej) układu w następstwie zapadu.
Trzecim powodem – jest możliwość utraty precyzyjnej kontroli prędkości lub momentu,
zmiany te nie są tolerowane przez wiele procesów technologicznych.
Reakcja napędów uzależniona jest nie tylko od wielkości opisanych powyżej, ale także
od rodzaju obciążenia, a także od parametrów samego napędu.
Skutki zapadów napięcia i krótkich przerw w zasilaniu są szczególnie istotne w
obecnie mniej rozpowszechnionych napędach prądu stałego z przekształtnikami ac/dc
zrealizowanymi jako:
12
- nie sterowane prostowniki, które są uważane za praktycznie nieczułe na zapady
napięcia. Jednak, gdy prostownik jest obciążony i po stronie prądu stałego jest filtr
pojemnościowy może wystąpić problem podczas powrotu napięcia po zapadzie do
wartości pierwotnej (znamionowej). Ponieważ w czasie zapadu kondensator
rozładowuje się i jeśli nie zostaną podjęte żadne środki zabezpieczające, podczas
powrotu napięcia do wartości znamionowej popłynie duży prąd ładowania, co może
spowodować uszkodzenie prostownika.
Dlatego też stosuje się zabezpieczenia podnapięciowe w obwodzie prądu stałego
wyłączające urządzenie w przypadku zbyt głębokiego i/lub długiego zapadu.
- nie nawrotne sterowane prostowniki są wrażliwe na załamania napięcia, które
trwają dłużej niż kilka milisekund i amplitudzie większej niż 20%.
- nawrotne przekształtniki – zapad napięcia o amplitudzie większej niż 15% może
spowodować awarię tych urządzeń.
- regulowane prostowniki o sterowaniu fazowym – podczas zapadu pętla sprzężenia
zwrotnego stara się potrzymać stałe napięcie wyjściowe poprzez zmniejszanie kąta
wysterowania tyrystorów. W czasie długich i głębokich zaburzeń, napięcie
(wyjściowe)maleje zmniejszając w konsekwencji prędkość silnika. Przy powrocie
napięcia zasilającego, dla granicznych wartości kątów wysterowania tyrystorów i
zakłóconej synchronizacji z siecią zasilającą może wystąpić przetężenie prądowe
powodując zadziałanie systemu zabezpieczającego.
Typowe napędy prądu przemiennego z pośrednim przekształtnikiem częstotliwości (voltage
source inverter) i diodowym mostkiem wejściowym charakteryzują się znaczną odpornością
na zapady napięcia, ponieważ zgromadzona energia w kondensatorze jest zdolna do
chwilowej kompensacji zmiany napięcia zasilającego (przy założeniu krótkiego czasu trwania
i małej amplitudy zaburzenia).
W przypadku tych układów może wystąpić doładowanie kondensatora powodujące
wystąpienia przetężenia prądowego. Może spowodować zadziałanie zabezpieczenia
nadprądowego i w konsekwencji zatrzymanie napędu.
Podczas zapadu, który jest spowodowany np. zwarciem trójfazowym wskutek czego
energia nie jest dostarczana z systemu zasilającego, a w konsekwencji energia zgromadzona
w kondensatorze jest absorbowana przez silnik w kilku okresach i napięcie stałe kondensatora
maleje do zera w czasie kilkudziesięciu milisekund.
Natomiast prędkość silnika maleje wraz z pochodną zależną od momentu bezwładności i
momentu obciążenia.
Dlatego też większość napędów posiada zabezpieczenia sprawdzające poziom napięcia
stałego (w układzie pośredniczącym) i gdy napięcie obniży się do zbyt małej wartości
spowodują awaryjne wyłączenie napędu. Podnapięciowe zabezpieczenie wyłączy napęd jeśli
wartość napięcia stałego obniży się poniżej wartości progowej (75÷90%) wartości
znamionowej. Kiedy napięcie powróci ponownie do wartości znamionowej, silnik nie może
być natychmiast zasilony poprzez przekształtnik z powodu możliwości wystąpienia
przetężenia, które może spowodować przepalenie się bezpieczników, a także uszkodzenie
elementów półprzewodnikowych.
 Sprzęt informatyczny
Sprzęt ten jest bardzo czuły na zmiany napięcia, jeśli amplituda zmian przekracza 10%
UN wówczas zaczynają występować zaburzenia takie jak brak transmisji sygnałów lub błędy
w ich przekazie. Dlatego też większość tego rodzaju sprzętu ma wbudowane detektory
zaburzeń zasilania w celu ochrony danych w wewnętrznej pamięci.
Sprzęt informatyczny jest bardziej narażony na stopniowe zmiany napięcia
(zmniejszanie) niż na nagłą przerwę w zasilaniu. Ponieważ niektóre detektory nie wykrywają
dostatecznie szybko stopniowego zmniejszania się napięcia zasilającego, co może
13
spowodować, że napięcie Udc dla obwodów scalonych obniży się poniżej wartości minimalnej
potrzebnej do prawidłowej pracy. Co w rezultacie może doprowadzić do utraty danych lub
mogą być one nieprawdziwe.
Do sprzętu informatycznego należą także programowalne sterowniki logiczne PLC
(Progrmmable Logic Controller). Ich prawidłowa praca zależy głównie od układu
zasilającego (zasilacza). Przeważnie jest to typowy układ elektroniczny zasilony napięciem
AC, które przekształca (najczęściej impulsowo) na napięcia stałe, które zasilają poszczególne
elementy PLC. Odporność zasilacza na zapady napięcia zależy od wymaganego stopnia
stabilizacji napięcia stałego oraz energii zmagazynowanej w kondensatorze zasilacza.
Zakłócenie występujące w każdym z modułów (CPU, karty I/O) może przerwać ciągłość
całego procesu technologicznego.
 Lampy wyładowcze
W przypadku lamp wyładowczych np. sodowych przerwa w zasilaniu o czasie trwania
ok. dwóch okresów lub zapad do wartości 45% napięcia znamionowego powoduje ich
zgaśnięcie. Czas potrzebny do ponownego zapłonu wynosi od jednej do kilku minut,
ponieważ lampa musi ostygnąć aby mógł nastąpić ponowny zapłon. W przypadku lamp
długotrwale eksploatowanych wystarczy zapad napięcia znacznie mniejszy (do 85% UN), aby
lampa zgasła.
3.3. Wpływ asymetrii napięcia na pracę odbiorników
Układ trójfazowy nazywamy symetrycznym, jeśli wartości napięć i prądów w
poszczególnych fazach są sobie równe oraz przesunięcie między fazami jest równe 120 0. Jeśli
któryś z powyższych warunków nie jest spełniony, wówczas układ nazywamy
niesymetrycznym.
Jako miarę asymetrii stosuje się powszechnie współczynnik asymetrii K, będący
ilorazem składowej przeciwnej i/lub zerowej do składowej zgodnej napięcia (analogicznie dla
prądu).
U 2(1)
K 2U 
(9)
U1(1)
K 0U 
U 0(1)
(10)
U1(1)
gdzie: K2U – współczynnik asymetrii składowej przeciwnej,
K0U – współczynnik asymetrii okładowej zerowej,
U2(1) – wartość napięcia składowej przeciwnej,
U1(1) – wartość napięcia składowej zgodnej,
U0(1) – wartość napięcia składowej zerowej, indeks(1) oznacza, że definicja
odnosi się do pierwszej harmonicznej.
Asymetrię głównie powodują niesymetryczne odbiory jednofazowe niskiego napięcia
oraz niektóre odbiorniki SN np. trakcja elektryczna, piece indukcyjne, które także są
wykonane jako jednofazowe.
Niesymetrycznymi odbiorami trójfazowymi są piece łukowe. Asymetria w tych
urządzenia jest spowodowana:
14
 niejednakową impedancją toru wielkoprądowego – wynikającą z konstrukcji pieca,
 niejednakowym obciążeniem fazowym – będącym efektem fizycznej natury procesu
topienia tzn. zmieniającej się w różny sposób wartości zastępczej impedancji łuku.
Z uwagi na bardzo duże moce pieców łukowych sięgające nawet dziesiątek MVA, ich
niesymetryczne obciążenie może powodować znaczną asymetrię napięć w sieci zasilającej.
Przyczyną asymetrii mogą też być 3-fazowe elementy układu przesyłowego,
zwłaszcza linie napowietrzne. Wynika to z faktu, że przewody poszczególnych faz nie są
jednoczenie w identycznym położeniu względem siebie i względem ziemi. Prowadzi to do
różnych wartości parametrów fazowych linii, a więc i do różnych wartości straty napięcia w
poszczególnych fazach. Dlatego też w praktyce stosuje się rozwiązania techniczne
ograniczające to zjawisko np. przeplecenie przewodów linii.
W wyniku asymetrii płyną prądy kolejności przeciwnej i zerowej, które ograniczają
przepustowość linii dla składowej zgodniej. Przyczyniając się w ten sposób do powstania
dodatkowych strat w systemie zasilającym i w przyłączonych do niego urządzeń.
Najczęściej spotykane problemy wywołane asymetrią w poszczególnych odbiornikach
są następujące:
Silniki asynchroniczne
Prądy kolejności przeciwnej wywołują strumień wirujący w kierunku przeciwnym do
strumienia wywołanego prądami kolejności zgodnej. Dlatego też silnik nie może wytworzyć
pełnego momentu obrotowego, ponieważ wirujące pole składowej przeciwnej wytwarza
moment hamujący, który trzeba odjąć od momentu znamionowego.
Asymetria powoduje też podwyższenie temperatury pracy uzwojeń, co przyspiesza
degradację izolacji silnika i skrócenia czasu jego eksploatacji.
Generatory synchroniczne
W maszynach tego typu niesymetria wpływa głównie na pracę generatorów
elektrociepłowni przemysłowych, zasilających sieci odbiorcze.
Strumień powstały w wyniku składowej przeciwnej powoduje oddziaływanie na wirnik i
stojan w postaci indukowania prądów wirowych, strat mocy i wzrostu temperatury pracy.
Transformatory
Transformatory w równym stopniu reagują na składowe napięciowe zgodne, co
przeciwne. Ich reakcja względem składowej zerowej napięcia uzależniona jest od sposobu
połączenia strony pierwotnej i wtórnej, a zwłaszcza od obecności przewodu neutralnego.
Przykładowo, jeżeli jedna strona zbudowana jest jako trójfazowa cztero-odczepowa, to prąd w
przewodzie neutralnym może płynąć. Jeżeli uzwojenie drugiej strony połączone w trójkąt
prądy składowej zerowej są zamieniane na prądy krążące w tymże uzwojeniu (wytwarzając
ciepło).
Przekształtniki statyczne
Pojawienie się składowej przeciwnej napięcia w układach przekształtnikowych
powoduje między innymi:
 pojawienie się dodatkowej składowej zmiennej w napięciu (prądzie) wyprostowanym,
15
 Nie charakterystyczne harmoniczne i interharmoniczne w prądzie zasilającym.
3.4. Wpływ wyższych harmonicznych na pracę odbiorników
Dopuszczalny poziom odkształcenia napięcia/prądu jest determinowany czułością
odbiorników, które podlegają wpływowi odkształconych wielkości. Najmniej czułym
rodzajem sprzętu są te urządzenia, których główną funkcją jest ogrzewanie, a więc np.
wszelkiego rodzaju piece. Najbardziej narażonymi urządzeniami są te, których projektant lub
konstruktor założył idealne, sinusoidalne przebiegi napięć i prądów o częstotliwości
podstawowej. Jest to głównie sprzęt telekomunikacyjny lub przetwarzania danych. Pomiędzy
tymi dwoma skrajnymi kategoriami mieszczą się silniki elektryczne. Większość z nich
toleruje znaczące poziomy odkształceń, lecz nawet w przypadku najmniej czułych
odbiorników jakimi są piece, obecność harmonicznych jest niekorzystna. Mogą one
powodować np. szkodliwe oddziaływanie napięciowe i termiczne dla dielektryk izolacji
powodując przyspieszenie procesu jej starzenia lub niekiedy trwałe uszkodzenia.
Skutki obecności wyższych harmonicznych można podzielić w zależności od przyjętych
kryteriów:
- ze względu na czas ich występowania
a) skutki chwilowe lub o charakterze natychmiastowym
Te efekty są związane z uszkodzeniami, wadliwym działaniem lub zanikiem działania
urządzeń poddanych wpływowi wh. Zaliczyć tu można np.: urządzenia regulacyjne,
sprzęt elektroniczny, sprzęt komputerowy, itp.
b) skutki długotrwałe
Zasadniczo mają termiczną naturę, występują głownie w tych przypadkach, w których
cieplna stała czasowa urządzenia jest krótsza od czasu emisji harmonicznych, które na
to urządzenie oddziaływają. Efekt cieplny (powodujący np. przyspieszony proces
starzenia izolacji lub rzadziej uszkodzenia sprzętu) jest funkcja wielu zmiennych,
wśród których wymienić należy: rzędy mocy, oddziaływanie standardowe, funkcję
rozkładu prawdopodobieństwa itp.
- ze względu na charakter fizyczny odkształconego przebiegu
c) skutki prądowe
Związane z wartością chwilową lub uśrednioną w czasie przepływającego prądu
(przegrzanie maszyn elektrycznych, przepalenie bezpieczników przekaźników
prądowych itp.). W systemie zasilającym harmoniczne prądu są główną przyczyną
wzrostu temperatury urządzeń oraz skrócenia czasu ich pracy. Wpływ ten osiąga
ekstremalnie duże wartości w warunkach rezonansowego wzmocnienia prądów
harmonicznych.
d) skutki napięciowe
Związane z wartością szczytową, średnią lub skuteczną odkształconego napięcia.
16
- ze względu na miejsce występowania odkształconych przebiegów
e) skutki wh w systemach rozdziału i transmisji mocy
f) skutki wh w systemach transmisji danych i systemach telekomunikacyjnych
g) skutki wh w sprzęcie i urządzeniach elektrycznych
Źródłem wyższych harmonicznych w sieciach i instalacjach elektrycznych są urządzenia
generujące odkształcenia posiadające nieliniowe charakterystyki prądowo – napięciowe.
Wywołują one prądy zawierające wyższe harmoniczne. Są to zarówno urządzenia
jednofazowe, jak i trójfazowe i można je podzielić na trzy charakterystyczne grupy:
 urządzenia z rdzeniami ferromagnetycznymi (np. transformatory mocy),
 układy elektroniczne i energoelektroniczne (np. prostowniki z filtrem
pojemnościowym, zasilacze z przetwarzaniem energii SMPS),
 urządzenia łukowe i lampy wyładowcze (np. agregaty spawalnicze, świetlówki
„kompaktowe”).
Transformatory
Transformatory są źródłami wyższych harmonicznych z powodu nieliniowości
charakterystyk magnesowania ich rdzeni. W normalnych warunkach pracy, gdy prąd
magnesowania nie przekracza 1-2% In to punkt pracy znajduje się na liniowej części
charakterystyki, a maszyna nie wprowadza zbyt dużych odkształceń. Jednak w przypadku
zaburzeń związanych ze zmianą obciążenia np. z załączeniem dużych odbiorników mocy
biernej lub wzrostem napięcia ponad wartość znamionową w maszynie następuje wzrost
prądu magnesowania i jego odkształcenie. W takim przypadku punkt pracy zostaje
przesunięty do obszaru nasycenia.
Urządzenia elektroniczne i energoelektroniczne
Problem odkształceń przebiegów prądu pobieranego przez układy elektroniczne
spowodowany jest głownie przez stosowanie w nowoczesnych urządzeniach zasilaczy
impulsowych. Ich konstrukcja powoduje, że zamiast zasilania ciągłego z sieci urządzenie
pobiera impulsy prądu zawierające duże ilości wyższych harmonicznych. Układy z
prostownikami sterowanymi i niesterowanymi wprowadzają do sieci odkształcenia o
regularnym charakterze przebiegów, których rząd harmonicznych można określić zależnością:
n  pk  1 (k=1,2,3...)
gdzie: p – liczba pulsów prostownika.
(11)
Urządzenia należące do tej grupy źródeł wyższych harmonicznych to m.in.
przemienniki częstotliwości, napędy AC/DC, komputery, UPS-y, kasy fiskalne, odbiorniki
telewizyjne, sprzęt biurowy i AGD.
Wyładowcze źródła światła i urządzenia łukowe
Wyładowcze źródła światła, których liczba wśród tego typu odbiorników jest
znacząca, również wprowadzają do sieci wyższe harmoniczne. Światło jest w nich
wytwarzane w oparciu o przepływ prądu przez parę metalu lub gaz. Występujący w nich
szeregowy dławik z rdzeniem jest źródłem trzeciej harmonicznej. W nowoczesnych
konstrukcjach dławik zastępowany jest układem elektronicznym, który pomimo swych zalet
zwiększa odkształcenia prądu.
17
Ogólny mechanizm wprowadzania do sieci odkształceń przez urządzenia łukowe i
wyładowcze związane jest z przerywaniem prądu podczas przejścia przez zero oraz ze
stanami nieustalonymi występującymi podczas rozruchu. Normy określające zasady
dotyczące projektowania i budowy urządzeń świetlnych zakładają poziom 3 harmonicznej nie
przekraczający 30%, jednak w praktyce zdarza się, że przekracza on nawet 80%.
Typowymi przykładami urządzeń należących do tej grupy są: piece łukowe, agregaty
spawalnicze, oświetleniowe lampy wyładowcze, świetlówki „kompaktowe”.
Przepływ prądu wyższych harmonicznych oraz wywołane nimi odkształcenie napięcia
powoduje szereg negatywnych oddziaływań na pracę instalacji elektrycznych oraz zasilanych
z nich odbiorników.
Do najważniejszych z tych skutków należy zaliczyć:
- zwiększone straty mocy w uzwojeniach i rdzeniach silników i transformatorów
wskutek zwiększonego efektu naskórkowości i prądów wirowych, powodujące
przegrzewanie się tych urządzeń,
- dodatkowe momenty harmoniczne w generatorach i silnikach, wywołujące
oscylacje mechaniczne oraz zwiększony poziom zakłóceń akustycznych,
- przeciążenia prądowe i napięciowe kondensatorów powodujące przyspieszone
starzenie dielektryka i skrócenie czasu życia,
- skrócenie trwałości źródeł światła,
- dodatkowe uchyby przyrządów pomiarowych,
- zakłócenia w pracy układów elektronicznych i energoelektronicznych,
- zwiększone straty w przewodach instalacyjnych, głównie w przewodzie ochronnoneutralnym, mogące spowodować przepalenie tego przewodu.
Niekorzystne skutki wyższych harmonicznych uwydatniają się głównie w instalacjach
przemysłowych, ale również w budynkach biurowych i centrach komputerowych, w których
występuje duża liczba nieliniowych odbiorników jednofazowych.
Poniżej przedstawiono w uporządkowany sposób skutki oddziaływania harmonicznych prądu
i napięcia na urządzenia występujące w instalacjach przemysłowych.
Silniki i generatory
Podstawowym skutkiem obecności harmonicznej napięcia i prądu w maszynach
wirujących (asynchronicznych i synchronicznych) jest wzrost temperatury pracy
spowodowany dodatkowymi stratami mocy. Straty te występują w rdzeniu i uzwojeniach
maszyn.
1. wzrost strat w uzwojeniach stojana i wirnika spowodowany jest zarówno
zwiększeniem wartości skutecznego prądu na skutek odkształcenia jak również
wzrostem efektywnej rezystancji uzwojeń na skutek zjawiska naskórkowości.
2. wzrost strat w magnetowodach stojana i wirnika. Dodatkowe straty od prądów
wirowych związane są głownie w uzwojeniach stojana oraz w klatce tłumiącej. Istotne
są głównie harmoniczne tworzące układ kolejności przeciwnej, tzn. 5, 11, 17, 23, ...
itd. Straty od prądów wirowych w maszynie synchronicznej z pakietowym stojanem i
wirnikiem nie przekraczają pojedynczych procentów strat znamionowych nawet przy
bardzo znaczącym odkształceniu napięcia zasilającego. Straty dodatkowe w silnikach i
kompensatorach z litymi biegunami będą większe.
W silnikach asynchronicznych wysokiego napięcia straty w stojanie i wirniku są mniej
więcej jednakowe. Silniki asynchroniczne dopuszczają większe straty mocy w wirniku
niż silniki klatkowe.
Straty w maszynach wirujących mają znaczenie głownie dla harmonicznych niskich
rzędów, głownie 2- i 3-ciej. Straty od harmonicznych o rzędach powyżej 13-tej można
praktycznie pominąć.
18
3. dodatkowe momenty harmoniczne. Są one rezultatem wzajemnego oddziaływania
pomiędzy strumieniem w szczelinie powietrznej (głównie składowa Podstawowa) i
strumieniami wytwarzanymi przez poszczególne prądy harmoniczne wirnika. Ich efekt
w wypadkowej, średniej wartości momentu silnika jest w praktyce mały. Mają one
dodatkowo tolerancje do wzajemnego znoszenia się. Harmoniczne tworzące układ
kolejności zgodnej wytwarzają składowe momentu wspierając rotację silnika, podczas
gdy dla pozostałych harmonicznych (5, 11, 17, 23,...) działają przeciwnie. Momenty
harmoniczne mają natomiast wpływ na wartość chwilową momentu wypadkowego
silnika wywołując jego pulsację.
Momenty pasożytnicze mogą powodować silne drgania i intensywny hałas, co
utrudnia, a może nawet uniemożliwić pracę maszyny.
4. oscylacje mechaniczne maszyn elektrycznych zasilanych odkształconym napięciem
osiągają swoje maksymalne wartości, gdy częstotliwość zmiennego momentu silnika
jest zgodna z częstotliwością rezonansu mechanicznego układu silnik – agregat
napędzany. Istotnym czynnikiem jest wartość momentu obciążającego silnik.
Zjawisko to może wystąpić również w układach turbina – generator.
5. Prądy harmoniczne w silniku mogą spowodować zwiększony poziom emisji i zakłóceń
akustycznych w porównaniu z wartościami przy zasilaniu ich przebiegami
sinusoidalnymi.
6. Harmoniczne wpływając na rozkład strumienia w szczelinie powietrznej mogą
utrudnić łagodny rozruch silnika i zwiększyć jego poślizg.
Transformatory
Transformatory zawsze doświadczają skutków wh, gdyż filtry instalowane są prawie
wyłącznie po ich pierwotnej stronie.
Bezpośrednim skutkiem obecności harmonicznych jest, oprócz zakłóceń
akustycznych, wzrost strat mocy w rdzeniu (straty: histerezowe – proporcjonalne do
częstotliwości i straty od prądów wirowych – proporcjonalne do kwadratu częstotliwości)
oraz w uzwojeniach, w następstwie wzrostu wartości skutecznej prądu oraz zwiększonej
rezystancji (efekt naskórkowości). Przyjmuje się, że te ostatnie są proporcjonalne do
  I (2n ) n 2 , gdzie n jest rzędem harmonicznej prądu o wartości skutecznej I(n) . Wywołany
n
tym termiczny stres izolacji może być przyczyną skrócenia czasu eksploatacji
transformatorów.
Ważnym miejscem lokalizacji strat mocy są połączone w trójkąt uzwojenia stanowiące obwód
zwarty dla prądów harmonicznych potrójnych.
Obecność składowej stałej prądu (jako rezultat pracy pewnych rodzajów odbiorników)
może wywołać nasycenie rdzenia i wynikający stąd dalszy wzrost odkształcenia prądu. Rdzeń
transformatora może ulegać nasyceniu również na skutek wzrostu wartości szczytowej
napięcia występującego jako rezultat odkształcenia harmonicznego.
Ze względu na niebezpieczeństwo wystąpienia zjawiska rezonansowego pomiędzy
reaktancją indukcyjną transformatora, a reaktancją pojemnościową sieci zasilającej lub
reaktancją odbiorników pojemnościowych przyłączonych do jego wtórnej strony, w tym
ostatnim przypadku ogranicza się moc baterii kondensatorów. Nie powinna ona przekroczyć
około 25% mocy znamionowej.
Praca transformatorów w środowisku elektromagnetycznym z odkształconymi
przebiegami napięć i prądów zmusza projektantów i producentów do realizacji takich jego
zmian konstrukcyjnych, które prowadzą w konsekwencji do minimalizacji strat.
Są to:
19
- przewymiarowanie uzwojeń połączonych w trójkąt i przewodu neutralnego przy
połączeniu uzwojeń w gwiazdę ze względu na obecność harmonicznych potrójnych;
- projektowanie rdzeniu magnetycznych tak, aby w znamionowym punkcie pracy
uzyskać odpowiednią gęstość strumienia magnetycznego (poniżej kolana ch-ki
magnesowania). Uzyskuje się to m.in. poprzez stosowanie rdzeni z żelaza o
odpowiedniej jakości;
- wykonywanie uzwojeń transformatorów z wiązek przewodów w celu redukcji
zjawiska naskórkowości.
Kondensatory
Należą do tej grupy urządzeń, które w największym stopniu doświadczają skutków
pracy w środowisku elektromagnetycznym z przebiegami odkształconymi. Przeciążenia,
którym podlegają dotyczą: napięcia, prądu i mocy. Dlatego też do tych wielkości odnoszą się
określane przez producentów dopuszczalne współczynniki przeciążeniowe podające krotność
ich wartości znamionowych. Wyznaczają one, dla baterii kondensatorów, obszar
nieniszczących warunków, lecz praca z długotrwałym przeciążeniem skraca znacząco czas ich
eksploatacji. Wzrost wartości szczytowej napięcia, będący rezultatem wyższych
harmonicznych, to dodatkowy stres dla izolacji. Może on spowodować w konsekwencji
częściowe wyładowanie w dielektryku, zwarcie końców folii i trwałe uszkodzenie
kondensatora. Zgodnie z większości narodowych i międzynarodowych norm, dopuszczalny
współczynnik przeciążenia napięciowego kondensatora nie przekracza 110% wartości
znamionowej. Większość problemów występujących w kondensatorach, a wywołanych
harmonicznymi ma prądowy charakter. Obecność wh w napięciu powoduje przepływ przez
kondensator dodatkowych prądów, których wartość może być znacząca i może rosnąć wraz ze
wzrostem rzędu harmonicznej.
Przepływ przez baterię prądu o zbyt dużej wartości powoduje wystąpienie w
kondensatorach dodatkowych strat mocy, z wynikającymi z tego faktu niekorzystnymi
zjawiskami, takimi jak: przepalenie bezpieczników, procesy fizyko – chemiczne dielektryków
powodujące przyspieszony proces starzenia i skrócenia czasu eksploatacji, trwałe uszkodzenie
itp.
Wszystkie wymienione niekorzystne zjawiska ulegają drastycznemu wzmocnieniu w
warunkach rezonansów: szeregowych i równoległych.
Źródła światła
Wzrost wartości szczytowej odkształconego napięcia powoduje skrócenie czasu
eksploatacji żarowych źródeł światła.
Lampy wyładowcze – fluoroscencyjne i rtęciowe – wyposażane bywają w szeregowy
dławik ograniczający prąd, który w połączeniu z często stosowanym równoległym
kondensatorem wejściowym (dla poprawy współczynnika mocy) tworzy obwód rezonansowy.
Stan bliski rezonansu jest źródłem dodatkowych strat.
Wyłączniki
Odkształcenie przebiegu prądu ma wpływ na zdolności wyłączeniowe wyłączników w
przypadku wyłączenia małych prądów, nie prądów zwarciowych. Obecność harmonicznych
może spowodować większa wartość pochodnej prądu di/dt przy jego przejściu przez wartość
zerową (w porównaniu z przebiegiem sinusoidalnym). Czyni to trudniejszym proces
przerywaniu prądu.
Badania wykazały, że przy 50% odkształceniu napięcia dla wyłącznika 15 kV,
wystąpiło wyraźne obniżenie zdolności wydmuchiwania łuku przez cewkę wydmuchową.
Proces wyłączania trwał dłużej i często występowały ponowne zapłony. W znacznie
20
mniejszym stopniu dotyczy to wyłączników próżniowych. W wyłącznikach z czujnikami
termicznymi stwierdzono wyłączenia przy wartościach prądów mniejszych od nastawy. Jest
to rezultat wystąpienia dodatkowych strat od prądów harmonicznych, podwyższających
temperaturę termika.
Układy przekształtnikowe i sprzęt elektroniczny
W literaturze układy przekształtnikowe są traktowane głównie jako źródło wh,
znacznie rzadziej jako odbiorniki podlegające zakłóceniom. W praktyce jednakże ten rodzaj
sprzętu podobnie jak większość urządzeń elektronicznych jest wrażliwy na różnego rodzaju
zakłócenia, w tym również na obecność wh. Rezultatem tego są nieprawidłowości ich
działania, związane głownie z następującymi zjawiskami:
1. błędy synchronizacji
Przejście napięcia (rzadziej prądu) przez wartość zerową stosuje się w wielu rodzajach
sprzętu, ma to wpływ na czasową synchronizację ich działania. W przypadku silnego
odkształcenia (np. w warunkach rezonansowych, lecz nie tylko) przebiegi czasowe wielkości
synchronizującej mogą przechodzić przez zero więcej niż jeden raz w każdej połowie cyklu.
W układach przekształtników o komutacji sieciowej, synchronizowanych przejściami napięć
zasilających przez wartość zerową, na skutek odkształcenia napięcia wokół tej wartości może
wystąpić nierówność kątów wysterowania poszczególnych zaworów. Skutkiem tego jest
generowanie przez przekształtnik wh niecharakterystycznych, w tym również parzystych,
potrójnych rzędów i interharmonicznych oraz w szczególnych warunkach składowej stałej. W
układach przekształtnikowych zjawisko to może być również spowodowane komutacyjnymi
załamami napięcia wywołanymi pracą innych równolegle pracujących przekształtników.
Błędy synchronizacji mogą wystąpić również w tych przypadkach, w których występuje
komparacja dwóch przebiegów czasowych. Załączenie elementów półprzewodnikowych w
nieodpowiednim momencie jest szczególnie groźne w zakresie pracy inwertorowej
przekształtnika.
2. niestabilność harmoniczna
Powstaje ona w szczególnych przypadkach przy przyłączeniu przekształceniu
przekształtnika do sieci zasilającej, której moc zwarcia jest współmierna z mocą
przekształtnika, gdy w sieci zasilającej występują dodatkowo inne źródła harmonicznych i
asymetrii. Skutkiem występowania asymetrii jest obecność w prądzie przekształtnika
harmonicznych parzystych
i potrójnych rzędów, które pojawią się w napięciu
zasilającym. Wpływają one na wzrost asymetrii sterowania przekształtnika, co
uniemożliwia normalną pracę, szczególnie w zakresie pracy inwertorowej. Zdarzają się
również oscylacje w układach sterowania fazowego na częstotliwościach
subharmonicznych, w związku z tym powstają znaczące wahania prądu obciążenia
prowadzące do awaryjnego wyłączenia przekształtnika.
3. uszkodzenia elementów
Mogą one powstać na skutek wzrostu wartości szczytowej napięcia zasilającego w efekcie
jego odkształcenia harmonicznego.
4. błędy w układach pomiarowych sygnałów wejściowych do sterowników przekształtników
(np. pomiar mocy biernej w SVC, pomiar prądu w pętlach sprzężeń zwrotnych układów
napędowych itp.), a także zakłócenia w cyfrowych układach sterowania przekształtników.
5. zakłócenia w pracy elementów diagnostyki i zabezpieczeń.
21
6. niekorzystny wpływ na kondensatory
występujące w strukturze układów
energoelektronicznych w obwodach: ochrony przepięciowej, filtrach EMC itp.
Sprzęt informatyczny, a także sterowniki programowalne, wymagają aby w sieci z której
są zasilane, współczynnik odkształcenia napięcia oraz względne wartości każdej z
występujących harmonicznych nie przekroczyły zadanych, dopuszczalnych wartości.
Wyższe poziomy odkształcenia powodują błędy w działaniu, często przekłamania lub
utratę danych, charakterystyczne „brzęczenie” napędów dysków itp. W wielu
przypadkach może to mieć groźne konsekwencje, szczególnie w takich dziedzinach jak:
służba zdrowia, banki, lotnictwo itp. Z tych powodów wiele funkcjonujących tam
urządzeń jest zasilonych poprzez specjalne interfejsy wejściowe o podwyższonych
wskaźnikach energetycznych.
Większość sprzętu elektronicznego podlega radiacyjnemu wpływowi harmonicznych.
Przyrządy pomiarowe
Są kalibrowane zwykle do pomiarów przebiegów sinusoidalnych. Zastosowanie ich w
obwodach z przebiegami odkształconymi może więc być źródłem błędów. Ich wartości
(zarówno dodatnie jak i ujemne) zależą od wielu czynników tj. rodzaj realizowanego
pomiaru, rodzaj zastosowanego przyrządu, rzędu, wartości i fazy poszczególnych
harmonicznych itp.
Mierniki skutecznych wartości napięć i prądów
Nowoczesne przyrządy dokonują pomiarów wartości skutecznych napięć i prądów w
oparciu o przetworzony ciąg danych wejściowych (w postaci binarnej) zgodnie z definicją.
Jeżeli występujące w mierzonych przebiegach harmoniczne mieszczą się w określonym
przedziale częstotliwości i współczynnik szczytu przebiegu nie przekracza określonej
wartości ich wskazania będą prawidłowe.
Liczniki energii czynnej
Tradycyjny elektromagnetyczny miernik energii zasadniczo działa jak mały silnik,
którego wirnikiem jest wirująca tarcza. Liczba obrotów tarczy jest miarą dostarczonej do
odbiornika energii. Wystąpienie harmonicznych w napięciu i prądzie, powoduje wytworzenie
dodatkowych momentów harmonicznych działających na tarczę, które mogą działać zgodnie
lub przeciwnie do momentu podstawowego. Wynikające stąd błędy pomiaru – o wartości
zarówno dodatniej jak i ujemnej – zależą od wielu czynników, wśród których wymienić
należy: stopień odkształcenia mierzonych przebiegów, rzędy i wartości harmonicznych,
kierunek przepływu mocy, itp.
Istotny błąd pomiaru występuje, jak pokazują badania, dopiero przy znaczących
odkształceniach napięcia i prądu (przekraczających 20%), co w realnych układach jest
rzadkością. Licznik nie mierzy energii związanej ze składową stałą (Pst), lecz obecność
składowych napięcia i prądu ma wpływ na jego wskazania. Prąd stały odkształca strumień i
zmienia przyrostową przenikalność konstrukcyjnych elementów magnetycznych przyrządu.
Powstanie więc błąd o wartości proporcjonalnej do ilorazu (PstPΣ-1) ze znakiem zależnym od
kierunku przepływu dominującej mocy podstawowej harmonicznej (od odbiornika, do
odbiornika). Energia związana ze składową podstawową P(1) będzie mierzona prawidłowo,
niedokładnie zaś będzie mierzona energia związana z mocą harmoniczną (PH).
Cyfrowy licznik energii czynnej oblicza energię w oparciu o próbkowanie przebiegów
czasowych napięć i prądów. Jak w każdym tego typu przyrządzie, szerokość pasma
22
przepustowego jest ograniczona częstotliwością próbkowania. Dostępne liczniki cyfrowe
mają zazwyczaj płaską charakterystykę częstotliwościową do częstotliwości wejściowej
wynoszącej około 100Hz. Wskazania licznika w tym przedziale są więc prawidłowe, co nie
wyklucza występowania błędów związanych z techniką próbkowania i przetwarzania danych.
Przewody i kable elektryczne
W warunkach odkształcenia prądu w relacji do strat przy prądzie sinusoidalnym,
istnieją dwa mechanizmy powodujące wzrost strat cieplnych w przewodach zasilających.
Jednym z nich jest efekt naskórkowości i efekt „sąsiedztwa”, polegający na
wypieraniu strug prądu w sąsiadujących przewodach zasilających. Zjawiska te powodują
wzrost efektywnej rezystancji przewodów. W przypadku naskórkowości rezystancja rośnie
wraz ze wzrostem częstotliwości harmonicznej składowej prądu oraz średnicą przewodu.
Efekt „sąsiedztwa” związany jest z wzajemnym oddziaływaniem pól elektromagnetycznych i
strug prądów płynących w przylegających do siebie przewodach. W przypadku przewodów o
przekroju okrągłym skutek tego zjawiska jest mniejszy niż efekt naskórkowości.
Drugi z mechanizmów wpływu wh jest związany ze wzrostem wartości skutecznych
prądów fazowych, a przede wszystkim z nadmiernym obciążeniem przewodu neutralnego w
3-fazowych, 5 przewodowych systemach zasilających.
W kablach elektrycznych prócz zwiększonych strat mocy czynnej występuje jeszcze
dodatkowy stres dla izolacji związany z możliwym wzrostem – na skutek odkształcenia
harmonicznego – szczytowej wartości napięcia zasilającego. Następuje również
przyspieszony proces starzenia izolacji jako rezultat zwiększenia wartości prądu
pojemnościowego upływu i wynikających stąd niekorzystnych procesów fizykochemicznych.
Układy przekaźnikowe i stycznikowe
Można sformułować następujące skutki oddziaływania wyższych harmonicznych na
układy przekaźnikowe i stycznikowe, głownie elektromagnetyczne.
 Przekaźniki/styczniki działają w sposób zróżnicowany w obecności zakłóceń
harmonicznych. Ich relacja jest nie tylko uzależniona od rodzaju, typu, producenta tych
urządzeń, lecz zmienia się również wraz ze zmianą badanego egzemplarza oraz zmianą
cech charakterystycznych widma przebiegu;
 Czułość przekaźników/styczników jest niewrażliwa na odkształcenie napięcia nie
przekraczające 20%. Powyżej tej wartości może wystąpić nieprawidłowość ich działania
w typowych warunkach pracy zabezpieczanego obiektu.
 Szczególne przypadku występują, gdy odkształcenie harmoniczne może powodować
nieprawidłowe działanie elementów zabezpieczających w normalnych warunkach pracy
systemu. Może tak wystąpić np. w przekaźnikach zabezpieczających przed
doziemieniem, a instalowanych łącznie z nadprądowymi układami zabezpieczającymi. W
takim przypadku, jeżeli prąd odbiornika będzie zawierał znaczącą wartość
harmonicznych potrójnych rzędów – głównie trzeciej – mogą one spowodować fałszywe
zadziałanie przekaźnika doziemienia, a w konsekwencji pobudzanie/wyłączenie
wyłącznika głównego.
 Innym rodzajem przekaźników, które reagują na wpływ wh są przekaźniki
podczęstotliwościowe. W niektórych rozwiązaniach technicznych, rejestracja
częstotliwości następuje poprzez zliczanie przejśc przez zero przebiegu czasowe
napięcia. Dla przebiegu czasowego napięcia odkształconego 5-tą harmoniczną – o 30%wej wartości względnej (w relacji do składowej podstawowej), więcej niż dwa przejścia
przez zero w każdym okresie mogą spowodować błędny odczyt częstotliwości, a w
23
konsekwencji nieprawidłowe działanie zabezpieczenia, np. brak odłączenia odbiornika
mimo rzeczywistego zmniejszenia częstotliwości.
 W sieciach nn wyłącznik główny bywa niekiedy wyposażony w czujniki napięcia/prądu
działające w oparciu o pomiar wartości szczytowej. Odkształcenie harmoniczne może
wywołać jej wzrost i zadziałanie wyłącznika nawet w przypadku gdy wartość skuteczna
pozostaje w przedziale wartości bezpiecznych.
 Bardzo ważny jest wpływ odkształcenia przebiegów na pomiar impedancji dokonywany
w przekaźnikach impedancyjnych. Obecność harmonicznych może spowodować znaczny
błąd pomiaru w relacji do wartości impedancji dla podstawowej harmonicznej.
4. Podsumowanie i wnioski
W opracowaniu niniejszym przedstawiono ważniejsze parametry jakościowe energii
elektrycznej, wpływ pogorszenia parametrów jakościowych na pracę urządzeń elektrycznych
oraz skutki złej jakości energii elektrycznej.
Zwrócono uwagę na szczególne znaczenie, jakie odpowiednie parametry energii
odgrywają w zakładach przemysłowych, ponieważ od nich zależą procesy technologiczne,
których zaburzenie spowodowane zakłóceniami, może pociągnąć za sobą poważne szkody
materialne.
Warunkiem utrzymywania właściwej jakości energii jest współpraca dostawcy i
odbiorcy energii elektrycznej. Coraz częściej właśnie odbiorcy stają się odpowiedzialni za
wprowadzanie zakłóceń do sieci elektroenergetycznej, pogarszając w ten sposób dostarczaną
dla siebie i innych energię elektryczną.
W celu dotrzymania właściwych poziomów jakościowych energii elektrycznej w
praktyce istotne znaczenie odgrywają urządzenia monitorujące parametry energii w sieci
elektroenergetycznej oraz właściwy dobór środków służących do poprawy jakości energii i
ograniczenia zakłóceń.
LITERATURA
1. Hanzelka Zb.: Jakość energii elektrycznej. www.twelvee.com.pl, www.lpqi.org
2. Hanzelka Zb.: Jakość energii elektrycznej. Rozdz. 30 Poradnika Vademecum
Elektryka. COSiW SEP, Warszawa 2009
3. Hanzelka Zb., Strzałka J.: Jakość energii elektrycznej w instalacjach komunalnych i
przemysłowych – II Konferencja NT „Inżynieria Elektryczna w Budownictwie”,
Kraków 2003.
4. Kuśmierczyk Z.: Harmoniczne w systemach elektroenergetycznych. Przegląd
Elektrotechnicznych nr 6, 2006.
5. Mieński R., Pawełek R., Wasiak I.: Jakość energii elektrycznej – parametry, pomiary i
ocena. Seminarium nt zaburzeń w napięciu zasilającym. Łódź 2003.
6. Markiewicz H., Klajn A.: Metody i sposoby zapewniające pożądaną niezawodność
zasilania energią elektryczną. Seminarium „Pewność i jakość zasilania”. Kraków
2003.
7. PN-EN 50160:2002 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach
rozdzielczych.
8. Praca zbiorowa pod red. J. Strzałki: Instalacje elektryczne i teletechniczne. Wyd.
Verlag Dashofer. Warszawa 2009 (z ciągłą aktualizacją).
24
9. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 04.05.2007r. w sprawie szczegółowych
warunków funkcjonowania systemu elektroenergetycznego.
10. Strzałka-Gołuszka K., Szepielak M.: Wyższe harmoniczne w sieciach i instalacjach
elektrycznych. Biuletyn Technicznych O/Kr SEP nr 2(43), 2009. Kraków 2009.
25