pomiary zaburzeń przewodzonych w sieci elektroenergetycznej

Nr 58
Prace Naukowe Instytutu Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych
Politechniki Wrocławskiej
Nr 58
Studia i Materiały
Nr 25
2005
Jakość energii elektrycznej, zaburzenia przewodzone
Jerzy LESZCZYŃSKI*, Grzegorz KOSOBUDZKI ∗
F
POMIARY ZABURZEŃ PRZEWODZONYCH W SIECI
ELEKTROENERGETYCZNEJ – PRZYKŁADY ANALIZY
W pracy omówiono w zarysie parametry charakteryzujące jakość napięć zasilających oraz zakłócenia występujące w sieci niskiego napięcia. Przedstawiono wyniki analizy wybranych przykładów
rejestracji jakości energii elektrycznej na rozdzielniach niskiego napięcia.
1. WSTĘP
Energia elektryczna w formie dostarczonej odbiorcom odznacza się szeregiem
zmiennych parametrów, które określają jej użyteczność [1]. Z punktu widzenia jej
użytkownika pożądane jest, aby napięcie zasilające miało stałą częstotliwość, sinusoidalny kształt przebiegu czasowego oraz stałą wartość skuteczną.
Istnieje wiele czynników powodujących odstępstwa od kluczowych wskaźników.
Przepływy prądów w sieci zasilającej wywołują spadki napięć. Oddziaływania elektryczne, mechaniczne, chemiczne na urządzenia przesyłowe i rozdzielcze wynikające
między innymi z warunków atmosferycznych, procesów starzeniowych oraz działalności człowieka również oddziaływają na zasilanie, łącznie z powodowaniem przerw.
Szybkie zmiany poboru energii w zależności od zdolności jej generacji mogą stanowić
przyczynę wahań częstotliwości.
Szereg innych zjawisk może mieć zakłócający lub niszczący wpływ na urządzenia
odbiorców. Można do nich zaliczyć nieuniknione zjawiska przejściowe w systemie
zasilającym, wywołane zwarciami, procesami łączeniowymi lub wyładowaniami atmosferycznymi. Istnieje znacząca liczba zjawisk będąca wynikiem poboru energii
elektrycznej, które bezpośrednio zmieniają kształt przebiegu czasowego napięcia,
zmieniają w szczególny sposób jego wartość lub nakładają sygnały związane z trans__________
∗
Politechnika Wrocławska, Instytut Maszyn, Napędów i Pomiarów Elektrycznych, 50-372 Wrocław,
ul. Smoluchowskiego 19, [email protected], [email protected]
misją informacji. Należy przy tym podkreślić, iż wraz ze wzrostem liczby urządzeń
wywołujących zaburzenia występuje wzrost liczby urządzeń na nie wrażliwych.
2. JAKOŚĆ NAPIĘCIA ZASILAJĄCEGO W PUBLICZNYCH SIECIACH
ROZDZIELCZYCH
Stosowane są następujące parametry charakteryzujące jakość napięcia zasilającego:
częstotliwość sieciowa, wartość skuteczna napięcia zasilającego, zmiany napięcia
zasilającego, szybkie zmiany napięcia (flikery) zapady napięcia zasilającego, krótkie
przerwy w zasilaniu, długie przerwy w zasilaniu, dorywcze przepięcia o częstotliwości
sieciowej, przejściowe przepięcia, niesymetria napięcia zasilającego, harmoniczne
napięcia, sygnał napięciowy do transmisji informacji nałożony na napięcie zasilające.
Dopuszczalne tolerancje wartości części z wyżej wymienionych wskaźników są
podawane w sposób ścisły. Dotyczy to: częstotliwości, wartości napięcia zasilającego,
wahania napięć, asymetrii, harmonicznych, interharmonicznych, napięć sygnałowych
czy flikerów. Inne wskaźniki np. przerwy w zasilaniu precyzowane w innych aktach
prawnych (np. [3]) lub mają charakter statyczny bez ścisłych określeń wartości dopuszczalnych (zapady, przepięcia), mimo iż są ściśle zdefiniowane.
Miejsce pomiarów zależy od zadania pomiarowego. Zgodnie z normą IEC38 od
roku 2003 jest to wspólny punkt zasilania (PCC – point of common coupling), co
oznacza, że może to być GPZ przy ocenie jakości napięcia zasilającego szereg odbiorców, lub np. miejsce pomiaru poboru energii elektrycznej przez indywidualnego odbiorcę.
Trudno jest szczegółowo wykazać w ramach niniejszego opracowania ważność dotrzymywania właściwych wartości wszystkich wskaźników określających jakość energii. Na wybranych przykładach, mimo iż wartości wszystkich parametrów były lub
mogły być rejestrowane, przedstawiono przede wszystkim problemy związane z odkształceniami przebiegów elektroenergetycznych.
W ciągu ostatnich lat zwiększyła się wydatnie liczba i moc odbiorników wprowadzających odkształcenia przebiegów napięć i prądów. Od strony sieci są one „widziane” jako odbiorniki o nieliniowym, a także i o szybkozmiennym charakterze obciążenia. Do odbiorników o nieliniowym charakterze obciążeń należy zaliczyć szczególnie
układy prostownikowe a zwłaszcza układy z pojemnościowym filtrem napięcia. Urządzenia trójfazowe, które wykorzystują układy prostownikowe z pojemnościowym
filtrem napięcia znajdują głównie zastosowanie w układach przekształtnikowych do
sterowania napędów elektrycznych. Są to urządzenia średniej i większej mocy. Obecnie w wielu dziedzinach przemysłu stosowane są sterowane napędy elektryczne. Napędy takie wykorzystują przemienniki częstotliwości z pośredniczącym obwodem
napięcia stałego, który jest najczęściej zasilany z sieci przez trójfazowe układy prostownikowe.
Znaczącą dla sieci elektroenergetycznej grupą odbiorników obciążającą sieć nieliniowo stanowią układy prostownikowe trakcji elektrycznej prądu stałego. Są to urządzenia wielkiej mocy i dlatego w znaczący sposób wpływają na pracę sieci elektroenergetycznej na poziomie średniego napięcia. Do nich należą urządzenia trakcyjne
sieci PKP, czy też tramwajowe.
Obecność odkształceń przebiegów napięciowych i prądowych powoduje nieprawidłową pracę większości odbiorników energii oraz aparatury pomiarowo – kontrolnej.
Nie należy również pomijać dodatkowych strat powstających zarówno w linii zasilającej jak i transformatorach.
Przykładowo przy wartości współczynnika odkształcenia przebiegu prądowego
THD = 20% straty dodatkowe w linii zasilającej wzrosną o ok. 4% w stosunku do strat
pochodzących od podstawowej harmonicznej prądu [5].
3. WYBRANE PRZYKŁADY ZWIĄZANE Z ANALIZĄ JAKOŚCI ENERGII
ELEKTRYCZNEJ
Normy, których zawartość nie sposób omówić w niniejszym opracowaniu, określają szczegółowo warunki pomiarów, metody pomiarowe oraz parametry aparatury pomiarowej do wyznaczenia wartości poszczególnych wskaźników charakteryzujących
jakość energii elektrycznej (pojęcie energii dotyczy również analizy przebiegów prądowych). Użyta do pomiarów i analizy aparatura i oprogramowanie pozwala na spełnienie wszystkich wymagań wspomnianych norm.
PRZYKŁAD 1 – WROCŁAW [5]
Pomiary przeprowadzono w celu określenia możliwości włączenia do układu zasilania przedsiębiorstwa baterii kondensatorów do kompensacji mocy biernej. Ze
względu na charakter zmian obciążenia sieci zasilającej m.in. kontrolowane przedsiębiorstwo, przyjęto okres dobowy rejestracji przebiegów napięciowych. Na rysunku 1
przedstawiono wartości parametrów charakteryzujących jakość napięcia. Linia na
rysunku określa dopuszczalne wartości wyszczególnionych parametrów zgodnie z
normą [1].
Rys. 1. Wartości parametrów charakteryzujących jakość napięcia
Fig. 1. Values of parameters describe power quality
Ten sposób przedstawienia wyników pomiarów pozwala na szybką ocenę parametrów. Analiza zarejestrowanych przebiegów pozwala na określenie wartości wszystkich harmonicznych łącznie z czasem ich występowania w formie graficznej lub tabelarycznej. Można również w tych samych formach podawać jedynie przekroczenia
wartości dopuszczalnych z podaniem czasów, w których te przekroczenia wystąpiły
(rozdzielczość czasowa w krótkich przedziałach pomiarowych – 1ms). Dotyczy to nie
tylko harmonicznych, również innych [1] parametrów jakościowych. Rysunek 2 przestawia zawartość harmonicznych, natomiast rysunek 3 charakter zmian dominującej
harmonicznej. Nie stwierdzono przekroczeń THD.
Rys. 2. Zawartości harmonicznych w fazach L1, L2 i L3
Fig. 2. Harmonic voltage content in L1, L2 and L3 phase
Rys. 3. Wartości przekroczeń 13 harmonicznej w funkcji czasu
Fig. 3. Value of 13th harmonic exceeded the allowable limit plotted against time function
Widmo harmonicznych przedstawione na rysunku 2 świadczy o wprowadzaniu odkształceń przez stacje prostownikową wyposażoną w prostowniki 6-pulsowe (PKP).
PRZYKŁAD 2 - WROCŁAW [6]
Przeprowadzono precyzyjną analizę porównawczą charakterystycznych stanów
przebiegów napięciowych i prądowych – skokowych zmian wartości napięć i prądów
wartości harmonicznych oraz zapadów napięć ze stanami awaryjnymi pneumatycznego układu zasilającego. Na podstawie analizy zarejestrowanych sygnałów stwierdzono
nieznaczne przekroczenia zawartości harmonicznych oraz flikery, zapady napięcia i
przerwy w zasilaniu.
Rys. 4. Zmiany wartości prądu w fazie L3 układu zasilania kotłów.
Fig 4. The changes of current rms value in L3 phase of boilers supply.
Rys. 5. Zawartość harmonicznych w przebiegach prądowych.
Fig. 5. Harmonic current contents in L1, L2 and L3 phases.
Ze względu na konieczność wyjaśnienia przyczyn powstawania stanów awaryjnych dokonano analizy zmian wartości prądów. Zmiany wartości prądu w fazie L3
(dominująca) przedstawiono na rysunku 4. Widoczne skoki, w części przypadków,
odpowiadały wystąpieniom stanów awaryjnych układu zasilania kotłów parowych.
Zawartości harmonicznych w przebiegach prądowych w formie graficznej przedstawiono na rysunku 5. Odkształcenia te powodowane są przede wszystkim przez układy
prostowników 6-pulsowych.
PRZYKŁAD 3. – WROCŁAW [7]
Przeprowadzone badania jakości napięcia zasilającego związane były z określeniem przyczyn uszkodzeń agregatów chłodniczych.
Rys. 6. Przekroczenia napięcia zasilającego w fazie L1 (U > 105% Un).
Fig. 6. Voltage exceeding of 105% level of nominal mains voltage in L1 phase.
Opisywany przykład w sposób zdecydowany różni się od poprzednich. Parametrami dominującymi okazały się zmiany napięcia zasilającego. Wartości te rejestrowane w okresie tygodnia w znacznej części tego okresu przekraczały wartości dopuszczalne [2]. Zarejestrowano 342 przekroczenia wartości powyżej 5%, których czas
przekroczenia był mniejszy od 20ms oraz 141 przekroczeń o czasie trwania od 20ms
do 100ms. Nie stwierdzono występowania innych przekroczeń parametrów charakteryzujących jakość napięcia zasilającego. Przekroczenia górnej granicy wartości dopuszczalnej napięć mogło stanowić przyczynę uszkodzeń, bądź nieprawidłowej pracy
odbiorników zasilanych z badanej rozdzielni.
4. PODSUMOWANIE
W większości analizowanych przypadków powodem występowania wyższych
harmonicznych była praca 6-pulsowych stacji prostownikowych zasilających trakcję
PKP bądź trakcję tramwajową. Inne przypadki zakłóceń związane były z pracą nie-
spokojnych odbiorów energii elektrycznej bądź niewłaściwymi ustawieniami odczepów w transformatorach zasilających. Wiele przypadków zakłóceń pracy odbiorników
energii elektrycznej jest powodowane przez prace innych odbiorników zakłócających
w ramach tego samego zakładu.
Podane przykłady zawierają również aspekt ekonomiczny. Poza pogarszaniem
sprawności lub uszkodzeniami urządzeń, koniecznością instalowania dodatkowych
układów filtrujących, zachwianiem gospodarki mocą bierną, istnieją wspomniane [4]
straty przesyłowe. Dodatkowo zgodnie z obowiązkami dostawcy energii [3] dotyczącymi dotrzymania właściwych standardów jakościowych, przedsiębiorstwo energetyczne jest zobowiązane m.in. do „udzielania upustów w wysokości określonej w taryfach za niedotrzymanie parametrów.
LITERATURA
[1] PN-EN 50160 Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych
[2] PN-EN 61000-2-4 Poziomy kompatybilności dotyczące zaburzeń przewodzonych małej
częstotliwości w sieciach zakładów przemysłowych.
[3] Rozporządzenie Ministra Gospodarki i pracy z dn. 20.12.2004r. W sprawie szczegółowych
warunków przyłączenia Dziennik Ustaw Nr 2 z 2005r.
[4] Dan A., Santarius P.: Jakość energii elektrycznej w sieciach niskiego napięcia. Polskie
Centrum Promocji Miedzi S.A. Wrocław 2002r.
[5] Leszczyński J.: Analiza wyższych harmonicznych w napięciu zasilającym, Z-dy Jednostki
Innowacyjno Wdrożeniowe Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2001
[6] Leszczyński J.: Analiza jakości napięć i prądów zasilających, Jednostki Innowacyjno
Wdrożeniowe Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2001
[7] Leszczyński J., Borecki J.: Analiza jakości napięcia w układzie zasilającym agregat chłodniczy. Jednostki Innowacyjno Wdrożeniowe Politechniki Wrocławskiej .Wrocław 2001.
MEASUREMENT OF CONDUCTED DISTURBANCES IN POWER SYSTEM –
EXEMPLE OF ANALISIS
The paper presents an outline of parameters of power quality and disturbances in low voltage power
system. The results of analysis were presented for example of recorded data at power distribution station.