Nr 182–183 39 Katarzyna STRZAŁKA-GOŁUSZKA Jan

Jakość energii
Katarzyna STRZAŁKA-GOŁUSZKA
Jan STRZAŁKA
Oddział Krakowski SEP
JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ I JEJ WPŁYW
NA PRACĘ URZĄDZEŃ ELEKTRYCZNYCH
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 spośród 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.
Nr 182–183
39
Jakość energii
2. Parametry jakościowe energii elektrycznej i ich charakterystyka
Zgodnie z normą PN-EN 50160:2002 [6] oraz Rozporządzeniem Ministra Gospodarki z 04.05.2007 r. [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,
• 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 (P It), obliczonego w sekwencji 12 kolejnych wartości Pst występujących w okresie dwóch godzin
zgodnie z następującą zależnością
40
12
Psti3
PIt = 3 ∑(1)
i =1 12
Jakość energii
gdzie:
P It – 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 napięciem 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:
• długa przerwa (dłuższa niż trzy minuty), spowodowana trwałym zwarciem,
• 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:
• indywidualnie, przez ich względną amplitudę (Uh) odniesioną do napięcia
składowej podstawowej U1, gdzie h jest rzędem harmonicznej,
• łącznie przez całkowity współczynnik odkształcenia THD (z ang. total harmonic distorsion), obliczany zgodnie z następującym wyrażeniem:
(2)
40
THDU = ∑Uh2
h=2
gdzie:
THD U – współczynnik odkształcenia napięcia,
Uh – napięcie h-tego rzędu harmonicznej.
Nr 182–183
41
Jakość energii
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.
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
42
Jakość energii
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.
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 (THD I = 80% –
130% – balast elektroniczny); (b) lampy fluoroscencyjnej (THD I = 20% – 30%)
Nr 182–183
43
Jakość energii
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%U N)
Wymagania w zakresie poszczególnych parametrów jakościowych energii
elektrycznej określa norma PN-EN 50160:2002 [7] oraz Rozporządzenie MG
z 04.05.2007 r. [9].
Rys. 6. Graficzna ilustracja większości parametrów służących do oceny jakości napięcia zasilającego [8]
Rozporządzenie [9] wprowadzone z mocy Prawa energetycznego uzależnia niektóre parametry jakościowe od tzw. „grupy przyłączeniowej”, a więc od wysokości
napięcia znamionowego, do którego przyłączone są urządzenia, odbiorcy i od mocy
44
Jakość energii
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.
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.
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·U N na sekundę), a wahaniami – szybkie zmiany napięcia powodowane pracą odbiorników niespokojnych, charakteryzujących się dużą zmiennością poboru
mocy biernej.
Nr 182–183
45
Jakość energii
Odchyleniem napięcia nazywa się różnicę między napięciem na zaciskach odbiornika (U) a napięciem znamionowym (UN) odniesioną do napięcia znamionowego.
∆U =
U − UN(3)
⋅100%
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:
3, 6
U 

φ U = φ N  (4)
 UN 
a trwałość zgodnie ze wzorem:
−14
U 

TU = TN  (5)
 UN 
gdzie: ϕ 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 
 UN 

φ U = φ N  (6)
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.
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.
46
Jakość energii
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:
2
U 

M = M N (7)
 UN 
gdzie:
M – moment silnika,
MN – moment znamionowy,
U – napięcie zasilające,
UN – napięcie znamionowe.
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 .
W tabeli 1. zestawiono wielkość (zakres) zmian parametrów silnika indukcyjnego obciążonego mocą znamionową przy zmianie napięcia ± 10% UN .
Nr 182–183
47
Jakość energii
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.
48
Jakość energii
Moc kondensatorów również zależy od kwadratu napięcia zasilającego:
Q=
2
U
(8)
2 ⋅π ⋅ 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.
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.
Nr 182–183
49
Jakość energii
Rys. 8. Przykładowy zapad napięcia i krótka przerwa w zasilaniu (UN – napięcie znamionowe)
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 o 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.
50
Jakość energii
Wartość prądu rozruchowego i związany z tym spadek napięcia jest największy
w chwili rozruchu i wraz ze 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 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 w 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, 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.
Nr 182–183
51
Jakość energii
• 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 pomiarowo-sterującego.
• 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:
• 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 o 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 zmniej52
Jakość energii
szanie 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 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.
Nr 182–183
53
Jakość energii
Do sprzętu informatycznego należą także programowalne sterowniki logiczne PLC (Programmable 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.
3.4. Wpływ asymetrii na pięcia 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˚.
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).
U2 (1)
K 2U = (9)
U1(1)
U0 (1)
K 0U = (10)
U1(1)
gdzie:
K 2U –współczynnik asymetrii składowej przeciwnej,
K0U –współczynnik asymetrii składowej 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.
54
Jakość energii
Niesymetrycznymi odbiorami trójfazowymi są piece łukowe. Asymetria w tych
urządzenia jest spowodowana:
• 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 jednocześnie 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 zgodnej. Przyczyniają 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 czteroodczepowa, to prąd w przewodzie neutralnym może płynąć.
Nr 182–183
55
Jakość energii
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,
• Nie charakterystyczne harmoniczne i interharmoniczne w prądzie zasilającym.
3.5. 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 głównie
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 funkcją wielu zmiennych, wśród których wymienić
należy: rzędy mocy, oddziaływanie standardowe, funkcję rozkładu prawdopodobieństwa itp.,
• ze względu na charakter fizyczny odkształconego przebiegu:
a) 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
56
Jakość energii
czasu ich pracy. Wpływ ten osiąga ekstremalnie duże wartości w warunkach
rezonansowego wzmocnienia prądów harmonicznych.
b) skutki napięciowe – związane z wartością szczytową, średnią lub skuteczną
odkształconego napięcia,
• ze względu na miejsce występowania odkształconych przebiegów:
a) skutki wh w systemach rozdziału i transmisji mocy,
b) skutki wh w systemach transmisji danych i systemach telekomunikacyjnych,
c) 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 głównie 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...)
(11)
gdzie: p – liczba pulsów prostownika.
Nr 182–183
57
Jakość energii
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.
Ogólny mechanizm wprowadzania do sieci odkształceń przez urządzenia łukowe i wyładowcze związany 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 ochronno-neutralnym, 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.
58
Jakość energii
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 głównie 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 głównie dla harmonicznych niskich rzędów, głównie 2. i 3.. Straty od harmonicznych o rzędach powyżej 13.
można praktycznie pominąć.
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.
Nr 182–183
59
Jakość energii
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 n2 n 2 , gdzie n jest rzędem harmonicznej prądu o wartości
n
skutecznej In . Wywołany 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:
• przewymiarowanie uzwojeń połączonych w trójkąt i przewodu neutralnego przy
połączeniu uzwojeń w gwiazdę ze względu na obecność harmonicznych potrójnych,
• projektowanie rdzeni 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
60
Jakość energii
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 większością
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 przerywania 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 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.
Nr 182–183
61
Jakość energii
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 głównie 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 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.
62
Jakość energii
5. zakłócenia w pracy elementów diagnostyki i zabezpieczeń.
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 odNr 182–183
63
Jakość energii
kształca strumień i zmienia przyrostową przenikalność konstrukcyjnych elementów
magnetycznych przyrządu. Powstanie więc błąd o wartości proporcjonalnej do ilorazu (Pst P∑−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 (P H).
Cyfrowy licznik energii czynnej oblicza energię w oparciu o próbkowanie przebiegów czasowych napięć i prądów. Jak w każdym tego typu przyrządzie, szerokość
pasma przepustowego jest ograniczona częstotliwością próbkowania. Dostępne liczniki cyfrowe mają zazwyczaj płaską charakterystykę częstotliwościową do częstotliwości wejściowej wynoszącej około 100 Hz. 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 fizyko-chemicznych.
Układy przekaźnikowe i stycznikowe
Można sformułować następujące skutki oddziaływania wyższych harmonicznych na układy przekaźnikowe i stycznikowe, głównie elektromagnetyczne:
• Przekaźniki/styczniki działają w sposób zróżnicowany w obecności zakłóceń
harmonicznych. Ich relacja jest nie tylko uzależniona od rodzaju, typu, produ64
Jakość energii
•
•
•
•
•
centa 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 przejść przez zero przebiegu czasowego napięcia.
Dla przebiegu czasowego napięcia odkształconego 5. harmoniczną – o 30-procentowej wartości względnej (w relacji do składowej podstawowej), więcej niż dwa
przejścia przez zero w każdym okresie mogą spowodować błędny odczyt częstotliwości, a w 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.
Nr 182–183
65
Jakość energii
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.
5. Literatura
1. Hanzelka Z.: Jakość energii elektrycznej. www.twelvee.com.pl, www.lpqi.org
2. Hanzelka Z.: Jakość energii elektrycznej. Rozdz. 30 Poradnika Vademecum
Elektryka. COSiW SEP, Warszawa 2009.
3. Hanzelka Z., 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).
9. Rozporządzenie Ministra Gospodarki z dnia 04.05.2007 r. 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.
66