1 13. Jakość energii elektrycznej
Transkrypt
1 13. Jakość energii elektrycznej
1 Wyk ad 13: Jako energii elektrycznej http://zss.ie.pwr.wroc.pl/studenci 13. Jako energii elektrycznej 13.1. Wymuszenia niesinusoidalne pr dów i napi W wi kszo ci problemów technicznych zwi$zanych z wytwarzaniem, przesy em i u&ytkowaniem energii elektrycznej zak ada si , &e mamy do czynienia z liniowymi obwodami elektrycznymi. W ród obiorników energii coraz cz ciej spotka mo&na odbiorniki odkszta caj$ce sinusoidalne przebiegi pr$du i napi cia. Je&eli 'ród o pr$du wymusza b dzie pr$d niesinusoidalny, to korzystaj$c z rozk adu na szereg Fouriera otrzymujemy nast puj$cy przebieg czasowy i(t)=I0 + I1msin( 1t+ 1) + I2msin( 2t+ 2) + ... + Ihmsin( ht+ h) + ... gdzie = 2 f = 100 - podstawowa pulsacja pr$du, 1 = h = h = 2 hf = 100h - pulsacja pr$du dla harmonicznej rz du h, Ihm = 2 Ih – amplituda pr$du dla danej harmonicznej h, Ih – warto skuteczna pr$du dla danej harmonicznej h. Odpowied' obwodu na sum wymusze4 sinusoidalnych oblicza si jako sum odpowiedzi na ka&de wymuszenie oddzielnie o innej cz stotliwo ci. Nowej cz stotliwo ci odpowiadaj$ nowe warto ci impedancji cewek XL = h L oraz kondensatorów XC = -1/ hL Cz stotliwo ci 50 Hz odpowiada 1-sza harmoniczna, 100 Hz – 2-ga harmoniczna , itd. W celu oszacowania zawarto ci wybranej harmonicznej w napi ciu w z owym mo&na obliczy rozp yw mocy w ca ej sieci, przy za o&eniu, &e sie jest zasilana 'ród ami pr$du danej harmonicznej tylko w tych w z ach, w których znajduj$ si odbiory generuj$ce harmoniczne. Uogólnione prawo Ohma dla danej harmonicznej h ma posta Ih = Y h V h gdzie Ih – zadany wektor pr$dów w z owych dla harmonicznej h, Yh – macierz admitancji w z owych obliczona dla cz stotliwo ci fh = h f1 , f1 = 50 Hz – cz stotliwo harmonicznej podstawowej, Ih – szukany wektor napi w z owych dla harmonicznej h. Wektor Ih wyznaczany jest w oparciu o zawarto danej harmonicznej pr$du w danym w 'le Ih = diag(ih) I1 gdzie ih – wektor zawarto ci harmonicznej pr$du w poszczególnych w z ach, I1 – wektor pr$dów w z owych dla harmonicznej podstawowej wyznaczony po obliczeniu rozp ywu mocy w sieci. W wyniku rozwi$zania uk adu równa4 liniowych opisuj$cych uogólnione prawo Ohma otrzymujemy oraz dla danej harmonicznej Vh . wektor napi w z owych dla harmonicznej podstawowej V1 Wektor zwarto ci harmonicznej napi cia h w poszczególnych w z ach sieci wyznaczany jest nast puj$co uh = diag(V1)-1 Vh Nale&y zwróci uwag , &e parametry zast pcze sieci zmieniaj$ si wraz ze wzrostem cz stotliwo ci. Harmonicznej podstawowej, czyli f = 50 Hz odpowiadaj$ rezystancje i reaktancje u&ywane w obliczeniach rozp ywów mocy i pr$dów zwarciowych. Przy wzro cie cz stotliwo ci do hf = 50h Hz rezystancje pozostaj$ praktycznie takie same jak przy 50 Hz, zmieniaj$ si natomiast reaktancje. Reaktancja indukcyjna ro nie h razy XLh = h L = hXL Reaktancja pojemno ciowa maleje h razy XCh = - 1/( h C) = XC/ h Zak adaj$c, &e znane s$ pr$dy w z owe dla danej harmonicznej h Ih – wektor pr$dów w z owych dla harmonicznej h 2 Wyk ad 13: Jako energii elektrycznej http://zss.ie.pwr.wroc.pl/studenci wyznacza si macierz admitancji w z owych dla tej harmonicznej Yh a nast pnie z rozwi$zania równania macierzowego równania liniowego Yh U h = I h wyznacza si wektor napi w z owych dla danej harmonicznej h. Warto ci chwilowe pr$dów i napi w obwodzie liniowym otrzymuje si odpowiedzi od poszczególnych harmonicznych i( t ) = i 0 + N 2 I h sin( h t + h =1 N u( t ) = u 0 + h 2 U h sin( h t + h =1 sumuj$c algebraicznie ) h ) Warto skuteczna pr$du i napi cia dla przebiegu odkszta conego z harmonicznymi o maksymalnym rz dzie n jest liczona wed ug zale&no ci I= N I 2h h =1 N U= h =1 U 2h Wspó(czynnik udzia(u harmonicznej /wzgl dna amplituda/ Wspó czynnik udzia u harmonicznej w krzywej pr$du odnosi si do harmonicznej podstawowej ih = Ih 100% I1 Podobnie post pujemy w przypadku napi cia uh = Uh 100% U1 Dla okre lenia sumarycznego oddzia ywania wy&szych harmonicznych napi cia zasilaj$cego definiowane s$ (wg. IEC) wspó czynniki THD i TDF. Wspó czynnik THD (total harmonic distortion) jest okre lony wzorem: N THD I = h =1 i 2h Harmoniczne napi cia zasilaj$cego s$ spowodowane g ównie przez nieliniowe odbiorniki. Harmoniczne pr$du przep ywaj$c przez impedancje sieci o warto ciach zwi$zanych z odpowiadaj$c$ sobie cz stotliwo ci$ h, powoduj$ powstawanie harmonicznich napi cia. Okszta cone napi cie jest charakteryzowane przez ca kowity wspó czynnik odkszta cenia napi cia N THD U = h =1 u 2h Wspó czynnik TDF (total distortion factor) jest okre lony wzorem: h= TDF= h =2 U 2h U 2N 100% gdzie: UN – skuteczna warto napi cia uwzgl dniaj$ca wszystkie harmoniczne od h = 1 … h = . Przy rozpatrywaniu przebiegu zniekszta ce4 napi cia sieciowego mo&na przyj$ z przybli&eniem, &e THD = TDF 3 Wyk ad 13: Jako energii elektrycznej http://zss.ie.pwr.wroc.pl/studenci 13.2. Analiza migotania wiat(a Pracy niespokojnych odbiorników takich jak silniki indukcyjne, nagrzewnice indukcyjne, piece inudkcyjne towarzyszy zjawisko migotania wiat a. Powy&ej pewnej granicy migotanie staje si uci$&liwe. Przy pewnych cz sto ciach nawet ma e amplitudy waha4 staj$ si uci$&liwe dla oka. Na ogó uci$&liwo ro nie wraz ze wzrostem amplitudy waha4. W Tab. 13.. podano w oparciu ró&norodne dane przeci tne warto ci wspó czynników mocy niespokojnych odbiorów przemys owych. Tab. 13.2. Wspó czynniki mocy niespokojnych odbiorów przemys owych Odbiornik Moc znamionowa piece indukcyjne rdzeniowe (30÷400) kVA piece indukcyjne bezrdzeniowe do 1.2 MVA nagrzewnice indukcyjne skro ne (100÷400) kVA urz$dzenia prostownicze do kilku MW spawarki transformatorowe (2÷60) kVA spawarki prostownikowe (2÷60) kVA spawarki wiruj$ce nieobci$&one (2÷60) kVA spawarki wiruj$ce obci$&one (2÷60) kVA Wspó czynnik mocy 0.4÷0.85 0.1 0.3÷0.4 0.8÷0.95 0.46 0.5÷0.6 0.25÷0.3 0.8÷0.9 Generalnie, odbiorniki niespokojne charakteryzuj$ si ma ym wspó czynnikiem mocy, co powinno znale' odzwierciedlenie w analizie zmienno ci napi . Zjawisko migotania wiat a powstaje wskutek waha4 napi cia sieci elektroenergetycznej zasilaj$cej 'ród a wiat a. Odbiorniki niespokojne pobieraj$ pr$d maj$cy ci$gle zmieniaj$cy si . Zmienno amplitudy pr$du poprzez spadek napi cia na impedancji linii i transformatora zasilaj$cego tworzy wahania napi cia. Widmo wahaj$cego si napi cia ma charakter pasmowy i zawiera si w granicach od 0 do 25 Hz, rys. 5.1 Nale&y zauwa&y , &e w USA i Japonii uci$&liwo migotania wiat a jest definiowana odmienne ani&eli w Unii Europejskiej. Wska,nik migotania W Europie uci$&liwo migotania wiat a wyznaczana jest metod$ pomiarow$. Okre la si j$ za pomoc$ krótkookresowego Pst i d ugookresowego Plt wska'nika migotania. Europejski wska'nik migotania $czy w sobie zarówno warto waha4 napi cia jak i cz sto tych waha4. Wska'nik Pst jest mierzony przez 10 minut. Wska'nik Plt jest obliczony z sekwencji 12 kolejnych warto ci Pst wyst puj$cych w ci$gu 2 godzin wed ug nast puj$cego wzoru Plt = 3 12 i =1 Psti3 12 Zwykle przyjmuje si , &e Plt = Pst . Norma PE 50160 wymaga, aby na szynach redniego napi cia wska'nik migotania by mniejszy od 1, czyli Pst 1 Wska'nik migotania mo&e by wyliczony analitycznie w oparciu o nast puj$ce wzory t f = 2.3(F d max ) 3.2 Pst = ( t f / Tp ) 1 3.2 gdzie tf – czas migotania /flicker impression time/, dmax – maksymalna zmiana warto ci skutecznej wyra&ona w jednostkach wzgl dnych odniesionych do napi cia znamionowego, F – wspó czynnik kszta tu zmiany napi cia, F=1 dla skokowej zmiany napi cia, tf – suma czasów migotania, Tp – analizowany przedzia czasu. 4 Wyk ad 13: Jako energii elektrycznej http://zss.ie.pwr.wroc.pl/studenci Napi cie U,pu d T = 0.2s, fo = 1/T = 5 Hz 0 0.1 0.3 0.2 0.4 czas, s Rys. 13.. Przebieg napi cia na szynach zak adu z niespokojnymi odbiorami Rozchodzenie si migotania w sieci W celu wyja nienia przenoszenia si migota4 pochodz$cych od niespokojnych odbiorników do sieci zasilaj$cej mo&na podda analizie obwód wynikaj$cy z twierdzenia Thevenina pokazany na rys. 13.2. ZQ System zewn trzny B ZAB S’’kB A S’’kA Nowa Toyota Rys. 13.2. Schemat zast pczy uk adu do analiz emisji migotania wiat a W ze A jest w z em, w którym generowane jest migotanie wiat a przez odbiory niespokojne. Moc '' zwarciowa w z a A wynosi S kA . W z em B mog$ by szyny 20 kV transformatora T-2 lub szyny 20 kV rozdzielni zak adu zasilanego z '' transformatora T-2. Moc zwarciowa w z a B wynosij S kB . Przyjmijmy, &e w w 'le A zosta y przeprowadzone pomiary napi cia flickermeterem. W oparciu o mierzone napi cie w punkcie A wyznaczany jest wska'nik migotania wiat a Pst (st - short term) mierzony przez 10 minut. 5 Wyk ad 13: Jako energii elektrycznej http://zss.ie.pwr.wroc.pl/studenci Powstaje pytanie jak mo&na oszacowa wska'nik migotania wiat a PstB w w 'le B w oparciu o pomierzony wska'nik migotania PstA w w 'le A ? Wed ug IEC Assessment of Emission Limits for Fluctuating Loads in MV and HV Power Systems, IEC 61000-3-7 z 1996 roku, warto wska'nika migotania w w 'le B mo&e by oszacowana za pomoc$ nast puj$cego wzoru PstB XQ X Q + X AB PstA ZQ S" PstA = "kA PstA Z Q + Z AB S kB gdzie " XQ , ZQ , S kB - reaktancja, impedancja i moc zwarciowa widziana z w z a B, XAB , ZAB - reaktancja i impedancja po $czenia w z a A z w z em B, S"kA - moc zwarciowa w w 'le, w którym wykonano pomiary migotania flckeremeterem. W analizach wykonywanych w odniesieniu do nowych przy $czanych do sieci 20 kV zak adów nie ma mo&liwo ci pomierzenia wska'nika migotania na szynach rozdzielni redniego napi cia $cz$cej ten zak ad z sieci$ zasilaj$c$. Wska'nik ten mo&e by jedynie oszacowany w oparciu o moc znamionow$ odbiorów niespokojnych i moc zwarciow$ w miejscu przy $czenia odbiorów. Wska,nik migotania niespokojnego odbioru Wska'nik migotania na szynach SN pochodz$cy od danego niespokojnego odbiornika mo&na wyznaczy pos uguj$c si wzorem stosowanym w odniesieniu do pieców ukowych, podanym w pracy: Robert A., Couvreur M., Recent experience of connection of big arc furnaces with reference to flicker level. CIGRE 1994, paper 36 PstSN ' S'kodb 1 = K st '' S kSN rkomp gdzie Kst – moc pozorna pobierana przez niespokojny odbiór, ' S'kodb - moc zwarciowa na szynach odbiornika po jego zwarciu, w przybli&eniu równa mocy znamionowej transformatora SN/nn zasilaj$cego niespokojny odbiór, ' S'kSN - moc zwarciowa na szynach SN, w miejscu przy $czenia transformatora SN/nn zasilaj$cego niespokojny odbiór, rkomp – wspó czynnik redukcji migotania wskutek kompensacji mocy biernej Warto wspó czynnika redukcji wynika z warto ci mocy baterii kondensatorów i wynosi rkomp = Qd + Qf S Nodb gdzie Qd – regulowana moc bierna kompensacji, Qf – nieregulowana moc bierna kompensacji, Sodb – moc niespokojnego odbiornika, któr$ w przypadku braku danych mo&na oszacowa jako 120% mocy znamionowej transformatora zasilaj$cego odbiór niespokojny. Je&eli moc bierna kompensacji nie jest regulowana w sposób ci$g y, lecz tylko skokowo, to rkomp = 1 13.3. Europejska norma EN 50160 W krajach Wspólnoty Europejskiej zasadnicze wymagania w stosunku do napi cia dostarczanego z publicznej sieci dystrybucyjnej nn i SN w normalnych warunkach pracy precyzuje norma EN 50160. 1. Cz stotliwo . Znamionowa cz stotliwo wynosi 50 Hz. W normalnych warunkach pracy cz stotliwo ci podstawowej mierzona przez 10 s powinna wynosi : - dla systemów po $czonych do pracy synchronicznej 50 Hz ± 1% przez 95% czasu w tygodniu rednia warto 6 Wyk ad 13: Jako energii elektrycznej http://zss.ie.pwr.wroc.pl/studenci 50 Hz ± 4% przez 100% czasu w tygodniu - dla systemów niepo $czonych synchronicznie 50 Hz ± 2% przez 95% czasu w tygodniu 50 Hz ± 15% przez 100% czasu w tygodniu 2. Warto napi cia znamionowego w sieci nn - dla systemów trójfazowych czteroprzewodowych Un = 230V pomi dzy przewodem fazowym i zerowym, - dla systemów trójfazowych trójprzewodowych Un = 230V pomi dzy przewodami fazowymi, za dla sieci sn podawana jest za pomoc$ napi cia deklarowanego Uc. 3. Zmiany napi cia zasilaj cego w sieci nn i SN W normalnych warunkach pracy, wy $czaj$c przerwy napi cia w ci$gu tygodnia, 95% 10-cio minutowych rednich warto ci skutecznych powinno si mie ci w zakresie Un (Uc )±10%. 4. Szybkozmienne wahania napi cia. 4.1. Wielko szybkozmiennych waha4 napi cia. W normalnych warunkach pracy w sieci nn szybkie zmiany napi cia zasadniczo nie przekraczaj$ 5% Un ,ale w niektórych przypadkach mog$ pojawi si krótkotrwa e zmiany dochodz$ce do 10% Un kilka razy dziennie.(Uwaga: zmiana napi cia poni&ej 90% Un jest uwa&ana za zapad napi cia.) Dla sieci SN ww. warto ci dopuszczalne wynosz$ odpowiednio 4% i 6% Uc. 4.2. Migotanie (flicker). W normalnych warunkach pracy w okresie jednego tygodnia d ugotrwa e migotanie powodowane przez wahania napi cia powinno wynosi Plt 1 przez 95% czasu. 5. Zapady napi cia. S$ one przewa&nie powodowane zwarciami w instalacjach odbiorców lub Klasyfikowane s$ jako zjawiska nieprzewidywalne, g ównie przypadkowe, cz sto ci$gu roku. W normalnych warunkach pracy oczekiwana liczba zapadów w ci$gu kilkudziesi ciu do tysi$ca. Wi kszo zapadów napi cia trwa krócej ni& 1 s i ma warto w sieci dystrybucyjnej. zmienia si znacznie w roku mo&e wynosi od do 60% Un (Uc). 6. Krótkie przerwy napi cia. W normalnych warunkach pracy liczba krótkich przerw w ci$gu roku mo&e wynosi od kilkudziesi ciu do kilkuset. 70% krótkich przerw napi cia trwa mniej ni& 1 s . 7. D(ugie przerwy napi cia zasilaj cego Roczna ilo przerw napi cia d u&szych ni& 3 minuty mo&e zale&nie od obszaru dochodzi do 50. 8. Przepi cia o cz stotliwo ci sieci pomi dzy faz i ziemi Przepi cia wynikaj$ce z zak óce4 w sieci zasilaj$cej nn zasadniczo nie przekraczaj$ 1,5 kV. Chwilowe przepi cie w sieci sn o cz stotliwo ci sieci zwykle pojawia si podczas doziemienia w systemie dystrybucyjnym. Spodziewana warto takiego przepi cia zale&y od sposobu uziemienia punktu zerowego. W sieci o uziemionym przez rezystor lub bezpo rednio punkcie zerowym przepi cie nie powinno przekroczy 1,7 Uc, a w sieci izolowanej lub kompensowanej 2,0Uc. 13. Przebiegi nieustalone przepi . Warto szczytowa przebiegu nieustalonego przepi cia w sieci nn zwykle nie przekracza 6 kV. Przepi cia o przebiegu nieokresowym w sieci SN s$ powodowane $czeniami lub uderzeniami pioruna. Przepi cia $czeniowe s$ zwykle mniejsze ni& piorunowe, ale mog$ posiada mniejsz$ stromo narastania i d u&szy czas trwania. 10. Asymetria napi cia. W normalnych warunkach pracy w ci$gu tygodnia 95% rednich 10-cio minutowych warto ci skutecznych sk adowej przeciwnej napi cia zasilaj$cego powinno mie ci si w zakresie 0-2% sk adowej zgodnej. W przypadkach sieci cz ciowo jednofazowej lub odbiorców przy $czonych dwufazowo w cz ci trójfazowej pojawia si asymetria do 3%. 11. Wy>sze harmoniczne. W normalnych warunkach pracy w ci$gu tygodnia 95% rednich 10-cio minutowych warto ci skutecznych ka&dej z harmonicznych napi cia zasilaj$cego powinno by mniejsze lub równe warto ciom podanym w Tab. 1. Rezonans mo&e powodowa wy&szy udzia poszczególnych harmonicznych. Ca kowita zawarto harmonicznych (do 40-tej w $cznie) (THD) powinna by ni&sza lub równa 8%. 7 Wyk ad 13: Jako energii elektrycznej http://zss.ie.pwr.wroc.pl/studenci Tabela 13. Zawarto wy&szych harmonicznych w % Un (Uc) Harmoniczne nieparzyste nie b d$ce wielo krotno ci$ 3- b d$ce wielokrotno ci$ 3-ciej ciej nr harm. zawarto nr harm. zawarto 5 6% 3 5% 7 5% 9 1,5% 11 3,5% 15 0,5% 13 3% 21 0,5% 17 2% 19 1,5% 23 1,5% 25 1,5% Harmoniczne parzyste nr harm. 2 4 6-24 zawarto 2% 1% 0,5% Uwaga: nie podano warto ci harmonicznych wy&szego rz du ni& 25 poniewa& zwykle s$ ma e oraz w wi kszo ci nieprzewidywalne. 13.4. Wymagania jako ciowe energii wg normy PE 50160, zarz dzenia Min. Gospodarki z 2000 r oraz standardu Unii Europejskiej IEC 61000-3-7 G ówne dokumenty, które powinny by tu brane pod uwag s$ nast puj$ce: 1. Rozporz$dzenie Ministra Gospodarki z dnia 15 wrze nia 2000 r w sprawie szczegó owych warunków przy $czania podmiotów do sieci elektroenergetycznych, obrotu energi$ elektryczn$, wiadczenia us ug przesy owych, ruchu sieciowego i eksploatacji sieci oraz standardów jako ciowych obs ugi odbiorców, Dz.U. Nr 85, poz. 957. 2. Polska Norma PN-EN 50160, Parametry napi cia zasilaj$cego w publicznych sieciach rozdzielczych, pa'dziernik 1998. W szczególno ci s$ to punkty: 3.3 Zmiany napi cia zasilaj$cego, 3.4 Szybkie zmiany napi cia, 3.10. Niesymetria napi cia zasilaj$cego, 3.11 Harmoniczna napi cia, 3.12 Interharmoniczna napi cia. 3. IEC 61000-3-7, Electromagnetic compability – Part 3: Limits – Section 7: Assessment of emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems. Odchylenia napi Wed ug rozporz$dzenia Ministra Gospodarki z wrze nia 2000 r dopuszczalne odchylenia napi cia od warto ci znamionowej w czasie 15 minut po przy $czeniu do sieci elektrowni wiatrowej musz$ mie ci si w przedzia ach dla sieci o napi ciu 110 kV i wy&szym : 0.9Un U110kV 1.1Un • dla sieci o napi ciu napi ciu ni&szym od 110 kV: 0.9Un USN 1.05Un • Uwa&a si , &e warunkiem utrzymania napi cia w powy&szych przedzia ach jest pobieranie przez odbiorc mocy biernej nie wi kszej, ani&eli wynikaj$cej z tg = 0.4. Migotanie Tab. 13.2. Dopuszczalne wska'niki migotania w miejscu przy $czenia niespokojnych odbiorów Norma PN-EN 50160 Pst – wska'nik krótkookresowego migotania Plt – wska'nik d ugookresowego 1 migotania w sieci redniego napi cia Harmoniczne Tab. 13.3. Dopuszczalne zawarto ci harmonicznych w sieci 20 kV wg Rozporz$dzenia MG z wrze nia 2000 r sie 110 kV sie 20 kV Zawarto harmonicznych 1.0% 3% Ca kowity wspó czynnik odkszta cenia THD 1.5% 5% W Tab. 13.4. podano dopuszczalne zawarto ci harmonicznych w napi ciu w sieci 20 kV wg normy PE 50160 i Rozporz$dzemia Ministra Gospodarki z 2000 r. 8 Wyk ad 13: Jako energii elektrycznej http://zss.ie.pwr.wroc.pl/studenci Tab. 13.4. Dopuszczalne zwarto ci harmonicznych w sieci 20 kV wg normy PE 50160 i Rozporz$dzenia Ministra Gospodarki z 2000 r Harmoniczna Max. zawarto harmonicznej napi cia wg Max. zawarto harmonicznej napi cia wg h normy PE 50160 - uh Rozporz. MG z 2000 r - uh 1 100 100 2 2 3 3 5 3 1 3 4 5 6 3 6 0.5 3 7 5 3 8 1.5 3 9 1.5 3 10 0.5 3 11 3.5 3 12 0.5 3 13 3 3 14 0.5 3 15 0.5 3 16 0.5 3 17 2 3 18 0.5 3 19 1.5 3 20 0.5 3 21 0.5 3 22 0.5 3 23 1.5 3 24 0.5 3 25 1.5 3 THD 8 5 Zawarto uh = harmonicznej napi cia jest zdefiniowana nast puj$co: Uh 100% U1 gdzie Uh – warto skuteczna harmonicznej napi cia rz du h, czyli fh = hf = 50h Hz, Uh – warto skuteczna harmonicznej napi cia rz du 1, czyli harmonicznej podstawowej f = 50 hZ Wspó czynnik odkszta cenia napi cia harmonicznymi obliczany jest z nast puj$cego wzoru THD = 40 h =2 uh = 2 40 h =2 Uh U1 2