docKoszty K oszty - Europejski Instytut Miedzi
download 
Reklamacja Transkrypt
Koszty K oszty - Europejski Instytut Miedzi
Jakoæ zasilania - poradnik Koszty 2.1 Current (A) Koszty niskiej jakoci zasilania Koszty Degrees Koszty Koszty niskiej jakoœci zasilania Towarzystwo Rozwoju Miedzi Marzec 2001 Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. jest organizacj¹ non-profit finansowan¹ przez dostawców miedzi oraz producentów pragn¹cych zachêciæ odbiorców do stosowania miedzi i jej stopów oraz promuj¹cych ich prawid³owe i efektywne zastosowanie. Dzia³alnoœæ Centrum obejmuje zapewnienie technicznego doradztwa i informacji tym, którzy s¹ zainteresowani wykorzystaniem miedzi w jej wszystkich aspektach. Centrum równie¿ zapewnia ³¹cznoœæ miêdzy jednostkami badawczymi a przemys³em wykorzystuj¹cym miedŸ w produkcji oraz utrzymuje blisk¹ ³¹cznoœæ z innymi organizacjami zajmuj¹cymi siê rozwojem miedzi na ca³ym œwiecie. Europejski Instytut Miedzi (ECI) Europejski Instytut Miedzi jest spó³k¹ joint venture Miêdzynarodowego Towarzystwa Miedzi (ICA) i IWCC. Dziêki swoim cz³onkom Europejski Instytut Miedzi zajmuje siê w imieniu najwiêkszych producentów miedzi na œwiecie i czo³owych europejskich producentów promocj¹ miedzi w Europie. Powsta³a w styczniu 1996 roku Europejski Instytut Miedzi jest wspierany dziêki sieci dziesiêciu Towarzystw Rozwoju Miedzi (CDA) w krajach Beneluksu, we Francji, w Niemczech, Grecji, na Wêgrzech, we W³oszech, w Polsce, Skandynawii, Hiszpanii i Wielkiej Brytanii. Instytut rozwija swoj¹ dzia³alnoœæ podjêt¹ przez CDA powsta³¹ w 1959 roku oraz dziêki INCRA (Miêdzynarodowemu Towarzystwu Badañ Miedzi) powsta³emu w 1961 roku. Zrzeczenie siê odpowiedzialnoœci Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. oraz Europejski Instytut Miedzi zrzekaj¹ siê wszelkiej odpowiedzialnoœci za bezpoœrednie b¹dŸ poœrednie skutki jak równie¿ nieprzewidziane szkody, które mog¹ byæ poniesione w wyniku u¿ycia informacji lub nieumiejêtnego u¿ycia informacji lub danych zawartych w niniejszej publikacji. Copyright© Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. Reprodukcja materia³u zawartego w niniejszej publikacji jest legalna pod warunkiem reprodukcji w ca³oœci i podania jej Ÿród³a. Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. 50-136 Wroc³aw pl. 1 Maja 1-2 Polska European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: 00 48 71 78 12 502 Fax: 00 48 71 78 12 504 Website: www.miedz.org.pl Tel: Fax: Email: Website: 00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79 [email protected] www.eurocopper.org Wstêp Koszty niskiej jakości energii Energia elektryczna to ważny surowiec wykorzystywany w każdej działalności handlowej i tak jak przy każdym innym surowcu jakość dostarczanej energii jest bardzo ważna. Charakter i przyczyny problemów związanych z jakością zasilania zostały ogólnie opisane w Części 1, a w następnych częściach są one omówione szczegółowo. Ta część poradnika omawia wpływ problemów z zasilaniem na produkcję i koszty, których można się spodziewać. Jak wspomniano w Części 1 jest pięć podstawowych rodzajów problemów z jakością zasilania, z których każdy ma inne przyczyny, skutki i wiąże się z różnymi kosztami. Oblicza się, że problemy związane z jakością zasilania kosztują przemysł i handel w Unii Europejskiej około 10 miliardów EURO rocznie, gdy tymczasem nakłady na środki zapobiegające powstawaniu tych problemów są mniejsze niż 5% tych kosztów. Powstaje zasadnicze pytanie: „Ile pieniędzy należy zainwestować w działania zapobiegawcze, aby zminimalizować ryzyko awarii?", Odpowiedź na nie zależy od charakteru prowadzonej działalności. Po pierwsze trzeba zrozumieć naturę problemu i ocenić jak dany problem wpływa na działalność firmy oraz jakie mogą być straty. Poniżej omawiamy problemy jakości zasilania z punktu widzenia ich potencjalnych zagrożeń dla działalności gospodarczej, przyczyny powstawania tych problemów, ich skutki oraz sposoby radzenia sobie z nimi. Zaburzenia harmoniczne Zaburzenia harmoniczne spowodowane nieliniowymi obciążeniami w systemie zasilania energii prowadzą do powstawania prądów o wyższej wartości niż spodziewana i zawierają składowe harmoniczne. Nie można dokładnie zmierzyć tych prądów przy użyciu tanich przenośnych mierników powszechnie stosowanych przez techników instalatorów i personel eksploatacyjny, co prowadzi do dużych niedoszacowań sięgających nawet 40% poniżej ich rzeczywistych wielkości. Taki błąd pomiaru może doprowadzić do instalowania obwodów z przewodami o zbyt małych przekrojach. Nawet jeśli prąd w przewodzie jest niższy niż próg zadziałania ogranicznika przetężeniowego, przewody pracują w wyższych temperaturach i niepotrzebnie tracą energię zwykle około 2-3% strat. Często nastawa zabezpieczenia przetężeniowego jest zbyt blisko rzeczywistej wartości obciążenia prądu (ze względu na niedoszacowanie) i obwód jest narażony na tak zwane niepożądane zadziałanie wyłącznika. Składowe harmoniczne powodują zwiększone straty wirowe w transformatorach, ponieważ takie straty są proporcjonalne do kwadratu częstotliwości. Ze względu na to, że te straty są wyższe, temperatura pracy transformatora jest również wyższa a jego żywotność krótsza. Nawet eksploatacja średnio obciążonych transformatorów zasilających sieci elektryczne zasilające obwody o wysokim nasyceniu techniką elektroniczną będzie o wiele krótsza niż spodziewana, chyba że podejmowane będą działania zapobiegawcze. Z ekonomicznego punktu widzenia harmoniczne prowadzą do skrócenia czasu eksploatacji urządzeń, zmniejszonej sprawności energetycznej oraz podatności na niepożądane zadziałanie wyłączników. Koszty niepożądanego zadziałanie wyłączników, tak jak każdego innego nieplanowanego przestoju, mogą być bardzo wysokie i są one omówione dokładniej w części dotyczącej zapadów napięcia. Krótszy okres eksploatacji urządzeń może być bardzo kosztowny. Urządzenia takie jak transformatory zwykle pracują 30-40 lat i konieczność ich wymiany po 710 latach może mieć poważne konsekwencje finansowe. Koszty związane z działaniami zapobiegawczymi są stosunkowo niewielkie i obejmują jedynie prawidłowo zaprojektowaną instalację i odpowiedni wybór urządzeń poprawiających jakość energii. Instalowanie kabli dwa razy grubszych niż wynika to z obliczeń zmniejsza straty i koszty operacyjne przy bardzo niskim zwiększeniu nakładów pierwotnych. 1 Problemy z jakoœci¹ zasilania kosztuj¹ przemys³ i handel w Unii Europejskiej oko³o 10 miliardów Euro rocznie. Koszty niskiej jakoœci zasilania Koszty niskiej jakości energii Energia elektryczna to ważny surowiec wykorzystywany w każdej działalności handlowej i tak jak przy każdym innym surowcu jakość dostarczanej energii jest bardzo ważna. Charakter i przyczyny problemów związanych z jakością zasilania zostały ogólnie opisane w Części 1, a w następnych częściach są one omówione szczegółowo. Ta część poradnika omawia wpływ problemów z zasilaniem na produkcję i koszty, których można się spodziewać. Jak wspomniano w Części 1 jest pięć podstawowych rodzajów problemów z jakością zasilania, z których każdy ma inne przyczyny, skutki i wiąże się z różnymi kosztami. Koszt unikniêcia kosztów jest stosunkowo niewielki i wymaga jedynie dobrej praktyki przy instalacji i odpowiedniego wyboru sprzêtu. Oblicza się, że problemy związane z jakością zasilania kosztują przemysł i handel w Unii Europejskiej około 10 miliardów EURO rocznie, gdy tymczasem nakłady na środki zapobiegające powstawaniu tych problemów są mniejsze niż 5% tych kosztów. Powstaje zasadnicze pytanie: „Ile pieniędzy należy zainwestować w działania zapobiegawcze, aby zminimalizować ryzyko awarii?", Odpowiedź na nie zależy od charakteru prowadzonej działalności. Po pierwsze trzeba zrozumieć naturę problemu i ocenić jak dany problem wpływa na działalność firmy oraz jakie mogą być straty. Poniżej omawiamy problemy jakości zasilania z punktu widzenia ich potencjalnych zagrożeń dla działalności gospodarczej, przyczyny powstawania tych problemów, ich skutki oraz sposoby radzenia sobie z nimi. Zaburzenia harmoniczne Zaburzenia harmoniczne spowodowane nieliniowymi obciążeniami w systemie zasilania energii prowadzą do powstawania prądów o wyższej wartości niż spodziewana i zawierają składowe harmoniczne. Nie można dokładnie zmierzyć tych prądów przy użyciu tanich przenośnych mierników powszechnie stosowanych przez techników instalatorów i personel eksploatacyjny, co prowadzi do dużych niedoszacowań sięgających nawet 40% poniżej ich rzeczywistych wielkości. Taki błąd pomiaru może doprowadzić do instalowania obwodów z przewodami o zbyt małych przekrojach. Nawet jeśli prąd w przewodzie jest niższy niż próg zadziałania ogranicznika przetężeniowego, przewody pracują w wyższych temperaturach i niepotrzebnie tracą energię zwykle około 2-3% strat. Często nastawa zabezpieczenia przetężeniowego jest zbyt blisko rzeczywistej wartości obciążenia prądu (ze względu na niedoszacowanie) i obwód jest narażony na tak zwane niepożądane zadziałanie wyłącznika. Składowe harmoniczne powodują zwiększone straty wirowe w transformatorach, ponieważ takie straty są proporcjonalne do kwadratu częstotliwości. Ze względu na to, że te straty są wyższe, temperatura pracy transformatora jest również wyższa a jego żywotność krótsza. Nawet eksploatacja średnio obciążonych transformatorów zasilających sieci elektryczne zasilające obwody o wysokim nasyceniu techniką elektroniczną będzie o wiele krótsza niż spodziewana, chyba że podejmowane będą działania zapobiegawcze. Z ekonomicznego punktu widzenia harmoniczne prowadzą do skrócenia czasu eksploatacji urządzeń, zmniejszonej sprawności energetycznej oraz podatności na niepożądane zadziałanie wyłączników. Koszty niepożądanego zadziałanie wyłączników, tak jak każdego innego nieplanowanego przestoju, mogą być bardzo wysokie i są one omówione dokładniej w części dotyczącej zapadów napięcia. Krótszy okres eksploatacji urządzeń może być bardzo kosztowny. Urządzenia takie jak transformatory zwykle pracują 30-40 lat i konieczność ich wymiany po 710 latach może mieć poważne konsekwencje finansowe. Koszty związane z działaniami zapobiegawczymi są stosunkowo niewielkie i obejmują jedynie prawidłowo zaprojektowaną instalację i odpowiedni wybór urządzeń poprawiających jakość energii. Instalowanie kabli dwa razy grubszych niż wynika to z obliczeń zmniejsza straty i koszty operacyjne przy bardzo niskim zwiększeniu nakładów pierwotnych. 2 Koszty niskiej jakoœci zasilania Zapady napięcia Zapady napięcia to krótkie spadki średniej wartości skutecznej (RMS) napięcia trwające od ułamka sekundy do kilku sekund. Są opisywane przy pomocy czasu ich trwania i napięcia resztkowego, tzn. wartości procentowej podczas zapadu odniesionej do nominalnej wartości skutecznej napięcia (RMS). Należy zauważyć, że bardzo krótkie, ale kompletne utraty zasilania są określane jako przerwy w dopływie energii, choć często określa się je jako zapady napięcia. Rys. 1 - Krzywa ITIC Krzywa ITIC - sprzęt informatyczny, dawniej zwana krzywą CBEMA na Rys. 1 przedstawia tolerancję sprzętu na wszelkiego rodzaju zaburzenia napięcia. Linie ciągłe przedstawiają maksymalne i minimalne napięcie mieszczące się w granicach tolerancji, nie mające wpływu na funkcjonowanie maszyn. Na przykład sprzęt przetwarzający dane powinien funkcjonować przy napięciu pięć razy większym od napięcia nominalnego przez okres 100μs, ale w przypadku zaburzenia o czasie trwania 10 ms tolerowana zwyżka napięcia może wynieść jedynie 20%. Jeśli chodzi o obniżenie napięcia, całkowity zanik napięcia powinien być tolerowany przez okres do 20ms (jeden cykl napięcia), ale przy czasie 100ms minimalna wielkość napięcia resztkowego musi wynosić co najmniej 70% napięcia nominalnego. Krzywa ITIC została nakreślona, aby pomóc odbiorcom z sieci elektrycznych o wysokim nasyceniu technologią elektroniczną rozwiązywać problemy jakości zasilania z dostawcami energii. Dzięki standaryzacji wymagań o wiele łatwiej ustalić dzięki pomiarom na miejscu, czy zasilanie było odpowiednie czy nie. Jak się okaże, krzywa ITIC przedstawia raczej optymistyczny obraz pracy sieci zasilającej. Wiele zapadów napięcia jest wywołanych awariami sieci zasilającej, a ich wielkość zależy od usytuowania generatora, miejsca awarii i punktu pomiaru. (Pełen opis - patrz Sekcja 5). Nie ma oficjalnych danych statystycznych dotyczących wielkości i miejsca występowania zapadów napięcia, ale pewne pomiary zostały przeprowadzane i uśrednione i można oczekiwać, że niebawem dostarczą one cennych informacji. Podczas pewnego badania zmierzono zaburzenia napięcia w 12 miejscach przy mocy od 5 do 20MVA. W okresie 10 miesięcy zanotowano 858 zakłóceń, z których 42 doprowadziły do zakłóceń i strat finansowych. Chociaż wszystkie 12 zakładów prowadziło działalność produkcyjną o niskich wymaganiach technologicznych, wytwarzając towary o niskiej wartości dodanej, straty finansowe wyniosły 600 000 EURO (średnio 14 300 EURO na każde zakłócenie lub 50 000 EURO na każdy zakład), a najwyższe straty sięgały 165 000 EURO. Oczywiście zakłady wytwarzające towary o wysokiej wartości dodanej i wymagające wieloetapowych procesów produkcyjnych, takie jak zakłady półprzewodników, poniosłyby o wiele wyższe straty. Tabela poniżej podaje kilka typowych wielkości start. Przemysł Typowa wysokość strat finansowych na jednym zdarzeniu Fabryka półprzewodników 3 800 000 EURO Obrót papierami wartościowymi 6 000 000 EURO na godzinę Centrum komputerowe 750 000 EURO Telekomunikacja 30 000 EURO na minutę Huta stali 350 000 EURO Fabryka szkła 250 000 EURO 3 W ci¹gu 10 miesiêcy zanotowano 858 zak³óceñ przynosz¹cych straty finansowe siêgaj¹ce 600 000 Euro. Koszty niskiej jakoœci zasilania Są to olbrzymie koszty ponoszone w wyniku zapadów napięcia trwających mniej niż sekundę. Problem polega na tym, że nie sposób przewidzieć ani kontrolować zachowania się jakiegoś systemu, ponieważ nieznana jest reakcja poszczególnych urządzeń, takich jak sprzęt do przetwarzania danych lub napędy bezstopniowe, na zapady napięcia. W systemie produkcji ciągłej, takiej jak produkcja papieru, skutki są równie poważne jak przy całkowitym zaniku napięcia, to samo dotyczy kosztów czyszczenia linii, strat surowców i produkcji. Przy skomputeryzowanych operacjach produkcyjnych ponowne uruchomienie dużej ilości stacji roboczych, ponowienie rozpoczętych transakcji oraz odzyskanie niezapisanych dokumentów może trwać kilka godzin. Produkcja półprzewodników jest szczególnie narażona na duże straty, ponieważ produkcja płytek wymaga około 25 etapów wytwarzania i trwa kilka dni. Jeśli płytka zostanie zniszczona pod koniec cyklu produkcyjnego, cała wartość dodana też będzie stracona. Tempo rozwoju półprzewodników jest obecnie bardzo wysokie, konkurencja bardzo silna a cykl życia produktu tak krótki, że strata produktu jest głównym problemem nie tylko producentów, ale również ich klientów - odbiorców, którzy nie mogą wytwarzać ani wysyłać z kolei swoich produktów. Systemy zasilania bezprzerwowego on-line, gdzie zasilanie odbywa się bez przerwy z baterii w sposób ciągły ładowanych z sieci, są odporne na zapady napięcia. Jednostki zasilane off-line są mniej bezpieczne, ponieważ utrata zasilania musi być wykryta, aby rozpocząć zasilanie z generatora wewnętrznego. Jeśli próg zadziałania jest zbyt wrażliwy, system zasilania bezprzerwowego (UPS) włącza i wyłącza się często i niepotrzebnie, natomiast jeśli ten próg jest ustawiony zbyt nisko zapady napięcia oddziałują na obciążenie. Należy zapoznać się ze szczegółowymi specyfikacjami przed wyborem konkretnego modelu. Nale¿y braæ pod uwagê koszt wymiany uszkodzonego sprzêtu oraz koszt przestoju. Zjawiska przejściowe - przepięcia Zjawiska przejściowe to bardzo krótkie zaburzenia napięcia (poniżej kilku milisekund), ale o wysokiej amplitudzie (do kilku tysięcy Volt) i bardzo krótkim czasie narastania. Większość przebiegów przejściowych powstaje w wyniku zakłóceń odpiorunowych lub włączania dużego bądź biernego obciążenia. Ze względu na wysokie częstotliwości takie zakłócenia są znacznie wytłumione podczas rozchodzenia się w sieci tak, że zakłócenia występujące blisko rozpatrywanego punktu sieci będą o wiele intensywniejsze niż te powstające daleko. Urządzenia zabezpieczające w sieci zapewniają utrzymanie przejściowych na bezpiecznym poziomie, a większość problemów powstaje, ponieważ źródło przejściowych jest blisko lub wewnątrz instalacji użytkownika. Przebiegi przejściowe są szczegółowo omówione w Sekcji 5. Skutki uszkodzeń powstałych w wyniku zjawisk przejściowych mogą być natychmiastowe, na przykład duża awaria elektrowni, uszkodzenie danych w komputerach czy uszkodzenie kabli. Takie skutki mogą pojawić się też po jakimś czasie, przy czym każde zakłócenie wywołane zjawiskiem przejściowym niszczy instalację stopniowo zanim dochodzi do awarii. Trzeba brać tu pod uwagę koszt wymiany zepsutego urządzenia i koszt przestoju. Ochrona jest stosunkowo tania. Podstawowym wymaganiem jest instalacja uziemienia zapewniająca niską impedancję w szerokim zakresie częstotliwości oraz dobre połączenie o niskiej impedancji z uziomem. Systemy uziemienia są szczegółowo omówione w Sekcji 6. System przeciwpiorunowy powinien mieć odpowiednią konstrukcję, biorącą pod uwagę czynniki miejscowe, takie jak ilość wyładowań atmosferycznych w ciągu roku. Urządzenia chroniące przed zjawiskami przejściowymi powinny być zamontowane na przewodach doprowadzających, włącznie z liniami telefonicznymi i innymi liniami komunikacyjnymi. Producent powinien zabezpieczyć aparaturę łączeniową w odpowiednie ograniczniki przepięć, a odpowiednie procedury eksploatacji powinny zostać wdrożone. Wnioski Ryzyko handlowe wywołane problemami jakości zasilania jest bardzo poważne nawet dla sektorów nie korzystających z wysokorozwiniętych technologii, bo naraża i takie sektory na duże straty finansowe. Z drugiej strony zapobieganie powstawaniu takich problemów jest stosunkowo tanie i obejmuje różne działania od zastosowania prostych i sprawdzonych reguł projektowych po instalowanie szeroko dostępnych urządzeń, systemów i rozwiązań jakości zasilania. 4 Europejskie Centra Promocji Miedzi i partnerzy programu Leonardo da Vinci Power Quality Benelux European Copper Institute W³ochy Istituto Italiano del Rame 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: 00 32 2 777 70 70 Fax: 00 32 2 777 70 79 Email: [email protected] Web: www.eurocopper.org Kontakt: H. De Keulenaer Via Corradino dAscanio 4 I-20142 Milano Italy Tel: 00 39 02 89301330 Fax: 00 39 02 89301513 Email: [email protected] Web: www.iir.it Kontakt: V. Loconsolo Copper Benelux Via Cardinal Maffi 21 I-27100 Pavia Italy Tel: 00 39 0382 538934 Fax: 00 39 0382 308028 Email: [email protected] Web www.ecd.it Kontakt: Dr A. Baggini 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: 00 32 2 777 7090 Fax: 00 32 2 777 7099 Email: [email protected] Web: www.copperbenelux.org Kontakt: B. Dôme Hevrox Schoebroeckstraat 62 B-3583 Beringen Belgium Tel: 00 32 11 454 420 Fax: 00 32 11 454 423 Email: [email protected] Kontakt: I. Hendrikx KU Leuven Kasteelpark Arenberg 10 B-3001 Leuven-Heverlee Belgium Tel: 00 32 16 32 10 20 Fax: 00 32 16 32 19 85 Email: [email protected] Kontakt: Prof. Dr R. Belmans Niemcy Deutsches Kupferinstitut e.V Am Bonneshof 5 D-40474 Duesseldorf Germany Tel: 00 49 211 4796 323 Fax: 00 49 211 4796 310 Email: [email protected] Web: www.kupferinstitut.de Kontakt: S. Fassbinder HTW Goebenstrasse 40 D-66117 Saarbruecken Germany Tel: 00 49 681 5867 279 Fax: 00 49 681 5867 302 Email: [email protected] Kontakt: Prof Dr W. Langguth Institutio Italiano del Rame TU Bergamo Viale G Marconi 5 I-24044 Dalmine (BG) Italy Tel: 00 39 035 27 73 07 Fax: 00 39 035 56 27 79 Email: [email protected] Kontakt: Prof. R. Colombi Wielka Brytania Copper Development Association Verulam Industrial Estate 224 London Road St Albans Hertfordshire AL1 1AQ England Tel: 00 44 1727 731205 Fax: 00 44 1727 731216 Email: [email protected] Webs: www.cda.org.uk & www.brass.org Kontakt: A. Vessey Polska Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. Pl.1 Maja 1-2 PL-50-136 Wroc³aw Polska Tel: 00 48 71 78 12 502 Fax: 00 48 71 78 12 504 Email: [email protected] Kontakt: P. Jurasz Politechnika Wroc³awska Wybrze¿e Wyspianskiego 27 PL-50-370 Wroc³aw Polska Tel: 00 48 71 32 80 192 Fax: 00 48 71 32 03 596 Email: [email protected] Kontakt: Prof. Dr hab. in¿. H. Markiewicz Dr in¿. A. Klajn Copper Development Association Copper Development Association Verulam Industrial Estate 224 London Road St Albans AL1 1AQ Tel: Fax: Email: Websites: 00 44 1727 731200 00 44 1727 731216 [email protected] www.cda.org.uk www.brass.org David Chapman Polskie Centrum Promocji Miedzi S.A. 50-136 Wroc³aw pl. 1 Maja 1-2 Polska European Copper Institute 168 Avenue de Tervueren B-1150 Brussels Belgium Tel: Fax: e-mail: Website: Tel: Fax: Email: Website: 00 48 71 78 12 502 00 48 71 78 12 504 [email protected] www.miedz.org.pl 00 32 2 777 70 70 00 32 2 777 70 79 [email protected] www.eurocopper.org
