Artykuł naukowy

Andrzej Kaczor
Przewodzone zaburzenia elektromagnetyczne reaktora
plazmowego typu GlidArc
Streszczenie. Artykuł przedstawia zagadnienia związane z wymaganiami zasadniczymi oraz ich pomiarami z zakresu kompatybilności
elektromagnetycznej, ze szczególnym uwzględnieniem zaburzeń przewodzonych na liniach zasilających reaktor plazmowy. W pracy
zaprezentowano również pomiary zaburzeń przewodzonych reaktora typu GlidArc, oraz wpływu wybranych parametrów pracy tego reaktora na
wartości mierzonych zaburzeń przewodzonych.
Słowa kluczowe: Kompatybilność elektromagnetyczna, zaburzenia przewodzone, reaktor plazmowy, wyładowanie łukowe.
Keywords: Electromagnetic compatibility, disturbance conducted, plasma reactor, gliding arc.
Wstęp
Urządzenia elektryczne oraz elektroniczne, które
przetwarzają energię elektryczną – z wyłączeniem
urządzeń określonych w przepisach szczególnych –
podlegają obowiązkowej ocenie zgodności z wymaganiami
w zakresie kompatybilności elektromagnetycznej (EMC).
Wymagania w zakresie EMC oraz sposób ich spełnienia
określone są w dyrektywie UE [1] transponowanej do
polskiego systemu prawnego przez przepisy ustaw [2], [3].
Badania określone przez przepisy prawne oraz
odpowiednie normy mogą być wykonane w odpowiednim
laboratorium lub przez producenta urządzenia. Aby
wykonać poprawnie badania w zakresie kompatybilności
elektromagnetycznej wymagana jest szczegółowa wiedza
z zakresu wykonywania takich pomiarów, pracy reaktora
plazmowego, jak i poprawnej interpretacji wyników
pomiarów.
Reaktor plazmowy typu GlidArc
Reaktory plazmowe typu GlidArc zwane również
reaktorami ze ślizgającym się wyładowaniem łukowym,
wytwarzają plazmę nietermiczną (niskotemperaturową) [4].
Reaktory takie wykorzystywane są do eliminacji
szkodliwych związków w tym: destrukcji szkodliwych
gazów, par i aerozoli lotnych związków organicznych, H2S,
metrkaptanów, N2O, związków nitrowych, związków
chlorowanych, aromatycznych związków policyklicznych,
przetwarzania metanu do sadzy i wodoru, przetwarzania
metanu na zasadzie reformingu parowego lub suchego do
gazu syntezowego (CO i H2) służącego w dalszym etapie
do produkcji czystych paliw ciekłych, konwersji toluenu,
chloroformu, cykloheksanu, ksylenu, benzenu oraz innych
związków węglowodorowych w różnych gazach nośnych,
dopalania związków nitrowych i innych trucizn powstających
podczas unieszkodliwiania niewybuchów, przetwarzania
SO2 do postaci siarki stałej S, destrukcji ciężkich związków
węglowodorowych i sadzy [5].
Typowy schemat budowy reaktora plazmowego typu
GlidArc przedstawiono na rysunku 1. W kolumnie reaktora
symetrycznie
umieszczone są elektrody robocze.
Najczęściej jest 3 elektrody robocze, lecz może również
występować ich wielokrotność np. 6 elektrod. Elektrody
robocze wykonane są w kształcie noży, gdzie zwiększa się
odległość pomiędzy nimi ku górze. Na dole gdzie jest
najmniejsza odległość pomiędzy elektrodami roboczymi
wprowadzona
jest
dodatkowa
elektroda/elektrody
zapłonowa. Wlot gazu roboczego znajduje się na dole
reaktora plazmowego pomiędzy elektrodami roboczymi.
Elektrody reaktora zasilane są najczęściej z dwóch
oddzielnych układów: Dla elektrod roboczych napięcie
zasilania wynosi ok. 1÷2 kV a prąd od kilku do nawet
kilkudziesięciu amperów. Układ zasilania elektrod
roboczych mogą stanowić trzy oddzielne transformatory
zasilane z oddzielnych faz dla każdej z elektrod roboczych,
może być to również jeden transformator wielokolumnowy
dla wszystkich elektrod roboczych, jak też spotykane są
układy zasilania zawierające elektronikę. Elektroda
zapłonowa zasilana jest znacznie większym napięciem niż
elektrody robocze i wynosi ono ok. 10÷15 kV. Jej celem jest
doprowadzenie do wyładowań w strefie elektrod roboczych
i zjonizowanie obszaru pomiędzy nimi. W zjonizowanym
gazie można obniżyć napięcie robocze układu zasilania
elektrod roboczych, aby otrzymać wyładowanie.
Rys.1. Budowa kolumny reaktora plazmowego typu GlidArc
z trzema elektrodami roboczymi
Układy zasilania elektrody zapłonowej mogą stanowić
oddzielny transformator WN, mogą też być nawinięte
dodatkowe uzwojenia na transformator zasilania elektrod
roboczych, jak również są stosowane układy z elektroniką.
W zjonizowanym przez wyładowania od elektrody
zapłonowej obszarze pomiędzy elektrodami roboczymi
w ich najmniejszej odległości – na dole reaktora –
inicjowany jest łuk. Do kolumny reaktora również na jego
dole wprowadzany jest gaz roboczy pomiędzy elektrody
robocze za pomocą dyszy. Gaz roboczy przepływając
wzdłuż elektrod roboczych powoduje przesunięcie łuku
elektrycznego ku górze. Im wyżej łuk elektryczny jest
przesuwany, tym posiada większą odległość pomiędzy
elektrodami roboczymi. Łuk jest gaszony w chwili, gdy
energia dostarczana z układu zasilania nie jest w stanie
skompensować
odległości
pomiędzy
elektrodami
roboczymi. Częstotliwość zapalania się łuku oraz gaszenia
go jest zależna od wielu czynników w tym m.in. od
prędkości przepływu gazu, kształtu elektrod, napięcia
zasilania elektrod roboczych.
Kompatybilność elektromagnetyczna
Reaktory plazmowe wraz z układami zasilania są
urządzeniami, które muszą spełniać wymagania zasadnicze
z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej. W celu
weryfikacji spełnienia wymagań dokonuje się ocenę
zgodności, której elementem mogą być badania
w laboratorium, analiza dokumentacji technicznej jak i różne
analizy i obliczenia. Po poprawnie przeprowadzonej
procedurze oceny zgodności na analizowany wyrób
powinno być naniesione oznakowanie CE oraz wystawia się
deklarację
zgodności.
Dopiero
tak
przygotowane
urządzenie
może
być
sprzedawane
i używane.
W przypadku dokonywania oceny zgodności instalacji
stacjonarnej, na instalacji nie nanosi się oznakowania CE
oraz nie wystawia się dla niej deklaracji zgodności.
Jednym z wymagań zasadniczych w zakresie EMC jest
niewywoływanie
w
swoim
środowisku
zaburzeń
elektromagnetycznych o wartościach przekraczających
odporność na te zaburzenia innego urządzenia
występującego w tym środowisku. Wymaganie to dotyczy
również zaburzeń elektromagnetycznych emitowanych na
liniach zasilających urządzenia. Zaburzenia takie mierzy się
w zakresie częstotliwości od 9 kHz (150 kHz w zależności
od rodzaju urządzenia) do 30 MHz.
Badania przeprowadza się dla wszystkich konfiguracji
urządzenia lub jeżeli znane są konfiguracje o największej
emisji zaburzeń elektromagnetycznych i najmniejszej
odporności na takie zaburzenia – dla takich konfiguracji.
Powyższe uproszczenie można zastosować wyłącznie w
sytuacji, gdy osoba wykonująca badania zna wpływ
konfiguracji urządzenia na parametry kompatybilności
elektromagnetycznej.
Pomiary dla zaburzeń przewodzonych powinny być
wykonywane w kilku cyklach. Jeżeli wartości tła spełniają
wymagania normy to w takim przypadku można
kontynuować pomiary. W przypadku, gdy na jakiś
częstotliwościach wartości tła przewyższają wartości
podane w normie, pomiary zaburzeń przewodzonych należy
wykonać w kabinie ekranowanej lub takie częstotliwości
powinno się pomijać przy analizie wyników pomiarów.
Pomiary właściwe należy rozpocząć w zakresie
częstotliwości od 150 kHz do 30 MHz. Dla wskazanego
zakresu częstotliwości należy ustawić krok przestrajania
4,5-5 kHz wraz z filtrem wejściowym 9 kHz. Pierwszy
pomiar wykonuje się z krótkim czasem obserwacji jednej
częstotliwości około 10 ms i detektorem wartości PK
(szczytowej) i AV (średniej). Następnie wykonuje się pomiar
końcowy na wybranych z zakresu częstotliwościach
wykonanych za pomocą detektora PK lub AV. Pomiar
końcowy wykonywany jest z użyciem detektora QP (quasiszczytowy) oraz AV z czasem obserwacji 1s. Pomiaru nie
wykonuje się dla każdej częstotliwości z podanego zakresu
ze względu na dużą ilości punktów pomiarowych ok. 6000.
Rys.3. Napięcia zaburzeń przewodzonych na linii zasilającej. Gaz
roboczy – powietrze, prąd – 15 A, detektor - PK
Rys.2. Układ połączeń pomiaru napięć zaburzeń na liniach
zasilania reaktora plazmowego
Powyższy wykres przedstawia napięcia zaburzeń na lini
zasilającej mierzone detektorem PK. Czarną linią
zaznaczono limit napięć zaburzeń określony przez normę
zharmonizowaną [6] dla środowiska przemysłowego.
Pomiar ten wskazuje, że wstępna analiza zaburzeń na linii
zasilającej znacznie przekracza wartości określone przez
normę [6]. Pomiary wykonywane były przy stałym prądzie
zasilania 15 A/faz. Do kolumny reaktora dostarczano gaz
roboczy typu powietrze, którego przepływność wynosiła ok.
3
3 m /h.
Pomiary zaburzeń przewodzonych wykonuje się
w komorze
ekranowanej
lub
przy
płaszczyznach
uziemionych. Układ pomiarowy określony jest przez normy
wykorzystując sieć sztuczną, która pełni funkcję sondy
pomiarowej, zestandaryzowanego obciążenia źródła
zaburzeń oraz posiada wbudowane filtry na wejściu
obciążenia.
Zaburzenia przewodzone reaktora plazmowego
Normy z zakresu kompatybilności elektromagnetycznej
nie określają wymagań dla urządzeń typu reaktor
plazmowy. W takim przypadku można zastosować Np. tzw.
normy
środowiskowe,
które
określają
poziomy
kompatybilności elektromagnetycznej w zależności od tego,
w jakim środowisku urządzenie będzie pracowało. Z uwagi
na to, że reaktory plazmowe pracują zazwyczaj
w środowiskach uprzemysłowionych można zastosować
normę dla takich środowisk [6].
Rys.4. Napięci zaburzeń na linii zasilającej przy różnych gazach
roboczych
Znacznie mniejsze wartości zaburzeń przewodzonych
występują przy zastosowaniu argonu, jako gazu roboczego.
Różnice w pomiarach dla powietrza i argonu wynoszą
nawet, 15 Bdb., jednak nie powoduje to obniżenie wartości
zaburzeń do wartości akceptowalnych przez zastosowaną
normę. Porównanie wartości pomiarów wykonanych
detektorem PK dla gazów roboczych powietrze i argon
przedstawiono na rysunku 4.
Pomiary detektorem PK z bardzo krótkim czasem
obserwacji nie dają wiarygodnego wyniku i są nieczytelne
ze względu na duże różnice wartości na sąsiednich
częstotliwościach. Spowodowane jest to znacznie szybszą
zmianą parametrów elektrycznych, jakie zachodzą
w kolumnie reaktora plazmowego w stosunku do czasu
obserwacji na jednej częstotliwości pomiarowej. Znacznie
dokładniejsze wyniki może dać pomiar detektorem QP
z dłuższym czasem obserwacji, jednak pomiar całego
zakresu częstotliwości bez zmiany parametrów reaktora
będzie trwał około 2 godzin.
Dla
lepszego
zobrazowania
wyników
pomiarów
wyznaczono średnią poziom z kolejnych 25 wartości
pomiarów mierzonych detektorem PK z krótkim czasem
obserwacji i porównano je z wartościami zmierzonymi
detektorem
QP.
Porównanie
wyników
pomiarów
przedstawiono na rysunku 5.
Rys.5. Porównanie napięć zaburzeń - detektor PK wartości
uśrednione i QP
Na rysunku 7 i 8 przedstawiono porównanie wyników
pomiarów dla różnych wartości prądów zasilających
elektrody robocze oraz różnych wartości przepływności
gazu roboczego. Pomiary wykonywane były detektorem QP
przy niezmiennych pozostałych parametrach reaktora.
Rys.7. Napięcia zaburzeń na linii zasilającej dla rożnych wartości
przepływu gazu roboczego
Podsumowanie
Przedstawione wyniki potwierdzają, że mierzony reaktor
nie spełnia wymagań normy środowiskowej z zakresu
kompatybilności elektromagnetycznej, a tym samym
wymagań zasadniczych określonych w dyrektywie i polskich
przepisach prawa [1-3]. Znaczne przekroczenia wskazują
na potrzebę zastosowania mechanizmów zmniejszających
poziomy zaburzeń przewodzonych. Wartości zaburzeń
przewodzonych można ograniczać poprzez zastosowanie
odpowiednich filtrów, pierścieni montowanych w obwodzie
zasilania, przeprojektowania układu zasilania lub konstrukcji
reaktora oraz zmiany pracy parametrów pracy reaktora.
Takie rozwiązania można zastosować na etapie
projektowania układu oraz montażu. Należy jednak znać
wpływ zmiany pracy poszczególnych parametrów pracy
reaktora
na
wartości
emitowanych
zaburzeń
przewodzonych. Podejście takie obniża koszty wytworzenia
reaktora plazmowego oraz zwiększa prawdopodobieństwo
spełnienia przez reaktor parametrów z zakresu
kompatybilności elektromagnetycznej. Może również
obniżyć koszty wytworzenia, a później obsługi reaktora.
Zasadnym jest kontynuowanie pomiarów z zakresu
emisji zaburzeń przewodzonych oraz poszukiwanie wpływu
takich parametrów jak konstrukcja reaktora, układy
zasilania, oraz rodzaje gazów roboczych na wartości
zaburzeń przewodzonych wytwarzanych przez reaktory
plazmowe typu GlidArc.
LITERATURA
Rys.6. Napięcia zaburzeń na linii zasilającej dla rożnych wartości
prądu układu zasilania elektrod roboczych
Prąd roboczy zmieniany był w zakresie od 5 do 20
A/fazę. Reaktor zasilany był powietrzem o stałej wartości
3
przepływu 3 m /h. Zmiana wartości prądu zasilania elektrod
roboczych we wskazanym zakresie powoduje zmianę
wartości napieć zaburzeń na liniach zasilających w zakresie
do około 5 dB V w szczególności w zakresie niższych
wartości częstotliwości.
Zmiana wartości przepływu gazu wykonywana była
3
w zakresie od 2,5 do 4 m /h. Pozostałe parametry nie były
zmieniane i prąd zasilania elektrod roboczych wynosił 15
A/fazę. Do reaktora doprowadzone było powietrze, jako gaz
roboczy.
[1] Dyrektywa 2004/108/WE Parlamentu Europejskiego i Rady
z dnia 15 grudnia 2004 r. w sprawie zbliżenia ustawodawstw
Państw Członkowskich odnoszących się do kompatybilności
elektromagnetycznej oraz uchylającej dyrektywę 89/336/EWG
(Dz. Urz. UE L 390 z 31.12.2004, str. 24);
[2] Ustawa z dnia 13 kwietnia 2007 r. o kompatybilności
elektromagnetycznej (Dz.U. z 2007 r., nr 82, poz. 556 z późn.
zm.);
[3] ustawa z dnia 30 sierpnia 2002 r. o systemie oceny zgodności
(Dz.U. z 2010 r., nr 138, poz. 935 z późn. zm.);
[4] Stryczewska H.D., “Technologie plazmowe w energetyce
i inżynierii środowiska”, Wydawnictwo Politechniki Lubelskiej,
Lublin 2009;
[5] Pikon K., Czekalska Z., Stelmach S., Scierski W.,
”Zastosowanie metod plazmowych do oczyszczania gazu
procesowego ze zgazowania biomasy” Archiwum Gospodarki
Odpadami i Ochrony Środowiska (ISSN 1733-4381) Vol 12 Nr
4/2010, s.61-72;
[6] PN-EN 61000-6-4:2004 “Kompatybilność elektromagnetyczna
(EMC) Część 6-4: Normy Ogólne Norma emisji w środowiskach
przemysłowych”, Polski Komitet Normalizacyjny, Warszawa
(2004);