Materiały z II Konferencji Naukowo-Technicznej "Diagnostyka w sieciach elektroenergetycznych zakładów przemysłowych", Płock, 2001, str.3-10.

Transkrypt

1 Materały z II Konferencj Naukowo-Techncznej "Dagnostyka w secach elektroenergetycznych zakładów przemysłoch", Płock, 001, str Andrzej OLENCKI Poltechnka Zelonogórska, Zelona Góra, ul. Podgórna 50, e-mal: A.Olenck@e.uz.zgora.pl Krzysztof URBAŃSKI Poltechnka Zelonogórska, Zelona Góra, ul. Podgórna 50, e-mal: K.Urbansk@e.uz.zgora.pl ANALIZATOR CALPORT100 NOWY TREND W DIAGNOSTYCE I EKSPLOATACJI SIECI ENERGETYCZNYCH Omówono analzatory parametrów sec energetycznej w wersj przenośnych walzek pomaroch. Zkłe analzatory umożlwają pomar napęć, prądów, kątów fazoch współczynnków mocy, mocy czynnych, bernych pozornych, ponadto nektóre umożlwają pomar harmoncznych napęć prądów. Omawany analzator umożlwa dodatkowo śwetlane grafczne wektora napęć prądów oraz analzę harmoncznych mocy czynnych bernych, a także, dodatkowo łączy funkcje czterokwadrantowego kontrolnego lcznka energ oprogramowana stacj wzorcownczej. Połączene tych funkcj w jednym przenośnym przyrządze znacza no trend w omawanym obszarze technk. W ręce pracownków służb energetycznych przekazywany jest przyrząd o możlwoścach, które dotychczas mały nelczne laboratora. W celu many dośwadczeń praktycznych, omówono nowe możlwośc dagnozy przyczyn powstawana harmoncznych napęca. 1. OPIS TRENDU Rozwój elektronk technk pomaroch przyczynł sę do pojawena sę nowego rodzaju przyrządu pomarowego analzatora (mernka) parametrów sec energetycznej testera lcznków energ, który łączy w sobe funkcje dwóch przyrządów: analzatora parametrów sec testera lcznków. Analzatory parametrów sec produkowane są w wersj stacjonarnych mernków tablcoch, przenośnych walzek pomaroch stacjonarnych przyrządów laboratoryjnych (tabl.1). Praktyczne wszystke analzatory parametrów sec umożlwają pomar napęć (U), prądów (I), kątów fazoch (ϕ), współczynnków mocy (cosϕ, snϕ), częstotlwośc (f), mocy czynnych (P), bernych (Q) pozornych(s). Analzatory tablcowe zazczaj ne merzą energ czynnej E P, bernej E Q pozornej E S - czasam umożlwają analzę harmoncznych napęć prądów, ale bez grafcznej wzualzacj nków pomarów. Analzatory laboratoryjne, oprócz pełnego zestawu merzonych parametrów sec z energą włączne, umożlwają analzę harmoncznych napęć prądów, oraz często analzę harmoncznych mocy czynnych bernych, wraz z grafczną wzualzacją nków pomarów, a także grafczne śwetlane wektora trójfazowego napęć prądów. Duża dokładność szerok zakres merzonych welkośc okupone są zazczaj dużym gabarytam soką ceną. Część analzatorów laboratoryjnych posażona jest w funkcje czterokwadrantowego testowana lcznków energ oraz, czasam w możlwość testowana lcznków maksymalnych. Testowane lcznków energ jest podstawową funkcją testerów lcznków specjalzowanych przyrządów złożonych z lcznka kontrolnego specjalstycznego oprogramowana stacj wzorcownczej. Część testerów lcznków, szczególne laboratoryjnych, posażana jest w funkcje typowe dla analzatorów parametrów sec, główne w funkcje pomaru napęć, prądów, kątów mocy, rzadzej w funkcje analzy harmoncznych napęć prądów.

2 Tablca 1. Zestawene funkcj analzatorów parametrów sec testerów lcznków energ Częstość stępowana funkcj [%] Analzatory parametrów sec Testery lcznków Funkcja stacjonarne przenośne stacjonarne przenośne stacjonarne tablcowe walzkowe laboratoryjne walzkowe laboratoryjne Pomar U+I+ϕ+cosϕ+f+ 100% 100% 100% 50% 80% +P+Q+S+f+E P +E Q +E S zazczaj czasam czasam U1: 30.1 V P1: 30.5 W U: 30.0 V P: 40.7 W U3: 9.9 V P3: 9.3 W I1: 1.10 A P Σ: W bez pomaru bez pomaru bez pomaru I: 1.17 A Q Σ: 0.33 var I3: A S Σ: VA ϕ1: 1. cosϕ: 0.99 ϕ: 0.9 snϕ : 0.01 f: 50.0Hz ϕ3: 3.7 f : 50.0Hz cosϕ: 1.00 energ E energ E energ E UIϕ PQS UIϕ PQS Analza harmoncznych U+I 0% 40% 90% 10% 40% 100,0% 1: 30,1V : 0,V 0,1% 3: 13,7V 6,0% 4: 0,1V 0,0% 5: 6,5V,8% THD: 9,45% bez grafk czasam z grafką zazczaj z grafką czasam z grafką czasam z grafką U L1 data U L1 Analza harmoncznych P+Q 0% 10% 50% 0% 0% 100,0% 1: 30,1W : -3,0W -10,0% 3: 5,7W,4% 4: -,3W -1,0% 5: -4,6W -,0% THD: 13,45% P L1 data 3%- ± -3% P L1 czasam z grafką zazczaj z grafką Grafka wektorowa 0% 40% 90% 10% 0% U1 I1 L13 U1 I1 L 13 I3 U3 I U 1.00 A 00 V I3 U3 U 1.00 A 00 V Testowane lcznków w czterech -% +% kwadrantach 0s ε: -0.7% P: 345. W 10s 0% 0% 30% 100% 100% 3s par E: kwh maksymalnych 0% 10% 0% 10% 30% 1 : kwh : kwh ε: % Pnst: 34.5 kw t: 1 mn tm: 15_ mn Pmax: kw tme: 1: start tmax reset Calport-100 PRZENOŚNY zmnejszane: gabarytów, masy, poboru mocy WIELOFUNKCYJNY zwększane: lczby funkcj: pełna analza harmoncznych U+I+P+Q, grafka wektorowa, pełne testowane lcznków, dokładnośc, zakresu pomarów

3 W ostatnch latach zmnejszyła sę różnca mędzy analzatoram parametrów sec testeram lcznków jest to szczególne wdoczne w grupe przyrządów laboratoryjnych, oraz pojawły sę nowe przyrządy, które w sobe łączą obe grupy funkcj. Przykładem takch przyrządów jest sera analzatorów parametrów sec testerów lcznków typu Calport100 [1] (klasa dokładnośc 0, lub 0,1), Calport00 [] (klasa 0,05) Calport400 [3] (klasa0,0). Połączene obu grup funkcj w jednym przenośnym przyrządze znacza no trend w omawanym obszarze technk pomarowej welkośc elektroenergetycznych.. PARAMETRY TECHNICZNE Analzator Calport100 jest przenośnym urządzenem elektroncznym łączącym welofunkcyjność (tabl.1) z dużą dokładnoścą klasa 0,1% lub 0,% (tabl.) w szerokm zakrese prądów 0, A z welowarantom prowadzanem danych (śwetlane cyfrowe grafczne, wewnętrzne pamęc, lokalne drukowane na mnaturowej drukarce, transmsja przez nterfejs lub modem analza danych na komputerze PC). Szerok zakres napęć zaslana od 85V do 65V mały pobór mocy typowo około 6VA, umożlwają zaslane analzatora bezpośredno z obwodów pomaroch, tym samym stosowane go na obektach, także w tych mejscach, gdze ne stępuje pomocncze napęce zaslana. Mały gabaryt cężar tylko 4,5kg umożlwają stosowane go równeż w trudnodostępnych mejscach o małej przestrzen. Tablca. Zestawene parametrów analzatora Calport100 Funkcja / parametr Napęce Prąd bezpośredn Zakres 10, ,0V 40, ,0V 10, ,99V 0, ,000A 0, ,000A 0, ,0999A 0, ,0A 5, A 0,05...6A / V 0, ,0499A / ,99V 0, A / V A / V 0,05...6A / V 0, ,0499A / ,99V 0, A / V A / V 0,05...6A / V 0, ,0499A / ,99V 0, A / V A / V Błąd dopuszczalny klasa 0,1 klasa 0, ±0,1% ±0,1%* ±0,1% ±0,1%* ±0,% ±0,%* ±0,% ±0,%* Prąd z cęgam 100A Prąd z cęgam 1000A ±0,5% ±0,5% Moc energa czynna ±0,1% ±0,% pomar bezpośredn ±0,1%* ±0,%* Moc energa czynna pomar cęgam ±0,5% ±0,5% Moc energa berna ±0,% ±0,4% pomar bezpośredn ±0,%* ±0,4%* Moc energa berna pomar cęgam ±0,5% ±0,5% Moc energa pozorna ±0,1% ±0,% pomar bezpośredn ±0,1%* ±0,%* Moc energa pozorna pomar cęgam ±0,5% ±0,5% Rozdzelczość pomaru błędu badanego lcznka "ε" 0,01% 0,01% Kąt fazo pomar bezpośredn ±0, ±0,4 0,0...±360,0 Kąt fazo pomar cęgam ±0,5 ±0,5 Współczynnk mocy cos ϕ sn ϕ 0,00...±1,00 ±0,01 ±0,01 Częstotlwość 45,0...65,0Hz ±0,1Hz ±0,1Hz Wpływ temperatury otoczena 0,1 błędu dopuszczalnego / 1 C w zakrese temperatur C C Wpływ znekształceń 0,1 błędu dopuszczalnego / 1%THD w zakrese...0% Zaslane Wymary masa * wartośc końcowej podzakresu pomaru, błąd dopuszczalny mocy odnesony do wartośc mocy pozornej / Hz / 10VA 0 / 160 / 165 mm / 4,5 kg

4 3. OPIS OPCJI ANALIZY HARMONICZNYCH Opcja analzy harmoncznych umożlwa pomar współczynnków harmoncznych K całkowtego współczynnka odkształcena harmoncznym (całkowty współczynnk znekształceń) THD, w zakrese częstotlwośc od podstawowej do 0-tej harmoncznej, dla napęć, prądów, mocy czynnych mocy bernych każdej z faz L1, L L3, które są oblczane z zastosowanem Dyskretnej Transformaty Fourera według następujących wzorów: U I K U = 100% K I = 100% (1) U1 I1 P Q K P = 100% K Q = 100% () S1 S1 0 = THD U = 100% THD I = 100% (3) 0 0 U I = 1 U 0 = 0 = = 1 THD P = 100% THD Q = 100% (4) 0 0 P Q = 1 P gdze: K U, K I, K P, K Q - współczynnk harmoncznych napęca, prądu, mocy czynnej bernej [%], THD U, THD I - całkowte współczynnk znekształceń napęca prądu [%], THD P, THD Q - całkowte współczynnk znekształceń mocy czynnej mocy bernej [%], U, I - wartośc skuteczne napęca prądu, - rząd (numer) harmoncznej, - moc pozorna perwszej harmoncznej. S 1 Zgodne z normą [4], harmonczne napęca mogą być określane: ndywdualne, jako loraz wartośc skutecznych danej harmoncznej składowej podstawowej współczynnk harmoncznych K, łączne, przez współczynnk THD. Współczynnk harmoncznych K według (1) opsują udzał poszczególnych harmoncznych napęca (prądu) w wartoścach skutecznych perwszych harmoncznych napęć (prądów), natomast współczynnk harmoncznych według () opsują udzał poszczególnych harmoncznych mocy czynnej (bernej) w perwszej harmoncznej mocy pozornej. Realzacja funkcj analzy harmoncznych, szczególne analzy harmoncznych mocy czynnej bernej, bez konecznośc wspomagana sę komputerem, maga zastosowana w przyrządze nowoczesnych elementów elektroncznych o znacznych mocach oblczenoch złożonych algorytmów pomaroch. Natomast sama obsługa funkcj analzy harmoncznych nterpretacja nków pomarów jest stosunkowo prosta, szczególne w tych przypadkach, gdy sposób obsług tej funkcj jest przyjazny dla użytkownka. Na rys.1 przedstawono przykładowe ekrany funkcj analzy harmoncznych. Z pozomu ekranu pomaru napęć, prądów kątów fazoch (rys.1a) może być brany, przez nacśnęce 0 = = 1 I Q

5 C T U F N H R Z 0 V pola " ", ekran pomaru harmoncznych napęca (rys.1b) z prezentacją danych w postac grafcznej. Zmana postac prezentowana danych z grafcznej na numeryczną następuje przez nacskane pola " " (rys.1b 1d) pola "data" (rys.1c). Pole "U" (rys.1c) służy do zmany analzowanej welkośc, natomast pole "L1" (rys.1d) służy do zmany fazy analzowanej welkośc. Ekran pomaru Ekran pomaru Ekran pomaru harmoncznych harmoncznych napęć, prądów napęca dane napęca dane kątów grafczne numeryczne a b c d Ekran pomaru harmoncznych mocy czynnej dane grafczne U1: 30.1 V U: 30.0 V U3: 9.9 V I1: 1.10 A I: 1.17 A I3: A ϕ1: 1. cosϕ: 0.99 ϕ: 0.9 snϕ : 0.01 ϕ3: 3.7 f : 50.0Hz UIϕ PQS U L1 1: 30,1V 100,0% : 30,1V 13,1% 3: 3,4V 1,5% 4: 1,1V 0,5% 5: 0,9V 0,4% U L1 data THD: 14,45% 3%- ± -3% P L1 Analza harmoncznych Postać grafczna lub numeryczna Wybór welkośc: U-I-P-Q-U... Wybór fazy: L1-L-L3-L1... Rys.1. Przykładowe ekrany analzy harmoncznych Przykładowe dane pomarowe, mogą być zapamętywane w wewnętrznej pamęc analzatora w momentach nacskana przycsku, mogą być przesyłane lokalne do komputera PC w celu zapamętywana analzy (rys.), drukowane na mnaturowej drukarce w celu dokumentowana aktualnego stanu sec lub przesyłane na duże odległośc przez modem telefonczny w celu ch zapamętywana analzy, np. w postac profl obcążeń. DATE : TIME : CLIENT : MARCKS AND JOHN : WOODWARD STREET 5 : TEL : FAX : C SER. NO. COMMENT : 3 PHASE METER : 100V 5A : TYPE C5 CL. : BROKEN LEADEN SEAL : OPENED CURRENT CIR. : : : L PHASE U : 31.4 V I : 3.45 A ϕ : 30.0 cosϕ : 0.87 snϕ : 0.50 f : 50.0 Hz THD : 4.1 % P1 : 698 W : % P :.1 W : 0.3 % P3 : 0.0 W : 0.0 % P4 : 0.0 W : 0.0 % P5 : -4.4 W : -3.5 % P6 :.1 W : 0.3 % P7 : 0.0 W : 0.0 % P8 : 0.0 W : 0.0 % P9 : 0.0 W : 0.0 % P10 : 0.0 W : 0.0 % P11 : 0.0 W : 0.0 % P1 : 0.0 W : 0.0 % P13 : 0.0 W : 0.0 % P14 : 0.0 W : 0.0 % P15 : 0.0 W : 0.0 % P16 : 0.0 W : 0.0 % P17 : 0.0 W : 0.0 % P18 : 0.0 W : 0.0 % P19 : 0.0 W : 0.0 % P0 : 0.0 W : 0.0 % 100% 3% ±0,1% 3% 100% Rys.. Schemat możlch połączeń w celu prowadzana analzy danych pomaroch

6 4. SZKODLIWE ODDZIAŁYWANIE WYŻSZYCH HARMONICZNYCH Wyższe harmonczne wołują wele negatywnych zjawsk w systeme przesyłu energ. Energa zawarta w ższych harmoncznych, w ogólnym przypadku, ne przenos "pożytecznej" mocy czynnej do odbornków powoduje jedyne zwększone straty, co przedstawa prostopadłoścan mocy na rys.3 wzór (5): * S = P + Q + K (5) S * P K S Q Rys.3. Prostopadłoścan mocy gdze: S * - moc pozorna modułowa, P - moc czynna, Q - moc berna, K - moc odkształcena. Z rys.3 wzoru (5) wdać, że moc odkształcena K [5], podobne jak moc berna Q, powoduje zwększane mocy pozornej S do wartośc mocy S * przy stałej wartośc mocy czynnej P, co właśne powoduje straty wołane nadmernym poberanem mocy odkształcena. Negatywny wpływ harmoncznych przejawa sę w różnorodny sposób, w znacznym stopnu w zależnośc od rzędu harmoncznej. Z teor prądu trójfazowego wadomo [5], że harmonczne, w zależnośc od rzędu, tworzą układy (wrowana faz) kolejnośc zgodnej, przecwnej zerowej, w szczególnośc: harmonczne rzędu 1, 4, 7, 10,... tworzą układ kolejnośc zgodnej, harmonczne rzędu, 5, 8, 11,... tworzą układ kolejnośc przecwnej, harmonczne rzędu 3, 6, 9, 1,... tworzą układ kolejnośc zerowej. Te harmonczne, które tworzą układ kolejnośc przecwnej, powodują powstawane w slnkach pola magnetycznego o przecwnym kerunku wrowana w stosunku do pola głównego (zjawsko podobne do hamowana przecwprądem), co oznacza ne tylko zwększene strat mocy czynnej, ale zmnejszene mocy slnka, jego przegrzewane w efekce skrócene żywotnośc slnka [6]. Trzeca harmonczna jej neparzyste welokrotnośc dodają sę w przewodze zerom sec czteroprzewodowej - w przypadku braku harmoncznych symetrycznego obcążena, snusodalne prądy fazowe kompensują sę do zera prąd w przewodze zerom ne płyne. W skrajnym przypadku oddzaływana tych harmoncznych, wartość skuteczna prądu zerowego może być 1,73-krotne wększa od wartośc skutecznej prądu fazowego, co przy założenu jednakowego przekroju żył przewodu zerowego przewodów fazoch, oznacza 3-krotne ceplne przecążene przewodu zerowego, które powoduje ne tylko zwększene strat mocy, ale może prowadzć do uszkodzena przewodu zerowego. Każda z harmoncznych, nezależne od rzędu, może powodować rezonanse w systeme energetycznym, które oprócz zwększena strat mocy, mogą powodować dodatkowe szkody, take jak: uszkodzena szyn zborczych w rozdzelnach, spowodowane rezonansom drganam mechancznym, uszkodzena elementów systemu, np. bater kondensatorów, spowodowane rezonansom napęcem lub prądem.

7 5. ZASTOSOWANIE FUNKCJI ANALIZY HARMONICZNYCH DO DIAGNOZY PRZYCZYN POWSTAWANIA HARMONICZNYCH NAPIĘCIA Normy [4] defnują dopuszczalne pozomy tylko harmoncznych napęca, zarówno dopuszczalne pozomy poszczególnych harmoncznych (K U ), jak dopuszczalny pozom wszystkch harmoncznych (THD U ). Harmonczne napęca zaslającego są spowodowane główne przez nelnowe odbornk u odborców. Na rys.4 przedstawono schemat rozpływu mocy w obwodze elektrycznym, który złożony jest ze źródła zaslana o snusodalnej sle elektromotorycznej E dwóch odbornków mocy czynnej jednego odbornka lnowego jednego odbornka nelnowego. Ze źródła zaslana poberana jest przez odbornk nelno moc czynna P' 1(N) przez odbornk lno moc czynna P' 1(L), które odpowadają mocy perwszej harmoncznej. Moc P' 1(N) w częśc równej P O(N) jest przemenana w odbornku nelnom na pracę użyteczną, natomast pozostała jej część jest przetwarzana na moc ższych harmoncznych P h(n), które dostarczane są zwrotne od odbornka do źródła [5]. Harmonczne prądu przepływając przez mpedancję sec (mpedancja zastępcza Z Z ) powodują powstane harmoncznych napęca. Pomar harmoncznych napęca na zacskach wejścoch obwodów obu odbornków pozwala na konane testu na zgodność parametrów sec z normam [4] U L I L1 3%- ± -3% P L1 Z Z P h(n) E P' 1(N) +P' 1(L) P 1(N) P O(N) Źródło zaslana Odbornk nelno P 1(L) P h(l) P O(L) U L I L1 3%- ± -3% P L1 Odbornk lno Rys.4. Rozpływ mocy w obwodze z odbornkem nelnom

8 Na rys.4 pokazano przykładowe nk pomaru harmoncznych na wejścu obwodu odbornka nelnowego wejścu obwodu odbornka lnowego nk pomaru harmoncznych napęca (U), prądu (I) mocy czynnej (P). Jednakowe nk pomaru harmoncznych napęca zblżone nk pomaru harmoncznych prądu, ne pozwalają na dagnozę przyczyny powstawana harmoncznych. Dopero nk pomaru harmoncznych mocy pozwalają na szybką dagnozę, który z odbornków jest źródłem znekształceń. Na ekrane wdma mocy obwodu nelnowego stępują dwa słupk perwszy o wartośc 100% jest proporcjonalny do mocy czynnej perwszej harmoncznej (P 1(N) ) dostarczanej ze źródła zaslana do obwodu nelnowego, a drug o wartośc mnus 6% jest proporcjonalny do mocy czynnej pątej harmoncznej (P h(n) ) twarzanej przez odbornk nelno. Na ekrane wdma mocy obwodu lnowego stępują równeż dwa słupk perwszy o wartośc 100% jest proporcjonalny do mocy czynnej perwszej harmoncznej (P 1(L) ) dostarczanej ze źródła zaslana do obwodu lnowego, natomast drug o wartośc plus 1% jest proporcjonalny do mocy czynnej pątej harmoncznej (P 1(L) ) dostarczanej z sec do odbornka lnowego. Opsany przykład prosty sposób lokalzacj źródeł powstawana harmoncznych napęca przy stosowanu nowoczesnych analzatorów z pełną analzą wdmową napęć, prądów mocy. Po włączenu analzatora w badany obwód, sprawdza sę znak harmoncznych mocy czynnej. Jeżel harmonczna mocy czynnej ma znak dodatn, to źródłem znekształceń jest dostawca energ, jeżel natomast harmonczna mocy czynnej ma znak ujemny, to źródłem mocy czynnej jest użytkownk. 6. WNIOSKI Jedną z funkcj nowoczesnego analzatora parametrów sec testera lcznków energ jest funkcja pełnej analzy wdmowej napęć prądów oraz mocy czynnej bernej. Przyrządy take oferowane są już w małogabarytoch przenośnych walzkach o coraz nższej cene mogą stanowć ndywdualne posażenu brygad służb energetycznych. Analza wdmowa mocy czynnych jest prostym skutecznym środkem do dagnozy przyczyn powstawana harmoncznych napęca, co z kole umożlwa podejmowane dzałań w celu zmnejszana strat mocy szkód w secach energetycznych, spowodowanych znekształcenam. Analza wdmowa mocy, w połączenu z funkcją sprawdzana dokładnośc lcznka energ bezpośredno na obekce, rozszerza możlwośc dagnostyk sec energetycznej. LITERATURA [1] Mernk napęca, prądu mocy elektrycznej (Analzator) typu Calport-100. Instrukcja obsług. Calmet ( Zelona Góra, [] Electrcty Meter and Instrument Calport [3] Portable Calbraton Meter Calport 400. User`s Manual E.00. Hamburger Elektronk Gesellschaft. [4] PN-EN 50160: Parametry napęca zaslającego w publcznych secach rozdzelczych. Projekt normy. [5] Kuśmerek Z.: pomary mocy energ w układach elektro-energetycznych. WNT, Warszawa [6] Grocholsk A.: Harmonalyzer HA-000. Product Catalog. Amprobe Instrument. [7] Katalog frm Alpes Technologes, Amprobe, Ardertem, Calmet, EDI, HEG, Metrol, MTE, Pfsterer, Satec, Schlumberger.