JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ - ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA

Transkrypt

1 JAKOŚĆ ENERGII ELEKTRYCZNEJ - ZMIANA WARTOŚCI SKUTECZNEJ NAPIĘCIA Zbigniew HANZELKA Wykład nr 3

2 U/U[%] CHARAKTERYSTYKA CENELEC V 120 V 100 V 1 0,1 0, Liczba prostokątnych zmian napięcia na minutę

3 SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Przekształtniki statyczne Proces elektrolizy Urządzenia elektrotermiczne Silniki elektryczne Styczniki i przekaźniki Piece łukowe

4 SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Silniki elektryczne Wahania napięcia mogą być przyczyną powstawania składowej zmiennej momentu elektromagnetycznego powodującego dodatkowe drgania mechaniczne silnika. Skutkiem tego zjawiska może być szybsze zużywanie się elementów mechanicznych (np. łożysk) i znaczne zmniejszenie się okresu eksploatacji silnika pomiędzy remontami. Straty ekonomiczne w tym przypadku wynikają z kosztów dodatkowych remontów oraz z zwiększonego czasu przestoju napędzanego urządzenia technologicznego.

5 SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Odbiorniki elektrotermiczne Piece łukowe Wahania napięcia utrudniają optymalne wykorzystanie mocy transformatora piecowego wymuszając dodatkowe procesy regulacyjne związane z utrzymaniem właściwej długości łuku elektrycznego. Najczęściej wydłuża to czas wytopu stali, a w konsekwencji zmniejsza wydajność pieca i w związku z tym powoduje straty ekonomiczne.

6 SKUTKI WAHAŃ NAPIĘCIA Aparatura stycznikowo-przekaźnikowa Wahania napięcia mogą powodować zakłócenia w pracy styczniów i przekaźników powodując często zbędne wyłączenia urządzeń, a nawet procesów technologicznych oraz błędne zadziałania zabezpieczeń. Skutki finansowe takich awarii mogą być znaczne.

7 Ih/I1 [%] Ia[A], Ua[V] Urządzenia energoelektroniczne Ia 400 Ua t[ms] nr harmonicznej Nie zmodulowane napięcie

8 Ih/I1 [%] Ia[A], Ua[V], Ud[V] Urządzenia energoelektroniczne 1500 Ud 1000 Ia 500 Ua t[ms] nr harmnicznej Zmodulowane napięcie

9 POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA

10 POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Względna zmiana napięcia d = U/U N [%] i częstotliwość Współczynniki wahań napięcia (migotania światła) Pst i Plt

11 POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA u(t) [%] U U U 7. Zmian napięcia ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 t [s] Czas trwania zmiany Cykl zmiany napięcia

12 U/U[%] POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA V 120 V 100 V 1 7 0,1 0, Number of rectangular voltage changes per minute

13 POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Sygnał napięcia Sygnał chwilowego migotania światła Model źródła światła Model wpływu zmian strumienia świetlnego na reakcje mózgowe człowieka Obróbka statystyczna (10 min.) P ST

14 POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Schemat blokowy miernika migotania światła UIE

15 POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Charakterystyka częstotliwościowa filtru ważonego miernika migotania światła UIE

16 POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA ilustracja sposobu wyznaczania czasu występowania migotania na różnych poziomach wartości

17 MIERNIK MIGOTANIA

18 WSPÓŁCZYNNIKI CHARAKTERYZUJĄCE WAHANIA NAPIĘCIA Krótkoterminowy współczynnik migotania światła Pst Plt 10 min 2h P LT 3 N i 1 P N 3 STi

19 WSPÓŁCZYNNIK Pst Permanent recording graph /01/02 02:00:00 31/01/02 04:00:00 31/01/02 06:00:00 31/01/02 08:00:00 31/01/02 10:00:00 31/01/02 12:00:00 31/01/02 14:00:00 Time (Range = 1 day(s) ) 31/01/02 16:00:00 31/01/02 18:00:00 31/01/02 20:00:00 31/01/02 22:00:00 01/02/02 00:00:00

20 WSPÓŁCZYNNIK Plt

21 WSPÓŁCZYNNIK Pst i Plt

22 POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Długookresowy wskaźnik migotania światła (tydzień) Plt

23 PLT POMIAR WAHAŃ NAPIĘCIA Faza C Phase C 2,500 2,000 1,500 1,000 0,500 95% 0,000 1,2% 9,5% 17,9% 26,2% 35,7% 46,4% 54,8% 63,1% 71,4% 79,8% 88,1% 96,4% Time % % czasu pomiaru Charakterystyka uporządkowana Plt będąca podstawa wyznaczania wartości P95

24 NORMALIZACJA

25 EN : Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Część 4-30: Metody badań i pomiarów - Metody pomiaru jakości energii Polski Komitet Normalizacyjny IEC : Kompatybilność elektromagnetyczna (EMC), Metody badań i pomiarów - Miernik migotania światła - Specyfikacja funkcjonalna i projektowa IEC : Assessment of emission limits for fluctuating loads in MV and HV power systems

26 POZIOMY ODPORNOŚCI IEC : Voltage fluctuation Immunity test Klasa 1 - dotyczy urządzeń szczególnie wrażliwych na zmiany (wahania) napięcia, dla których poziomy kompatybilności są niższe niż przyjęte dla sieci publicznych. Dla tych urządzeń należy stosować specjalne sposoby zasilania z wykorzystaniem różnego rodzaju filtrów, układów UPS, itp. Klasa 2 - dotyczy urządzeń przyłączonych do punktu wspólnego przyłączenia (PWP) zarówno w sieci publicznej jak i przemysłowej. Klasa 3 - dotyczy urządzeń przeznaczonych do pracy w środowisku przemysłowym, dla których poziomy kompatybilności są wyższe niż dla urządzeń klasy 2.

27 CHARAKTERYSTYKI NAPIĘCIA PN EN POZIOMY PLANOWANE POZIOMY PLANOWANE nn SN WN i NN P st 1,0 0,9 (1,0) 0,8 (0,8) P lt 0,7 0,7 0,6 W nawiasach podano wartości rekomendowane przez UIE

28 Wahania napięcia Wartości graniczne wahań napięcia przyjęte Norwegii Wskaźnik 0,23 U N 35 kv 35 kv < U N Przedział czasu P ST 1,2 1,0 95% tygodnia P LT 1,0 0,8 100% tygodnia

29 PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Rodzaj zasilania: Napięcie znamionowe: 3-fazy, 4-przewody 230V 15,7 kv / 0,4 kv AL 4x35mm 2 AL 4x25mm 2 447m 50m YAKY 4x35mm 2 16m Odbiorca 1 S N = 100 kva S Z = 75,64 MVA Yzn5; 4,25% Punkt przyłączenia przyrządu Odbiorca 2 AsXS 4x50mm 2 YAKY 4x35mm 2

30 PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego

31 PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Kwantyl 95% - U A95 = 232.2V

32 PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego

33 PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego

34 PLT PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Faza A 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 1,19% 9,52% 19,05% 29,76% 39,29% 50,00% 59,52% 69,05% 80,95% 89,29% 97,62% 2,38% % czasu pomiaru Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie A, wartość współczynnika Plt przekracza 1 2,38%.

35 PLT PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Faza B 2,000 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 0,800 0,600 0,400 0,200 0,000 1,19% 9,52% 17,86% 26,19% 34,52% 42,86% 51,19% 60,71% 71,43% 80,95% 89,29% 98,81% 9.6% % czasu pomiaru Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie B, wartość współczynnika Plt przekracza 1 9,6%.

36 PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Faza C 2,500 2,000 PLT 1,500 1,000 0,500 0,000 1,2% 9,5% 17,9% 26,2% 35,7% 46,4% 54,8% 63,1% 71,4% 79,8% 88,1% 96,4% 19.2% % czasu pomiaru Procent czasu tygodnia podczas którego, w fazie C, wartość współczynnika Plt przekracza 1 19,2%.

37 PRZYKŁAD Warunki zasilania odbiorcy komunalnego Jednofazowa spawarka Trójfazowa spawarka

38 SPOSOBY REDUKCJI I ELIMINACJI SKUTKÓW WAHAŃ NAPIĘCIA

39 SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA Zwiększenie mocy zwarciowej w punkcie zasilania odbiorników niespokojnych można uzyskać poprzez: zastosowanie do zasilania odbiorników transformatora o większej mocy znamionowej i mniejszym napięciu zwarcia, przyłączenie odbiorników niespokojnych do sieci o wyższym napięciu znamionowym (poprzez odpowiedni transformator), zasilanie odbiorników niespokojnych o dużych mocach za pomocą specjalnych (adresowanych) linii bezpośrednio ze stacji wysokiego napięcia energetyki zawodowej, zastosowanie kondensatorów szeregowych w układzie zasilającym (także szeregowych kondensatorów)

40 SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA Xc X X L X C L 1 C

41 SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA Piec łukowy szeregowe dławiki, właściwa praca automatyki posuwu elektrod, wstępne przygotowanie wsadu, itp. Spawarki zasilanie z oddzielnych transformatorów, stosowanie agregatów trójfazowych, przytłaczanie do fazy nie obciążonej odbiornikami oświetleniowymi itp. Układy złagodzonego rozruchu silników elektrycznych Wzrost odporności odbiorników na wahania napięcia

42 SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA U U N X Q U 2 N Q S zw U U N * X ( Q Q U 2 N C ) Q S Q zw C U 2 P 2 + j Q 2 U 1 R R + j X P l + j Q l P l + j (Q l -Q c ) Q c C

43 SPOSOBY REDUKCJI WAHAŃ NAPIĘCIA DYNAMICZNE STABILIZATORY NAPIĘCIA Statyczne Wirujące Energoelektroniczne Nasycone dławiki Liniowokomutow ane Samokomutuj ace STATCOM DVR TSC TSC/TCR

44 MASZYNA SYNCHRONICZNA Supply network PCC ~U Fluctuating load E k jix d -U Tr Control system Reference voltage I. I F Synchronous compensator Converter U (a) maszyna synchroniczna pracująca w układzie dynamicznego stabilizatora napięcia; (b)wykres wskazowy

45 MASZYNA SYNCHRONICZNA Q s PWP Q k E s I s I o I k Z s U Q o Z Tr Z o X d E k W stanie pracy ustalonej kompensator synchroniczny można przedstawić za pomocą uproszczonego jednofazowego schematu zastępczego

46 MASZYNA SYNCHRONICZNA I w1 U charakterystyki statyczne charakterystyki przejściowe I w2 I w3 I w1 > I w2 > I w3 I k Statyczne i dynamiczne charakterystyki U = f(i k ) kompensatora synchronicznego przy stałym prądzie wzbudzenia I w

47 KOMPENSATOR STATYCZNY Kompensator z nasyconymi dławikami: Samonasycający się dławik (self-saturable reactor - SR) Dławik z podmagnesowaniem prądem stałym a) b) U Ik Φm Umax UN Umin ΔU U zakres pracy Ikmin IkN I kmax Ik

48 KOMPENSATOR STATYCZNY a)... U Ik Ik Is Io odbiornik Kompensator z samonasycającym się dławikiem: C 2 C 1 ochrona przepi ęciowa Lk filtr SR a) schemat układu b) U U Ik Lk b) charakterystyka naturalna dławika c) U U < U U Ik Lk Ck c) charakterystyka z korekcją nachylenia a) U C1+ C2 C 1 U Ik Lk d) charakterystyka z równoległymi kondensatorami

49 DŁAWIK Z OBWODEM STERUJĄCYM PRĄDU STAŁEGO u ac i ac udc i dc (a) 2 a) jednofazowy schemat zastępczy; b) przebiegi czasowe strumieni magnetycznych ilustrujące zasadę działania kompensatora 1 i ac dc dc1 dc dc t i ac,2 i ac,1 t (b)

50 THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC) Sieć zasilająca Odbiornik Układ sterowania TSC

51 THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC) 120 U c u(t) i(t) U C u(t) i(t) a) b) u U m sin( t u ) i(t ) I m cos( t u ) nb C U C0 2 n U 2 n 1 m sin u sin n t I m cos u cos n t n X C / X L n 1/ LC n

52 THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC) u i u t u co =u u c u moment załączenia (a) moment wyłączenia u co < u u c i u= u c t moment załączenia (b) moment wyłączenia u co > u u u c t i moment załączenia moment wyłączenia (c)

53 THYRISTOR SWITCHED CAPACITORS (TSC)

54 DZIĘKUJE ZA UWAGĘ... Zbigniew Hanzelka Akademia Górniczo-Hutnicza Kraków, Al.. Mickiewicza 30 Tel.: ,