Problematyka kompatybilności elektromagnetycznej w energetycznej sieci zasilania niskiego napięcia

Transkrypt

1 Laskowski Mieczysław Kachel Leszek Kelner Jan Zieliński Paweł Instytut Telekomunikacji Wojskowa Akademia Techniczna Problematyka kompatybilności elektromagnetycznej w energetycznej sieci zasilania niskiego napięcia W artykule omówiono szeroko rozumianą problematykę kompatybilności elektro-magnetycznej jako zespół zaburzeń elektromagnetycznych w zakresie niskich i wysokich częstotliwości. Zagadnienia te są szczególnie ważne w przypadku instalowania coraz większej liczby urządzeń elektronicznych, które będą zasilane z tej sieci. W referacie omówione zostaną wyniki pomiarów wykonanych w wybranych obiektach i dotyczyć będą pomiarów emisji zaburzeń radioelektrycznych przewodzonych oraz impulsowych zaburzeń elektromagnetycznych powstałych w wyniku występowania procesów komutacyjnych w sieci zasilania niskiego napięcia Niezależnie od lokacji obiektów, wyniki z pomiarów zaburzeń radioelektrycznych i występujących przepięć można uznać za typowe również dla innych obiektów. 1. Wstęp Poprawna i niezawodna praca urządzeń elektronicznych uzależnione jest w znacznym stopniu od poziomu zaburzeń elektromagnetycznych niskiej i wysokiej częstotliwości występujących w energetycznej sieci zasilania. Wymagania współczesnej aparatury elektronicznej odnoszą się nie tylko do faktu dostarczania energii elektrycznej, ale w stopniu coraz bardziej istotnym do cech tej energii określanej w sposób ogólny jako jakość. Ze względu na ogromną różnorodność odbiorników dołączanych do sieci energetycznej o jakości energii elektrycznej decydować będą niektóre ich cechy i tak np. dla odbiorników mocy bardzo często będzie to zawartość wyższych harmonicznych, różnego rodzaju przerwy i zaniki napięcia. Dla odbiorników techniki informatycznej oraz telekomunikacyjnej ważniejsze mogą się okazać impulsowe zaburzenia elektromagnetyczne i zaburzenia radioelektryczne w sieciach energetycznych. Zatem podstawową przyczyną powodującą obniżenie jakości energii elektrycznej są różnego rodzaju zaburzenia elektromagnetyczne, a mianowicie: zjawiska meteorologiczne, elektromagnetyczne, zmiany właściwości urządzeń elektrycznych, awarie urządzeń i ich elementów, zmiany przewodzących właściwości obwodów oraz zaburzenia wywoływane przez zasilane odbiorniki. Pojęcie idealnego kształtu sinusoidy napięcia w sieci energetycznej jest obecnie pojęciem abstrakcyjnym. Zaburzenia pojawiające się w określonym miejscu systemu energetycznego przemieszczają się wzdłuż linii. Mogą również przenosić się w poprzek systemu, wędrując między sieciami różnych napięć. Jeżeli generowane przez źródła sygnały zakłócają urządzenia wrażliwe oznacza to, że między nimi istnieje sprzężenie elektromagnetyczne. Ogólnie wszystkie możliwe sprzężenia, przez które przenoszone są zaburzenia elektromagnetyczne, dzielone są na dwie grupy:

2 sprzężenia poprzez pole elektromagnetyczne, sprzężenia poprzez przewodzenie. Powyższy podział jest w pełni oczywisty. W procesie propagacji sygnały zakłócające przenoszone przez pole elektromagnetyczne mogą zamieniać się w obwodach elektrycznych na sygnały przenoszone przez przewodzenie, które w pewnych częściach obwodów, działających jak anteny nadawcze, mogą powtórnie się zamieniać w sygnały polowe. 2. Rodzaje zaburzeń elektromagnetycznych występujących w energetycznej sieci zasilania niskiego napięcia Prawidłowe funkcjonowanie wielu urządzeń elektrycznych i elektronicznych zależy nie tylko od rodzaju zaburzeń, ale również od ich poziomu w elektrycznej sieci zasilającej. Parametry charakteryzujące rodzaje najczęściej występujących zaburzeń zostały zestawione w tabeli nr 1[5]. Tabela 1 Rodzaj Przebieg czasowy Przyczyny powstawania Skutki Udary Zjawiska atmosferyczne (np. burze), komutacja linii energetycznych, zał. i wył. dużych silników i obciążeń indukcyjnych, kopiarki, drukarki, zadziałanie bezpieczników Uszkodzenie danych, zniszczenie wrażliwych układów elektronicznych, uszkodzenie zasilaczy, uszkodzenia ukryte, zawieszenie systemu Zaniki Uszkodzenia w liniach energetycznych, uszkodzenia w prądnicy, przeciążenia linii Przerwa w dostawie energii, potencjalne uszkodzenia sprzętu i oprogramowania, wyłączanie oświetlenia i innych systemów, utrata niezapamiętanych danych Wzrosty Bliskość postaci elektrycznej, uszkodzenie generatora (prądnicy), nagłe obniżenie (spadek poboru mocy), nieprawidłowe nastawy transformatora Zakłócenia odbiorników obciążeń, resetowanie obwodów, uszkodzenia sprzętu, pojaśnienie oświetlenia Spadki Duży pobór mocy, załączanie dużych obciążeń, fluktuacje napięcia prądnicy Wyłączanie odbiorników, przegrzewanie odbiorników, uszkodzenia głowic, przygaszanie oświetlenia Harmoniczne Zasilacze impulsowe, obciążenia w postaci prostowników, odbiorniki nieliniowe Uciążliwe zadziałanie bezpieczników, przegrzewanie przewodu neutralnego, przebicia izolacji, przegrzewanie transformatorów Przebiegi losowe (szumy) Łuk elektryczny na stykach przełącznika, urządzenia zawierające generatory częstotliwości, urządzenia energoelektroniczne, obrabiarki, nieprawidłowe masy, system oświetlenia Interfejs transmisji danych, błędne lub utracone dane, możliwość powstawania utajonych uszkodzeń sprzętowych Wymienione rodzaje zaburzeń można uznać za czynniki, które mają decydujący wpływ na tą cechę określoną mianem jakości. Będą one decydować o pracy urządzeń elektrycznych podłączonych do sieci zasilającej. Z drugiej strony urządzenia pobierające energię z sieci przyczyniają się również do obniżenia jej jakości, wprowadzając do sieci zaburzenia niskiej i wysokiej częstotliwości.

3 W artykule zostaną przedstawione wyniki pomiarów dotyczących zaburzeń radioelektrycznych i impulsowych zaburzeń elektromagnetycznych o dużej energii. 3. Metodyka pomiaru zaburzeń radioelektrycznych przewodowych występujących w energetycznej sieci zasilania Pomiary składowej niesymetrycznej napięcia zaburzeń radioelektrycznych występujących w energetycznej sieci zasilania niskiego napięcia wykonano dla układu sieci TN-C. W zakresie częstotliwości od 0.15MHz do 30MHz podstawowym sposobem emisji zaburzeń radioelektrycznych do środowiska jest przewodzenie poprzez dołączone przewody do urządzeń. Pomiar polegał na określeniu napięcia zaburzeń radioelektrycznych między każdym przewodem fazowym, a przewodem zerowym w przypadku sieci trójfazowej 3 400V/50Hz. Natomiast dla sieci jednofazowej pomiar odbywał się między przewodem fazowym a zerowym. Do pomiaru napięć zaburzeń radioelektrycznych zastosowano sondę pomiarową napięciową, która została dołączona bezpośrednio do tych obwodów sieci energetycznej, gdzie planowano wykonywać pomiar. Sondy pomiarowe napięciowe stosuje się również w przypadku, kiedy nie jest możliwe przerwanie obwodu w celu dołączenia sieci sztucznej lub gdy pobór prądu przez urządzenie badawcze jest większy od maksymalnego prądu obciążenia sieci sztucznej. Pomiary zaburzeń radioelektrycznych w sieci zasilania niskiego napięcia przy pomocy analizatora widma. Schemat blokowy pokazano na rys.1. ELEKTRYCZNA SIEĆ ZASILANIA SONDA POMIAROWA ANALIZATOR WIDMA PLOTER Rys.1. Schemat blokowy układu pomiarowego Podczas pomiarów przy pomocy analizatora widma wyniki pomiarów były rejestrowane na ploterze graficznym. Na wynik pomiaru składa się wartość odczytana ze skali uprzednio wykalibrowanego analizatora widma lub miernika zakłóceń oraz wartość wyrażona w db, która stanowi współczynnik kalibracji sondy pomiarowej w paśmie 0,15 30 MHz wraz z wartością tłumienia transformatora dopasowującego. W fabrycznej sondzie pomiarowej dokonano zmian parametrów. Korektę przeprowadzono zgodnie z zaleceniami zawartymi w normie według schematu zawartego na rysunku nr 28 w załączniku E punkt 4. Wartość zmierzonego napięcia w db można wyrazić w woltach przyjmując, że 0 db odpowiada wartości 1 μv. 4. Wybór obiektów do przeprowadzenia badań oraz przebieg i wyniki pomiarów Badania przeprowadzono w obiektach zlokalizowanych na terenie południowej Polski. Zostały one przeprowadzone w okresie kiedy nie było wyładowań atmosferycznych ze względu na zminimalizowanie niebezpieczeństwa uszkodzenia aparatury z powodu możliwości wystąpienia przepięć. Pomiary zostały przeprowadzone pod kątem oceny stanu poziomu zaburzeń radioelektrycznych w paśmie od 0,15 do 30 MHz jakie mogą wystąpić w energetycznej sieci zasilania niskiego napięcia.

4 Przyjęto założenie, że wyniki z pomiarów były odniesione do obowiązującej wówczas normy [2]. Na wstępie określono najpierw charakterystykę widma zaburzeń w paśmie 0,15 30 MHz przy załączonym detektorze wartości szczytowej. Pozwalało to na szybkie poznanie przebiegu zaburzeń radioelektrycznych w funkcji częstotliwości, ponieważ czas pomiaru w tym przypadku wynosi tylko 10 sekund. Z przebiegu wstępnie zdjętej charakterystyki można zainteresować się, w jakim paśmie należy wykonać pomiary przy załączonym detektorze wartości quasiszczytowej. Pomiary wykonane detektorem wartości quasiszczytowej trwały bardzo długo ( np. dla jednego wybranego podzakresu 150 khz 3 MHz wynosi on 1000 sekund). Na rysunkach 2 i 3 pokazano przykładowe przebiegi charakterystyk poziomu zaburzeń radioelektrycznych w funkcji częstotliwości dla wartości szczytowej w paśmie 0 30 MHz przy załączonym detektorze wartości szczytowej oraz przebieg charakterystyki poziomu zaburzeń radioelektrycznych w funkcji częstotliwości dla wartości quasiszczytowej w pasmie 0,15 3 MHz. Wyniki wykonanych pomiarów odzwierciedlają stan emisyjności zaburzeń radioelektrycznych w danym momencie, w którym wykonywany był pomiar. Dotyczy to szczególnie pomiarów analizatorem widma przy załączonym detektorze wartości qasiszczytowej. Ze względu na ograniczony czas pomiary były wykonywane w określonych porach doby tj. w godzinach Przyjęto założenie, że najwięcej urządzeń pracuje w tym przedziale czasu. Potwierdziły to założenie późniejsze obserwacje i pomiary w innych porach doby. Pomimo mankamentów przyjętej metody pomiarów, która jak wspomniano wcześniej, uzyskano sporo informacji o poziomach napięć zaburzeń radioelektrycznych w energetycznej sieci zasilania niskiego napięcia. Przyjęta metoda pomiaru pozwala tylko ocenić poziom zaburzeń radioelektrycznych w danym momencie i nie odzwierciedla sytuacji, która może zaistnieć w innej chwili czasu. Można ją zatem przyrównać do zdjęcia migawkowego. Przedstawione w artykule badania miały charakter rozpoznawczy. Pozwalają one jedynie na zorientowanie się w skali problemu. Rys.2. Przebieg zakłóceń radioelektronicznych w paśmie 0-30MHz przy załączonym detektorze wartości szczytowej

5 Rys.3. Przebieg zakłóceń radioelektronicznych w paśmie MHz przy załączonym detektorze wartości quasiszczytowej 5. Metodyka pomiarów amplitudy i częstotliwości występowania impulsowych zaburzeń elektromagnetycznych Pomiary występujący impulsowych zaburzeń elektromagnetycznych wymagają zastosowania specjalistycznej aparatury. Metody oscylograficzne pomiaru przebiegu wartości chwilowych są bardzo kosztowne i trudne. Do realizacji tego typu pomiarów najlepiej nadają się analogowe rejestratory z wbudowanym przetwornikiem przepięć. Umożliwiają one zamianę szybkozmiennego napięcia na wejściu na sygnał o wartości proporcjonalnej do wartości szczytowej napięcia wejściowego. Jednocześnie czas trwania przetworzonego impulsu musi być odpowiednio długi, żeby można było go zarejestrować przy pomocy kompensacyjnego rejestratora napięcia stałego. Wymieniony rejestrator przepięć został zbudowany z trójkanałowego rejestratora typu KR5A firmy Lumel, do którego został dobudowany trójkanałowy przetwornik przepięć [3]. Urządzenie to umożliwia zarejestrowanie przepięć na taśmie papierowej o czasie trwania 1.2/50μs bez wyróżniania biegunowości przepięć, między każdym przewodem fazowym a neutralnym w sposób jednoczesny. Pomiary są wykonywane oddziel nie dla każdej fazy. Innym rodzajem przyrządu był licznik przepięć LP4/LCD. Może on zliczać impulsy dodatnie i ujemne. Biegunowość impulsów jest ustalana przyciskiem zewnętrznym. Umożliwia on rejestrowanie impulsów o wartości szczytowej ponad 4kV. 6. Wyniki pomiarów Z punktu widzenia ochrony przeciw przepięciowej urządzeń elektronicznych zasilanych z sieci energetycznej, groźne są przepięcia o wartości szczytowej przekraczającej 500V. Intensywność występowania przepięć, ich charakter i częstotliwość zależą od rodzaju sieci i użytkownika pobierającego energie. Pomiary wykonywano w małych miejscowościach w południowo wschodniej części Polski. Zostały one wykonane w porze wiosennej aby wykluczyć obecność

6 przepięć pochodzenia atmosferycznego. Wyniki pomiarów zostały zebrane w następujących przedziałach napięciowych: V, V, V. W trakcie prowadzonych obserwacji zauważono dużą liczbę przepięć o amplitudzie V, których nie rejestrowano. Tabela 2. Zestawienie wyników pomiarów przepięć w sieci energetycznej W yniki pomiarów przepięć w obwodzie zasilania nastawni Faza R Data Liczba zakłóceń Luty 1996r V V V suma zakłóceń Faza S Data Liczba zakłóceń Luty 1996r V V V suma zakłóceń Faza T Data Liczba zakłóceń Luty 1996r V V V suma zakłóceń Zaobserwowano stosunkowo dużą liczbę impulsów powyżej 150V w ciągu jednej doby. Największa liczba impulsów przepięciowych występowała między godziną 5.00 a 6.00 rano. Zanotowano również kilka impulsów o wartości szczytowej ponad 500V i pojedyncze przepięcia o wartości 1000 i 2000V. Powstały one niewątpliwie w wyniku procesów komutacyjnych w sieci energetycznej ponieważ w tym okresie nie występowały burze. W literaturze można spotkać dane dotyczące podobnych badań przeprowadzanych w Japonii, Kanadzie, USA i Włoszech.

7 a) 25 liczba zakłóceń w fazie R V V V suma zakłóceń b) 0 dzień c) liczba zakłóceń w fazie S V V V suma zakłóceń dzień 25 liczba zakłóceń w fazie T V V V suma zakłóceń 0 dzień Literatura Rys. 4 Histogramy przepięć wyników pomiarów przepięć w poszczególnych fazach sieci 1. PN-93/T Przemysłowe zakłócenia radioelektryczne, urządzenia i metody pomiarów zakłóceń radioelektrycznych. 2. EN Kompatybilność elektromagnetyczna. Wymagania ogólne dotyczące emisyjności. Środowisko przemysłowe. 3. Laskowski M., Wróbel Z., Określenie istniejących poziomów zakłóceń elektromagnetycznych w ruchomych i stacjonarnych obiektach kolejowych. 4. Więckowski T., Pomiar emisyjności urządzeń elektrycznych i elektronicznych, Wydawnictwo Politechniki Wrocławskiej 1997r. 5. Turczyński J., Pomiary Zakłóceń w zakresie wielkich częstotliwości w energetycznych liniach zasilania niskiego napięcia, Prace Przemysłowego Instytutu Elektroniki, Warszawa 2000.