10. METODY I ŚRODKI BADANIA PARAMETRÓW JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Transkrypt

1 0. METODY I ŚRODKI BADANIA PARAMETRÓW JAKOŚCI ENERGII ELEKTRYCZNEJ 0.. Cel i zakres ćwiczenia Celem ćwiczenia jest zapoznanie się z problematyką oceny jakości energii w instalacjach elektrycznych, w szczególności w odniesieniu do parametrów napięcia zasilającego. W zakres ćwiczenia wchodzi pomiar i ocena wybranych wielkości charakteryzujących jakość napięcia zasilającego, głównie w oparciu o ustalenia normy PN-EN 5060 [0.]. 0.. Wiadomości podstawowe Prawidłowa praca urządzeń elektrycznych uwarunkowana jest m.in. parametrami zasilającej je energii elektrycznej, przy czym za parametr podstawowy uważane jest napięcie zasilające. Pożądane jest, aby parametry napięcia zasilającego na zaciskach przyłączeniowych urządzeń były równe znamionowym, lub mieściły się w przedziałach dopuszczalnych odchyleń i deformacji. Przyczyną zakłóceń napięcia zasilającego są czynniki leżące tak po stronie dostawcy energii (zwarcia w sieci, przerwy w zasilaniu, niedostateczna kompensacja mocy biernej, jakość urządzeń zasilających), jak i po stronie odbiorcy (odbiorniki pobierające prąd odkształcony, nieodpowiednie zwymiarowanie instalacji odbiorczej i niezadowalająca jakość jej elementów). W ostatnich latach coraz bardziej znaczącą przyczyną niezadowalającej jakości energii jest stale rosnąca liczba odbiorników nieliniowych. Przykładowo szacuje się, że ich udział w USA wynosił w 99 roku 5-0 % całego obciążenia, a obecnie wynosi już %. Udział odbiorników o charakterystykach nieliniowych przekraczający 5% całego obciążenia może oddziaływać negatywnie na pracę innych urządzeń i w pewnych przypadkach staje się konieczne dokonanie określonych przedsięwzięć technicznych zapewniających spełnienie wymogów dotyczących jakości energii. Dlatego dotrzymanie odpowiednich parametrów napięcia zasilającego to zadanie dotyczące tak dostawców jak i odbiorców energii elektrycznej. W przypadku dużych odbiorców przemysłowych zawierane są odpowiednie umowy pomiędzy dostawcą i odbiorcą, dotyczące dopuszczalnego poziomu zakłóceń wprowadzanych do sieci przez urządzenia odbiorcze. Ponieważ wprowadzenie takich ustaleń byłoby niezwykle trudne w przypadku indywidualnych odbiorców zasilanych z sieci komunalnych, dlatego określono dopuszczalne poziomy emisyjności zakłóceń dla odbiorników powszechnego użytku, które sprecyzowano w zeszytach normy o ogólnym numerze PN-EN 6000-x-x. Norma ta dotyczy kompatybilności elektromagnetycznej urządzeń odbiorczych, a do jej postanowień powinni się stosować producenci tych urządzeń. Z drugiej strony istnieją ustalenia dotyczące dostawców energii. W przypadku odbiorców przemysłowych są one określone

2 w indywidualnych umowach na dostawę energii, natomiast podstawowe wymogi dotyczące dotrzymania odpowiedniej jakości napięcia zasilającego dla odbiorców zasilanych z sieci komunalnych są określone w normie PN-EN 5060 [0.]. Chociaż norma ta nie ma charakteru dokumentu obligatoryjnego, stanowi ona punkt odniesienia w ocenie jakości energii elektrycznej dostarczanej odbiorcom. Norma PN-EN 5060 [0.] ustala m.in. wymagania dotyczące charakterystycznych parametrów napięcia zasilającego, podaje sposoby ich wyznaczania oraz graniczne dopuszczalne odchylenia od wartości znamionowych. Wymagania te podane są zarówno dla sieci zasilających niskiego (U n 000 V) jak i średniego napięcia (000V < U n 35 kv), przy czym dla sieci niskiego napięcia odnoszą się one do parametrów mierzonych w złączu instalacji elektrycznej. Norma [0.] podaje definicje i zakresy dopuszczalnych zmian następujących parametrów: Częstotliwość napięcia zasilającego; Znamionowa częstotliwość napięcia zasilającego powinna wynosić 50 Hz. Wartość napięcia zasilającego, to znormalizowane napięcie skuteczne sieci zasilającej. Zmiany napięcia zasilającego, to zwiększenie lub zmniejszenie wartości napięcia spowodowane zwykle zmianą całkowitego obciążenia sieci rozdzielczej lub jej części. Szybkie zmiany napięcia zasilającego, to zmiany wartości skutecznej napięcia pomiędzy dwoma jego kolejnymi poziomami, które utrzymują się przez skończony, lecz nieokreślony przedział czasu. Zmiany te są powodowane głównie zmianami obciążenia w instalacji odbiorczej lub procesami łączeniowymi w sieci zasilającej. Zapady napięcia zasilającego, to zmniejszenie się wartości napięcia zasilającego do wartości zawartej w przedziale od 90% do % napięcia znamionowego sieci, po którym, w krótkim czasie następuje wzrost napięcia do poprzedniej wartości. Umownie czas trwania zapadu napięcia wynosi od 0 ms do minuty. Głębokość zapadu napięcia definiowana jest jako różnica między minimalną wartością skuteczą napięcia w czasie trwania zapadu a napięciem znamionowym sieci. Zmiany napięcia zasilającego, które nie powodują obniżenia jego wartości poniżej 90 % napięcia znamionowego nie są uważane za zapady. Przerwy w zasilaniu, to stan, w którym napięcie w złączu sieci elektroenergetycznej jest mniejsze niż % napięcia znamionowego. Przerwy w zasilaniu są sklasyfikowane jako: - planowe, gdy odbiorcy są wcześniej poinformowani; przerwy planowe mają na celu umożliwienie wykonania zaplanowanych prac w sieci, - przypadkowe, spowodowane zwykle trwałymi lub przemijającymi zwarciami, uszkodzeniami urządzeń lub zakłóceniami w ich pracy; przerwy przypadkowe dzieli się na:

3 krótkie przerwy w zasilaniu, których czas trwania nie przekracza 3 minut długie przerwy w zasilaniu których czas trwania przekracza 3 minuty. Dorywcze przepięcia o częstotliwości sieciowej, to przepięcia o relatywnie długim czasie trwania, występujące w określonym miejscu sieci. Przepięcia przejściowe, to krótkotrwałe oscylacyjne lub nieoscylacyjne przepięcia, zwykle silnie tłumione, trwające kilka milisekund lub krócej. Niesymetria napięcia zasilającego, to w sieci trójfazowej stan, w którym wartości skuteczne napięć fazowych lub kąty fazowe między kolejnymi fazami nie są równe. Uciążliwość migotania światła, to poziom dyskomfortu wzrokowego odczuwanego przez człowieka, spowodowanego migotaniem światła. Uciążliwość ta określana jest na drodze pomiarowej i określają ją: - wskaźnik krótkookresowego migotania światła P st, mierzonego przez 0 minut, - wskaźnik długookresowego migotania światła P lt, obliczonego z sekwencji kolejnych wartości P st występujących w okresie godzin, zgodnie z zależnością: P 3 sti P lt = i=. (0.) Harmoniczne napięcia, to napięcie sinusoidalne o częstotliwości równej krotności częstotliwości podstawowej napięcia zasilającego. Harmoniczne napięcia mogą być określone: - indywidualnie, przez względną wartość amplitudy danej harmonicznej U h odniesionej do napięcia składowej podstawowej U n (tabela 0.): - łącznie, np. przez całkowity współczynnik odkształcenia harmonicznymi THD u, obliczany z zależności: 40 U h i= THDu = U. (0.) W normie zawarta jest informacja, że ustalone wartości charakterystycznych parametrów napięcia zasilającego dotyczą normalnych warunków pracy. Postanowienia normy nie są stosowane m.in. w odniesieniu do:

4 pracy sieci po wystąpieniu zwarcia i w sytuacji tymczasowych układów zasilania utworzonych w celu zapewnienia ciągłości zasilania odbiorców oraz w przypadku prowadzenia prac zmierzających do zminimalizowania czasu trwania przerwy oraz obszaru dotkniętego przerwą w zasilaniu, w sytuacjach wyjątkowych, w szczególności takich jak: - klęski żywiołowe i szczególnie niekorzystne warunki atmosferyczne, - zakłócenia spowodowane przez osoby trzecie, - działania władz publicznych, - strajki, - siły wyższe, - niedobór mocy wynikający ze zdarzeń zewnętrznych. Tab.0.. Dopuszczalne wartości skuteczne napięcia poszczególnych harmonicznych U h wyrażone w procentach harmonicznej podstawowej Nieparzyste harmoniczne nie będące krotnością 3 Wartość Rząd harmoniczna h U h [%] >5 Sieci nn i ŚN 6 5 3,5 3,5,5,5 Sieć WN i NWN,5,5 0,7 9,7 0,+ +0, 5 5 h Nieparzyste harmoniczne będące krotnością 3 Wartość Rząd harmoniczna h U h [%] > Sieci nn i ŚN 5,5 Sieć WN i NWN 0,3 0, 0, Rząd h Parzyste harmoniczne > Wartość harmoniczna U h [%] Sieci nn i ŚN Sieć WN i NWN,5 0, 0, 0, 0, Norma PN-EN 5060 podaje dopuszczalne zmiany parametrów napięcia zasilającego mierzone w ciągu jednego tygodnia w odcinkach 0-cio minutowych (łącznie 008 odcinków). Dla każdego z tych odcinków określa się średnią wartość danej wielkości. Następnie podaje się, w jakich granicach powinno się zawierać 95% spośród zmierzonych w ciągu tygodnia 008 odcinków. Norma nie precyzuje natomiast w przypadku niektórych wielkości dopuszczalnych granic ich zmienności w pozostałych 5% odcinków 0-cio minutowych. Ten sposób klasyfikacji pomiarów

5 nazywa się percentylem 95-cio procentowym. Podstawowe ustalenia normy [0.] wraz z krótkim opisem mierzonych wielkości zawarto w tabeli 0.. Tab. 0.. Parametry określające jakość napięcia oraz dopuszczalne odchylenia tych parametrów od wartości znamionowych wg PN-EN-5060 [0.] Lp. Parametr Warunki pomiaru i dopuszczalne odchylenia od wartości znamionowej 3 Częstotliwość Wartość średnia częstotliwości mierzona w czasie 0s nie powinna przekraczać o więcej niż + % częstotliwości znamionowej tj. ( 49,5 5 Hz ) przez 95% tygodnia oraz + 4% i -6% tj Hz Wartość napięcia zasilającego 3 Zmiany napięcia zasilającego 4 Szybkie zmiany napięcia 5 Zapady napięcia zasilającego (Rys. ) 6 Krótkie przerwy w zasilania ( do 3 minut ) Długie przerwy w 7 zasilaniu (dłuższe niż 3 min.) przez pozostałe 5% tygodnia Znormalizowane napięcie znamionowe w publicznych sieciach rozdzielczych niskiego napięcia powinno wynosić 400/30 V Średnia wartość skuteczna napięcia mierzona w czasie 0 min. w normalnych warunkach pracy powinna się mieścić w przedziale + 0% napięcia znamionowego przez 95% tygodnia Szybkie zmiany napięcia w normalnych warunkach pracy nie powinny przekraczać 5% U N oraz dopuszcza się, aby w pewnych okolicznościach zmiany te osiągnęły kilka razy w ciągu dnia wartość do 0% U N W normalnych warunkach pracy zapady napięcia przekraczające 0% U N mogą występować od kilkudziesięciu do tysiąca razy w roku; większość zapadów charakteryzuje się czasem trwania krótszym niż s i głębokością mniejszą niż 60% W normalnych warunkach pracy liczba krótkich przerw w zasilaniu może wynosić od kilkudziesięciu do kilkuset w ciągu roku; czasy trwania krótkich przerw w zasilaniu przeważnie nie przekraczają s W normalnych warunkach pracy liczba przerw w zasilaniu trwających dłużej niż 3 min. może dochodzić do 50 w ciągu roku; nie dotyczy to wyłączeń planowych

6 3 8 Przepięcia dorywcze o częstotliwości sieciowej 9 Przepięcia przejściowe o krótkim czasie trwania, oscylacyjne lub nieoscylacyjne 0 Niesymetria napięcia zasilającego Harmoniczne napięcia zasilającego Niektóre uszkodzenia po stronie pierwotnej transformatora, głównie zwarcia, mogą powodować przepięcia po stronie niskiego napięcia, nie przekraczające z reguły 500 V. W przypadkach doziemień w sieciach niskiego napięcia, na skutek przesunięcia punktu neutralnego, napięcia faz nieuszkodzonych względem przewodu neutralnego mogą osiągać do 3 razy wyższe wartości Przepięcia przejściowe są powodowane przez wyładowania atmosferyczne lub czynności łączeniowe, w tym działaniem bezpieczników; w sieciach niskiego napięcia właściwie chronionych, przepięcia z reguły nie przekraczają 6 kv Średnie wartości skuteczne składowej symetrycznej przeciwnej mierzone w czasie 0 min., w normalnych warunkach pracy, w okresie każdego tygodnia, w 95% pomiarów nie powinny przekraczać % składowej zgodnej; w instalacjach odbiorców zasilanych jednofazowo lub międzyfazowo dopuszcza się niesymetrię w sieci trójfazowej do 3% Średnie wartości skuteczne poszczególnych harmonicznych mierzone w czasie 0 min., w normalnych warunkach pracy, w okresie każdego tygodnia, w 95% pomiarów nie powinny przekraczać wartości podanych w tabeli. Ponadto współczynnik THD u (0.) napięcia zasilającego, uwzględniający harmoniczne do 40 rzędu nie powinien przekraczać 8 % Niektóre typowe zakłócenia napięcia zasilającego zilustrowano na rys. 0.. Wyniki pomiarów parametrów napięcia zasilającego uzyskane w kolejnych odcinkach 0-cio minutowych służą do sporządzenia tzw. wykresu uporządkowanego, czyli diagramu, na którym zaznacza się kolejne wyniki pomiarów porządkując odcinki czasu według wartości średniej zmierzonego odchylenia danego parametru: od największej do najmniejszej wartości. (rys. 0.). Na osi odciętych tego diagramu znajduje się 008 odcinków pomiarowych z całego tygodnia. Oś odciętych rozdziela się na dwa zakresy: pierwszy, obejmujący 5% odcinków pomiarowych o najwyższych odchyleniach badanej wielkości, oraz drugi, obejmujący pozostałe 95% odcinków pomiarowych, w których wartości badanej wielkości powinny zawierać się

7 w granicach tolerancji określonych w tabeli 0.. Wykresy uporządkowane stanowią podstawę do oceny danego parametru napięcia w myśl normy [0.]. U, U A U A 0,9 U A zakres dopuszczalnych zmian napiecia zasilajacego, 95% spośród 0-cio minutowych próbek tygodniowego pomiaru U n t zapad napięcia, t > 0 ms krótka przerwa w zasilaniu t < 3 min Rys. 0.. Ilustracja typowych zakłóceń napięcia zasilającego w myśl normy [0.]; U N napięcie znamionowe wartość skuteczna, U A amplituda napięcia znamionowego. 8 % THD U % t t [x 0 min] Rys. 0.. Przykładowy wykres uporządkowany pomiarów współczynnika odkształcenia napięcia THD U w różnych punktach (,, 3) zasilania.

8 Niedostateczne parametry napięcia zasilającego mają istotny wpływ na poprawną pracę odbiorników energii elektrycznej. W szczególności dotyczy to elektrycznych źródeł światła, silników elektrycznych oraz kondensatorów do kompensacji mocy biernej [0., 0.3, 0.4, 0.5] Niezbędne przygotowanie studenta Studentów obowiązuje znajomość materiału dotyczącego oceny jakości napięcia zasilającego w myśl normy [0.] Opis stanowiska laboratoryjnego W skład stanowiska pomiarowego wchodzą: - jednofazowy analizator parametrów napięcia typu FLUKE 43, - zestaw komputerowy wraz z oprogramowaniem Fluke View.0 umożliwiającym obsługę przyrządu pomiarowego, - trójfazowy silnik indukcyjny. Rys.0.3. Wygląd okna ekranowego przyrządu FLUKE 43 z listą opcji pomiarowych. Przyrząd FLUKE 43 jest przyrządem umożliwiającym pomiary i rejestrację następujących parametrów energii elektrycznej (rys. 0.3): - wartości skutecznych napięcia i prądu, - częstotliwości, - harmonicznych napięcia zasilającego i prądu (do rzędu 5 ), - współczynnika odkształcenia THD napięcia i prądu ( względem całkowitej wartości skutecznej lub harmonicznej podstawowej ),

9 - szybkich zmian napięcia ( SAGS & SWELLS ), - wykrywanie zdarzeń i rejestracja przebiegów nieustalonych ( TRANSIENTS ), Dodatkowo przyrząd posiada funkcje: - pomiaru wartości mocy czynnej, biernej i pozornej oraz współczynnika mocy, - rejestracji przebiegów prądów rozruchowych silników, - pomiaru rezystancji i pojemności, - pomiaru temperatury, - dwukanałowego oscyloskopu. Rys.0.4. Sposób połączenia przyrządu FLUKE 43 w wybranym punkcie instalacji 0.5.Program ćwiczenia.. Wykonać pomiary wybranych, wskazanych przez prowadzącego, parametrów napięcia zasilającego w wybranych punktach instalacji laboratorium: - w rozdzielnicy głównej, - na zaciskach wybranych stanowisk laboratoryjnych, - na zaciskach trójfazowego silnika indukcyjnego. Ze względu na stosunkowo krótki czas trwania ćwiczenia (ok. 90 minut) pomiary danego parametru napięcia zasilającego powinny być wykonane jedynie w kilku bądź kilkunastu bezpośrednio po sobie następujących odcinkach czasu, najlepiej czterominutowych.

10 . Dla wykonanych pomiarów sporządzić wykresy uporządkowane analizowanych parametrów i dokonać oceny ich zgodności z ustaleniami normy [0.]. Pomiary na zaciskach rozdzielnicy głównej lub wybranych stanowisk laboratoryjnych. Dokonać kilku bądź kilkunastu czterominutowych rejestracji wskazanych przez prowadzącego parametrów napięcia zasilającego, w szczególności: - zmian i zapadów napięcia, - całkowitego współczynnika zawartości wyższych harmonicznych THD U, - procentowej zawartości wybranych harmonicznych. Pomiary na stanowisku należy wykonać bez jego obciążenia i podczas obciążenia stanowiska wskazanymi przez prowadzącego odbiornikami. Pomiary zmian napięcia zasilającego oraz zawartości wyższych harmonicznych należy dokonać przyrządem FLUKE 43 w opisany niżej sposób. Do rejestracji pomiarów należy wykorzystać program komputerowy Fluke View.0. a) Przebieg zmian wartości skutecznej napięcia zasilającego: - otworzyć Menu i wybrać opcję SAGS & SWELLS, - ustawić czas rejestracji - 4 minuty, - po zakończeniu rejestracji, zapisać w pamięci przyrządu obraz ekranu (przycisk SAVE ), - dokonać kilku następnych identycznych pomiarów. Rys Sposób prezentacji wyników pomiaru wartości współczynnika THD % () oraz wartości wyższych harmonicznych () w napięciu zasilającym na ekranie przyrządu FLUKE 43.

11 b) Zawartość wyższych harmonicznych w przebiegu napięcia zasilającego: - otworzyć Menu i wybrać opcję HARMONICS; ustawić względem jakiego napięcia (wartość skuteczna napięcia zasilającego, bądź wartość skuteczna pierwszej harmonicznej), ma być określony współczynnik THD U, - odczytać wartości współczynnika THD %f (, rys. 0.5) oraz wartości określonych przez prowadzącego harmonicznych (, rys. 0.5) w napięciu zasilającym; Pomiary na stanowisku laboratoryjnym z trójfazowym silnikiem indukcyjnym. Należy wyznaczyć następujące parametry jakości energii elektrycznej na zaciskach silnika trójfazowego: c) Współczynnik niesymetrii napięcia zasilającego: - podłączyć przyrząd na stanowisku wg rys otworzyć Menu przyrządu i wybrać funkcję VOLTS/AMPS/HERTZ, - zmierzyć wartości skutecznych napięcia międzyprzewodowego (U, U 3, U 3 ), - obliczyć średnią wartość zgodnie ze wzorem U + U 3 + U 3 U sr = (0.3) 3 - obliczyć wartość odchylenia od wartości średniej i wybrać wartość największą: U U U 3 3 = U = U = U 3 3 U U U sr sr sr U max = max{ U, U, U } (0.4) obliczyć współczynnik niesymetrii z zależności: U max n = *00% (0.5) U sr Dokonać pomiaru zmian napięcia oraz zawartości wyższych harmonicznych w napięciu i w prądzie wybranej fazy w sposób opisany wyżej w punktach a) i b) Sposób opracowania wyników badań Zarejestrowane przebiegi zmian wartości skutecznej napięcia oraz współczynnika odkształcenia THD zapisać w formacie ASCII. Na podstawie uzyskanych wyników

12 przy pomocy arkusza kalkulacyjnego Excel można np. sporządzić wykresy uporządkowane (rys.0.5c) lub poddać wyniki obróbce statystycznej. Otrzymane wyniki porównać z wartościami dopuszczalnymi. W sprawozdaniu zamieścić: zarejestrowane wykresy zmian napięcia, wykresy uporządkowane oraz wydruki obrazów z ekranu przyrządu pomiarowego (rys.0.5a,b). a) b) c) Średnie, 0-minutowe wartości skuteczne napięcia U [ V ] 0,8 0,6 0,4 0, 0 9,8 9, Czas trwania pomiaru [ % ] Rys Przykład rejestracji zmian wartości skutecznej napięcia w instalacji budynku szkolnego w okresie godziny: a) wygląd ekranu jednofazowego analizatora sieci typu FLUKE 43, b) wykres zarejestrowany przy pomocy programu komputerowego FlukeView.0, c) uporządkowany wykres zbioru 0-minutowych, średnich wartości skutecznych napięcia Literatura [0.] PN-EN 5060: Parametry napięcia zasilającego w publicznych sieciach rozdzielczych. PKN, 998. [0.] Markiewicz H. : Urządzenia elektroenergetyczne, WNT Warszawa 00 r. [0.3] Markiewicz H.: Niezawodność dostawy i jakość energii elektrycznej jako kryteria wyznaczające sposoby zasilania odbiorców i wykonania instalacji

13 elektrycznych, Opracowanie nr 9//00, Polskie Centrum Promocji Miedzi, Wrocław 00. [0.4] Sozański J.: Niezawodność i jakość pracy systemu elektroenergetycznego, WNT Warszawa 990 r. [0.5] Teresiak Z.: Elektroenergetyka zakładów przemysłowych, Wrocław 98 r.